TRÓJFAZOWE SILNIKI ASYNCHRONICZNE
Budowa i zasada działania.
Trójfazowy silnik asynchroniczny składa się z części nieruchomej - stojana, i części wirującej 
wirnika (rys.1) . Stojan i wirnik zbudowane są z blach elektrotechnicznych izolowanych jednostronnie
i złożonych w pakiety. W żłobkach stojana ułożone jest uzwojenie stojana. W żłobkach na obwodzie
wirnika umieszczone jest uzwojenie wirnika. Zależnie od rodzaju uzwojenia wirnika odróżniamy
silniki asynchroniczne klatkowe (z wirnikiem krótkozwartym) oraz silniki asynchroniczne
pierścieniowe
Silniki z wirnikiem klatkowym
Silniki klatkowe mają prostą budowę. Są
ekonomiczne, pewne i nie potrzebują częstej
konserwacji.
Uzwojenie wirnika krótkozwartego składa się
z prętów i najczęściej ma postać klatki
aluminiowej wykonanej jako odlew
ciśnieniowy. Wielkość i kształt prętów wirnika
mają wpływ na przebieg rozruchu silnika.
Dlatego produkuje się wirniki o różnych
kształtach żłobków (rys. 2). Pręty wirnika są
zwarte na krótko na powierzchniach
czołowych pakietu wirnika (przez pierścienie
zwierające). Między stojanem i wirnikiem nie
ma żadnego połączenia elektrycznego. Są one
sprzężone magnetycznie poprzez pakiety blach stojana i wirnika. rys.1
Uzwojenie stojana może być uzwojeniem dwu- lub wielobiegunowym. Trzy jego gałęzie są
umieszczone w pakiecie stojana z przesunięciem wzajemnym o 120� (elektrycznych). Jeżeli
połączy się razem końce trzech gałęzi, powstanie połączenie w gwiazdę (rys. 3a). Jeżeli koniec
każdej gałęzi połączy się z początkiem następnej gałęzi, powstanie połączenie w trójkąt (rys. 3b).
rys.2 rys.3a rys.3b
1
Po przyłączeniu uzwojenia stojana do sieci trójfazowej powstaje pole magnetyczne wirujące.
Prędkość wirowania pola zależy od częstotliwości w sieci i od liczby biegunów silnika . Prędkość
wirowania jest tym większa, im większa jest częstotliwość w sieci i im mniejsza jest liczba biegunów.
Żeby powstał moment obrotowy, pole wirujące musi spowodować, drogą indukcji, przepływ prądu.
Dlatego prędkość obrotowa wirnika musi być zawsze mniejsza od prędkości synchronicznie wirującego
pola. Różnica tych prędkości jest nazywana poślizgiem. Poślizg podaje się najczęściej w procentach, w
stosunku do prędkości wirującego pola. Wynosi on dla silników do 5,5 kW około 6% do 3,5%, zaś dla
silników o większej mocy 3,5% do 2,5%.
Moment silnika klatkowego.
W momencie załączenia silnik klatkowy zachowuje
się jak transformator ze zwartym uzwojeniem wtór-
nym. Dlatego też pobiera on bardzo duży prąd, szcze-
gólnie w przypadku wirników z prętami o przekroju
okrągłym (rys.2). Oporność czynna jest bardzo mała
i silnik zachowuje się jak indukcyjność. Wskutek tego
prąd wirnika opóz
nia się w stosunku do napięcia
wirnika prawie o 90�. Podobnie jak w transformatorze,
duży przesunięty w fazie prąd wirnika wywołuje duży
przesunięty w fazie prąd stojana. Wobec tego
współczynnik mocy cosĆ jest przy rozruchu bardzo
rys.4
mały. Pobierana moc czynna i będący do dyspozycji
moment rozruchowy są małe, pomimo przepływu dużego prądu stojana. Wad tych unika się przez
zastosowanie wirników, w których występuje zjawisko wypierania prądu.
Charakterystyka momentu (rys. 4).
Na moment obrotowy rozwijany przez silnik mają wpływ warunki pracy i sposób wykonania wirnika.
Ważniejsze punkty charakterystyki momentu to: moment znamionowy, moment rozruchowy (tzw.
naciągowy), moment w miejscu przegięcia oraz moment maksymalny. Moment obrotowy silnika
musi być w całym zakresie charakterystyki większy od momentu obciążenia potrzebnego do
napędzania maszyny roboczej. Ten  nadmiar momentu" zaznaczony jest na rysunku 5.
" Moment rozruchowy (naciągowy) M-, jest to moment rozwijany przez silnik w chwili załączenia,
przy nieruchomym wirniku. W silnikach klatkowych z wypieraniem prądu jest on około 2- do 3 razy
większy niż moment znamionowy.
" Moment w punkcie przegięcia M2 jest to najmniejszy moment, jaki silnik rozwija w czasie
rozruchu. Zbyt małej wartości tego momentu próbuje się zapobiegać przez stosowanie specjalnych
zabiegów konstrukcyjnych, np. ukośne ustawienie żłobków wirnika.
" Moment krytyczny MK to największy moment silnika osiągany po przejściu przez punkt przegięcia. W
znormalizowanych silnikach trójfazowych jest on około 2,5 - do 3,5 razy większy od momentu
znamionowego.
" Moment znamionowy MN to moment na wale silnika występujący przy mocy znamionowej. Przy
obciążeniu momentem znamionowym silnik ma znamionową prędkość obrotową.
Z charakterystyki obciążeniowej silnika asynchronicznego (rys. 5) wynika, że prędkość obrotowa
wirnika maleje przy wzroście obciążenia. Poślizg silników asynchronicznych wzrasta przy zwiększaniu
obciążenia. Poślizg zmienia się pomiędzy stanem biegu luzem i pracą znamionową proporcjonalnie do
obciążenia. Przy biegu luzem silniki asynchroniczne osiągają prawie prędkość synchroniczną ns (prędkość
pola wirującego).
2
rys.5
Metody rozruchu.
Początkowy prąd rozruchowy silników trójfazowych klatkowych jest ok. 6 do 8 razy większy od
prądu znamionowego. W celu uniknięcia dużych uderzeń prądów rozruchowych przedsiębiorstwa
energetyczne wymagają stosowania odpowiednich metod rozruchu silników o mocy pozornej
powyżej 5,2 kVA oraz przy prądach rozruchu przekraczających 60 A.
" Przy rozruchu metodą gwiazda-trójkąt (rys.6) silnik o napięciach fazowych np. 400 V zostaje
przyłączony o sieci 400 V w połączeniu w gwiazdę. Uzwojenia fazowe silnika są w chwili
załączenia zasilane jedynie napięciem 230 V. Początkowy prąd rozruchowy zmniejsza się do
jednej trzeciej. Po rozruchu następuje przełączenie na połączenie w trójkąt.
" Prąd rozruchu można zmniejszyć przez obniżenie napięcia także przy użyciu transformatora
rozruchowego (rys.7) lub oporników rozruchowych.
Przy stosowaniu metod rozruchu, polegających na obniżaniu napięcia, prąd rozruchowy a także
moment naciągowy maleją proporcjonalnie do kwadratu napięcia. Rozruch jest wtedy możliwy
tylko przy biegu luzem albo przy zmniejszonym obciążeniu. Do małych silników (do ok. 1,5
kW) można zastosować układ oszczędnościowy, przy którym napięcie zostaje obniżone tylko
przy użyciu jednego opornika (rys.8). W takim przypadku można wykorzystać zmniejszenie
momentu do przeprowadzenia łagodnego rozruchu, np. w maszynach tekstylnych. Układy do
łagodnego rozruchu (elektroniczne) mają do obniżania napięcia, zamiast oporników, obwód
sterowania fazowego, np. z tyrystorami w układzie odwrotnie - równoległym. Umożliwiają one
nastawianie wartości prądu, momentu i czasu rozruchu.
rys.7 rys.8
rys.6
3
Silnik asynchroniczny pierścieniowy
Uzwojenia stojana silników z wirnikiem
krótkozwartym i silników pierścieniowych są
takie same. Uzwojenie wirnika silnika
pierścieniowego jest najczęściej trójfazowe, z
końcami połączonymi w gwiazdę. Początki faz
przyłączone są do trzech pierścieni ślizgowych i
za pośrednictwem węglowych szczotek połą-
czone z trójfazowym opornikiem rozruchowym
R1 (rys.9). Opornik rozruchowy powiększa w
czasie rozruchu oporność czynną obwodu wirnika.
Rośnie przy tym pobór mocy czynnej. Skutkiem
zmniejszenia prądu wirnika jest pobieranie
mniejszego prądu przez stojan. Początkowy prąd
rozruchowy silników pierścieniowych jest około
1,4 do 1,5 razy większy od prądu znamionowego. rys.9
Silniki pierścieniowe nadają się do rozruchu i
ciężkiego.
Pomimo zmniejszenia początkowego prądu rozruchu,
początkowy moment rozruchowy jest większy. W miarę
wzrostu prędkości obrotowej opornik rozruchowy jest
stopniowo zmniejszany i po osiągnięciu prędkości
znamionowej zostaje zwarty na krótko. Wtedy wirnik pracuje
tak samo jak wirnik silnika klatkowego. Jeżeli podczas pracy
zostanie zwiększona oporność obwodu wirnika, wzrasta
poślizg, a prędkość obrotowa maleje (sterowanie poślizgowe). Oporniki rozruchowe rys.10
zaprojektowane do pracy ciągłej umożliwiają precyzyjne nastawianie prędkości obrotowej w
zakresie poniżej prędkości znamionowej. Sterowanie prędkości wymaga pracy przy stałym
obciążeniu silnika. Np. przy zmniejszaniu obciążenia następuje wzrost prędkości obrotowej. Silniki
pierścieniowe można również sterować zdalnie. Opornik rozruchowy jest przy tym zmniejszany
stopniowo, przez układ stycznikowy (rys.10). W porównaniu z silnikami klatkowymi, silniki
pierścieniowe są
znacznie droższe i mają mniejszą sprawność. Dlatego ich stosowanie ogranicza się do przypadków,
w których np. nie można uzyskać pożądanego małego prądu rozruchowego przez przełączanie
gwiazda-trójkąt.
Silniki pierścieniowe służą do napędu maszyn roboczych, których rozruch następuje pod
pełnym obciążeniem. Potrzebny jest do tego duży moment rozruchowy. Przykładem mogą być
silniki dz
wigów albo silniki do napędu pras drukarskich.
Silniki te nadają się do napędów wymagających sterowania prędkością w zakresie od prędkości
znamionowej w dół oraz do napędów, w których masy o dużej bezwładności powinny być płynnie
wprowadzane w ruch przy użyciu dużych momentów początkowych, np. przy wirówkach.
4
Zmiana kierunku obrotów
Przez zamianę miejscami dwóch z trzech przewodów zmienia się kierunek obrotów pola wirującego
stojana, a tym samym kierunek obrotów wirnika silnika.
Zamianę miejscami końcówek dwóch przewodów realizuje się przy pomocy styczniowego układu
nawrotnego. Stycznik K1 włącza prawe obroty silnika, a stycznik K2 - lewe obroty ( rys. 18)
Sterowanie prędkością obrotową silników trójfazowych
Prędkość obrotowa silników trójfazowych zależy od
prędkości wirowania pola. Prędkość obrotową można
zmienić przez zmianę liczby biegunów albo przez zmianę
częstotliwości zasilania. Przy silnikach
asynchronicznych wpływ na prędkość obrotową wirnika
ma także poślizg (rys. 11)
Zmiana liczby biegunów (przełączanie biegunów).
Stojan silnika może mieć dwa oddzielne uzwojenia o
różnych liczbach biegunów albo uzwojenie z przełączalną
liczbą biegunów, np. uzwojenie Dahlandera (rys 20). rys.11
Przy przełączaniu liczby biegunów nie można zmieniać prędkości bezstopniowo.
Przy bezpośrednim przełączeniu liczby biegunów, np. z 4 na 8, prędkość obrotowa gwałtownie
maleje do potowy (z 1500 min"1 do 750 min"1). Silnik pracuje przez chwilę jak generator.
Występują duże obciążenia elektryczne i mechaniczne.
Zmiana poślizgu (sterowanie poślizgowe)
Przy silnikach pierścieniowych można
zmieniać prędkość obrotową przez
przytaczanie rezystorów w obwodzie
wirnika. Pobór mocy przez te rezystory
zwiększa poślizg, a wskutek tego maleje
prędkość obrotowa (rys. 12). Nastawione
prędkości są zależne od obciążenia. Na
przykład przy zmniejszaniu się obciążenia
silnika, prędkość obrotowa wzrasta. W
rezystorach obwodu wirnika powstają duże
straty cieplne. rys.12
Sterowanie poślizgowe pozwala uzyskać tylko prędkości mniejsze niż synchroniczna.
5
Zmiana częstotliwości (sterowanie częstotliwościowe)
Wraz ze zmianą częstotliwości zmienia się prędkość wirowania pola.
Przemienniki częstotliwości przekształcają prąd dostarczany z sieci 50 Hz w prąd o regulowanej
częstotliwości i napięciu. Odbywa się to z małymi stratami, przy
użyciu elementów elektronicznych. Najczęściej stosowane są przemienniki z napięciowym
obwodem pośredniczącym, tzw. przemienniki
napięciowe (rys. 13). Składają się one z
prostownika, obwodu pośredniczącego i fa-
lownika.
Za pomocą przemiennika częstotliwości
można uzyskać prędkość obrotową mniejszą
lub większą niż synchroniczna. Prostownik
(rys. 13). Jest to układ mostkowy niesterowany
lub sterowany przyłączony do sieci jedno- lub
trójfazowej. Wytwarza napięcie stałe
pulsujące. rys.13
Obwód pośredniczący (rys.13). Oddziela on sieć zasilającą od obwodów wyjściowych
przemiennika i służy jako zasobnik energii. Kondensator obwodu pośredniczącego jest ładowany
energią doprowadzaną z sieci oraz utrzymuje stałą wartość napięcia w obwodzie, pomimo
pulsującego charakteru napięcia z prostownika. Dostarcza on do przyłączonego silnika również
niezbędną energię bierną. Dlatego też współczynnik mocy cosĆ w sieci zasilającej jest bliski 1.
Falowniki (rys.13) zmieniają stałe napięcie z obwodu pośredniczącego, np. metodą modulacji
szerokości impulsu - PWM (rys. 14), na napięcie trójfazowe o regulowanej częstotliwości i
amplitudzie. Wartość skuteczna napięcia na silniku zmienia się przy tym wskutek dłuższego lub
krótszego (zmiana szerokości impulsu) przyłączania napięcia stałego z obwodu pośredniego.
Jako łączniki (zawory) używane są tranzystory unipolarne lub bipolarne, a przy wysokich
częstotliwościach przełączania IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor).
Układ sterujący. Składa się z części sterowniczej i regulacyjnej oraz stopni wysterowania zaworów
falownika. Elektroniczny układ sterujący nadzoruje też działanie oraz realizuje przesyłanie
danych.
Sposób działania. Moment obrotowy silnika zależy od strumienia magnetycznego samym od poboru prądu. Przy małych częstotliwościach reaktancja indukcyjna uzwojenia stojana
jest mała, więc do ograniczenia prądu również napięcie na silniku musi być niewielkie.
W miarę wzrostu częstotliwości (a przez to także prędkości wirowania) silnik otrzymuje coraz
wyższe napięcie. Dzięki temu pobór prądu i moment obrotowy pozostają stałe. Wraz ze wzrostem
prędkości rośnie też moc. Podczas rozruchu nie występują uderzenia prądu rozruchowego
6
Przy prędkości znamionowej silnik otrzymuje znamionowe napięcie. Dalsze zwiększanie napięcia
nie jest możliwe. Wobec tego, przy prędkościach większych od znamionowej moment silnika
maleje (rys. 15), zaś moc pozostaje stała (mniej więcej do dwukrotnej prędkości znamionowej).
rys.14 rys. 15
Moment obrotowy pozostaje stały przy prędkościach mniejszych od znamionowej, a przy
większych maleje.
Podczas hamowania silnik zachowuje się tak jak generator. Przy przemiennikach o średniej mocy
energia powstająca przy tym w obwodzie pośredniczącym jest zamieniana na straty cieplne w
oporniku do hamowania. Przy mocach powyżej ok. 30 kW stosowane są także przemienniki ze
zwrotem energii do sieci. Zwrot jest możliwy przy zastosowaniu w części prostownikowej układu
mostkowego sterowanego.
Można utrzymać stałą nastawioną prędkość silnika przez zastosowanie kompensacji poślizgu. W
tym celu przy wzroście momentu przemiennik kompensuje poślizg zwiększając częstotliwość.
Do zmiany kierunku wirowania nie trzeba zmieniać przyłączenia przewodów zasilających.
Formowanie pola wirującego odbywa się na drodze elektronicznej, więc wystarczy wysłanie
odpowiedniego rozkazu sterującego, np. przez programowalny sterownik przemysłowy.
Podczas pracy silnika przy małych prędkościach potrzebne jest wystarczająco intensywne
chłodzenie, np. .przez układ chłodzenia zewnętrznego.
Sposób przyłączenia. Przewody sterujące i doprowadzenia do silnika muszą być ekranowane w
celu ochrony przed zaburzeniami. Należy je też układać oddzielnie, a nie z przewodami
sieciowymi. Przenoszeniu się zaburzeń przez przewody zasilające zapobiegają filtry
przeciwzakłóceniowe (najczęściej wbudowane w przemienniku).
Nie wolno stosować przełączników gwiazda-trójkąt. Przemiennik sam ogranicza prąd
rozruchowy
7
Podstawowe układy sterowania, blokady i sygnalizacji.
rys17.
A B
Rys.18. Układ nawrotny  główny A i sterowania ze stykami blokady B.
8
 A B
Rys.19. Układ gwiazda - trójkąt  główny A i automatycznego sterowania B
A B
Rys.20. Układ Dahlandera  główny A i sterujący B
Literatura. dr inż Paweł Fabijański, dr inż. Andrzej Wójciak: Praktyczna elektrotechnika
ogólna. REA 2012
9