Podstawowym urządzeniem sterowanym w przemyśle przez falowniki są klatkowe silniki indukcyjne prądu zmiennego. Tekst ten jest moją próbą wyjaśnienia zasady działania oraz zjawisk nimi rządzącymi. W jak najprostszy i zrozumiały sposób. Silnik taki składa się z dwóch podstawowych elementów.
Wirnik: jest to element do którego został przytwierdzony wał napędowy i to właśnie on wiruje. Najczęściej wykonany z pakietów blach magnetycznych, w które zostały wtopione aluminiowe pręty tworzące "klatkę". Konstrukcja taka zapewnia bardzo duży strumień indukcji magnetycznej w wirniku. Pozwala to zasilać wirnik bez jakichkolwiek przewodów! Cała energia elektryczna wykorzystywana przez wirnik jest w nim indukowana. Jest to bardzo wygodne rozwiązanie ponieważ całkowicie eliminuje problemy związane ze szczotkami. Ramek na wirniku znajduje się kilka. Taki brak minimalizmu jest spowodowany chęcią uzyskania kąta prostego pomiędzy wektorami pól magnetycznych wirnika i stojanu. Sytuacja taka zapewni nam największy moment silnika. Przy większej ilości ramek mamy większą szansę, na uzyskanie takiej sytuacji.
Stojan: walec stanowiący główny korpus silnika. To właśnie do jego cewek jest doprowadzone napięcie. Cewki te są nawinięte na specjalnie uformowanych pakietach blach, pasujących do tych z wirnika. W tym elemencie jest indukowane pole magnetyczne odpowiedzialne za zasilanie wirnika i obroty wału. Zasilane cewki stanowią elektromagnesy. Uzwojenia są nawinięte co 120stopni i napięcie pojawia się w nich kolejno (zapewnia nam to elektrownia, generując napięcia przesunięte o 120stopni - dla prądu trójfazowego). Można powiedzieć że pole magnetyczne wiruje w stojanie. Jest on najczęściej wykonany z aluminium w celu zapewnienia lepszej wymiany ciepła.
Jak wiadomo z prawa indukcji elektromagnetycznej zasilana cewka jest elektromagnesem, który wytwarza strumień magnetyczny. A co się stanie jeżeli w tym polu znajdzie się druga cewka i będzie się poruszać? Ona też wytworzy strumień magnetyczny ale przeciwnie skierowany. Czyli: jeżeli będziemy chcieli te cewki zsunąć to one będą się odpychać i odwrotnie. Siła z jaką cewki będą na siebie oddziaływać zależy od natężenia prądu jaki będzie przez nie płynął. W silniku mamy do czynienia z tą drugą sytuacją. Elektromagnesy stojanu wirując w wokół wirnika (a dokładnie wiruje pole zasilające cewki stojanu) regularnie oddalają się od ramek wirnika, dzięki temu indukuje się w nich strumień magnetyczny o przeciwnym kierunku. "Elektromagnesy" wirnika próbują przeciwdziałać tej sile i wirnik zaczyna się obracać. Elektryczny schemat zastępczy pracującego silnika można porównać do schematu transformatora ze zwartym uzwojeniem wtórnym. W silniku uzwojenie wtórne to pojedyncza ramka znajdująca się w polu magnetycznym i zwarta przez pozostałe ramki. Jak wiemy układ taki umożliwi przepływ maksymalnego (udarowego) prądu przez uzwojenie pierwotne o ile na wtórnym pojawi się napięcie (dziwne? Tak, ale o tym później). Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej wartość zaindukowanego napięcia zależy między innymi od prędkości zmian pola magnetycznego w jakim został umieszczony przewodnik. W silniku o jednym komplecie trzech uzwojeń (silnik taki jest nazywany jednobiegunowym) pole magnetyczne mija przewodnik z ogromną prędkością 3000obr/min. Przytoczenie trzech powyższych akapitów okazało się niezbędne aby w pełni wyjaśnić poniższe wykresy, przedstawiające pobór prądu.
Możemy wyróżnić kilka faz rozpędzania się silnika i zmian pobieranego przez niego prądu:
§ faza rozruchu: silnik został dopiero co zasilony, wirnik jest jeszcze zatrzymany. Prędkość oddziaływania pola na przewodnik jest maksymalna i równa różnicy między prędkością wirowania pola, a obrotami wału. Zgodnie z punktem 3 w wirniku indukuje się maksymalne napięcie, przy zwartych ramkach płynie maksymalny prąd. Silnik pobiera prąd udarowy, a wał pracuje przy minimalnych obrotach. Ze wzg. na bardzo duży prąd (punkt 1) płynący przez cewki, silnik dysponuje momentem obrotowym bliskim maksymalnemu. Stan całkowicie nieużyteczny ze wzg. na brak obrotów i prąd udarowy. Odpowiada to stanowi zwarcia transformatora.
§ faza silnego obciążenia: silnik zaczyna pracować Różnica miedzy prędkością pola, a obracającego się już wirnika maleje. W myśl punktu 3 maleje także prąd pobierany przez silnik. Można zaobserwować także nieznaczne zmniejszenie wartości momentu.
§ stan zrównoważenia: prędkość obracania się wału jest prawie równa prędkości wirowania pola. Nie może się z nią zrównać ze wzg. na opory toczne i brak napędu przy obrwału=obrpola. Napięcie indukowane w wirniku maleje, a wraz z nim prąd pobierany przez silnik. Osiąga wartość nominalną przy obrotach znamionowych. Ten odcinek charakterystyki jest najbardziej użyteczny ponieważ przy małych zmianach obrotów można znacznie obciążyć silnik.
mareklan