Silnik elektryczny asynchroniczny - Polski Serwis Naukowy

Silniki indukcyjne 746 W i 25 W, oraz silniki do napędu zabawek i głowic odtwarzaczy CD/DVD

Silnik elektryczny asynchroniczny, silnik indukcyjny - jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.

Silnik synchroniczny - silnik elektryczny prądu przemiennego, w którym prędkość wirowania wirnika jest równa prędkości wirowania pola magnetycznego wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.
Falownik – (z ang. inverter) urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały, którym jest zasilane, na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosuje się modulację szerokości impulsów oznaczaną w języku polskim skrótem MSI, a w języku angielskim PWM (Pulse Width Modulation), to równocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować wartość skutecznego napięcia wyjściowego.

Budowa i zasada działania

model wirnika klatkowego

Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika - silnik indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i ruch.

Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek.
Mikroprocesor – układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji.

Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje, gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego. W typowych silnikach przy obciążeniu znamionowym jest to o dwa do czterech procent mniej niż szybkość wirowania pola magnetycznego (poślizg). Silnik asynchroniczny bez obciążenia uzyskuje obroty prawie równe obrotom silnika synchronicznego (poślizg<1%). Silnik indukcyjny nie może kręcić się (bez pomocy zewnętrznego napędu) z prędkością synchroniczną (poślizg=0), gdyż wówczas w uzwojeniu wirnika nie indukowałoby się napięcie. Zwiększenie poślizgu za pomocą zewnętrznego źródła ponad wartość 1 (100%) sprawia, że silnik staje się generatorem. Maszyny asynchroniczne są maszynami odwracalnymi, tzn. w pewnych warunkach mogą pracować jako silniki, a w pewnych jako generatory bez potrzeby zmiany ich konstrukcji.

Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.
Soft start - układ stosowany w celu zmniejszenia początkowego poboru prądu przez silnik elektryczny asynchroniczny. Silnik taki (zwłaszcza klatkowy) w pierwszych sekundach po uruchomieniu pobiera z sieci bardzo duży prąd (nawet do 7-10 wielokrotności prądu znamionowego) co grozi przeciążeniem sieci, wybiciem bezpieczników itp.

Maszyny, których wirniki wirują z prędkością synchroniczną, nazywa się maszynami synchronicznymi. Pole magnetyczne w wirniku jest wówczas wymuszane poprzez doprowadzenie osobnego napięcia do wirnika (napięcia wzbudzenia) lub też zastosowaniu magnesów stałych. Maszyna synchroniczna, jeśli nie zostanie do niej podane napięcie wzbudzenia, a jej uzwojenia są zwarte lub obciążone, zachowuje się jak maszyna asynchroniczna.

Gwiazda jest rodzajem połączenia w układach trójfazowych, oznaczanym symbolem Y. W połączeniu typu gwiazda napięcie na elementach E (E może w tym przypadku oznaczać rezystancję, impedancję, itp.) jest wypadkową wartością wynikającą z symetryczności (lub niesymetryczności), natomiast prądy płynące przez te elementy są równe prądom fazowym.
Wirnik, (rotor) - element maszyny lub mechanizmu, który w czasie pracy wiruje wokół stałej osi. Najczęściej stosowany w pompach, sprężarkach, wentylatorach, dmuchawach, maszynach elektrycznych, silnikach, prądnicach i turbinach.

W chwili odłączenia silnika od zewnętrznego napięcia w wyniku bezwładności jego mas wirujących oraz z powodu zjawiska komutacji, czyli faktu, że w wirniku strumień magnetyczny nie maleje skokowo do zera, silnik również pracuje jako prądnica, a na jego zaciskach indukuje się napięcie związane z jego prędkością (ponieważ prędkość maleje, to i częstotliwość napięcia indukowanego maleje). Część powstałej w ten sposób energii można odzyskać, ładując np. akumulator. Wówczas taki sposób zatrzymywania nazywa się hamowaniem prądnicowym.

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya.
Stojan, (stator) - zespół nieruchomych elementów maszyny lub mechanizmu, otaczających wirujący wokół stałej osi wirnik. Najczęściej stosowany jest w pompach, sprężarkach, wentylatorach, dmuchawach, maszynach elektrycznych, silnikach, prądnicach i turbinach.

Efekt wirowania pola jest uzyskiwany automatycznie w instalacjach trójfazowych, w instalacjach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płynie prąd z przesunięciem fazowym, co uzyskuje się przez zasilanie jednej fazy uzwojenia przez kondensator lub dodatkowe uzwojenie zwarte. Prędkość wirowania silnika zależy od prędkości wirowania pola stojana. Prędkość wirowania pola stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilania oraz od konstrukcji uzwojeń (tzw. liczby par biegunów).

Energia mechaniczna — suma energii kinetycznej i potencjalnej. Jest postacią energii związaną z ruchem i położeniem obiektu fizycznego (układ punktów materialnych, ośrodka ciągłego itp.) względem pewnego układu odniesienia.
Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero.

Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte - silnik zwarty) lub ich końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone przez oporniki lub zwarte. Oporniki podłącza się na czas rozruchu silnika, następnie zmniejsza się opór i zwiera uzwojenia. Oporniki ograniczające prąd uzwojeń wirnika stosuje się w celu zwiększenia momentu obrotowego i zmniejszenia prądu pobieranego przez silnik (by nie przeciążyć instalacji zasilającej) szczególnie podczas rozruchu silnika lub w celu uzyskania łagodnego startu silnika.

Sieć elektroenergetyczna – zbiór przewodów elektrycznych i urządzeń powiązanych pod względem funkcjonalnym i połączonych elektrycznie, przeznaczonych do przesyłania, przetwarzania i rozdzielania na określonym terytorium wytworzonej w elektrowniach energii elektrycznej oraz do zasilania nią odbiorników.
Tranzystor - trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Według oficjalnej dokumentacji z Laboratoriów Bella nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) i warystor (varistor), jako że "element logiczny należy do rodziny warystorów i ma transkonduktancję typową dla elementu z współczynnikiem wzmocnienia co czyni taką nazwę opisową".

Szczególnym przypadkiem silnika zwartego (choć w zasadzie obecnie produkowane są głównie takie), jest silnik klatkowy. Rdzeń wirnika w takim silniku ma kształt klatki dla wiewiórki lub chomika (stąd angielska nazwa - squirrel cage motor). Uzwojenia wirnika otrzymuje się poprzez zalanie klatki aluminium, bądź (szczególnie w silnikach większych mocy) klatka wykonana jest ze spawanych mosiężnych prętów. Silnik klatkowy charakteryzuje wyjątkowo wysoka trwałość, brak przekazywania prądu do części ruchomych przez styki eliminuje iskrzenie i zużywanie się szczotek. Jedynymi elementami podlegającymi zużyciu są w nim łożyska. Jego wadą jest trudny rozruch: przy dużym (bliskim znamionowemu) obciążeniu, silnik może w ogóle nie ruszyć z miejsca, natomiast przy niewielkim lub braku obciążenia rusza bardzo gwałtownie. Regulacja prędkości obrotowej przy zasilaniu bezpośrednio z sieci jest niemożliwa.

Triak, element półprzewodnikowy należący do rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).
Opornik, rezystor (z łac. resistere, stawiać opór) – najprostszy element rezystancyjny, element bierny obwodu elektrycznego. Jest elementem liniowym: spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Występuje na nim spadek napięcia. W obwodzie służy do ograniczenia prądu w nim płynącego.

Rozruch i regulacja obrotów

Połaczenie końcówek uzwojeń silnika asynchronicznego w gwiazdę i w trójkąt

Przekrój prętów klatek wirnika dwuklatkowego i dwuklatkowego głębokożłobkowego

Orientacyjna zależność momentu obrotowego od obrotów dla silnika:
A) jednofazowego,
B) wielofazowego z pojedynczym wirnikiem klatkowym
C) wielofazowego głębokożłobkowego
D) wielofazowego z wirnikiem dwuklatkowym.

W sieci elektroenergetycznej w Polsce prąd elektryczny ma częstotliwość 50 Hz co odpowiada prędkości synchronicznej 3000 obrotów na minutę, a obroty znamionowe silnika asynchronicznego 2800 - 2900 obr/min. Najpopularniejsze są silniki o dwóch parach biegunów, których obroty synchroniczne wynoszą 1500 obr/min, zaś znamionowe 1410-1480 obr/min.

Elektromechaniczna przetwornica częstotliwości jest zespołem silnika i prądnicy (generatora), w którym energia mechaniczna wytwarzana przez silnik przenoszona jest do generatora wytwarzającego prąd o częstotliwości innej, niż napięcie zasilające silnik. Małe przetwornice wykonywane są w postaci jednej maszyny, a w większych silnik z prądnicą umieszczony jest na wspólnym fundamencie albo ramie. Wały silnika i prądnicy łączy się sprzęgłem, czasami dodając koło zamachowe.
Elektronika – dziedzina techniki i nauki zajmującą się wytwarzaniem i przetwarzaniem sygnałów w postaci prądów i napięć elektrycznych lub pól elektromagnetycznych.

Największymi wadami silnika asynchronicznego jest brak bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej, a w silnikach klatkowych także gwałtowny rozruch.

Dlatego też dawniej stosowano silniki pierścieniowe. Zastosowanie oporników włączanych w obwód uzwojeń wirnika umożliwiało łagodny rozruch. Obecnie powszechnie stosowanym rozwiązaniem, mającym na celu ograniczenie prądu podczas rozruchu, jest podłączanie uzwojeń silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu właściwych obrotów - przełączenie w trójkąt. Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika i może być stosowane także podczas pracy silnika jeżeli nie ma zapotrzebowania na moc.

Rezystancja (opór, opór czynny, oporność, oporność czynna) – wielkość charakteryzująca relacje między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. W obwodach prądu przemiennego rezystancją nazywa się część rzeczywistą zespolonej impedancji.
Zjawisko naskórkowości polega na wypieraniu prądu ku powierzchni przewodnika, co wiąże się z nierównomiernym rozkładem prądu zmiennego płynącego przez przewodnik. Gęstość prądu w różnych punktach przekroju poprzecznego jest różna.

Aby polepszyć parametry rozruchowe silników klatkowych, zmodyfikowano kształt klatki wirnika i w ten sposób powstały wirniki dwuklatkowe i głębokożłobkowe. W silnikach dwuklatkowych występują dwa zestawy prętów - zewnętrzne - mają mniejszą średnicę, a wewnętrzne, mają średnicę większą. Są to niejako dwie klatki, jedna w drugiej. W wirnikach głębokożłobkowych zasadniczą rolę odgrywa kształt zastosowanych prętów. W silnikach z wirnikami dwuklatkowymi i głębokożłobkowymi w czasie rozruchu występuje tzw. zjawisko wypierania prądu powodujące zmniejszenie prądu rozruchowego.

Silnik pierścieniowy rodzaj silnika asynchronicznego, o uzwojonym wirniku, w którym końce uzwojeń wirnika wyprowadzone są poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki na zewnątrz maszyny.
Transformator (z łac. transformare – przekształcać) – urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).

Regulacji prędkości obrotowej dokonywano dawniej przez łączenie silników pierścieniowych z prądnicą i silnikiem prądu stałego w układy Leonarda. Rozwiązanie to stosowane było tylko w silnikach dużej mocy. Stosowano też układy uzwojeń, w których w zależności od podłączenia uzyskiwano różną liczbę biegunów, a tym samym i różne obroty. Silniki z takimi układami były stosowane w pralkach automatycznych, uzyskując małe obroty podczas prania a duże podczas wirowania.

Układ trójfazowy - rodzaj układu, który składa się z 3 obwodów elektrycznych prądu przemiennego, w których napięcia przemienne źródeł o jednakowej wartości i częstotliwości są przesunięte względem siebie w fazie o 1/3 okresu. Napięcia układu wytwarzane są w jednym źródle energii elektrycznej, prądnicy lub generatorze fazowym.
Trójkąt jest rodzajem połączenia w układach trójfazowych, oznaczanym symbolem Δ. W połączeniu typu trójkąt napięcie na elementach E (E może w tym przypadku oznaczać rezystancję, impedancję, itp.) równe jest napięciu międzyfazowemu, natomiast prądy płynące przez te elementy są wypadkową odpowiednich prądów fazowych.

Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków i mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować prędkość obrotową przemiennikami częstotliwości (falownikami). Rozwój technologiczny i spadek kosztów układów falownikowych są przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń dla silników klatkowych. Układy z regulacją obrotów, umożliwiają uzyskanie znacznych oszczędności energii zastępując układy, w których maszyna (pompa, wentylator) pracowała cyklicznie, przepływ był dławiony lub tracony.

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.
Natężenie prądu (nazywane potocznie prądem elektrycznym) jest wielkością fizyczną charakteryzującą przepływ prądu elektrycznego zdefiniowaną jako stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu przepływu ładunku.

Silniki pierścieniowe dzisiaj są wobec tego coraz rzadziej stosowane.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)