Asinhrona mašina

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 sinhronih mašina ne mogu da proizvode reaktivnu snagu, pa se uglavnom koriste kao elektromotori.

Podela

1. Beskolektorske mašine
2. Kolektorske mašine

Princip rada

Rastavljeni kavezni kratkospojeni motor snage 250 W mašine za pranje veša. 12 statorskih namotaja je u kućištu levo. Do njega je kavezni rotor.

Neka je statorski namotaj mašine priključen na sistem naizmeničnih trofaznih napona. Kada kroz namotaje statora protiču trofazne naizmenične struje, one stvaraju obrtno magnetsko 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 E_s koja drži ravnotežu priključenom naponu statora U i čiji se moduo razlikuje za nekoliko procenata od dovedenog napona, zbog pada napona na omskoj otpornosti i reaktansi rasipanja. U namotaju rotora se takođe indukuje elektromotorna sila. Ako je električno kolo rotora zatvoreno, kroz njega će proticati struja I_r, čija je aktivna komponenta istog smera kao i indukovana elektromotorna sila. Pošto se provodnik sa strujom I_r nalazi u magnetskom polju, na njega će delovati elektromagnetna 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 manjka/nedostatka momenta, rotor bi počeo da usporava i da zaostaje, zbog čega bi provodnici ponovo počeli presecati 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 vrlo bliska sinhronoj brzini.

Namotaji 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, ona je 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 kompenzatori (uglavnom kondenzatorska baterija) za popravku faktora snage, da se reaktivna energija ne povlači iz mreže, s obzirom da se plaća.

Klizanje

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

$s=100\cdot (N_{sin}-N_{AM})/N_{sin}[\%]$

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, s_n, iznosi od 10% za motore malih snaga do 2% za motore velikih 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

Rotor asinhrone mašine sa poluzatvorenim žlebovima

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 se takođe pravi od feromagnetnog materijala pošto u namotaju rotora protiče naizmenična struja. Namotaji se na rotor smeštaju na dva načina, zbog čega se razlikuju dve podgrupe asinhronih mašina. U zavisnosti od načina smeštanja namotaja postoje mašine sa motanim namotom ili klizno-kolutne mašine i kavezni asinhroni motori.

Kavezni kratkospojeni rotor

Kod klizno-kolutnih mašina rotor može imati trofazni namotaj, čiji se počeci izvode na tri klizna koluta, dok se krajevi veuju u zvezdište. Svrha kliznih kolutova je mogućnost spoljnog pristupa namotaju rotora. Po kliznim kolutovima klize četkice koje su pričvršćene za stator i čiji su krajevi izvedeni na stator. Na ovaj način je omogućeno dovođenje i odvođenje električne energije. Klizni prstenovi se mogu kratko spojiti, čime trofazni rotorski namotaj postaje kratko spojen namotaj, pri čemu se četkice podižu.

Kod kaveznih kratkospojenih motora, namotaj rotora se uliva u žlebove i spaja sa obe strane kratkospojnim prstenovima. Namotaj je od bakra i aluminijuma. Kavezni namotaj je potpuno kratko spojen što znači da nema električni pristup rotorskom namotaju, a time ni potrebe za četkicama, koje su najčešći razlozi otkazivanja mašine. Aluminijumski rotorski kavez se uliva u nabijeni lim paket rotora na vratilo rotora pod pritiskom. Bakarni kavezni namotaj se pravi od bakarnih šipki, koje se polažu u žlebove i na svojim krajevima zavaruju međumetalom za kratkospojni prsten.

Jednofazni asinhroni motor

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

Ovi problemi se rešavaju dodavanjem polova sa kratko spojenim 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 se široko koriste u kućnim aparatima.

Regulacija brzine

Kako je brzina obrtanja mašine data formulom:

$N_{sin}={\frac {60\cdot f_{2}}{p}}$

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

Za kontrolu brzine obrtanja asinhrone mašine koriste se invertori. Najkorišćenija tehnika za regulaciju frekvencije je impulsno-širinska modulacija (engl. Pulse Width Modulation, PWM). Invertor nema sposobnost da pretvara jednosmerni napon u idealan (prostoperiodičan, tj. sinusni) naizmenični, već se pogodnim izborom trajanja i polariteta dobijaju pravougaoni impulsi određene širine i visoke učestanosti (i preko 20 kHz za male snage). Kada se takav niz impulsa napona primeni na RL potrošač kao što je namotaj statora, struja koja protiče ima talasni oblik vrlo blizak sinusnom. Za velike vrednosti struje, frekvencija impulsa je niža, te se upotrebljavaju filtri kojima je struja dodatno filtrira ka sinusnom obliku, potrebnom za najefikasniji rad asinhrone mašine.

Ovom metodom je moguće regulisati i vrednost napona koji će se dovesti na motor, jer radna mašina zahteva određen obrtni moment od motora, a koji zavisi od napona napajanja, frekvencije i klizanja.

Obični asinhroni motori se mogu koristiti sa invertorima, ali zbog visokih naponskih impulsa koji prate njihov rad, preporučuje se korištenje asinhronih motora posebno testiranih za tu svrhu (engl. inverter-rated motor), sa boljom izolacijom namotaja.

Odnos napon - frekvencija

Pri korištenju uređaja za promenu brzine asinhrone mašine, mora se voditi računa o odnosu između napona i učestanosti, V/Hz. Ovaj odnos mora biti približno konstantan da ne bi došlo do pregrevanja namotaja zbog prevelike struje.

U kontinentalnoj Evropi uobičajene vrednosti su za napon 220 V i 50 Hz za učestanost struje, što daje odnos 4,4. Ako mašina mora da radi sa polovinom brzine (25 Hz), onda napon mora da se smanji na oko 110 V. Ako ovo nije urađeno, magnetno polje će biti prekomerne jačine, za čega je potrebna visoka vrednost reaktivne komponente struje, koja može dovesti do pregrevanja namotaja, topljenja izolacije i zatim proboja namotaja. Dakle, ovaj odnos napona i frekvencije mora da se prati pri svim brzinama motora.

Literatura

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