Silniki asynchroniczne

Silniki elektryczne przystosowane do zasilania prądem przemiennym ze względu na rodzaj prądu zasilającego dzielą się na jedno i trójfazowe, a z uwagi na zasadę działania – na asynchroniczne (zwane też indukcyjnymi) oraz synchroniczne i komutatorowe.

 

Silnik asynchroniczny składa się z dwóch zasadniczych części: stojana, czyli rdzenia w kształcie wydrążonego walca (na jego wewnętrznej stronie, w specjalnych żłóbkach, ułożone jest uzwojenie tworzące trzy cewki, przesunięte wzajemnie w przestrzeni o 120º) i wirnika, różniącego się konstrukcją w silnikach pierścieniowych i klatkowych (stąd dodatkowy podział). Po przyłączeniu do sieci w uzwojeniach cewek stojana

płyną prądy przesunięte względem siebie o 1/3 okresu i wytwarzające strumienie magnetyczne. Pod ich wpływem w przewodach uzwojeń wirnika indukowana jest siła elektromotoryczna, co przy zamkniętych obwodach uzwojeń wywołuje przepływ prądu elektrycznego zgodny z kierunkiem tej siły, a na znajdujące się w polu magnetycznym przewody wirnika (w których już płynie prąd) działa siła mechaniczna tworząca moment obrotowy wywołujący obrót wirnika.

Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje wtedy, gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego. W typowych silnikach jest to o dwa do czterech procent mniej niż szybkość wirowania strumienia pola magnetycznego (poślizg). Efekt wirowania pola takiego silnika w instalacjach trójfazowych uzyskiwany jest automatycznie. W instalacjach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których prąd płynie z przesunięciem fazowym, co zwykle uzyskuje się przez zasilenie 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. liczba par biegunów).

Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone – zwarte (silnik zwarty) lub ich końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących prąd na zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone przez oporniki. 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 przeciążać instalacji zasilającej), szczególnie podczas rozruch silnika lub w celu uzyskania jego łagodnego startu.

Wiodącym przykładem silnika zwartego (choć w zasadzie produkuje się dziś 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 (zwykle w silnikach większej mocy) wykonuje się klatkę ze spawanych mosiężnych prętów. Charakterystyczne jest przy tym, że silnik klatkowy cechuje wyjątkowo wysoka trwałość, a brak przekazywania prądu do części ruchomych przez styki eliminuje iskrzenie i zużywanie się szczotek. Jedynym elementem podlegającym zużyciu są tu łożyska. Wadą silnika jest trudny rozruch – przy dużych obciążeniach 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 nie jest tu możliwa. W sieci energetycznej w Polsce prąd elektryczny ma 50 Hz, co odpowiada prędkości synchronicznej 3000 obr./min, a obroty znamionowe silnika asynchronicznego wynoszą odpowiednio 2800-2900 obr/min.

Ponieważ największą wadą silników asynchronicznych jest brak bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej (w klatkowych także gwałtowny rozruch), dawniej stosowano głównie silniki pierścieniowe. Rozwój elektroniki jednak ograniczył i tę wadę – dziś powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest podłączanie uzwojeń silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu właściwych obrotów połączenie w trójkąt. Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika i może być stosowane także przy jego pracy, jeśli nie ma zapotrzebowania na moc.

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 (które mają mniejszą średnicę) i wewnętrzne (o średnicy większej).

Są to jakby dwie klatki – jedna w drugiej. Natomiast w silnikach głębokożłobkowych zasadniczą rolę odgrywa kształt zastosowanych prętów. W obu rodzajach w czasie rozruchu występuje tzw. zjawisko wypierania prądu, powodujące zmniejszenie prądu rozruchowego.

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

Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy i mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować prędkość obrotową przemiennikami częstotliwości, tzw. falownikami. Rozwój technologiczny i spadek kosztów produkcji samych układów falownikowych przyczyniły się do powszechnego dziś stosowania tych urządzeń do silników klatkowych. A przy tym, rzecz niebagatelna, układy z regulacją obrotów umożliwiają uzyskanie znacznych oszczędności energii, zastępując te, w których maszyna (pompa, wentylator) pracowała cyklicznie, a przepływ był dławiony lub tracony.

To z uwagi na oszczędność energii trójfazowe silniki asynchroniczne klatkowe, zasilane z falownika, wykorzystywane są dziś szeroko w napędach trakcyjnych, a także w różnego rodzaju – jeszcze eksperymentalnych – pojazdach elektrycznych, takich jak np. samochód elektryczny GM EV1 czy sportowy Tesla Roadstar, a także w elektrycznych motocyklach Mission One i ciężarówkach Smith Electric Vehicles Newton.

Ogólnie zatem rzecz biorąc, silniki asynchroniczne ze względu na prostą budowę, mały ciężar i gabaryty, dużą trwałość i niezawodność oraz relatywnie niską cenę, są dziś stosowane w przeważającej liczbie napędów elektrycznych.