bélyegkép|jobbra|Kalickás forgórészű aszinkron motor bélyegkép|jobbra|Kalickás forgórészű aszinkron motor robbantott metszete Az aszinkron gép más néven indukciós motor a legáltalánosabban használt, legegyszerűbb szerkezetű villamos forgógép, egy forgó és egy álló részből tevődik össze. Az indukciós motort az olasz Galileo Ferraris professzor találta fel 1885-ben.Alternating currents of electricity: their generation, measurement, distribution, and application by Gisbert Kapp, William Stanley, Jr. Johnston, 1893. p. 140. [cf., This direction has been first indicated by Professor Galileo Ferraris, of Turin, some six years ago. Quite independent of Ferraris, the same discovery was also made by Nikola Tesla, of New York; and since the practical importance of the discovery has been recognized, quite a host of original discoverers have come forward, each claiming to be the first.]Larned, J. N., & Reiley, A. C. (1901). History for ready reference: From the best historians, biographers, and specialists; their own words in a complete system of history. Springfield, Mass: The C.A. Nichols Co.. p. 440. [cf., At about the same time , Galileo Ferraris, in Italy, and Nikola Tesla, in the United States, brought out motors operating by systems of alternating currents displaced from one another in phase by definite amounts and producing what is known as the rotating magnetic field.]The Electrical engineer. (1888). London: Biggs & Co. p., 239. [cf., "[...] new application of the alternating current in the production of rotary motion was made known almost simultaneously by two experimenters, Nikola Tesla and Galileo Ferraris, and the subject has attracted general attention from the fact that no commutator or connection of any kind with the armature was required."] Gyakorlatban az egyik legelterjedtebb villamos gép. Kisebb teljesítményre általában egyfázisú, míg nagyobb teljesítmény esetében kizárólag háromfázisú kivitelben készül.
Legfontosabb jellemzői: Legegyszerűbb szerkezetű forgógép Egy- és háromfázisú változat is létezik (1 kW felett általában háromfázisú kivitelt használnak) Legelterjedtebb, üzembiztos gép Motorként és generátorként is használható Hátránya: fordulatszám-változtatás csak külön költséges berendezéssel vagy kialakítással biztosítható
Működése
bélyegkép|jobbra|A fordulatszám-nyomaték jelleggörbe A egyfázisú motor (A görbén látszik az indítónyomaték hiánya) B,C,D Különböző kialakítású rövidrezárt kalickás forgórészű három fázisú aszinkron motorok jelleggörbéje. Jelölések: T torque (nyomaték), ω szögsebesség
Az aszinkron gép állórészén általában többfázisú tekercselés található, amely forgó mágneses mezőt hoz létre. A forgó mágneses tér erővonalai metszik a forgórész tekercselését, és abban feszültséget indukálnak. Mivel a tekercselés zárt vagy rövidrezárt áramkört alkot, az abban indukálódott feszültség hatására a körben áram folyik. Lenz-törvénye értelmében az így indukált áram akadályozni igyekszik az őt létrehozó indukáló folyamatot, ezért a forgórész elfordul, így igyekezvén megakadályozni az erővonalmetszést és vele az indukciót. Természetesen a forgórész soha nem érheti el az állórész forgó mágneses mezőjének értékét, mivel akkor megszűnne az erővonalmetszés. Ezt az elcsúszást nevezik szlipnek.Egyes hivatkozásokban a slip forma is előfordul (angol)
A szlip számítása:
ahol: s a szlip értéke n0 a szinkron fordulatszám n az aktuális fordulatszám
A szlipet %-ban is szokás kifejezni, ilyenkor a képlet így módosul:
A szinkron fordulatszám meghatározása:
ahol: n0 a szinkron fordulatszám (1/s) f a hálózati frekvencia p a póluspárok száma
Amennyiben az eredményt 1/min mértékegységben szeretnénk megkapni:
Egyfázisú hálózat esetén Ahol nem áll rendelkezésre háromfázisú hálózat, egyfázisú aszinkron gépeket használnak. Az állórész tekercselésében folyó egyfázisú váltakozóáram a légrésben lüktető mágnesmezőt létesít. Ez a mágnesmező az időben változni fog, de a helybeli eloszlása változatlan marad. Az ilyen mezőt, amelynél az indukció nagysága az időben szinuszosan változik, térbeli eloszlása azonban változatlan marad, lüktető vagy pulzáló mezőnek nevezik. Bármely pulzáló mező azonban felbontható két, ellentétes irányban n0 fordulatszámú, fél amplitúdójú forgó mezőre.Frigyes Andor-Szita Iván-Tuschák Róbert-Schnell László: Elektrotechnika (Tankönyvkiadó, Budapest 1951) 425-427. oldal Ha a forgórész áll, mindkét forgómező egyenlő nagy, a hálózatnak megfelelő periódusszámú, háromfázisú szekunder áramot létesít a forgórész tekercselésében. A szekunder áramok által létrehozott szekunder forgómezők és a megfelelő primer mezők eredőjeként két, egymással ellentétes irányban forgó főmező jön létre. Mivel a primer és szekunder mezők mindkét irányban egyenlőek, az eredő mezők is egyforma nagyok, így összegük pulzáló teret eredményez. A két körbeforgó hullám a szekunder áramokkal forgató nyomatékot létesít. A két nyomaték ellentétes irányú. Eredőjük nulla, mert a két nyomaték egyenlő nagy. A gép tehát nem tud indítónyomatékot kifejteni.
Ha valamelyik irányban megindítják a forgórészt, a két irányban forgó mágnesmezők szimmetriája megszűnik, mert a forgórész relatív sebessége a két mezőhöz képest különböző lesz. A forgórésszel azonos irányban forgó mező nevezhető veleforgónak, a másik pedig elleneforgónak. Ha a forgórész a veleforgó mezőhöz képest s szlipnek megfelelő n fordulattal jár, akkor az elleneforgó mezőhöz képest n+n0=(1-s)×n0+n0=2×n0-s×n0 relatív fordulatszáma van, tehát a szlipje se=(2×n0)/n0=2-s
A primer áram állómezeje most is két egyenlő nagy forgó összetevőre bontható, ezek azonban különböző nagyságú és frekvenciájú szekunder áramokat hoznak létre. Mivel a veleforgó komponens s, az elleneforgó pedig 2-s frekvenciájú áramot indukál, a két áram eredője folyik a szekunder tekercselésben. A nagyobb relatív sebesség miatt az elleneforgó mező árama nagyobb, ezért jobban csökkenti a primer mezőt, mint a másik, és így a megfelelő primer és szekunder gerjesztések által létrehozott eredő mágnesmezők közül a veleforgó nagyobb lesz mint az elleneforgó. A két forgómező különböző nagyságú feszültségeket indukál az állórészben. Jó közelítéssel ezek összege a kapocsfeszültségekkel egyenlő. Növekvő fordulatszámnál lefojtódik az elleneforgó mező, de ugyanannyival nő a veleforgó, mivel együttesen változatlan feszültséget kell, hogy indukáljanak az állórészben. A mezők különbözősége folytán a forgatónyomatékaik sem lesznek egyenlőek, az eredő nyomaték nem lesz nulla, tehát a gép hajtó nyomatékot tud kifejteni.
Az egyfázisú tekercselést olyan háromfázisú tekercselésként lehet felfogni, ahol két fázist sorbakapcsolnak, a harmadik pedig elmarad. Ennek alapján az egyfázisú motor úgy állítható elő háromfázisúból, hogy a csillagbakapcsolt állórész tekercsek közül az egyiknek megszakítják az áramkörét. Ekkor ugyanis a másik kettő soros kapcsolásban csatlakozik a hálózati vonalfeszültségre. Ennek a motornak az üresjárati árama nagyobb, mint az eredeti motoré. A rövidrezárási áramnál figyelembe kell venni, hogy az egyfázisú kapcsolásban a feszültség √3-szor nagyobb, a szórási és ohmos ellenállások pedig kétszeresek mivel két tekercs van sorbakapcsolva. A felvett látszólagos teljesítmény P1=√3×U1×I1 Ahol U1 az egyfázisú hálózati feszültség, I1 a motor által felvett áram. Ha a motor háromfázisú kapcsolásban járna ugyanennél az áramnál P3=3×U1×I1 teljesítményt venne fel. A két teljesítmény viszonya: P1/P3=1/√3=0,58
Felépítése Tipikus esetben mind a forgórész, mind az állórész lemezelt, az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében. Az állórész tekercselt, tipikusan két- vagy háromfázisú tekercseléssel, a forgórész tekercselt vagy kalickás kialakítású.
Csúszógyűrűs aszinkron gép bélyegkép|jobb| Egy régebbi csúszógyűrűs aszinkron gép A csúszógyűrűs aszinkron gép forgórészén a tekercselés végpontjai ki vannak vezetve egy egy csúszógyűrűre. A forgórészek kivezetéseit közvetlenül, vagy ellenálláson keresztül rövidre zárják, ezzel az adott üzemállapotnak megfelelően tudják a fordulatszám-nyomaték jelleggörbét szabályozni. Kalickás forgórészű aszinkron gép bélyegkép|jobb|A kalicka
bélyegkép|jobb|Kalickás forgórész
Kalickás forgórész esetén nincs szükség (és lehetőség) a forgórész tekercselés kivezetésére csúszógyűrűkre, ezek segítségével indító ellenállások használatára.
A forgórész tekercselését közvetlenül a forgórészen kialakított hornyokban hozzák létre öntési eljárással, az így kialakult rudakat a tekercsfejekben közvetlenül rövidre zárják. A rövidre záró gyűrűkön alakítják ki a ventilátorlapátokat, amelyek a levegőt a készüléken belül keringetik.
A kalickás forgórész rúdjait nagyjából egy horonyosztásnyival ferdíteni szokták az egyenletesebb nyomaték érdekében. A módszer előnye az egyenes horonyhoz képest a kisebb nyomatéklüktetés.
Az angol nyelvű irodalomban a kalicka neve: squirrel-cage.
A megoldás előnyei a csúszógyűrűs motorhoz képest: egyszerűbb kialakítás a forgórész hornyok keresztmetszetének teljes kihasználása kisebb karbantartási igény (nincs csúszógyűrű, indítóellenállás) Pólusváltós motor esetén nem szükséges minden pólusszámhoz külön forgórésztekercselés, csak a kalicka megfelelő méretezése.
Üzemmódjai bélyegkép|jobb|Az aszinkron gép elvi helyettesítő ábrája Motor üzem A villamos gép a betáplált villamos energiát forgási energiává alakítja. Az aszinkron gép leggyakoribb üzemmódja.
Generátor üzem A villamos gép a betáplált mechanikai energiát villamos energiává alakítja (Például: villamos vontatásnál a lejtmenet). Az aszinkron gép önmagában nem képes sziget üzemű generátorként működni, általában működő villamos hálózatra kapcsolva üzemeltetik. Ha egy aszinkron gép tekercselésével párhuzamosan valamilyen okból (általában fázisjavítás céljából) kondenzátorok vannak kötve, akkor üzembehelyezés előtt szükséges ellenőrizni, hogy kikapcsoláskor a készülék nem gerjed-e fel generátorüzembe.
Generátoros üzemben az aktuális fordulatszám nagyobb a szinkron fordulatszámnál, a szlip negatív. Tulajdonképpen ez kapcsolja generátoros üzembe az aszinkron gépet (a forgórész „előtte jár” a mágneses térnek).
Ellenáramú féküzem A tengely forgása ellentétes az állórészben kialakuló mágneses mező által meghatározott irányhoz képest. A villamos gép mind a betáplált elektromos, mind a betáplált mechanikai munkát hővé alakítja, ez tipikusan tranziens üzemállapot a forgásirányváltás közben.
Veszteségei Vasveszteség A vastestben hővé alakuló teljesítmény. A gyakorlatban az állórész és forgórész vasveszteséget külön szokás kezelni. Jele: Pvas
A vasveszteség alapvetően az örvényáramú veszteségből, és a hiszterézisveszteségből tevődik össze.
A vasveszteség a vastestek lemezelésével (az örvényáramú veszteség csökkentése) illetve megfelelő anyagválasztással (hiszterézis veszteség) csökkenthető.
Rézveszteség A tekercselés anyagától függetlenül rézveszteségnek hívjuk a villamos gép tekercseléseiben (A kalickás forgórészű gépeknél a kalicka is tekercselésnek számít) hővé alakuló teljesítményt. Préz
Súrlódási veszteség A csapágyakban, illetve az egyéb súrlódó elemekben (csúszógyűrű) hővé alakuló teljesítmény. Psurl
Az aszinkron gép teljesítmény-egyensúlya
P1=Pvas+Préz+Psurl+P2
Illetve az egyenlet átrendezve:
P2=P1-Pvas-Préz-Psurl
Ahol: P1 a betáplált teljesítmény Pvas a vasveszteség Préz a rézveszteség Psurl a súrlódási veszteség P2 a hasznos teljesítmény
Az aszinkron motorok indítása Az aszinkron motorok indítási áramlökése a névleges áramérték sokszorosa, a kialakítástól függően az indítónyomaték alacsony.
Közvetlen indítás Kisebb teljesítményű motoroknál ez a szokásos megoldás. A hálózatra kapcsoláskor lökésszerű mechanikai és villamos igénybevételek lépnek fel, ami mechanikai lengéseket okozhat. Ezeket a hajtás méretezésekor figyelembe kell venni.
Y/Δ indítás Indításkor a motor tekercselését csillag kapcsolásba kapcsoljuk, majd a motor elindítása után Δ-ba.