Rozruch silników klatkowych

Jeśli nieruchomy silnik  przyłączyć do sieci, to w uzwojeniach jego popłynie bardzo duży prąd. Wywołane to jest tym, że prąd stojana wytwarzając wirujący strumień magnetyczny indukuje w prętach wirnika dość duże sera, powodując przepływ dużego prądu. Prąd ten wytwarza pole wirujące, które stara się osłabić pole wywołane uzwojeniem stojana. Na skutek tego w uzwojeniu stojana płynie również bardzo duży prąd. Zwykle wartość tego prądu, zwanego prądem zwarcia jest od 5 do 8 razy większa od wartości prądu znamionowego.

Jeśli wirnik ma swobodę ruchu, to pod wpływem momentu obrotowego, jaki powstaje wskutek oddziaływania strumienia magnetycznego na prąd w wirniku, zacznie wirować. W wyniku tego ulegnie zmniejszeniu prędkość, z jaką pole magnetyczne przecina pręty wirnika, co z kolei wywoła zmniejszenie sem indukowanej w prętach wirnika, a tym samym i prądu wirnikowego.

Zmniejszenie prądu w wirniku powoduje zmniejszenia prądu pobieranego przez stojan z sieci. W miarę wzrostu prędkości obrotowej wirnika prąd w stojanie maleje, początkowo stosunkowo powoli, a przy prędkościach bliskich synchronicznym — znacznie  szybciej. Jeśli wirnik jest nie obciążony, to jego prędkość będzie niewiele mniejsza od synchronicznej, natomiast prąd w stojanie osiągnie wartość wynoszącą około 20% prądu znamionowego dla dużych silników — 60% dla silników bardzo małych. Prąd ten, zwany prądem biegu jałowego, ma dwie składowe — składową czynną, pokrywającą straty mechaniczne, straty w rdzeniu stojana, zwanymi stratami w żelazie i straty na ciepło Joula w uzwojeniu, oraz składową bierną wytwarzającą strumień magnetyczny. Przebieg prądu rozruchowego pobieranego z sieci w okresie rozruchu, tj. w okresie od uruchomienia do uzyskania pełnych.

 Moment i prąd rozruchowy silnika klatkowego w zależności od  obrotów, jest  przedstawiony na rys obok krzywą 1.  Dla n = O wartość prądu rozruchowego jest równa prądowi zwarcia I_z, dla n — n„ (liczba obrotów na minutę przy biegu jałowym) jest równa prądowi biegu jałowego 1₀.

Na tym samym wykresie krzywa 2 przedstawia typową zależność momentu obrotowego na wale maszyny od prędkości obrotowej wirnika. Widać stąd, że przy wzroście prędkości obrotowej od O do n₀ moment obrotowy wzrasta początkowo aż do warto­ści M_szcz, zwanej momentem krytycznym, a później maleje i przy prędkości obrotowej n = n₀ spada do zera. Wartość momentu obrotowego M_r w chwili ruszania, to jest gdy n = O, nazywa się momentem początkowym lub momentem rozruchowym.

W dobrze skonstruowanych silnikach, moment naciągowy powinien być większy od momentu znamionowego. Jeżeli moment początkowy jest mniejszy od momentu znamionowego, to może się zdarzyć, że silnik napędzający jakieś urządzenie nie ruszy.

Przebieg krzywej 2 wskazuje, że w miarę wzrostu obciąże­nia maleje prędkość obrotowa silnika. Jeśli silnik biegnie jałowo, to moment obrotowy rozwijany przez silnik na jego wale jest równy zeru. Z chwilą obciążenia wału moment hamujący działający z zewnątrz na wał silnika wywoła przyhamowanie silnika i zmniejszenie jego prędkości obrotowej. W obszarze od n_fj do n_kr  zmniejszeniu prędkości obrotowej towarzyszy wzrost momentu obrotowego, dzięki czemu w chwili zrównania się momentu obrotowego silnika z momentem hamującym napędzanego urządzenia ustali się prędkość obrotowa silnika.

Jeśli jednak zajdzie przypadek, że moment hamujący będzie nieznacznie nawet większy od momentu krytycznego, wówczas silnik nie zrównoważy momentu hamującego i jego prędkość obrotowa zmaleje do zera. Liczbę obrotów na minutą odpowiadającą momentowi krytycznemu nazywamy krytyczną prędkością obrotową; silnik po jej osiągnięciu zatrzyma sią.

Spadek prędkości obrotowej silnika zwartego, przy przejściu od stanu biegu jałowego do obciążenia znamionowego, jest. niewielki i waha się w granicach 2 ... 5%. Mniejszy spadek odpowiada większym maszynom, większy — maszynom małym. W silnikach przeznaczonych do specjalnych napędów spotyka się często większe spadki prędkości obrotowej, które wyrażone w procentach, są niczym innym jak poślizgiem.

Prąd rozruchowy 5 ... 8 razy większy od prądu znamionowego nie przynosi szkody silnikowi, lecz powoduje powstawanie znacznych spadków napięcia na linii zasilającej silnik. Odbiorca energii elektrycznej chcąc stosować do napędu większe silniki zwarte powinien zastosować odpowiednie środki, które wpłynęłyby na zmniejszenie prądu rozruchowego.

Jednym ze sposobów zmniejszenia prądu rozruchu jest: a) zmia­na konstrukcji uzwojenia klatkowego wirnika, b) zmniejszenia napięcia doprowadzanego do silnika w okresie rozruchu, gdyż prąd rozruchowy jest prawie proporcjonalny do wartości napięcia istniejącego na zaciskach silnika, c)zastosowanie przemiennika częstotliwości z rampą startową lub sofstartu.

Zmniejszenie napięcia nie zawsze jest dopuszczalne i zależy od warunków pracy silnika, ponieważ zmniejsza nie tylko prąd rozruchowy, ale zmniejsza również moment naciągowy w stopniu jeszcze większym. Zmniejszanie w ten sposób prądu rozruchowego, odbija się ujemnie na właściwościach mechanicznych silnika w okresie jego rozruchu. Należy więc dążyć do tego aby moment obrotowy malał proporcjonalnie do prądu pobieranego z sieci przy rozruchu.

Spadek momentu obrotowego, proporcjonalny do spadku prądu pobieranego z sieci przy rozruchu, uzyskuje się włączając silnik przy połączeniu jego uzwojeń w gwiazdę, wówczas gdy normalnie  silnik pracuje przy danym napięciu sieci przy połączeniu jego uzwojeń w trójkąt. 

W takim przypadku silnik przy połączeniu uzwojeń w gwiazdę rozwija moment obrotowy 3 razy mniejszy niż przy normalnym połączeniu w trójkąt. Spowodowane to jest tym, że napięcie przyłożone do każdej z faz jest ]/ 3 razy mniejsze niż napięcie międzyprzewodowe, a to normalnie panuje na każdej fazie silnika, gdy jego uzwojenia są połączone w trójkąt. Prąd pobierany z sieci przy połączeniu w trójkąt jest 3 razy większy niż w każdej fazie trójkąta. Jednocześnie przy połączeniu w gwiazdę prąd płynący przez każdą z faz uzwojenia jest  3 razy mniejszy niż w przypadku trójkąta z uwagi na obniżkę napięcia na każdej fazie w stosunku J/ 3. W wyniku tego prąd rozru­chowy pobierany z sieci przy połączeniu w gwiazdę, jest 3 razy mniejszy niż przy połączeniu w trójkąt.

Wyżej opisany sposób rozruchu wymaga w praktyce zastosowania  przełącznika, zwanego przełącznikiem gwiazda-trójkąt, który najpierw włącza silnik do sieci przy połączeniu jego uzwojeń w gwiazdę, a następnie przełącza je w trójkąt.

Zastosowanie tego sposobu rozruchu nie zawsze jest możliwe, gdyż zależy ono od napięcia znamionowego sieci i silnika. Sposób ten wolno stosować tylko wtedy, gdy napięcie międzyprzewodowe jest równe fazowemu napięciu znamionowemu silnika, tzn. tylko wtedy, gdy silnik przy danym napięciu sieci powinien być połączony w trójkąt.

Jeśli np. silnik jest zbudowany na napięcie 230/400 V, to znaczy, że przy sieci o napięciu 400 V uzwojenia jego muszą być połączone w gwiazdę., a przy napięciu 230 V — w trójkąt. Dla takiego silnika przełącznik gwiazda trójkąt można zatem stosować przy napięciu sieci 230 V, nie można go natomiast stosować przy napięciu 400 V, ponieważ silnik przy tym napięciu musi pracować mając uzwojenie połączone w gwiazdę.