Drukuj

Najczęściej stosowanym typem silników prądu zmiennego są silniki trójfazowe asynchroniczne. Składają się one ze stojana i wirnika. Zarówno stojan jak i wirnik mają uzwojenia, które układa się w żłobkach.

W zależności od sposobu wykonania uzwojeń wirnika — silniki asynchroniczne dzielą się na:

1)            silniki pierścieniowe,

2)            silniki klatkowe.

Uzwojenie stojana w obu typach silników jest jednakowe. Składa się ono z trzech niezależnych uzwojeń fazowych, rozmieszczonych w odpowiedni sposób na wewnętrznym obwodzie stojana. Uzwojenie stojana może być łączone w gwiazdę lub w trójkąt, zależnie od wartości napięcia w sieci zasilającej. Dla umożliwienia przełączania początki i końce uzwojeń fazowych wyprowadzone są zazwyczaj na zewnątrz korpusu silnika i podłączone na tabliczce zaciskowej do sześciu zacisków, które przez odpowiednie założenie pasków (lub blaszek) łączących umożliwiają dokonywanie połączeń tych uzwojeń w gwiazdę lub w trójkąt.

Uzwojenie wirnika w silniku pierścieniowym składa się z trzech niezależnych uzwojeń fazowych rozmieszczonych na zewnętrznym obwodzie wirnika w identyczny sposób jak na stojanie. Są one zazwyczaj połączone na stałe w gwiazdę, początki zaś uzwojeń fazowych przyłączone są do trzech pierścieni ślizgowych wykonanych z brązu i osadzonych na wale wirnika (przez izolację). Do pierścieni przylegają szczotki (najczęściej metalo-grafitowe) umieszczone w obsadach szczotkowych, przymocowanych do szczotko trzymaczy. Do szczotek przyłącza się nastawnik (rozrusznik) wraz z opornikiem rozruchowym.

Uzwojenie wirnika w silniku klatkowym składa się z prętów miedzianych (lub aluminiowych) ułożonych w żłobkach i zwartych obustronnie pierścieniami. Całość uzwojenia tworzy klatkę, z tego powodu silniki te nazywane są klatkowymi.

Dla zwiększenia momentu rozruchowego i zmniejszenia prądu rozruchowego (o czym mowa będzie niżej) niektóre silniki klatkowe mają podwójne pręty, ułożone w żłobkach wirnika jeden nad drugim w ten sposób, że tworzą dwie klatki. Silniki takie nazywane są dwu klatkowymi.

Zasada działania trójfazowych silników asynchronicznych polega na tym, że prąd trójfazowy przepływając przez uzwojenie stojana wzbudza w nim wirujące pole magnetyczne, które przecinając uzwojenie wirnika wzbudza w nim siłę elektromotoryczną (SEM). Pod wpływem tej siły w zamkniętym obwodzie wirnika płynie prąd elektryczny. Współdziałanie prądu płynącego w uzwojeniu wirnika z wirującym polem magnetycznym stojana wywołuje powstanie momentu obrotowego wirnika.

Należy zaznaczyć, że gdyby wirnik obracał się z prędkością synchroniczną pola wirującego, to pole to nie przecinałoby uzwojeń wirnika, wskutek czego nie powstałaby siła elektromotoryczna i nie popłynąłby prąd w wirniku, a zatem nie byłoby momentu obrotowego i silnik nie mógłby pracować.

Poślizg jest więc jednym z czynników decydujących o momencie obrotowym silnika. Ze wzrostem obciążenia silnika poślizg zwiększa się i na odwrót — przy spadku obciążenia zmniejsza się. Wartość poślizgu przy obciążeniu znamionowym dla silników o średniej mocy waha się od 3 do 8%.

Silniki klatkowe napędzające mechanizmy, które nie wymagają dużego momentu rozruchowego, mogą być załączane do sieci za pomocą przełącznika z gwiazdy w trójkąt . W tym celu uzwojenie stojana w tych silnikach musi być obliczone na pracę w trójkąt przy danym napięciu sieci. Np. w sieci o napięciu 380 V silniki muszą być obliczone na napięcie 380 V. Przy rozruchu silnik jest połączony w gwiazdę, przez co uzwojenia poszczególnych faz otrzymują napięcie o 1,73 razy mniejsze, a prąd rozruchowy obniży się trzy razy. Moment rozruchowy jest wskutek tego niski i wynosi około 33% momentu znamionowego.

Po osiągnięciu przez silnik pełnych obrotów przełącza się go w trójkąt, po czym w takim układzie pracuje on już stale, rozwijając moment znamionowy.

Regulacja prędkości obrotowej w silnikach asynchronicznych może być dokonana przez:

a)            zmianę poślizgu,

b)           zmianę liczby par biegunów,

c)            zmianę częstotliwości.

W silnikach pierścieniowych zmianę poślizgu uzyskuje się w praktyce przez wprowadzenie do obwodu wirnika oporności regulacyjnej. Regulacja obrotów w ten sposób może odbywać się jedynie w dół, tj. poniżej obrotów znamionowych, i tylko dla silników obciążonych. Jakkolwiek sposób ten jest nieekonomiczny, gdyż część energii ulega zamianie na ciepło w oporniku, to jednali stosuje się go z uwagi na prostotę i możliwość ciągłej regulacji.

Zmiana liczby par biegunów dla regulacji prędkości obrotowej w silnikach pierścieniowych jest rzadko stosowana.

W silnikach klatkowych regulację prędkości obrotowej uzyskuje się przez zmianę liczby par biegunów, przy czym silniki te mają odpowiednio przystosowane uzwojenie przełączane za pomocą specjalnego przełącznika. Jakkolwiek regulacja ta jest ekonomiczna, to jednak nie jest płynna, gdyż otrzymuje się dwie, a czasem trzy stałe liczby obrotów w sposób skokowy. Sposób ten stosuje się najczęściej przy regulacji obrotów w wyciągach lub na niektórych obrabiarkach.

Regulację prędkości obrotowej silnika asynchronicznego za pomocą zmiany częstotliwości spotyka się w układach regulacyjnych, przy czym do wytwarzania niższej częstotliwości stosuje się przetwornice częstotliwości. Oczywiście odnosi się to do urządzeń dźwigowych, gdyż istnieją urządzenia wymagające regulacji prędkości obrotowej silnika w górę i wtedy z przetwornicy częstotliwości należy uzyskać większą częstotliwość, np. 100 -r- 200 Hz. Zmianę kierunku biegu w silnikach asynchronicznych uzyskujemy przez skrzyżowanie dwóch dowolnych przewodów fazowych zasilających stojan.

Współczynnik mocy (cos (p) w silnikach asynchronicznych dźwigowych przy obciążeniu znamionowym waha się — zależnie od typu silnika, mocy, liczby par biegunów itp. — od 0,75 do 0,88. Przy niedociążeniu silników lub w biegu jałowym współczynnik mocy spada do 0,3, a nawet 0,2 i niżej. Dla zapobieżenia temu należy obciążać silniki możliwie pełnym obciążeniem i ograniczać do minimum pracę silnika luzem lub znacznie niedociążonego. Niski współczynnik mocy powoduje straty w sieci energetycznej i elektrowni.

W portach i stoczniach pracuje jeszcze dotychczas nieliczna grupa silników asynchronicznych produkcji przedwojennej z wirnikiem stożkowym (tzw. silniki samohamowne firmy Bergman). Silniki te posiadają wbudowany na wale silnika hamulec tarczowy zaciskany sprężyną, a na czas pracy (tj. po załączeniu silnika) zwalniany samoczynnie ruchem przesuwnym wirnika, który, będąc ułożyskowany przesuwnie, wciągany jest do wnętrza działaniem siły pola magnetycznego stojana. W ten sposób omawiany silnik spełnia niejako trzy role, a mianowicie — silnika napędowego, hamulca i zwalniaka hamulcowego.

Silniki tego typu (o mocy rzędu 6 kW) stosowane są jedynie do napędu mniejszych mechanizmów dźwigowych (np. do mechanizmu wypadu na mniejszych żurawiach). Mimo pozornych zalet nie znalazły one jednak szerszego zastosowania w napędach dźwigowych i obecnie nie są produkowane ani w kraju, ani zagranicą.

Z chwilą załączenia silnika pod napięcie działanie pola magnetycznego stojana (3), pokonując siłę sprężyny (2), wciągnie wirnik (1) do wnętrza stojana aż do zrównania się ich krawędzi, czemu sprzyja lekko stożkowy kształt wirnika. Jednocześnie powierzchnie cierne hamulca zostają nieco rozsunięte i przez to samo silnik odhamowany. Silniki samohamowne wymagają bardzo starannej i precyzyjnej regulacji układu hamulcowego, stosowania odpowiedniej sprężyny dociskowej, starannej konserwacji łożysk itp. Tylko wtedy można oczekiwać nienagannej pracy silnika.