Efektywność przemysłowa zwiększona przez silniki indukcyjne do klatek wiewiórkowych

W wielu sektorach przemysłu, w tym w uzdatnianiu wody, produkcji chemicznej i produkcji, elektryczne siłowniki zaworów odgrywają kluczową rolę. Siłą napędową tych siłowników są często niezawodne, trwałe i ekonomiczne silniki klatkowe. Co sprawia, że silniki te są tak powszechnie stosowane? Jak dokładnie działają? Ten artykuł zawiera dogłębną analizę konstrukcji silnika klatkowego, zasad działania, zastosowań i kwestii konserwacji.

Silnik indukcyjny klatkowy to silnik prądu przemiennego, który działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej: obracające się pole magnetyczne stojana indukuje prąd w wirniku, powodując obrót i generując moc mechaniczną. Jak sama nazwa wskazuje, jego wirnik przypomina klatkę dla wiewiórki, składającą się z laminowanych blach ze stali krzemowej tworzących cylinder z wbudowanymi prętami przewodzącymi i zwarciami przez pierścienie końcowe na obu końcach.

Zrozumienie działania silnika klatkowego wymaga znajomości jego kluczowych elementów:

• Stojan
• Wirnik
• Łożyska
• Osłony końcowe
• Wał

Czym silniki klatkowe różnią się od innych standardowych typów silników indukcyjnych?

W przeciwieństwie do silników z wirnikiem uzwojonym, konstrukcje klatkowe eliminują szczotki i pierścienie ślizgowe, zmniejszając liczbę elementów podatnych na zużycie. Skutkuje to niższymi wymaganiami konserwacyjnymi, co jest szczególnie korzystne w przypadku zastosowań z elektrycznymi siłownikami zaworów.

Uproszczona konstrukcja zazwyczaj zapewnia wyższą sprawność z lepszym zarządzaniem termicznym i zmniejszonymi stratami wewnętrznymi, dzięki czemu silniki te są idealne do ciągłej pracy w:

• Systemach przenośników
• Pompach i wentylatorach
• Systemach HVAC

Silniki klatkowe oferują wyjątkową wszechstronność, dostępne w różnych rozmiarach i mocach znamionowych, aby spełnić specyficzne potrzeby zastosowań. W połączeniu z napędami o zmiennej częstotliwości (VFD) umożliwiają precyzyjną regulację prędkości w zastosowaniach o zmiennej prędkości.

Standardowe silniki indukcyjne zazwyczaj służą w zastosowaniach wymagających wysokiego momentu rozruchowego lub płynnej regulacji prędkości, takich jak dźwigi, walcownie i ciężkie maszyny przemysłowe.

Jak dokładnie działa indukcja elektromagnetyczna w silnikach klatkowych? Przyjrzyjmy się głównym elementom i mechanizmom działania:

Stojan stanowi nieruchomą zewnętrzną część silnika, utworzoną z laminowanych blach ze stali krzemowej ułożonych w cylindryczną strukturę. Tutaj rozpoczyna się proces indukcji elektromagnetycznej.

Gdy prąd przemienny zasila uzwojenia stojana, generuje obracające się pole magnetyczne, które obraca się z prędkością synchroniczną - określoną przez częstotliwość prądu przemiennego i liczbę biegunów uzwojenia stojana. Trójfazowe silniki indukcyjne otrzymują zasilanie prądem przemiennym w trzech fazach, zapewniając płynniejszą pracę i wyższą sprawność w porównaniu do modeli jednofazowych.

Wirnik klatkowy obraca się wewnątrz stojana, składając się z prętów przewodzących (zazwyczaj aluminiowych lub miedzianych) osadzonych w laminowanych rdzeniach ze stali krzemowej i zwarciach przez pierścienie końcowe.

Te równoległe pręty przewodzące tworzą zamknięte pętle między pierścieniami końcowymi. Otrzymują one prąd indukowany z obracającego się pola stojana, generując własne pole magnetyczne, które oddziałuje z polem stojana, wytwarzając obrót.

Koncepcja poślizgu okazuje się niezbędna do generowania momentu obrotowego. Jeśli prędkość wirnika dokładnie odpowiadała prędkości synchronicznej pola magnetycznego, nie wystąpiłby żaden ruch względny między stojanem a wirnikiem, zapobiegając indukcji prądu. Zatem silniki klatkowe działają asynchronicznie, a wirnik zawsze nieznacznie pozostaje w tyle za polem stojana. Ta różnica prędkości (zazwyczaj 1-6%) nazywana jest poślizgiem - większy poślizg indukuje silniejsze prądy wirnika i generuje wyższy moment obrotowy.

Łożyska podtrzymują wirnik, umożliwiając swobodny obrót wewnątrz stojana, jednocześnie minimalizując tarcie między ruchomymi i nieruchomymi elementami. Wał wystaje z rdzenia wirnika przez obudowę silnika, przenosząc moc mechaniczną do systemów zewnętrznych, takich jak siłowniki elektryczne.

Rama mieści i chroni wszystkie elementy wewnętrzne, jednocześnie wytrzymując naprężenia mechaniczne i zmiany temperatury. Zazwyczaj wykonana z żeliwa lub stali, zapewnia trwałą integralność strukturalną.

W przypadku zastosowań z elektrycznymi siłownikami zaworów, wydajność silnika i charakterystyka momentu obrotowego decydują o niezawodnym działaniu zaworu w różnych warunkach (ciśnienie, dynamika płynów itp.). Kluczowe parametry wydajności obejmują:

• Prędkość silnika: Określa zgodność z wymaganiami systemu siłownika
• Charakterystyka rozruchu: Opisuje zachowanie podczas uruchamiania, w tym prąd rozruchowy
• Wydajność operacyjna: Obejmuje wskaźnik sprawności i współczynnik mocy (wskazujący efektywność wykorzystania energii elektrycznej)

Krytyczne charakterystyki momentu obrotowego obejmują:

• Moment rozruchowy (zablokowany wirnik): Moment obrotowy przy zerowej prędkości, aby pokonać początkowy opór (np. zawory zablokowane z powodu osadu lub wzrostu ciśnienia)
• Moment obrotowy podnoszenia: Minimalny moment obrotowy podczas przyspieszania od zatrzymania do prędkości roboczej, zapobiegający zablokowaniu w przypadku zmiennego oporu
• Moment obrotowy krytyczny: Maksymalny moment obrotowy przed zablokowaniem pod obciążeniem, ważny w przypadku sporadycznych warunków przeciążenia
• Moment obrotowy roboczy: Moment obrotowy wymagany do utrzymania ruchu zaworu przy prędkości roboczej

Podsumowując, silniki klatkowe zapewniają inherentne zalety konstrukcyjne i solidne możliwości wydajności, które sprawiają, że są idealne do wielu zastosowań, w tym do elektrycznych siłowników zaworów. Przy dostępności różnych typów (modele o wysokim momencie rozruchowym lub niskim momencie rozruchowym), właściwy dobór zależy od dopasowania specyfikacji technicznych do wymagań systemu.