Asinhroni motor

Izvor: Wikipedia
Asinhroni motori

Asinhrona (indukciona) mašina je vrsta električne mašine za naizmeničnu struju. Kod asinhronih mašina, brzina obrtanja rotora i brzina obrtanja obrtnog magnetnog polja nisu sihnronizovane, pa otuda ime. Asinhrone mašine za razliku od sinhrone mašine ne mogu da proizvode reaktivnu snagu, pa se u glavnom koriste kao elektromotori.

Princip rada[uredi - уреди]

Rastavljeni kavezni kratkospojeni motor snage 250 W mašine za pranje veša. Statorski namotaj od 12 sekcija je u kućištu levo. Do njega je kavezni rotor.

Neka je stator mašine priključen na sistem naizmeničnih trofaznih napona. Kada kroz namotaje statora protiču trofazne naizmenične struje koje stvaraju obrtno magnetno polje, koje obrće rotor brzinom Ω. Obrtno polje rotira u zazoru i zatvara se kroz stator i rotor, zbog čega se u provodnicima indukuju odgovarajuće elektromotorne sile.

U namotu statora javlja se kontraelektromotorna sila Es koja drži ravnotežu priključenom naponu statora U i čiji se moduo razlikuje za nekoliko procenata od dovedenog napona za pad napona na omskoj otpornosti i reaktansi rasipanja. U namotu rotora se takođe indukuje elektromotorna sila. Ako je električno kolo rotora zatvoreno, kroz njega će proticati struja Ir, čija je aktivna komponenta istog smera kao i indukovana elektromotorna sila. Pošto se provodnik sa strujom Ir nalazi u magnetnom polju, na njega će delovati elektromagnenta sila F koja će obrtati rotor u smeru obrtanja obrtnog magnetnog polja. Zbir svih proizvoda pojedinačnih sila u provodnicima rotora i poluprečnika predstavlja obrtni momenat elektromagnetnih sila mašine. Kako se energija sa statora na rotor prenosi putem elektromagnetne indukcije, asinhrone mašine se često nazivaju i indukcione mašine.

Rotor ne može nikada postići sinhronu brzinu, odnosno brzinu obrtanja magnetnog polja. Ako bi se rotor okretao sinhronom brzinom, onda ne bi bilo relativne brzine između obrtnog polja i rotora, zbog čega magnetni fluks ne bi presecao provodnike rotora i ne bi postojala indukovana elektromotorna sila u namotajima rotora, a bez nje ni struja, elektromagnetna sila i obrtni momenat. Zbog toga bi rotor počeo da zaostaje, zbog čega bi provodnici ponovo presecali magnetni fluks i pojavio bi se obrtni momenat. Kada rotor nije opterećen radnom mašinom (asinhroni motor u praznom hodu), tada rotor mora da savlada samo mehaničke gubitke usled trenja u ležajevima i trenja rotora o vazduh. Kako su gubici usled trenja i ventilacije mali, tada se rotor okreće brzinom koja je bliska sinhronoj brzini.

Namoti su po svojoj prirodi omsko-induktivnog karaktera. Za magnećenje magnetnog materijala i vazdušnog zazora između statora i rotora potrebna je reaktivna energija. Kako asinhrona mašina ne može da proizvodi reaktivnu energiju, pa je ona mora uzimati iz mreže. Struja koju napon mreže tera kroz namot će uvek biti induktivna. Zbog toga je asinhrona mašina u i motorskom i u generatorskom režimu potrošač reaktivne energije, što je jedan od osnovnih razloga zašto se asinhrona mašina koristi pretežno kao motor. U generatorskom režimu asinhrona mašina se koristi u okviru autonomnih elektroenergetskih sistema i tada se reaktivna energija obezbeđuje iz kondenzatorske baterije. U velikim industrijskim potrošačima sa puno asinhronih motora velikih snaga, često se postavljaju statički kompenzator (uglavnom kondenzatorska baterija) za popravku faktora snage, da se reaktivna energija ne povlači iz mreže, sa obzirom da se plaća.

Razlika između brzine obrtanja rotora i brzine obrtnog polja opisuje se veličinom koja se naziva klizanje. Klizanje se izračunava po formuli:

 s = (n_{sin} - n_{AM})/n_{sin} \cdot 100

gde je:

  • n_{sin} - sinhrona mehanička brzina obrtanja
  • n_{AM} - asinhrona (stvarna) mehanička obrtanja rotora

Sinhrona mehanička brzina obrtanja zavisi od broj pari polova i iznosi

n_{sin} = \frac {60 \cdot  f_2}{p}
Broj polova Broj pari polova nsin 50 Hz nsin 60 Hz
2 1 3000 min−1 3600 min−1
4 2 1500 min−1 1800 min−1
6 3 1000 min−1 1200 min−1
8 4 750 min−1 900 min−1

Klizanje pri nazivnom opterećenju Sn iznosi od 10 % do 2 % za motore nominalnih snaga. Kako je

n_{sin} = n_{AM} + s \cdot n_{sin},
\omega_2 = \omega_m + s \cdot \omega_2 = \omega_m + \omega_1
\omega_1 = s \cdot \omega_2

dobija se da je frekvencija struje u rotoru

 f_1=s \cdot f_2 .

Vrednost frekvencije struje u rotoru u nominalnom režimu iznosi nekoliko herca, pa su gubici u rotoru usled histerezisa i vrtložnih struja zanemarljivi u odnosu na gubitke u statoru.

Konstrukcija[uredi - уреди]

Rotor asinhrone mašine sa poluzatvorenim žljebovima

Stator asinhrone mašine se izrađuje od feromagnetnog materijala u obliku limova, koji se slažu u pakete potrebne dužine, pri čemu se između limova postavlja izolacija. Ovakvo lameliranje se vrši kako bi se smanjili gubici usled histerezisa i vrtložnih struja. Magnetni limovi od kojih se pravi jezgro su legirani silicijumom radi suzbijanja gubitaka zbog histerezisa, pošto dodatak silicijuma sužava histerezisnu petlju, a legiranjem se povećava električna otpornost limova zbog čega se smanjuju vrtložne struje i gubici usled njih. Žlebovi u koje se smeštaju namotaji statora mogu biti poluzatvoreni za snage do 200 kW, a iznad 200 kW se koriste otvoreni. Otvoreni žlebovi se koriste i u niskonaponskim, a naročito u visokonaponskim asinhronim mašinama. Podela na oblik žleba (utora) u zavisnosti od zatvorenosti nije striktno vezana za snagu mašine, već se više vezuje za veličinu mašine i za napon na koji se priključuje mašina.

Rotor mašine takođe se pravi od feromagnetnog materijala pošto u namotaju rotora protiče naizmenična struja. Namotaji se smeštaju na rotor na dva načina, zbog čega se razlikuju dve podgrupe asinhronih mašina. U zavisnosti od načina smeštanja namotaja postoje mašine sa namotanim rotorom (mašine sa kliznim prstenovima) i kavezni asinhroni motori (motori sa kratkospojenim rotorom).

Kavezni kratkospojeni rotor

Kod mašina sa kliznim prstenovima rotor ima trofazni namotaj čiji se počeci izvode na tri klizna prstena, dok se krajevi vezuju, recimo, u zvezdište. Svrha kliznih prstenova je mogućnost spoljnog pristupa namotaju rotora. Po prstenovima klize četkice koje su pričvršćene za stator i čiji se izvodi nalaze na priključnoj pločici mašine. Na ovaj način je omogućeno dovođenje i odvođenje električne energije i razne druge intervencije (povezivanje preko promenljivih otpornika itd.). Klizni prstenovi se mogu kratko spojiti čime trofazni rotorski namotaj postaje kratkospojeni namotaj, pri čemu se četkice podižu.

Kod kaveznih kratkospojenih motora rotor čine masivni provodnici koji su sa obe strane spojeni kratkospojnim prstenovima. Namotaj može biti od bakra ili od aluminijuma. Kavezni namotaj je potpuno kratko spojen, što znači da ne postoji električni pristup rotorskom namotaju, a time nema ni potrebe za četkicama, koje su najčešći uzrok otkazivanja mašine. Aluminijumski rotorski kavez se pravi tako što se tečni aluminijum uliva pod pritiskom u paket oblikovanih limova koji je tesno navučen na vratilo rotora. Bakarni kavezni namotaj pravi se od bakarnih šipki koje se polažu u žlebove i na krajevima se zavaruju međumetalom za kratkospojni prsten.

Jednofazni (monofazni) asinhroni motor[uredi - уреди]

Indukcioni motor može da radi i samo sa jednom fazom (bez obrtnog magnetskog polja), ali u tom slučaju ne može se sam pokrenuti (nema polazni moment), a smer obrtanja zavisi od smera spoljašnjeg početnog momenta. Uslov razvijanja vremenski nepromenljivog polja za ovu mašinu ne može se zadovoljiti zbog pulsirajućeg polja.

Ovi problemi se rešavaju dodavanjem polova sa kratkospojenim namotom ili pomoćnom fazom u kojoj se postiže veštački fazni pomak struje - obično serijskim spajanjem kondenzatora (koji se nakon zaleta motora može i isključiti). Ovakvi motori široko se koriste u kućnim aparatima.

Regulacija brzine[uredi - уреди]

Kako je brzina obrtanja mašine data formulom:

n_{sin} = \frac {60 \cdot  f_2}{p}

sledi da se na brzinu mašine može uticati promenom broja pari polova ili menjanjem frekvencije. Pre razvoja jevtinih uređaja energetske elektronike bilo je teško menjati frekvenciju struje motora, pa je upotreba ovakvih mašina bila ograničena.

Za kontrolu brzine obrtanja asinhorne mašine koriste se invertori. Najkorišćenija tehnika za regulaciju frekvencije je impulsno-širinska modulacija (eng. Pulse Width Modulation, PWM). Pošto invertor pretvara jednosmerni napon u naizmenični, pogodnim izborom perioda dozvole provođenja jednosmernog napona dobijaju se pravougaoni impulsi određene širine i učestanosti. Ovom metodom je moguće regulisati i vrednost napona koji će se dovesti na motor, jer mašina zahteva konstantan obrtni moment koji zavisi od odnosa kvadrata napona i frekvencije. Upotrebom filtera može se izdvojiti sinusoidni napon potreban za ispravan rad asinhrone mašine.

Literatura[uredi - уреди]

  • „Osnovi elektroenergetike - elektroenergetski pretvarači” - Emil Levi, Vladan Vučković, Vladimir Strezoski

Vanjske veze[uredi - уреди]