Asinhronā mašīna

Asinhronā mašīna ir elektriskā mašīna, kuras rotors griežas ar citādu frekvenci jeb ātrumu nekā statora strāvas radītais rotējošais magnētiskais lauks (rotors un statora magnētiskais lauks rotē vienā virzienā).

Asinhronā mašīna. Rotors izņemts no statora

Darba režīmi

Kā jebkura elektriskā mašīna asinhronā mašīna var darboties ģeneratora režīmā (pārveidot mehānisko enerģiju elektriskajā) un dzinēja režīmā (pārveidot elektrisko enerģiju mehāniskajā). Ģeneratora režīmā rotors griežas ātrāk par statora magnētisko lauku, dzinēja režīmā — lēnāk. Jo lielāka slodze (strāva ģeneratoram vai moments dzinējam), jo lielāka atšķirība starp rotora un magnētiskā lauka griešanās ātrumu. Praksē asinhronās mašīnas izmanto tikai kā dzinējus.

Trīsfāžu asinhronais dzinējs

Kāda asinhronā dzinēja datu plāksnīte uz tā korpusa. Sadaļā "Connection" redzami statora tinumu savienojumi: trijstūrī (△) un zvaigznē (Υ)

Trīsfāžu asinhronais dzinējs ir veidots no statora, kura galvenā sastāvdaļa ir dobs cilindrs, kurš sastāv no savstarpēji izolētām elektrotehniskā skārda plāksnēm, uz šī cilindra iekšējās virsmas ir rievas, kurās ievietots statora tinums, kuram ir trīs fāzes ar sešiem izvadiem (pa diviem izvadiem katrai fāzei). Tinumi uz statora aploces ir savstarpēji nobīdīti par, piemēram, 120°, ja dzinējam ir divi poli. Tinumu fāzes var saslēgt zvaigznē vai trijstūrī, piemēram, ja dzinēja pasē vai uzrakstā uz paša dzinēja ir norādīti spriegumi 220/380 V, tad, dzinējam esot pieslēgtam elektriskajam tīklam ar 220 V līnijas spriegumu, statora tinumu fāzes jāsavieno trīsstūrī, bet pie 380 V līnijas sprieguma tās jāsavieno zvaigznē.

Trīsfāžu asinhronais dzinējs ar īsslēgtu rotoru

Dzinējam ar īsslēgtu rotoru rotora tinums veidots no alumīnija vai vara stieņiem, kuri galos savienoti ar tāda paša materiāla gredzeniem — rotorā strāvai ir izveidots noslēgts ceļš. Šādam dzinējam ārējo elektrisko ķēdi (barošanu) pieslēdz tikai statoram.

Trīsfāžu asinhronais dzinējs ar fāžu rotoru

Dzinējam ar fāžu rotoru rotorā ir ievietots statora tinumam līdzīgs trīsfāžu tinums, kas ir slēgts zvaigznē, bet katrs tinuma fāzes brīvais izvads (to ir trīs) pievienots savam misiņa slīdgredzenam jeb kontaktgredzenam (to arī ir trīs un tie ir savstarpēji izolēti). Slīdgredzeni griežas līdz ar rotoru, un tiem piesietas nekustīgas grafīta sukas, kas sniedz iespēju pieslēgt rotoram ārēju trīsfāžu papildpretestību. Šīs papildpretestības pieslēgšanai uz dzinēja korpusa ir izvadītās trīs spailes.

Trīsfāžu maiņstrāva (fāzes zilā, dzeltenā, sarkanā krāsā) rada rotējošo magnētisko lauku. Attēla augšdaļā visos trijos riņķos attēlots viens un tas pats stators ar trim fāzēm (tinumiem), katrai fāzei nosacīti ir savs sākums un gals (atzīmēts ar mazo, ieliekto bultiņu pie fāzes krāsas). Attēla apakšdaļā attēlots fāžu momentāno strāvu laika grafiks. Ar melno bultu norādīts strāvas virziens fāzei, kurā tobrīd ir maksimālā strāva, piemēram, otrajā laika momentā ir zilās fāzes strāvas negatīvais maksimums, tāpēc strāva vērsta no fāzes gala uz sākumu.

Darbība

Pievadot statora tinumam trīsfāžu maiņstrāvu, rodas rotējošs magnētiskais lauks, kura griešanās ātrums (izteikts apgriezienos minūtē)

$n_{0}={\frac {60f}{p}}$,

kur $f$ ir frekvence, apgriezienu skaits sekundē, $p$ ir polu pāru skaits (ja ir trīs tinumi, tad poli ir divi). Šo ātrumu sauc arī par sinhrono ātrumu.

Standarta sinhronie (statora magnētiskā lauka griešanās) ātrumi

Polu pāru skaits	Polu skaits	n0 (apgr./min), ja trīsfāžu tīkla f=50 Hz	n0 (apgr./min), ja trīsfāžu tīkla f=60 Hz
1	2	3000	3600
2	4	1500	1800
3	6	1000	1200
4	8	750	900
5	10	600	720
6	12	500	600

Statora magnētiskais lauks pārvietojoties inducē rotora tinumā elektrodzinējspēku (EDS) saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas likumu. Īsslēgtā rotora tinums veido noslēgtu ķēdi. Fāžu rotoram noslēgta ķēde jāizveido, piemēram, pieslēdzot papildpretestību. Tad rotora rinumā sāk plūst EDS radīta strāva. Pēc Ampēra likuma, rotora strāvas un magnētiskās plūsmas mijiedarbība rada griezes momentu, kura dēļ rotors sāk griezties.

Asinhronā dzinēja rotors var griezties tikai nesinhroni ar statora magnētisko lauku, precīzāk, asinhronā dzinēja rotora griešanās ātrums (korektāk to sauc par rotācijas frekvenci) $n$ ir mazāks par sinhrono ātrumu $n_{0}$. Ja $n=n_{0}$, tad rotējošais magnētiskais lauks attiecībā pret rotoru būtu nekustīgs, tad rotorā neinducētos EDS un nebūtu ne strāvas, ne griezes momenta — rezultātā rotora griešanās ātrums samazinātos līdz kādai asinhronai vērtībai.

Divu polu pāru asinhronā dzinēja darbības attēlojums, kurā redzama slīde (rotors griežas lēnāk par statora magnētisko lauku)

Rotora slīde

Asinhronā dzinēja darbību ietekmē ātrums, ar kuru magnētiskais lauks pārvietojas attiecībā pret rotoru. To raksturo ar bezdimensiju (bez mērvienībām) lielums slīde

$s={\frac {n_{0}-n}{n_{0}}}$.

Kā redzams, slīde ir slīdes ātruma (magnētiskā lauka griešanās un rotora griešanās ātruma starpība) attiecība pret magnētiskā lauka rotācijas ātrumu. Rotora griešanās ātrumam pieaugot, sākot no 0, līdz $n_{0}$ rotora slīdes diapazons ir 1 . . . 0. Pie nominālā momenta slodzes nominālā slīdes vērtība parasti atrodas robežās 0,02 . . . 0,08. Zinot slīdes vērtību, rotora griešanās ātrumu iegūst pēc

$n=n_{0}(1-s)$.

• Rotorā inducētais EDS $E_{2}$ ir proporcionāls slīdei:

$E_{2}\sim E_{2n}\cdot s$, kur $E_{2n}$ ir EDS, kas inducējas nekustīgā rotorā (kad $n=1$).

• Dzinēja stators ir pieslēgts tīklam ar noteiktu frekvenci $f_{1}$, bet rotorā inducētā EDS un tā radītās strāvas frekvence $f_{2}$ parasti ir zemāka:

$f_{2}\sim f_{1}\cdot s$.

$f_{1}=f_{2}$ tikai tad, kad rotors nekustas.

• Strāva rotorā:

$I_{2}={\frac {E_{2}}{Z_{2}}}$, kur $Z_{2}$ ir rotora pilnā pretestība, kas iegūstama kā

$Z_{2}={\sqrt {R_{2}^{2}+(X_{L2}-X_{C2})^{2}}}$, kur $R_{2}$ ir rotora aktīvā pretestība, $X_{L2}$ — induktīvā pretestība, $X_{C2}$ — kapacitīvā pretestība. Tā kā rotora tinums atrodas magnētiskajā ķēdē, tā reaktīvā pretestība $X_{2}$ sastāv tikai no induktīvās pretestības. Tādējādi rotora pilnajai pretestībai ir aktīvi induktīvs raksturs. Rotora reaktīvā (induktīvā) pretestība ir proporcionāla slīdei:

$X_{2}\sim X_{2n}\cdot s$, kur $X_{2n}$ ir nekustīga rotora induktīvā pretestība, bet aktīvo pretestību uzskata par nemainīgu. Tāpat

$I_{2}={\frac {E_{2n}}{Z_{2n}}}sin\varphi _{2}$, kur $\varphi _{2}$ ir rotora EDS un strāvas fāžu nobīdes leņķis. Jo lielāka slīde, jo lielāks šis leņķis. Sākumā, tas ir, ar mazāku slīdi, $I_{2}$ pieaug gandrīz tikpat strauji kā $E_{2}$, bet pēc tam — arvien lēnāk. Rotora strāvas aktīvā komponente $I_{2a}=I_{2}\cdot cos\varphi _{2}$ sākumā, slīdei palielinoties, pieaug. Tā sasniedz maksimumu, kad $R_{2}=X_{2}$ un $\varphi _{2}=45^{\circ }$. Slīdei palielinoties vēl, $I_{2a}$ samazinās.

Elektriskie zudumi rotorā

Dzinēja statoram no tīkla tiek pievadīta jauda $P_{1}$. Statorā izdalās elektriskie zudumi — tinumos izdalās siltums, tajos plūstot strāvai — un magnētiskie zudumi — silst statora tērauds, inducējoties tajā virpuļstrāvām.

Statora magnētiskajam laukam griežoties ar ātrumu $n_{0}$, rotoram tiek nodota elektromagnētiskā jauda, kuru izsaka kā

$P_{EM}={\frac {M\cdot n_{0}}{9,55}}$,

jo šis magnētiskais lauks pārnes momentu $M$.

Rotora enerģijas zudumus galvenokārt veido elektriskie zudumi (silst rotora tinumi).

$\Delta P_{el2}=\sim I_{2}^{2}\cdot R_{2}$

Kā redzams, šie zudumi ir proporcionāli rotoras strāvas kvadrātam. Tāpat rotorā ir arī mazāk ievērojamie magnētiskie un mehāniskie zudumi (berze gultņos, ventilācijas zudumi), tāpēc elektromagnētiskā jauda tuvināti sadalās tā:

$P_{EM}=P_{2}+\Delta P_{el2}$,

kur $P_{2}$ ir lietderīgā mehāniskā jauda dzinēja izejā, tā ir mazāka par $P_{EM}$, tāpat kā $n<n_{0}$:

$P_{2}={\frac {M\cdot n}{9,55}}=P_{EM}(1-s)$.

Elektriskie zudumi rotorā ir proporcionāli slīdes ātrumam:

$\Delta P_{el2}={\frac {M(n_{0}-n)}{9,55}}=P_{EM}\cdot s$.

Asinhronā dzinēja momenta līkne M=f(s). Šajā grafikā s vietā izmantots g (franču glissement), bet M apzīmēts ar T (torsion). Ja šo lielumu vērtības ir negatīvas (līkne III kvadrantā), asinhronā mašīna darbojas ģeneratora režīmā

Momenta atkarība no slīdes

• $s=0\Rightarrow M=0$
• Sākumā, slīdei pieaugot, palielinās momenta vērtība
• Sasniedzot kritisko slīdes vērtību $s_{kr}$, tiek sasniegts momenta maksimums — kritiskais moments $M_{kr}$
• Slīdei palielinoties vēl vairāk, moments sāk samazināties

Tādējādi līknei M=f(s) ir četri raksturīgi punkti:

• T, kurā ir ideālas tukšgaitas režīms, kad $s=0$ un $M=0$ (tostarp $n=n_{0}$)
• K, kurā ir kritiskais režīms ar momenta lielāko vērtību, $M_{kr}$ un $s_{kr}$
• P (atrodas aiz K), kurā ir palaišanas režīms, kad $s=1$ (arī $n=0$) un ir palaišanas moments $M_{P}$
• N (atrodas starp T un K), kurā ir nominālais režīms, kad slīdes un momenta vērtības ir nominālas,

posmā T . . . K dzinējs darbojas stabili, posmā K . . . P — nestabili. Nestabilajā posmā dzinējs var atrasties tikai īslaicīgi, to palaižot vai nobremzējot. To sauc par nestabilu, jo, izmainot kādu parametru, dzinējs nokļūst stabilajā režīmā (izmaiņa notikusi stabilā posma virzienā) vai apstājas (izmaiņa notikusi prom no stabilā posma).

Momenta līknes jebkuru punktu var iegūt pēc Klosa formulas

$M={\frac {2M_{kr}}{{\frac {s}{s_{kr}}}+{\frac {s_{kr}}{s}}}}$.

Kritisko slīdi var aprēķināt šādi:

$s_{kr}=s_{N}(\lambda +{\sqrt {\lambda ^{2}-1}})$,

kur $\lambda$ ir pārslodzes spēja, kas ir kritiskā momenta attiecība pret nominālo.

Rotora griešanās ātruma atkarība no momenta

Pagriežot M=f(s) grafiku tā, ka moments kļūtu par neatkarīgo mainīgo, un aizvietojot slīdi ar rotora griešanās ātrumu, iegūst funkcijas grafiku, kura atrodas koordinātu sistēmā ar momentu uz abscisu ass un rotora ātrumu uz ordinātu ass. Tā ir mehāniskā raksturlīkne n=f(M). Iegūtajai līknei ir līdzīga forma kā M=f(s) līknei, tikai tā ir pagriezta par -90° (pa pulksteņa rādītāju). Šai raksturlīknei ir četri raksturīgi punkti:

• T ar ideālas tukšgaitas režīmu, kad $M=0$ un $n=n_{0}$
• N ar nominālo režīmu
• K ar kritisko režīmu, kurā ir $M_{kr}$ (maksimālais moments) un $n_{kr}$, ar kuru beidzas dzinēja stabilās darbības līknes posms
• P ar palaišanas režīmu un $M_{P}$, kuru attīsta dzinējs, kad $n=0$.

Momenta atkarība no tīkla sprieguma un rotora ķēdes pretestības

Asinhronais dzinējs ir jutīgs pret tīkla sprieguma izmaiņām:

ja $s=const$, $M\sim U^{2}$.

Samazinot tīkla spriegumu, momenta līkne pārvietojas uz leju, mehāniskā raksturlīkne pārvietojas pa kreisi.

Asinhronajam dzinējam ar fāžu rotoru var mainīt rotora ķēdes pretestību, pieslēdzot trīsfāžu papildpretestību $R_{p}$.

${\frac {s'}{s}}={\frac {R_{2}+R_{p}}{R_{2}}}$, kur $s'$ ir slīde, kad pievienota papildpretestība.

Pieslēdzot $R_{p}$, momenta līknes abscisa pārvietojas pa labi, mehāniskā raksturlīkne pārvietojas uz leju.

Rotācijas ātrumu regulēšana

Asinhronā dzinēja rotora griešanās ātrumu var regulēt, mainot statora magnētiskā lauka griešanās ātrumu vai mainot mehānisko raksturlīkni (ar papildpretestību vai tīkla spriegumu). Magnētiskā lauka ātrumu var regulēt, mainot tīkla sprieguma frekvenci vai statora polu pāru skaitu.

• Ātruma regulēšana, mainot statoram pievadītā sprieguma frekvenci ļauj regulēt dzinēja ātrumu nepārtraukti un plašās robežās, tas ir vienīgais veids, kuru var pielietot asinhronajam dzinējam ar īsslēgtu rotoru. Tam nepieciešams īpašs sprieguma avots vai pārveidotājs.
• Ātruma regulēšana caur statora magnētiskā lauka polu skaita izmaiņu tiek īstenota ar vairākātrumu dzinējiem. Ar šo metodi nav iespējama nepārtraukta regulēšana, bet tikai pakāpeniska.
• Mainot papildpretestību rotora ķēdē, ātrumu var regulēt tikai fāžu rotora dzinējam.
• Ātruma regulēšanu, mainot statora tinumam pievadīto spriegumu, asinhronajam dzinējam praktiski neizmanto mazā regulēšanas diapazona dēļ.

Palaišana

Palaišanas procesu raksturo palaišanas moments $M_{p}$ un palaišanas strāva $I_{p}$. Lai palaistu dzinēju, $M_{p}$ jābūt lielākam par slodzes pretestības momentu, turklāt jo lielāka šo momentu starpība, jo ātrāk norisinās palaišana. Asinhronajam dzinējam $M_{p}$ ir relatīvi mazs. Smagos palaišanas apstākļos izvēlas dzinēju ar fāžu rotoru, kuram ar papildpretestību tiek iegūts lielāks $M_{p}$, vienlaicīgi samazinot $I_{p}$. Dzinējs ar īsslēgtu rotoru ir parocīgāks lietošanā. Palaišanas laikā (ne vairāk par dažām sekundēm) rotorā inducētais EDS ir 20 . . . 50 reižu lielāks nekā nominālajā režīmā, tāpat ievērojami palielinās $Z_{2}$. $I_{p}$ ir tikai 4 . . . 7 reizes lielāka par nominālo strāvu. Relatīvi mazas jaudas tīklā dzinēja palaišana var izraisīt lielu sprieguma kritumu, tāpēc jāierobežo $I_{p}$, palaižot ar pazeminātu spriegumu vai ar pretestību rotora ķēdē. Ja tīkla jauda ir pietiekami liela, dzinēju palaiž, tam esot tieši pieslēgtam tīklam.

Slodze

Dzinēja raksturlielumi atkarīgi no slodzes momenta $M$ vai noslodzes koeficienta $\beta ={\frac {M}{M_{N}}}$. Slodzes izmaiņu parasti izskata robežās no tukšgaitas ($M=0$) līdz nominālajai slodzei ($M=M_{N}$).

• Palielinoties slodzei, palielinās no tīkla patērējamā strāva $I_{1}$. Arī tukšgaitā strāva tiek patērēta.
• Asinhronajam dzinējam darbojoties nominālajā režīmā, jaudas koeficients $cos\varphi$ parasti ir 0,7 . . . 0,9. Tukšgaitā dzinējs patērē nelielu aktīvo jaudu, bet reaktīvā jauda nav mazāka nekā pie pilnas slodzes, tā $cos\varphi$ ir mazs.
• Jo lielāka slodze, jo lielāks lietderības koeficients $\eta$. Nominālajā režīmā tas ir 0,7 . . . 0,9.

Reversija

Asinhronā dzinēja reversija ir jebkuru divu fāžu samainīšana vietām. Tad rotors griezīsies uz pretējo pusi. Ja dzinēju reversē darba laikā, sākumā tam iestājas bremzēšanas režīms, uzreiz pēc apstāšanās tas sāk griezties pretējā virzienā.

Raksturlielumi

Parasti dzinēja pasē norādīta nominālā jauda (mehāniskā jauda izejā) $P_{2N}$, rotora griešanās ātrums nominālajā režīmā $n_{N}$, dzinēja pārslodzes spēja $\lambda ={\frac {M_{kr}}{M_{N}}}$, (tās vērtība parasti 1,6 . . . 2,5), palaišanas momenta attiecība pret nominālo momentu ${\frac {M_{P}}{M_{N}}}$ (parasti robežās 0,8 . . . 1,5). Tāpat jābūt norādītam: statora nominālajam spriegumam $U_{N}$, palaišanas strāvas un statora nominālās strāvas attiecībai ${\frac {I_{p}}{I_{N}}}$ (2,5 . . . 7,5), lietderības koeficientam $\eta$, jaudas koeficientam $cos\varphi _{2}$, nominālajai slīdei $s_{N}$, kritiskajai slīdei $s_{kr}$.

Vienfāzes asinhronais dzinējs

Vienfāzes asinhronajam dzinējs sastāv no rotora un statora. Statoram ir divi tinumi, kas savstarpēji nobīdīti 90° leņķī, viens no tiem tiek saukts par galveno jeb darba tinumu (parasti aizņem divas trešdaļas statora rievu), otrs ir palaišanas jeb palīgtinums (parasti aizņem vienu trešdaļu statora rievu). Rotors ir īsslēgts. Vienfāzes dzinēju darbina vienfāzes maiņstrāva, pēc dzinēja palaišanas tiek izmantots tikai viens (darba) tinums.

Statorā plūstošā maiņstrāva rada pulsējošo magnētisko lauku, kura magnētiskās indukcijas vektors vienmēr vērsts pa vienu asi, bet indukcijas vērtība mainās sinusoidāli. Šo pulsējošo lauku var uzskatīt par divu rotējošo magnētisko lauku, kuri rotē pretējos virzienos ar sinhrono ātrumu, summu. Tad katra rotējošā lauka magnētiskās indukcijas amplitūda vienāda ar pusi no pulsējošā (rezultējošā) lauka indukcijas amplitūdu. Katrs no rotējošajiem laukiem inducē rotorā EDS un rada griezes momentu, tā kā uz rotoru darbojas divi pretēji griezes momenti, rotors ir nekustīgs ($n=0$). Tāpēc vienfāzes dzinējs pats nespēj attīstīt palaišanas momentu.

Ja rotors griežas vienā virzienā ar kādu laukiem (tiešais lauks), rotora slīdi attiecībā pret abiem rotējošajiem laukiem izsaka kā

$s_{1}={\frac {n_{0}-n}{n_{0}}}$, $s_{2}={\frac {-n_{0}-n}{-n_{0}}}$.

Ja $n=0$, abas slīdes ir vienādas ($s_{1}=s_{2}=1$). Ja $n=n_{0}$, tad $s_{1}=0$, $s_{2}=2$ utt.

Vienfāzes dzinēja momenta līkni iegūst, summējot abas momenta līknes M=f(s₁) un M=f(s₂). Pārveidojot koordinātu sistēmu, iegūst vienfāzes dzinēja mehānisko raksturlīkni n=f(M), no kuras redzams, ka palaišanas moments ir vienāds ar nulli un ka, piešķirot rotoram noteiktu ātrumu jebkurā virzienā, dzinējs attīsta šajā virzienā vērstu griezes momentu un pāriet stabilā darba režīmā.

Lai strāvas abos statora tinumos būtu savstarpēji nobīdītas par 90° (lai veidotos rotējošais magnētiskais lauks), virknē ar palaišanas tinumu slēdz kondensatoru ar noteiktu kapacitāti. Lai uzlabotu vienfāzes dzinēja lietderības koeficientu un citus rādītājus, mēdz izmantot dzinējus, kuriem otrs tinums ar virknē slēgtu kondensatoru paliek ieslēgts pēc palaišanas, šādus dzinējus sauc par kondensatora dzinējiem (tie tiek baroti no vienfāzes tīkla, taču būtībā ir divfāžu dzinēji).

Avārijas gadījumā par vienfāzes dzinēju var kļūt arī trīsfāžu asinhronais dzinējs, kuram vienā no trim barošanas vadiem radies pārtraukums. Ja šāda avārija notiek dzinēja darba laikā, tas turpina darboties ar mazāku lietderības koeficientu un jaudas koeficientu. Ja avārija atgadās, kad dzinējs nedarbojas, to nevarēs palaist.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Asinhronā mašīna.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)