Poślizg silnika to różnica między synchroniczną prędkością wirującego pola magnetycznego a rzeczywistą prędkością mechaniczną wirnika silnika indukcyjnego, wyrażona jako procent prędkości synchronicznej. Występuje z założenia: bez poślizgu nie ma względnego ruchu między polem stojana a przewodnikami wirnika, nie powstaje prąd indukowany w wirniku i nie ma momentu obrotowego. Zrozumienie poślizgu jest kluczowe dla diagnozowania pracy silnika, prawidłowego doboru napędów oraz interpretacji danych wibracyjnych i termicznych z programów monitorowania stanu.
Wirujące pole magnetyczne w stojanie silnika indukcyjnego obraca się z prędkością określoną wyłącznie przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów nawiniętych na stojanie. Jest to prędkość synchroniczna, dana wzorem:
Ns = 120 x f / p
Wirnik silnika indukcyjnego nigdy nie osiąga tej prędkości pod obciążeniem. Gdyby tak się stało, nie byłoby względnej prędkości między wirującym polem a prętami wirnika, nie pojawiłoby się napięcie indukowane i moment byłby zerowy, więc wirnik natychmiast zacząłby zostawać w tyle. To jest zasadnicza różnica w stosunku do silnika synchronicznego, który blokuje się względem Ns dzięki oddzielnie zasilanemu lub trwałomagnetycznemu polu wirnika.
| Bieguny | Ns przy 50 Hz (obr./min) | Ns przy 60 Hz (obr./min) |
|---|---|---|
| 2 | 3000 | 3600 |
| 4 | 1500 | 1800 |
| 6 | 1000 | 1200 |
| 8 | 750 | 900 |
| 10 | 600 | 720 |
| 12 | 500 | 600 |
Poślizg (s) to znormalizowany deficyt prędkości:
s = (Ns - Nr) / Ns
gdzie Nr to rzeczywista prędkość wirnika w obr./min. Pomnóż przez 100, aby wyrazić poślizg w procentach. Silnik 4-biegunowy, 50 Hz o prędkości znamionowej 1455 obr./min ma:
s = (1500 - 1455) / 1500 = 0,03, czyli poślizg 3%.
Częstotliwość poślizgu, czyli częstotliwość prądu faktycznie indukowanego w prętach wirnika, wynika bezpośrednio: f_rotor = s x f. Przy poślizgu 3% na zasilaniu 50 Hz przewodniki wirnika doświadczają prądu indukowanego o częstotliwości 1,5 Hz.
Ta częstotliwość poślizgu jest również fizyczną podstawą wykrywania pękniętych prętów wirnika : pęknięty lub złamany pręt powoduje pulsacje momentu i prędkości z częstotliwością równą dwukrotności częstotliwości poślizgu, co objawia się w analizie sygnatury prądu silnika jako składowe boczne przy f x (1 ± 2s) wokół podstawowej częstotliwości sieci
wraz z dodatkowymi parami składowych przy f x (1 ± 2ks) dla k = 2, 3... w miarę wzrostu nasilenia usterki.
Poślizg znamionowy (przy pełnym obciążeniu) zależy od wielkości i klasy konstrukcyjnej silnika:
W większych silnikach rezystancja wirnika jest proporcjonalnie mniejsza, a szczelina powietrzna cieńsza względem ich rozmiaru, więc potrzebują mniejszego poślizgu do wytworzenia momentu znamionowego. To także tłumaczy, dlaczego duże silniki pracują bliżej prędkości synchronicznej i są, w ujęciu względnym, bardziej wrażliwe na niesymetrię napięcia i jednofazowanie, które zwiększają efektywny poślizg i nagrzewanie wirnika.
Moment silnika nie jest liniowy względem poślizgu. Charakterystyczna krzywa moment, poślizg ma trzy rozpoznawalne obszary:
Rezystancja wirnika kształtuje tę krzywą bezpośrednio: wyższa rezystancja wirnika przesuwa punkt maksymalnego momentu do wyższego poślizgu, co jest mechanizmem wykorzystywanym w silnikach z uzwojonym wirnikiem i zewnętrznymi rezystancjami oraz w geometrii wirników zgodnych z NEMA klasy C/D.
Standardowe silniki indukcyjne klatkowe klasyfikuje się według charakterystyki momentu względem poślizgu oraz zachowania prądu rozruchowego. NEMA MG-1 definiuje cztery litery konstrukcyjne (A, B, C, D); IEC 60034-12 definiuje dwie w przybliżeniu równoważne klasy: Design N (normalny moment i prąd rozruchowy) oraz Design H (wysoki moment rozruchowy).
| Konstrukcja NEMA | Odpowiednik IEC | Moment rozruchowy | Poślizg krytyczny | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|---|
| A | N | Normalny, wyższy moment maksymalny | Mały (poniżej 5%) | Wentylatory, pompy, obciążenia o niskiej bezwładności |
| B | N | Normalny | Mały do umiarkowanego (poniżej 5%) | Uniwersalne, większość napędów przemysłowych |
| C | H | Wysoki | Umiarkowany (około 5%) | Przenośniki, sprężarki, starty o dużej bezwładności |
| D | Brak standaryzacji | Bardzo wysoki | Wysoki (5%, 13% lub więcej) | Prasy udarowe, dźwigi, wciągniki, obciążenia pulsujące |
Konstrukcja B dominuje w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ równoważy efektywną pracę przy pełnym obciążeniu (niski poślizg znamionowy, wysoka sprawność) z wystarczającym momentem rozruchowym. Konstrukcja D wymienia sprawność na zdolność do dużego poślizgu, przydatną tam, gdzie ładunek wymaga łagodnego, ograniczonego prądowo rozruchu lub musi przetrwać pulsacje momentu bez zatrzymania.
Poślizg to nie tylko wskaźnik prędkości, jest bezpośrednim miernikiem energii rozpraszanej w obwodzie wirnika. Zależność jest następująca:
Straty miedzi wirnika = s x Pag
gdzie Pag to moc przekazywana przez szczelinę powietrzną (air-gap power). Oznacza to, że silnik pracujący przy poślizgu 5% rozprasza 5% przekazywanej mocy jako nagrzewanie I²R w wirniku, podczas gdy pozostałe 95% zamienia się na moc mechaniczną.
Wszystko, co zwiększa efektywny poślizg, niedonapięcie, niesymetria, częściowo uszkodzony pręt wirnika czy przeciążenie mechaniczne, zwiększa tę część strat i podnosi temperaturę wirnika w sposób nieproporcjonalny, ponieważ straty skalują się z poślizgiem, podczas gdy moment wyjściowy w normalnym zakresie pracy rośnie tylko umiarkowanie.
Właśnie tu programy monitorowania stanu pokazują swoją wartość.
Platforma Fabrico śledzi natężenie prądu, prędkość i sygnatury termiczne obok danych wibracyjnych i automatycznie tworzy zlecenie w CMMS, gdy wskaźniki związane z poślizgiem (rosnący prąd przy stałym obciążeniu, dryf termiczny lub wzrost składowych bocznych w MCSA) przekroczą ustalony próg, wykrywając degradację wirnika zanim awaria pręta przeniesie się na uszkodzenie stojana.
Umów demo Fabrico , aby zobaczyć zastosowanie trendów poślizgu i termicznych dla Twojej floty silników.
Nagrzewanie wirnika spowodowane stratami poślizgu oddziałuje również na trwałość izolacji i stan łożysk, dlatego zakłady monitorujące zdrowie silników zwykle łączą trendowanie poślizgu i prądu z strefami nasilenia wibracji ISO 20816 oraz okresowymi badaniami częściowych wyładowań na uzwojeniach średniego napięcia.
Poślizg rośnie. Większe obciążenie mechaniczne wymaga większego momentu, który silnik uzyskuje przez większe odstępstwo od prędkości synchronicznej, zwiększając względną prędkość między polem a wirnikiem i indukując większy prąd wirnika. Jest to mechanizm samo-regulujący do punktu maksymalnego momentu.
Tak. Jeśli zewnętrzna siła napędza wirnik szybciej niż prędkość synchroniczna, na przykład przy obciążeniu hamującym lub w zastosowaniu z wspólnym wałem, poślizg staje się ujemny, a maszyna pracuje jako generator indukcyjny, oddając energię do sieci zamiast ją pobierać.
Przemiennik częstotliwości (VFD) zmienia częstotliwość zasilania, a więc Ns, ale silnik nadal potrzebuje poślizgu, aby wygenerować moment w dowolnym punkcie pracy. Dobrze dostrojone sterowanie V/Hz lub sterowanie wektorowe utrzymuje procentowy poślizg blisko wartości projektowej silnika w całym zakresie prędkości, co jest jedną z przyczyn, dla których silniki z napędem VFD często pracują chłodniej niż silniki uruchamiane bezpośrednio (DOL) przy tym samym obciążeniu.
Niższy poślizg zazwyczaj koreluje z mniejszymi stratami wirnika i wyższą sprawnością, dlatego w klasach o podwyższonej sprawności wg normy IE stosuje się wirniki o zmniejszonej rezystancji i zoptymalizowanej geometrii prętów, aby zmniejszyć poślizg znamionowy bez pogorszenia parametrów rozruchowych.
Zaloguj
Blog
