W XIX i XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój nauki o elektryczności, który doprowadził do powstania elektrycznych silników asynchronicznych. Dzięki tym urządzeniom rozwój przemysłu dokonał ogromnego skoku naprzód i obecnie nie można sobie wyobrazić fabryk i zakładów bez pomocy maszyn asynchronicznych.
Spis treści
Historia
Historia silnika asynchronicznego sięga roku 1888, kiedy to Nikola Tesla opatentował obwód silnika elektrycznego, w tym samym roku inny naukowiec zajmujący się elektrycznością Gallileo Ferraris opublikował pracę na temat teoretycznych aspektów maszyny asynchronicznej.
W 1889 roku rosyjski fizyk Michaił Osipowicz Doliwsko-Dobrowolski uzyskał w Niemczech patent na asynchroniczny trójfazowy silnik elektryczny.
Wszystkie te wynalazki umożliwiły udoskonalenie maszyn elektrycznych i doprowadziły do masowego zastosowania maszyn elektrycznych w przemyśle, co znacznie przyspieszyło wszystkie procesy produkcyjne, zwiększyło wydajność i zmniejszyło pracochłonność.
Obecnie najbardziej rozpowszechnionym silnikiem elektrycznym stosowanym w przemyśle jest prototyp maszyny elektrycznej stworzony przez Dolivo-Dobrovolsky'ego.
Budowa i zasada działania silnika asynchronicznego
Głównymi elementami asynchronicznego silnika elektrycznego są stojan i wirnik, które są oddzielone od siebie szczeliną powietrzną. Praca czynna w silniku jest wykonywana przez uzwojenia i rdzeń wirnika.
Asynchronię silnika definiuje się jako różnicę między prędkością wirnika a prędkością pola elektromagnetycznego.
Stator - to stała część silnika, której rdzeń jest wykonany ze stali elektrotechnicznej i jest zamontowany w ramie podstawy. Rama jest odlana z materiału, który nie ulega namagnesowaniu (żeliwo, aluminium). Uzwojenia stojana to układ trójfazowy, w którym przewody są ułożone w szczelinach o kącie odchylenia 120 stopni. Fazy uzwojenia są standardowo podłączone do sieci w układzie gwiazdy lub trójkąta.
Wirnik - to część ruchoma silnika. Istnieją dwa rodzaje wirników silników asynchronicznych: klatkowe i fazowe. Typy te różnią się konstrukcją uzwojenia wirnika.
Silnik indukcyjny z wirnikiem klatkowym
Ten typ maszyny elektrycznej został po raz pierwszy opatentowany przez M.O. Dolivo-Dobrovolsky i jest popularnie nazywany "koło wiewiórki" ze względu na swój wygląd. Zwarciowe uzwojenie wirnika składa się ze zwartych prętów miedzianych (aluminium, mosiądz) i są umieszczane w szczelinach uzwojenia rdzenia wirnika. Ten typ wirnika nie ma ruchomych styków, dlatego silniki te są bardzo niezawodne i trwałe w eksploatacji.
Silnik asynchroniczny z wirnikiem fazowym
Ten typ silnika ma możliwość regulacji prędkości pracy w szerokim zakresie. Wirnik fazowy to uzwojenie trójfazowe połączone w układzie gwiazdy lub trójkąta. Silniki te są wyposażone w specjalne szczotki, za pomocą których można regulować prędkość obrotową wirnika. Jeżeli do mechanizmu takiego silnika zostanie dodany specjalny reostat, zmniejszy się rezystancja rozruchowa silnika i zminimalizuje się prądy rozruchowe, które mają szkodliwy wpływ na sieć zasilającą i samo urządzenie.
Zasada działania
Gdy do uzwojenia stojana jest doprowadzany prąd elektryczny, wytwarzany jest strumień magnetyczny. Ponieważ fazy są przesunięte względem siebie o 120 stopni, powoduje to obracanie się strumienia w uzwojeniach. Jeżeli wirnik jest zwarty, obrót ten powoduje powstanie w nim prądu, który wytwarza pole elektromagnetyczne. Oddziałujące na siebie pola magnetyczne wirnika i stojana powodują obracanie się wirnika silnika elektrycznego. Jeśli wirnik jest fazowy, napięcie jest przykładane jednocześnie do stojana i wirnika, w każdym z mechanizmów pojawia się pole magnetyczne, które oddziałuje na siebie i obraca wirnik.
Zalety silników asynchronicznych
| Z wirnikiem klatkowym (squirrel cage) | Z wirnikiem z uzwojeniem fazowym |
|---|---|
| 1. Proste urządzenie i obwód rozruchowy | 1. Niski prąd rozruchowy |
| 2. Niska cena produkcji | 2. Zmienna prędkość. |
| 3. Prędkość obrotowa wału nie zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia. | 3. Praca przy niewielkich przeciążeniach bez zmiany prędkości. |
| 4. Zdolność do wytrzymywania krótkotrwałych przeciążeń. | 4. Możliwość zastosowania automatycznego startu |
| 5. Niezawodność i trwałość w działaniu | 5. Ma wysoki moment obrotowy |
| 6. Odpowiednie do każdych warunków pracy | |
| 7. Ma wysoką sprawność |
Wady silników asynchronicznych
| Z wirnikiem klatkowym (squirrel cage) | Z wirnikiem z uzwojeniem fazowym |
|---|---|
| 1. Nie można regulować prędkości wirnika | 1. ponadwymiarowy |
| 2. Niski początkowy moment obrotowy | 2. Niższa wydajność |
| 3. Wysoki prąd rozruchowy | 3. częsta konserwacja z powodu zużytych szczotek |
| 4. Pewna złożoność konstrukcji i styków ruchomych |
Silniki asynchroniczne są bardzo wydajnymi urządzeniami o dobrych właściwościach mechanicznych i dlatego są najczęściej stosowanym typem silnika.
Tryby pracy
Asynchroniczny silnik elektryczny jest mechanizmem uniwersalnym i ma kilka trybów pracy w zależności od czasu trwania:
- Nieprzerwanie;
- Krótki czas;
- Przerywany; Okresowy;
- Przerywany;
- Specjalne.
Praca ciągła - Podstawowy tryb pracy urządzeń asynchronicznych, który charakteryzuje się ciągłą pracą silnika elektrycznego bez wyłączeń przy stałym obciążeniu. Ten tryb pracy jest najbardziej rozpowszechniony i stosowany w zakładach przemysłowych na całym świecie.
Praca krótkotrwała - Działa do momentu osiągnięcia stałego obciążenia przez określony czas (od 10 do 90 minut) bez wystarczającej ilości czasu na ogrzanie. Po upływie tego czasu urządzenie jest wyłączane. Ten tryb jest wykorzystywany do przenoszenia cieczy (wody, oleju, gazu itp.).woda, ropa, gaz) i w innych sytuacjach.
Praca przerywana - Czas pracy jest stały, a po zakończeniu cyklu pracy urządzenie jest wyłączane. Tryb pracy Start-operacja-stop. Można go wyłączyć na pewien czas, aby zdążył ostygnąć do temperatury zewnętrznej, a następnie ponownie włączyć.
Praca przerywana - Silnik nie nagrzewa się do maksymalnej temperatury, ale też nie stygnie do temperatury otoczenia. Stosuje się go w windach, schodach ruchomych itp.
Tryb specjalny - Czas trwania i okres aktywacji jest dowolny.
W elektrotechnice istnieje zasada odwracalności maszyn elektrycznych - oznacza to, że urządzenie może zarówno przekształcać energię elektryczną w energię mechaniczną, jak i wykonywać czynność odwrotną.
Silniki asynchroniczne również odpowiadają tej zasadzie i mają tryb pracy silnika i tryb pracy prądnicy.
Praca silnika - jest podstawowym sposobem działania asynchronicznego silnika elektrycznego. Po przyłożeniu napięcia do uzwojeń powstaje moment elektromagnetyczny, który wiąże wirnik z wałem i w ten sposób wał zaczyna się obracać, a silnik osiąga stałą prędkość, wykonując pracę użyteczną.
Tryb generatora - opiera się na zasadzie, że prąd elektryczny w uzwojeniach silnika jest wytwarzany przez obrót wirnika. Jeśli wirnik silnika jest obracany mechanicznie, w uzwojeniach stojana powstaje siła elektromotoryczna, a w uzwojeniach kondensatora - prąd pojemnościowy. Jeśli pojemność kondensatora ma określoną wartość, zależną od charakterystyki silnika, generator ulegnie samowzbudzeniu i wystąpi trójfazowy układ napięciowy. Silnik klatkowy będzie więc działał jak generator.
Regulacja prędkości obrotowej silników asynchronicznych
Istnieją następujące metody regulacji prędkości obrotowej asynchronicznych silników elektrycznych oraz sterowania trybami ich pracy:
- Częstotliwość - zmiana częstotliwości prądu w sieci elektrycznej powoduje zmianę prędkości obrotowej silnika elektrycznego. W tej metodzie wykorzystuje się urządzenie zwane przemiennikiem częstotliwości;
- Reostat - zmiana rezystancji reostatu w wirniku powoduje zmianę prędkości obrotowej. Metoda ta zwiększa moment rozruchowy i poślizg krytyczny;
- Impulsowa - metoda sterowania, w której do silnika przykłada się specjalny rodzaj napięcia.
- Podczas pracy silnika elektrycznego uzwojenia są przełączane z układu gwiazdowego na trójkątny, co zmniejsza prądy rozruchowe;
- Sterowanie z wymianą par biegunów w wirnikach klatkowych;
- Podłączenie rezystora indukcyjnego dla silników z wirnikiem nawijanym w fazie.
Wraz z rozwojem systemów elektronicznych sterowanie różnymi silnikami asynchronicznymi staje się coraz bardziej wydajne i precyzyjne. Silniki takie są stosowane na całym świecie, różnorodność zadań wykonywanych przez takie mechanizmy rośnie z dnia na dzień, a zapotrzebowanie na nie nie maleje.
Powiązane artykuły:
