Silnik asynchroniczny (indukcyjny) to najbardziej popularny silnik, o najszerszych zastosowaniach ze wszystkich rodzaji silników elektrycznych, wykorzystywany szczególnie w przemyśle, ale również i w sprzęcie domowym. Charakteryzuje się bardzo prostą, i łatwą w utrzymaniu konstrukcją. Moce budowanych obecnie silników asynchronicznych obejmują zakres od ułamków kilowatów do kilku megawatów.

Budowa

silnik indukcyjny  - przekrój

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego(wirującego) wirnika.

Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane żłobkami, w których umieszczane są uzwojenia. Część rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. Żłobki i zęby mogą posiadać różne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest różna. Pomiędzy stojanem a wirnikiem znajduje się możliwie mała szczelina powietrzna.

Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, zaimpregnowane i mocno usztywnione, tak, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych

Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych: klatkowe i pierścieniowe.

W silniku pierścieniowym uzwojenie wirnika wykonane jest podobnie do uzwojenia stojana. Jest ono na stałe połączone z pierścieniami ślizgowymi (stąd nazwa “silnik pierścieniowy”), zwykle trzema, gdyż uzwojenie wirnika najczęściej jest 3-fazowe. Za pośrednictwem przylegających do pierścieni szczotek, uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami, zwiększającymi rezystancje każdej fazy. (zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości silnika). Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko stosowana.

wirnik silnika pierścieniowego

W silniku indukcyjnym klatkowym obwód elektryczny wirnika jest wykonany z nieizolowanych prętów, połączonych po obu stronach wirnika pierścieniami zwierającymi. Konstrukcja to wyglądem przypomina klatkę o kształcie walca (stąd wzięła się nazwa tego silnika).

wirnik silnika klatkowego

Silnik klatkowy ma bardzo prostą, tanią, i łatwa w utrzymaniu konstrukcję. Wykonanie silnika pierścieniowego jest o wiele droższe, ale konstrukcja ta, poprzez możliwość dołączania dodatkowych elementów do uzwojenia wirnika posiada zdecydowanie bogatsze właściwości ruchowe.(układy umożliwiające rozruch i regulacje prędkości silnika) Biorąc jednak pod uwagę coraz większą powszechność elektronicznych urządzeń zasilających (falowniki, softstarty), umożliwiających uzyskanie o wiele lepszych właściwości regulacyjnych, wspomniane zalety silników pierścieniowych przestały być juz tak istotne i w ogromnej większości silniki pierścieniowe zostały wyparte przez silniki klatkowe.

Zasada działania

Wytworzone przez uzwojenia stojana wirujące pole magnetyczne obraca się wokół nieruchomego wirnika. W wyniku przecinania przez to pole prętów klatki wirnika, indukuje się w nich napięcie (stąd nazwa ”silnik indukcyjny”) i zaczyna płynąć w nich prąd.(patrz zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Przepływ prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej (patrz zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej) działającej stycznie do obwodu wirnika, a zatem powstaje także moment elektromagnetyczny. Jeżeli wartość tego momentu jest większa od wartości momentu obciążenia, to wirnik rusza i zaczyna zwiększać swoja prędkość obrotową. Zwiększanie prędkości wirnika, powoduje że pręty jego klatki przecinane są przez pole magnetyczne z coraz mniejszą prędkością, co skutkuje zmniejszeniem wartości indukowanej siły elektromotorycznej i spadkiem wartość prądu płynącego w prętach klatki, a zatem spada również wartość momentu elektromagnetycznego. Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie przyspieszać i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością. Gdyby nie było żadnego momentu oporowego, wirnik osiągnąłby prędkość równą wartości prędkości wirowania pola, a więc prędkości synchronicznej. W takim przypadku pole wirnika byłoby nieruchome względem pola stojana, a więc ustałoby przecinanie prętów klatki przez pole stojana i nie płynęłyby w nich prądy, nie powstałby moment elektromagnetyczny. Sytuacja taka nie jest jednak możliwa do wystąpienia w rzeczywistym silniku, ponieważ zawsze występuje jakiś moment obciążenia, chociażby moment tarcia w łożyskach czy oporów powietrza (chyba że wirnik będzie napędzany mechanicznie przez jakiś inny silnik). Zatem wirnik osiągnie taką prędkość (zwykle niewiele mniejsza od prędkości synchronicznej), przy której momenty elektromagnetyczny silnika i obciążenia będą miały tą samą wartość. Skoro nie jest to prędkość synchroniczna, musi to być prędkość asynchroniczna, której silnik indukcyjny zawdzięcza swoja druga nazwę - “silnika asynchronicznego”.

Moment elektromagnetyczny i charakterystyka mechaniczna

Często w praktycznych zastosowaniach silnika istnieje potrzeba szybkiego wyznaczenia wartości momentu elektromagnetycznego, jaki jest on w stanie osiągnąć. Tabliczka znamionowa silnika zwykle nie podaje jego wartości, ale podaje za to inne wartości na podstawie, których bardzo łatwo go wyliczyć. W najprostszej postaci wzoru na moment obrotowy jest to iloczyn siły i ramienia, na jakim działa ta siła.

Powstająca na obwodzie wirnika siła elektrodynamiczna F, obracając się razem z wirnikiem wykonuje pracę W, dostarczając w tym czasie moc P

Zatem generowany w tycz warunkach moment elektromagnetyczny M :

Wartości mocy znamionowej silnika P i prędkości asynchronicznej n podawane są zawsze na tabliczkach znamionowych silników, zatem mając te wartości można łatwo wyliczyć wartość znamionowego momentu silnika.

Charakterystyka mechaniczna

Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego ukazuje zależność momentu na jego wale od prędkości obrotowej silnika Jak juz wspomniano wcześniej prędkość obrotową silnika asynchronicznego można wyrazić za pomocą poślizgu.

Rozruch

Rozruch bezpośredni

Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania rozruchu silnika indukcyjnego jest podłączenie uzwojeń stojana do 3-fazowego źródła zasilania (w przypadku silnika 3-fazowego), jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (do 8 razy), co powoduje nagrzewanie się uzwojeń a także może spowodować spadki napięcia 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).

Rozruch gwiazda-trójkąt

Sposobem na zmniejszenie prądu rozruchowego, jest zastosowanie w celach rozruchowych przełącznika gwiazda - trójkąt.

tabliczka znamionowa zawierająca 6 zacisków

Przy połączeniu uzwojeń silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie większy niż prąd pobierany przy połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a więc i moc silnika w tym przypadku  są 3-krotnie większe. Stosując przełącznik gwiazda – trójkąt możemy wystartować silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór prądu z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości obrotowej przełączyć uzwojenia stojana w trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnić pożądaną przez nas moc. W starszych rozwiązaniach przełączenie zwykle dokonywane było ręcznie przez operator, obecnie stosuje się specjalizowane do tego celu układy styczników i przekaźników dokonujące automatycznego przełączenia po nastawionym wcześniej czasie.

Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika

Jak juz wspomniano wcześniej, w przypadku silnika pierścieniowego w celach rozruchowych można stosować dodatkowe rezystory przyłączane do uzwojeń wirnika co  powoduje spadek prądu wirnika, a zatem również spadek prądu pobieranego z sieci. Wadą tego rozwiązania, podobnie jak w przypadku rozruchu gwiazda - trójkąt jest mniejszy moment rozruchowy silnika, poza tym jak juz wspomniano wcześniej, ze względu na skomplikowana budowę i koszty utrzymania konstrukcja ta jest obecnie rzadko stosowana.

Zastosowanie “softstartu”

Zmiana prędkości obrotowej silnika

Jak juz wspomniano i pokazano wcześniej w silniku indukcyjnym prędkość obrotowa wyraźnie zależy od obciążenia. A więc czy możliwa jest regulacja prędkości przez zmianę obciążenia? Teoretycznie tak, ale chyba nie o to chodzi.

Zmiana liczby par biegunów

W tym przypadku zmianę prędkości obrotowej silnika osiąga się przez zmianę liczby par biegunów w stojanie. Realizuje się to zwykle umieszczając w stojanie kilka niezależnych uzwojeń o różnych liczbach par biegunów (z reguły nie więcej niż dwa) lub jedno uzwojenie o przełączalnej liczbie par biegunów Przełączając zasilanie pomiędzy uzwojeniami, otrzyma się pola wirujące z różnymi prędkościami.

Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika

Dla silników pierścieniowych podobnie jak dla celów rozruchowych, podłącza się dodatkowe rezystancji w obwód wirnika, Połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika rezystancje spowodują spadek prądu płynącego w wirniku, a więc i spadek powstającej siły elektrodynamicznej działającej na wirnik a co za tym idzie spadek momentu i w końcu spadek prędkości obrotowej silnika.

Zmiana częstotliwości zasilania

Częstotliwość zasilania wpływa na prędkość wirowania pola magnetycznego wytwarzanego w stojanie, czyli na prędkość synchroniczną silnika. Zmieniając jej wartość możemy płynnie zmieniać prędkość silnika w zakresie od postoju do prędkości nawet przekraczającej prędkość znamionową.(przekraczając prędkość znamionową trzeba wziąć pod uwagę wytrzymałość mechaniczną silnika i wytrzymałość elektryczną izolacji).

Silnik indukcyjny w akcji

Przykładowy aplet prezentuje działający model silnika asynchronicznego klatkowego. Włączanie i wyłączanie odpowiednich pól wyboru pozwala na uwidocznienie lub schowanie poszczególnych elementów konstrukcji silnika, a także wektorów indukcji magnetycznych wytwarzanych przez poszczególne uzwojenia stojana i wypadkowego wektora wirującego(jeżeli wszystkie pola są zaznaczone, to przejrzystość animacji nie jest najlepsza). Szczególnie pouczające wydaje się zaobserwowanie asynchronizmu silnika, przejawiającego się tym, że wypadkowy wektor wirujący obraca się z większą prędkością niż klatka wirnika, w związku, z czym przecina on kolejne pręty na obwodzie klatki dzięki czemu może indukować się siła elektromotoryczna i płynąć w prętach prąd. 

Sterowanie apletem