Maszyny elektryczne

Silniki indukcyjne (asynchroniczne)

Silniki indukcyjne wykonywane jako 1-fazowe lub 3-fazowe,  są najpopularniejszymi z silników prądu zmiennego. Zasada działania opiera się o wykorzystanie wirującego pola magnetycznego uzyskanego w wyniku nakładania się na siebie zmiennych pól magnetycznych wytworzonych w uzwojeniach stojana. Pole to poprzez indukcję magnetyczną wzbudza w uzwojeniach wirnika przepływ prądu i „pociąga” go za sobą. Wirnik wiruje zawsze wolniej od pola stojana (asynchronizm). Różnica w prędkości wirowania wirnika i pola stojana w odniesieniu do prędkości pola stojana stanowi tzw. poślizg.

Silniki indukcyjne ze względu na konstrukcję wirnika dzielimy na: 

• klatkowe (wirnik stanowi „klatka” z prętów połączonych na końcach pierścieniami zwierającymi), 
• pierścieniowe (wirnik posiada uzwojenia wyprowadzone na zewnątrz za pośrednictwem pierścieni ślizgowych. 

Uzwojenia silników mogą być połączone: 

• w gwiazdę
• w trójkąt

Często podczas rozruchu maszyny indukcyjnej (najczęściej klatkowej) stosuje się metodę przełączania uzwojeń: gwiazda-trójkąt.

Rys. 9. Połączenie uzwojeń w gwiazdę (a) i w trójkąt (b)

Rys. 10. Wirnik klatkowy  

Rys. 11. Wirnik pierścieniowy z rezystorami rozruchowymi

Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do częstotliwości zasilania. Zależy również od ilości par biegunów stojana. Nieznacznie zależy też od obciążenia silnika i jego napięcia zasilania. W silnikach pierścieniowych zależy również od napięcia na pierścieniach wirnika (wartości wpiętych tam rezystorów).

Obecnie najpopularniejszą metodą jej regulacji jest regulacja częstotliwości zasilania silnika indukcyjnego realizowana za pośrednictwem falowników energoelektronicznych. M fωm

Rys. 12. Charakterystyka mechaniczna dla różnych częstotliwości zasilania silnika

Silniki indukcyjne 1-fazowe

Jednofazowe silniki indukcyjne składają się ze stojana o uzwojeniu dwufazowym i wirnika klatkowego. Dla jego rozruchu niezbędne jest stworzenie kondensatorowego uzwojenia rozruchowego, w którym prąd jest przesunięty w fazie, co pozwala na stworzenie pola wirującego i rozruch silnika. 

Rys. 13. Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem rozruchowym - pojedynczy (a) i podwójny (b) kondensator

Maszyny synchroniczne

Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej jako silniki.

Wirują zawsze z tą samą prędkością obrotową niezależnie od obciążenia.

Składają się ze: 

• stojana
• wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego) 
  - z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach)
  - z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych)

Rys. 14. Schemat maszyny synchronicznej 

Rys. 15. Maszyna synchroniczna z biegunami a) jawnymi, b) utajonymi

W prądnicy synchronicznej wirnik zasilany prądem stałym obraca się, wytwarzając wokół siebie pole magnetyczne wirujące  z taką samą prędkością jak sam wirnik. Przecina ono uzwojenia stojana, indukując w nim zmienne SEM. Uzyskane w ten sposób napięcie można wykorzystać do zasilania innych odbiorników. Jego częstotliwość zależy od prędkości obrotowej wirnika i jest z nią ściśle zsynchronizowana. 

Prądnice takie wykorzystujemy głównie w elektroenergetyce (elektrownie).  

Mogą one pracować samotnie lub w pracy równoległej z innymi generatorami (system elektroenergetyczny). W przypadku pracy równoległej konieczna jest synchronizacja prądnicy (generatora) z siecią. Synchronizuje się poziom napięcia, częstotliwość i zgodność faz.

Alternatory

Są to prądnice synchroniczne pracujące w pojazdach samochodowych. Uzyskane z nich napięcie jest regulowane (poprzez regulator napięcia zmieniający napięcie zasilające magnes wirnika), a następnie prostowane i podłączone do akumulatora. 

Silniki synchroniczne

Są kłopotliwe w użyciu. Wymagają specjalnych układów rozruchowych. Jednocześnie zapewniają stałą prędkość niezależnie  od obciążenia. Mogą być wykorzystywane do kompensacji cos ϕ.

Literatura: J.Nowicki, Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN, WSiP 1999