Aszinkron motorok

Az aszinkron – másik nevükön indukciós-gépek lehetnek generátorok és motorok A gyakorlat számára a motorok a jelentősebbek. A működő motorok legnagyobb részét az aszinkrongépek teszik ki. Ennek oka az egyszerű szerkezet, az ebből következő üzembiztonság, kis karbantartási igény és a viszonylagos olcsóság. Aszinkronmotorokat 1 W-tól 1 MW teljesítményig.

Háromfázisú aszinkron motor

A szerkezet fő részei az állórész és a forgórész. Az állórész szerkezete lényegében megegyezik a szinkrongép állórészével. Az állórészház kis teljesítmények esetén (1-2 kW-ig) legtöbbször aluminiumöntvény, nagyobb gépeknél öntöttvas, ill. hegesztett acélszerkezet. A házban helyezkedik el az egymástól elszigetelt dinamólemezekből épített, hornyolt vasmag. A hornyokban elhelyezkedő háromfázisú tekercselésnek általában mind a hat végét kivezetik az állórészen lévő, csavarokkal lezárt kapocsházba. A szigetelő anyagú kapocstáblán a tekercskivezetésekhez csavarkötéssel lehet csatlakoztatni a hálózatot.

A forgórész két változatát különböztetjük meg: a csúszógyűrűs (más néven tekercselt) és a kalitkás (más néven rövidrezárt) forgórészt. A két típus szerkezetében közös a tengelyen lévő, dinamólemezből készült, hengeres vasmag, a teljes kerületén, egyenletesen elosztott hornyokkal. Csúszógyűrűs forgórész esetén a vasmag hornyaiban szigetelt rézvezetőből készült, háromfázisú tekercselés van. A tekercselés három kivezetése a tengelyre szerelt, a tengelytől és egymástól is elszigetelt, három bronz csúszógyűrűhöz csatlakozik. Összeszerelt gépeknél a csúszógyűrűkhöz szénkefék csatlakoznak. A kefék három kivezetése külön kapocsházban található. Tartós üzemelésű gépek esetén találkozhatunk ún. kefeemelő és a csúszógyűrűket a tengelyen közvetlenül rövidre záró szerkezettel. Ennek hatására üzemelés közben sem a kefék, sem a csúszógyűrűk nem kopnak. Csúszógyűrűs forgórészű gépet általában 10kW teljesítmény alatt nem készítenek.

Kalitkás forgórész esetén a vasmag hornyaiba egy-egy szigeteletlen, viszonylag nagy keresztmetszetű vezető (rúd) kerül. A rudak a vasmag két végén ún. rövidre záró gyűrűkhöz csatlakoznak. Az így kialakított szerkezetet nevezzük kalickának. A kétkalitkás és a mélyhornyú megoldások célja a motorok indítónyomatékának növelése. A kalitkát kb. 10 kW teljesítményig alumíniumöntéssel készítik. Ugyanakkor alakítják ki a rövidrezáró gyűrűket is. Zárt gépek esetén a gyűrűkhöz (a levegőt keverő) lapátkákat is öntenek. Ez az eljárás tömeggyártásra alkalmas technológia. Nagyobb teljesítmények esetén a hornyokba rézből készült rudakat tolnak és ezeket keményforrasztással a réz rövidrezáró gyűrűkhöz kötik. Kalitkás forgórészű gépeket 100 kW teljesítménynagyságrendig készítenek. A kalitkás gépek olcsóbbak és üzembiztosabbak a csúszógyűrűs motoroknál.

Az aszinkronmotorok általában léghűtésűek. A hűtőlevegőt, ritka kivételtől el tekintve a tengelyre szerelt ventilátorkerék áramoltatja:

• átszellőzött gépeknél a gép belsején keresztül,
• zárt gépek esetén az állórész felületén.

Három fázisú aszinkron motor működése

Az állórészre kapcsolt U1 feszültség hatására folyó I1 háromfázisú áram forgó mágneses teret létesit, amely a fázissorrend által meghatározott irányba, n1 szinkronfordulatszámmal forog. Fordulatszámát most is a hálózati frekvencia és a motor állórésztekercsének póluspárszáma határozza meg. A forgó mágneses tér (a mozgási indukció alapján) a forgórész vezetőiben U₂ feszültséget indukál. Ha a forgórész zárt áramkörű az indukált feszültség I2 áramot létesit. Ebből adódik az indukciós motor elnevezés. Az indukált áram az állórész fluxusával erőhatást, nyomatékot hoz létre, amely az állórész mágneses terével egyező irányba hat. A nyomaték következtében a gép forgórésze forgásba jön. A nyomaték hatására a motor fordulatszáma szükségszerűen kisebb a szinkronfordulatszámnál. Ha a fordulatszám elérné a szinkronfordulatszám értékét, megszünne az indukáló hatás és így a nyomaték is, tehát a forgórész lassulna. Ekkor kialakulna a fordulatszámegyenlőtlenség. (A szinkronnál nagyobb fordulatszámmal sem működhet a motor. Ekkor ugyan indukálódna áram, de a keletkező erő fékezné a forgást, megszüntetni igyekezvén az indukáló hatást.) Az aszinkronmotor egyik legjellemzőbb tulajdonsága, hogy csak szinkronnál kisebb fordulatszámmal képes üzemelni. Ebből adódik a gép aszinkron elnevezése. A szinkron fordulatszámtól való eltérést a szlippel (csúszás) jellemezzük. A szlip megmutatja, hogy a motor tényleges fordulatszáma hány százalékkal tér el a szinkronfordulatszámtól. Az általánosan használt motorok szlipje névleges terhelésen 1-10%. A nagyobb teljesítményű gépek szlipje az alsó határ közelébe, az 1-100 W nagyságrendűeké pedig a 10% közelébe esik. A szlip jellemző átlagértéke 4% körüli. A motorok fordulatszáma üresjáratban igen jól megközelíti a szinkronfordulatszámot. A motorok fordulatszáma az üresjárat és a névleges terhelés között néhány százalékot változik.

Aszinkron motor jelleggörbéi

A jelleggörbe jellegzetes pontjai és a motorok tulajdonságai a jelleggörbe alapján:

• Indítónyomaték (M): a névleges nyomaték körüli, vagy annál kisebb. Ennek oka, hogy álló helyzetben a forgórész erősen induktív jellegű, a forgórész fázistényezője kicsi és emiatt a nyomaték is kicsi. A motor akkor tud forgásba jönni, ha az indítónyomaték nagyobb az M, terhelőnyomatéknál, ahogy az ábra mutatja.
• Billenőnyomaték (M): a motor gyorsulása közben a nyomatéka a billenő nyomatékig nő. A nyomaték azért növekszik, mert a fordulatszám növekedésével csökken a szlip, így csökken a forgórész f frekvenciája. A csökkenő frekvencián kisebb lesz a forgórész induktív ellenállása, ezáltal növekszik a slip, fázistényező. A nagyobb fázistényező növekvő nyomatékot eredményez. A billenőnyomatékhoz tartozó szlip kb. 15-20%, tehát ekkor a fordulat szám a szinkronértéknek kb. 80-85%-a.
• Névleges nyomaték (M): a billenőnyomaték utáni gyorsulás folyamán a nyomaték meredeken csökken. A csökkenés oka: a fázistényező már csak keveset növekszik, de a forgórész árama tovább csökken, mivel az indukált feszültség a szlip csökkenése miatt egyre kisebb lesz. A névleges nyomaték ennek a meredek szakasznak kb. a közepén található.

A motor addig gyorsul, amíg a nyomatéka egyenlő nem lesz a terhelés nyomatékával (a két jelleggörbe metszéspontja). Ha a gép üresjárásban van, akkor felgyorsul az nt, szinkronfordulatszám közvet len közelébe. A nyomatéki görbe a szinkronfordulatszámnál metszi a vízszintes tengelyt. A nyomaték jelleggörbéjéből is kiolvashatóan üresjárás és névleges terhelés között a motor fordulatszáma néhány százalékot változik. Stabil motoros üzemet az üresjárási pont és a billenőnyomaték között lehet meg valósítani. Ha a terhelés meghaladja a billenőnyomatékot, akkor a motor hirtelen megáll, a névlegest többszörösen meghaladó hálózati áramfelvétel kíséretében. Ez a nagy áram, ha tartósan fennmarad, veszélyezteti a motor épségét.

Aszinkron motorok veszteségei és hatásfoka

A hálózatból felvett teljesítmény egy része a motorban veszteségként jelentkezik. A fellépő veszteségek és teljesítményviszonyok:

Az állórész vasvesztesége: jó közelítéssel, a terheléstól függetlenül állandó. Az állórész tekercasvesztesége: a hálózatból felvett áramtól függ.

A forgórész vasvesztesége (ami frekvenciafüggő) forgás közben elhanyagolható, mert a forgórész frekvenciája néhány Hz. A mechanikai veszteség: csapágy- és kefesúrlódásból, valamint a szellőzési veszteségből (a hűtőlevegő áramoltatásához szükséges teljesítmény) áll. A mechanikai veszteségek a terheléstől függetlenül állandóak, mivel a fordulatszám gyakorlatilag nem változik, a mechanikai veszteségek a névleges teljesítmény 1-2 százalékára tehetők. A forgórész tekercsvesztesége is teljesítmény függő.

Névleges teljesítménynél, az aszinkrongépek hatásfoka 70-90%. A nagy teljesítményű gépek hatásfoka a magasabb értékű. A teljesítménytényező névleges értéke 0,7-0,92 közé esik. A legnagyobb érték a nagyteljesítményű gépekre jellemző.

Egyfázisú aszinkronmotor

Olyan helyeken, ahol nem áll rendelkezésre a háromfázisú hálózat, de az aszinkronmotor kedvező tulajdonságai (egyszerú, üzembiztos szerkezet, kis karbantartási igény) jól hasznosíthatók, egyfázisú gépet alkalmaznak. Jellegzetes felhasználási területük a háztartásokban található, villamos hajtású berendezések (mosógépek, kompresszoros hűtőgépek, szivattyúk, fűnyírók stb.). Az egyfázisú aszinkrongépek teljesítménye általában nem nagyobb 1,5-2 kW-nál. A kis teljesítmény miatt az egyfázisú gépek egykalitkás forgórésszel készülnek és az állórész-tekercselés kivételével szerkezetileg megegyeznek a háromfázisú motorokkal. Az állórész tekercselése kétfázisú. Ez azt jelenti, hogy a két fázistekercs mágneses tengelyei 90°-os villamos szöget zárnak be. A két tekercs egyikét főfázisnak, a másikat segédfázisnak nevezik.

Annak érdekében, hogy a motornak legyen indítónyomatéka, már álló állapotban forgó mágneses teret kell a gépben létrehozni. Ezért készítik a gépet segédfázissal. A segédfázissal kondenzátort kapcsolnak sorba, hogy áramát a főfázis áramához viszonyítva fázisban eltolják. A fő- és segédfázist párhuzamosan kapcsolják az egyfázisú hálózatra. Mivel a felgyorsulás után a gép már a főfázissal is üzemképes, működtetnek motorokat úgy is, hogy a segédfázist csak az indítás idejére kapcsolják be. A segédfázis be- és kikapcsolását az indítóberendezés automatikusan végzi.

Az egyfázisú motor hátrányai:

• Azonos teljesítmény esetén nagyobb méretű, mint a háromfázisú gép, ebből következően nagyobb tömegű, nagyobb helyigényű és költségesebb.
• A háromfázisú gépnél rosszabb a hatásfoka.
• A segédberendezések (kondenzátor, áramrelé) miatt a háromfázisú motornál kevésbé üzembiztos.