Jak działają maszyny asynchroniczne trójfazowe?

Maszyny elektryczne prądu przemiennego w olbrzymiej większości są trójfazowe, znacznie rzadziej jednofazowe. Wynika to stąd, że prąd trójfazowy jest wytwarzany w elektrowniach i powszechnie użytkowany w przemyśle. Tego typu maszyny dzieli się na maszyny asynchroniczne i synchroniczne. Płynący w nich prąd wytwarza pole magnetyczne wirujące. W maszynach synchronicznych wirnik wiruje zgodnie z polem magnetycznym wirującym z tą samą prędkością (synchronicznie), natomiast w maszynach asynchronicznych prędkości wirowania wirnika i pola magnetycznego są różne i stąd pochodzi ich nazwa — maszyny asynchroniczne. W dalszej części artykułu będę używał nazwy silnik asynchroniczny lub indukcyjny, gdyż jest to najbardziej rozpowszechniona maszyna asynchroniczna.

Typowy silnik indukcyjny składa się z obudowy stojana, samego stojana w którym w żłobkach umieszczone jest uzwojenie wytwarzające wirujące pole magnetyczne. Drugim zasadniczym elementem jest wirnik. Na ułożyskowanym wale umieszczony jest żłobkowany rdzeń magnetyczny, w którym znajduje się uzwojenie wirnika. Wyróżniamy dwa rodzaje uzwojeń wirnika: klatkowe (zazwyczaj odlew aluminiowy) oraz wykonanych podobnie jak uzwojenie stojana, z izolowanego drutu miedzianego. Dodatkowymi elementami budowy są wentylator chłodzący, osłona wentylatora oraz puszka  przyłączeniowa z tabliczką zaciskową.

Kluczowymi pojęciami związanymi z maszynami elektrycznymi prądu przemiennego a tym samym z silnikami indukcyjnymi są:

• Wirujące pole magnetyczne,
• Poślizg.

Wirujące pole magnetyczne

Niemal każdy silnik asynchroniczny trójfazowy składa się ze stojana i z wirnika. Stojan zawiera uzwojenie trójfazowe, ułożone w  rdzeniu, wykonanego jako pakiet blach w kształcie walca kołowego z rowkami. Trójfazowe uzwojenie stojana skła­da się z trzech cewek (w maszynie o jednej parze biegunów) lub większej ilości cewek przesuniętych względem siebie w przestrzeni o 120 stopni. Uzwojenie ma następujące oznakowanie początek litery U, V, W i ich końce litery X, Y, Z. W silniku końce cewek są przyłączone do tabliczki zaciskowej w sposób umożliwia łączenie poszczególnych faz w gwiazdę (połączenie ze sobą końcówek  Z, X, Y i podanie napięcia na początki cewek oznaczone literami U, V, W) lub trójkąt (połączenie ze sobą par końcówek cewek U-Z, V-X, W-Y i podanie napięcia na początki cewek oznaczone literami U, V, W). Łączenie w gwiazdę lub trójkąt stosuje się w zależności od wartości napięcia sieci lub konieczności zwiększenia momentu rozruchowego poprzez układy rozruchowe.

Niskie prędkości wirowania pola magnetycznego uzyskuje się w drodze zwiększenia liczby par biegunów, co jednakże jest związane z bardziej skomplikowaną budową uzwojenia stojana (wzrost liczby żłobków i połączeń między cewkami). Prędkości synchroniczne wyższe niż 3000obr/min można osiągnąć jedynie przez zwiększenie częstotliwości prądu zasilającego uzwojenie stojana.

W USA, gdzie częstotliwość przemysłowa wynosi 60 Hz, podane wartości są odpowiednio wyższe.

Kierunek wirowania pola elektrycznego można zmienić, zmieniając kolejność faz zasilających dwie dowolne cewki uzwojenia stojana. Uzyskuje się to najczęściej przez skrzyżowanie dwóch dowolnych przewodów łączących ma­szynę z siecią. Stosuje się do tego celu specjalne przełączniki lub układy włączników.

Poślizg

W polu magnetycznym wirującym powstałym wew­nątrz stojana po podaniu napięcia na zaciski  maszyny asynchronicznej znajduje się wirnik. Składa się on z umieszczonego na wale pakietu blach w kształcie walca, tworzącego rdzeń magnetyczny, na którego obwodzie znajdują się żłobki, w których mieszczą się klatka uzwojenia lub przewody uzwojenia wirnika. Pod wpływem zmian strumienia magnetycznego ruch wirując w przewodach tych indukują się siły elektromotoryczne­, podobnie jak w przewodach uzwojenia wtórnego transformatora Przy czym uzwojenie stojana odpowiada uzwojeniu pierwotnemu transfo­rmatora, a uzwojenie wirnika — uzwojeniu wtórnemu. Ze względu na to, prąd w obwodzie wirnika powstaje wskutek indukcji elektromagnetycznej. W efekcie maszyny asynchroniczne noszą również drugą nazwę — maszyn (silników) indukcyjnych.

Gdy moment obrotowy wirnika przewyższa moment oporowy, wówczas nieruchomy początkowo wirnik zacznie się obracać, przy czym jego prędkość obroto­wa „n” będzie rosła tak długo, jak długo będzie istniała nadwyżka momentu obrotowego nad momentem hamującym napędzanego urządzenia (pompy , wentylatora itp.). W miarę wzrostu prędkości obroto­wej wirnika „n”, będzie jednak malała różnica pomiędzy tą prędkością a prędkością wirowania pola magnetycznego. Gdyby wirnik osiągnął  prędkość pola magnetycznego moment obrotowy spadłby do zera, nie generowałby siły napędowej.  Stąd wniosek, że aby na wirnik działał moment obrotowy napędowy, musi się on obracać z prędkoś­cią mniejszą od synchronicznej (obrotów pola magnetycznego w stojanie).

Różnicę między prędkością obrotową pola wirującego a prędkością wirni­ka, odniesioną do prędkości synchronicznej wirującego pola, czyli względną różnicę tych prędkości nazywamy poślizgiem i oznaczamy literą „s”. Jeśli np. w maszynie dwubiegunowej (jednej pary biegunów na fazę ) o prędkości synchronicznej ns = 3000 obr/min, wirnik obraca się z prędkością n = 2880 obr/min, to wó­wczas – poślizg s = 4%.

Silniki indukcyjne trójfazowe są odwracalne (podobnie jak silniki prądu stałego)tzn. mogą pracować w zakresie pracy silnikowej, zamie­niając energię elektryczną na mechaniczną lub na odwrót wytwarzając prąd elektryczny kosztem energii mechanicznej. Podstawowym zakresem pracy maszyn asynchronicznych jest jednak zakres pracy silnikowej.

Silniki indukcyjne znalazły ogromne zastosowanie w przeważającej większości napędów elektrycznych, wypierając w wielu dziedzi­nach stosowane wcześniej silniki prądu stałego i dziś stawia się je na pierwszym miejscu wśród silników elektrycznych. Dodatkowy rozwój układów elektronicznych jeszcze bardziej tę pozycje umocnił poprzez wykorzystanie do sterowania prędkością obrotową czy momentem obrotowym układów przekształtnikowych  popularnie zwanych falownikami, chociaż jest to bardzo duże uproszczenie.

O rozpowszechnieniu silników indukcyjnych czy też równoznacznie asynchronicznych zadecydowały ich liczne zalety, do których należą: prosta konstrukcja, mały ciężar i gabaryty, niska cena, duża trwałość i pewność ruchu. Te podstawowe zalety silników indukcyjnych wynikają z konstrukcji i niezawodności oraz nieskomplikowanej zasady ich działania, która opiera się na wytwarza­niu przez prąd trójfazowy wirującego pola magnetycznego poruszającego w sposób obrotowy wirnik.

Jeżeli interesują Was dodatkowe informacje dotyczące tego tematu zapraszamy do kontaktu ze Zbigniewem Marcem: Zbigniew.Marzec@warta.pl.