W pierwszej części cyklu omówiliśmy krótko historię techniki napędów potrzebnych do konstruowania maszyn i urządzeń. Stwierdziliśmy, że decydującym krokiem w rozwoju silnika prądu przemiennego było wynalezienie silnika asynchronicznego, czyli indukcyjnego. W części drugiej omówimy budowę i zasadę działania takiego silnika.

 

Silnik asynchroniczny składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana oraz ruchomego wirnika. Stojan wykonany jest z ferromagnetycznych blach elektrotechnicznych ze żłobkami na ich wewnętrznych krawędziach. W żłobkach tych poprowadzone są przewody cewki uzwojenia, wokół których podczas przepływu prądu przemiennego powstaje zmienne pole magnetyczne. Wektor tego pola pulsuje z częstotliwością prądu płynącego przez uzwojenie. Pole takie możemy uzyskać zarówno przy zasilaniu

1-fazowym, jak i 3-fazowym. Zasilenie trzech uzwojeń stojana napięciem trójfazowym powoduje powstanie trzech pól pulsujących z tą samą częstotliwością, ale przesuniętych w fazie. Dodając wektory pól pulsujących otrzymamy wypadkowy wektor, który będzie wirował wokół osi obrotu. W przypadku silników trójfazowych mamy trzy takie zwojnice przesunięte wzajemnie o kąt 120°, co zapewnia takie samo przesuniecie przebiegów pulsowania wektorów pól magnetycznych wytwarzanych przez poszczególne uzwojenia. Natomiast w przypadku zasilania 1-fazowego trzeba spełnić warunki niezbędne do powstania pola wirującego. W większości przypadków realizuje się to poprzez zastosowanie dwóch uzwojeń: głównego i pomocniczego (pełniącego rolę rozruchowego). Uzwojenia są przesunięte względem siebie na obwodzie stojana o kąt 90°. Również prądy zasilające uzwojenia są przesunięte w fazie o taki kąt. Przesunięcie takie można uzyskać poprzez podłączenie jednego z uzwojeń przez kondensator rozruchowy. Wypadkowe pole wirujące w obu przypadkach powstaje w wyniku zsumowania wektorów pól składowych.

Drugą częścią silnika asynchronicznego jest ruchomy wirnik. Rozróżniamy tutaj dwie wersje wykonania: wirniki pierścieniowe i klatkowe. Wirnik pierścieniowy jest wykonany z blach elektrotechnicznych ze żłobkami wykonanymi na jego zewnętrznej powierzchni. W żłobkach prowadzenie uzwojenia wykonane jest podobnie do uzwojenia stojana. Jest na stałe połączone z pierścieniami ślizgowymi (stąd nazwa „silnik pierścieniowy”). Za pośrednictwem przylegających do pierścieni szczotek uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami zwiększającymi rezystancję każdej z faz.

 

Inną konstrukcją jest wirnik klatkowy. Ma on obwód elektryczny wykonany z nieizolowanych prętów połączonych po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi. Konstrukcja ta przypomina swoim wyglądem walcową klatkę (stąd nazwa tego silnika). Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest z blach elektrotechnicznych wzajemne odizolowanych, ułożonych pakietowo jedna na drugiej. Obwód elektryczny wirnika klatkowego jest zawsze zwarty (inna nazwa tego silnika to silnik indukcyjny zwarty). Po podłączeniu zasilania w uzwojeniach cewek stojana silnika trójfazowego płyną prądy przesunięte względem siebie o 1/3 okresu i wytwarzające odpowiednie strumienie magnetyczne. Strumienie te indukują w układzie przewodów uzwojeń wirnika siłę elektromotoryczną. Przy zamkniętych obwodach uzwojeń wywoływany jest w ten sposób przepływ prądu elektrycznego zgodny z kierunkiem tej siły, a na znajdujący się w polu magnetycznym wirnik działa siła mechaniczna tworząca moment obrotowy wywołujący jego obrót. Oś wirnika połączona mechanicznie z elementami urządzenia w sposób bezpośredni stanowi właśnie „napęd bezpośredni”, natomiast połączenie za pomocą przekładni daje układ mechaniczny o „napędzie pośrednim”. Zmianę kierunku obrotów silnika asynchronicznego trójfazowego uzyskuje się poprzez zamianę miejscami dowolnych dwóch spośród trzech przewodów fazowych zasilających silnik. W przypadku silnika jednofazowego zmianę kierunku obrotów silnika uzyskuje się poprzez przełączenie kondensatora rozruchowego z jednego uzwojenia na drugie. Wówczas uzwojenie pracujące jako główne zamienia się w pomocnicze (rozruchowe), a pracujące wcześniej jako pomocnicze staje się uzwojeniem głównym, dając w rezultacie zmianę kierunku obrotów silnika.

Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania rozruchu silnika indukcyjnego 3-fazowego jest podłączenie uzwojeń stojana do 3-fazowego źródła zasilania. Jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym

przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (nawet do ośmiu razy). Powoduje to nagrzewanie się uzwojeń, a także może prowadzić do spadków napięcia w sieci zasilającej. Wartość powstającego momentu elektromagnetycznego nie jest zbyt duża, dlatego, aby silnik mógł wystartować, nie może być zbytnio obciążony. Ze względu na te ograniczenia rozruch bezpośredni stosuje się dla silników o małych mocach (do kilkunastu kW). W przypadku większych mocy stosowane są inne rodzaje rozruchu np. „gwiazda-trójkąt”, rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika oraz zastosowanie „soft startu”. Ten podział rodzajów rozruchu silnika indukcyjnego większych mocy omówimy w następnym odcinku naszego cyklu.

TomaszŻurkowski