Asünkroonmootor

Allikas: Vikipeedia
Asünkroonmootorid

Kolmefaasiline asünkroonmootor on levinuim vahelduvvoolul töötav elektrimootor maailmas. Seda oma lihtsa ehituse, kerge hooldamise ja suheteliselt madala hinna tõttu. Teiste elektrimasinatega võrreldes on ta töökindel, rasketes talitlusoludes vastupidav ja vajab vähe jooksvat hooldust. Seetõttu on asünkroonmootorite kasutamine majanduslikult otstarbekas ja tõhus.[1] See masin võib töötada nii mootori kui generaatorina, mootori puhul on staatormähise ülesandeks pöörleva magnetvälja tekitamine. Asünkroonmootor on oma nime saanud selle järgi, et rootori pöörlemiskiirus erineb magnetvälja pöörlemiskiirusest ehk sünkroonkiirusest.

Lühidalt ajaloost[muuda | redigeeri lähteteksti]

Asünkroonmootor

Esimene teadaolev teadlane, kellele tuli pöörleva magnetvälja idee, oli François Arago juba 1824. aastal[2], selle idee teostas aga Walter Baily aastal 1879.. Pärast seda lõid vahelduvvoolul töötavad induktsioonimootorid eraldiseisvalt nii Nikola Tesla, kui Galileo Ferraris. Viimane esitas oma mootori 1885. aastal ning avaldas 3 aastat hiljem oma teadustöö, kus selgitas oma leiutise tööpõhimõtteid. Tesla demonstreeris oma töötavat mudelit 1888. aastal Ameerika Elektriinseneride Instituudis (American Institute of Electrical Engineers), samal aastal anti mehele Ameerika Ühendriikides oma mootori eest ka patent.[3][4] Tesla enda väitel lõi ta pöörleva magnetvälja juba 1882. aastal.[5]

Tänapäevane, kolmefaasiline asünkroonmootor (lühisrootoriga) leiutati Mihhail Dolivo-Dobrovolsky poolt 1889/1890 aastatel.[6]

Asünkroonmootori ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Asünkroonmootori ehitus[7]
Faasirootoriga asünkroonmootori ehitus[7]

Asünkroonmootori põhiosadeks on staator (paigalseisev osa) ja rootor (pöörlev osa). Asünkroonmootorid jagunevad ehituselt kaheks tüübiks, mis erinevad teineteisest ainult rootori ehituselt – lühisrootoriga ja faasirootoriga mootoriteks. Viimaseid nimetatakse ka kontaktrõngastega mootoriteks. Joonistel on on näidatud lühisrootoriga asünkroonmootori ehitus.

Asünkroonmootori staator ei erine ehituselt sünkroonmasina staatorist. Viimane koosneb kerest, südamikust ja mähisest. Staatori kere on mähisega südamiku ja laagrikilpide kinnitamiseks. Väikeste mootorite kere valatakse malmist või terasest, suurte masinate oma keevitatakse. Staatorisüdamik tehakse elektrotehnilisest terasplekist, mis kaetakse eelnevalt mõlemalt poolt isoleerlakiga, sest see piirab pöörisvoolude tugevust südamikus. Südamiku sisepinnal on pikiuurded, milledesse on sängitatud staatorimähis. Staatorimähised tehakse samal põhimõttel kui sünkroonmasinate omad. Need võivad olla ühe- või kahekihilised, täissammuga või lühendatud sammuga. Staatormähist võib ühendada tähte või kolmnurka, mis annab võimaluse kasutada sama mootorit kahel erinevad võrgupingel, mis on omavahel vahekorras √3. Mootori rootor koosnev võllist, südamikust ja mähisest. Rootorsüdamikul on silindri kuju ja ta koostatakse samuti elektrotehnilisest terasplekist. Lühismootoriga mootoril koosneb rootorimähis vask-või alumiiniumvarrastest, mis asetsevad rootorisüdamiku uuretes. Vardad on omavahel rootori otstes lühistatud. Niisugune mähis on oma kujult võrreldav oravarattataolise puuriga, millest tuleneb ka selle teine nimetus oravikmähis (squirrel cage). Faasirootoriga mootoril on peale ülalnimetatud osade veel kolm kontaktrõngast (slip ring). Rõngad on kinnitatud puksile, mis asetatakse jäigalt võllile. Kontaktrõngad on isoleeritud puksist ja ka üksteisest. Kontaktrõngaste ja neil libisevate harjade kaudu saab rootorimähisega ühendada lisatoiteallikaid või passiivelemente, muuta sellega masina omadusi ning paindlikumalt juhtida masina energiavoogu. Kontaktrõngaste ja harjade sõlm muudab faasirootoriga masina lühisrootoriga masinast oluliselt kallimaks, vähendab töökindlust ning suurendab masina käidukulusid. Seepärast valmistatakse faasirootoriga masinaid peamiselt suuremate võimsustega, kus energiavoo paindlikumast juhtimisest tulenev kasu korvab eelnimetatud puudused.

Asünkroonmootori skeem

Tööpõhimõte [1][muuda | redigeeri lähteteksti]

Nagu järeldub asünkroonmootori tööpõhimõttest, ei oma rootorimähis elektrilist ühendust staatorimähisega. Nende vahel on ainult magnetiline sidestus ja energia kantakse ühest mähisest teise magnetvälja kaudu. Nii sarnaneb asünkroonmootor transformaatoriga, milles staatorimähis on primaar- ja rootormähis sekundaarmähiseks. Rootori pöörlemapanemiseks on vaja peale staatorimähiste poolt tekitatud pöörleva magnetvälja tekitada vool ka rootorimähises. Asünkroonmootori puhul tekitatakse see vool elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Elektromagnetilise induktsiooni põhimõtte kohaselt indutseeritakse juhtmes elektromotoorjõud, kui juhe magnetväljas liigub või kui juhet ümbritsev magnetväli muutub. Järelikult, elektromotoorjõu ja voolu tekitamiseks rootorimähises peavad staatori magnetvälja ja rootori pöörlemiskiirused teineteisest erinema. Seda kiiruste erinevust nimetatakse rootori libistuseks (slip) ja seda tähistatakse tähega s. Libistus arvutatakse sünkroonkiiruse ω0 ja rootori tegeliku pöörlemiskiiruse ω suhtelise vahena. Kui koormus mootori võllil kasvab, siis libistus suureneb, seetõttu suureneb ka rootoris indutseeritud elektromotoorjõud ja seega ka vool. Standartse asünkroonmootori nimilibistus on mõni protsent, kus juures suurema nimilibistusega on väiksemad mootorid.

Käivitamine[7][8][muuda | redigeeri lähteteksti]

Esmane käivitusskeem kleepuva kontaktiga (13–14)
KM – kontaktor
M – mootor
QS1 – pealüliti
SB1 – NC-nupplüliti
SB2 – NO-nupplüliti
Kui juhtmiskilbis kasutatakse mitmeid väljaminevated liinid, siis iga mootor peab omistama kaitseaparaatiga.

Asünkroonmootori käivitusomadusi hinnatakse tema käivituskarakteristikutega:

  1. käivitusvoolu I käiv tugevuse või selle kordusega;
  2. käivitusmomendi Mk suuruse või selle kordusega;
  3. mootori käivitamise kestuse ja sujuvusega;
  4. käivitusoperatsiooni keerukusega;
  5. käivitusoperatsiooni ökonoomsusega (maksumus ja töökindlus).

Käivituse alghetkel on libistus s=1.

Faasirootoriga mootori käivitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mootorile on iseloomulik suhteliselt väike käivitusmoment ning samal ajal üsna suur, nimivoolu kuni 10-kordselt ületav käivitusvool. Seepärast käivitatakse faasirootoriga asünkroonmootor tavaliselt rootorisse aheldatud käivitusreostaadiga, mis vähendab käivitusvoolu ja ühtlasi suurendab käivitusmomenti. Seda seepärast, et asünkroonmootori pöördemoment on määratud lisaks rootoriahela voolu ja magnetvoo väärtusele ka nendevahelise faasinihkega. Käivitusreostaadi astmed lülitatakse ümber selliselt, et rootorivool jääks mootori käivitamise ajal ligikaudu muutumatuks, käivitusmomendi keskmine väärtus aga oleks maksimaalse lähedal. Käivitusreostaadid valmistatakse keermekujuliselt keritud metalltraadist või –lindist, samuti valatakse neid malmist.

  • Ebasümmeetriline käivitus

Sel juhul lühistatakse reostaat astmete kaupa igas faasis omaette. Osa käivitusastmete lülitusi on ebasümmeetrilised, osa sümmeetrilised.

Käivitus toimub induktiivtakistusega rootoriahelas. Füüsikaliselt võib seda käivitusmeetodit võrrelda käivitusega muutuva takistuse abil. Paispooli induktiivsus loetakse ligikaudu konstantseks. Käivituse alghetkel on rootorivoolu sagedus suur, seetõttu on suur ka paispooli induktiivtakistus, piirates tunduvalt käivitusvoolu. Kiiruse kasvamisel väheneb rootorivoolu sagedus ning sellega ka paispooli induktiivtakistus. Seetõttu on ka see käivitusmeetod tõhusam, kui käivitusaste aktiivtakistusega. Edukalt kasutatakse kombineeritud käivitust paispool- ja reostaatastmetega. Võrreldes samaväärse reostaatkäivitusega on sellises lülituses käivitusastmete üldarv väiksem.

Lühisrootoriga mootori käivitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lühisrootoriga asünkroonmootori käivituslülitused[7]

Lühisrootoriga asünkroonmootori võrku lülitamisel tekib voolutõuge, mille piiramiseks pole võimalik kasutada käivitusreostaati. Lühisrootoriga mootori põhiliseks käivitusviisiks on otse võrku lülitamine ehk otsekäivitus. Üksnes seal, kus toitevõrk ei luba sellist käivitust kasutada, piiratakse käivitusvoolu mitmesuguste seadistega staatorahelas.

  • Reaktorkäivitus

Siin ühendatakse asünkroonmootori staatoriahelasse sümmeetriline induktiivtakistus. Selline käivitusviis sobib eelkõige võimsamate kõrgepingeliste asünkroon- ning sünkroonmootorite käivitamiseks väikesel koormusel või tühijooksul.

  • Sümmeetriline reostaatkäivitus

Väga sarnane reaktorkäivitusega.Staatoriahelas kasutatakse reaktorite asemel aktiivtakisteid võimsate madalpingemootorite käivitamisel.

  • Ebasümmeetriline reostaatkäivitus

Käivitustakisti ühendatakse staatori ühte faasi. See on lihtsaim ja odavaim käivituslülitus ja leiab seetõttu kasutust väikese võimsusega mootorite käivitamisel, kui on vaja piirata käivitusmomenti.

  • Autotrafokäivitus

Pinge vähenemine saavutatakse käivitushetkel mootori võrkulülitamisega läbi autotrafo. Kui mootor on saavutanud püsikiiruse, lülitatakse staatormähis täisvõrgupingele ja samal ajal katkestatakse autotrafo ahel, et mitte asjata koormata toitevõrku.

  • Täht-kolmnurkkäivitus

Mootor lülitatakse võrku tähte ühendatud staatormähisega. Pärast käivitusvoolutõuke vaibumist ning mootori jõudmist püsirežiimi lülitatakse staatormähis ümber kolmnurka. Lülitamiseks kasutatakse erilist täht-kolmnurk-lülitit. See käivituslülitus omab tänapäeval siiski pigem ajaloolist väärtust, sest seda on praktiliselt võimalik kasutada üksnes koormamata mehhanismi käivitamiseks.

Kiiruse reguleerimine [7][1][muuda | redigeeri lähteteksti]

Mootori kiirus sõltub magnetvälja pöörlemise kiirusest ja viimane omakorda staatorimähise pooluste arvust ja toitevoolu sagedusest. Magnetvälja pöörlemiskiirust nimetatakse mootori sünkroonkiiruseks ω0 ehk ka lihtsalt sünkroonkiiruseks n0. Nende vahel kehtib järgnev seos ω_0=2πf/p=(2πn_0)/60, kus ω0 – mootori sünkroonnurkiirus (rad/s), f – toitevoolu sagedus, p – poolusepaaride arv ja n0 – sünkroonkiirus (p/min).

Ehk siit järeldub, et asünkroonmootori kiirust võib reguleerida libistuse, toitevoolu sageduse või poolusepaaride arvu muutmisega. Libistuse muutmisega kiiruse reguleerimist kasutatakse ainult faasirootoriga mootorite puhul. Rootoriahela tegevtakistuse suurendamisega suureneb ka libistus ja mootori pöörlemiskiirus väheneb. Pöörlemiskiiruse reguleerimine libistuse muutmisega toimub ainult koormatud mootori korral, tegevtakistuse muutus tühijooksul pöörlemiskiirusele praktiliselt ei mõju. Selle reguleerimismooduse puudus on see, et elektriline kadu rootoriahelas on võrdeline libistusega, see tähendab, et mootori libistuse suurenemisega kaasnev ka elektrilise kao suurenemine ja järelikult ka mootori kasuteguri vähenemine.

Kiiruse reguleerimine sageduse muutmisega – selleks peab igal mootoril olema sagedusmuundur, sest toitevõrgu sagedus peab alati muutumatuks jääma. Sellel meetodil on aga kiiruse reguleerimine sujuv ja võib toimuda suures ulatuses. Staatormähise pooluste arvu muutmine – see meetod annab astmelise reguleerimise, sest sagedusel 50Hz ja erinevate poolusepaaride korral võib saada ainult sünkroonkiiruseid 3000, 1000, 750, 600 p/min jne. Pooluste arvu saab muuta asetades staatori uuretesse kaks mähist erinevate poolusepaaridega või paigutades staatorile ühe mähise, mille konstruktsioon võimaldab saada erinevat pooluste arvu. Kõige lihtsam on mähis, kui pooluste arvud suhtuvad üks kahele.

Kasutusalad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõige enam kasutatakse asünkroonmootoreid mitmesuguste üldotstarbeliste masinate nagu ventilaatorite, kompressorite, pumpade aga ka ketassaagide, puiduhöövelpinkide ja muude masinate käitamiseks.[1]

Eelised ja puudused [1][muuda | redigeeri lähteteksti]

Eelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • lihtne ehitus;
  • kerge hooldada;
  • võrdlemisi madal hind;
  • töökindel;
  • rasketes oludes vastupidav.

Puudused[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • mootori pinge reguleerimise vajadus;
  • suurematel võimsustel nõuab käivitus võrreldes nimivooluga väga suurt staatorivoolu;
  • otsevõrkkäivitus põhjustab elektriliinides suuri voolutõukeid;
  • suure koormuse ja inertsimomendi (raske käivituse) korral venib käivitusprotsess pikaks, seetõttu kuumenevad mootori mähised käivitusprotsessis oluliselt ning sobiva kaitse puudumisel tekib oht mähise isolatsioonile.

Neid probleeme saab tänapäeval edukalt lahendada jõuelektroonika ja mikroprotsessortehnika abil kompleksselt, kasutades selleks otstarbeks loodud sujuvkäiviteid.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 U. Agur, J. Laugis (1984) Elektriajamid lk 120–126, 133–136
  2. C. Babbage, J.W.F. Herschel (1825) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 115 lk 467–496
  3. L. Day, I. McNeil (1998) Biographical Dictionary of the History of Technology lk 1204
  4. A. S. Kent (1992) The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications, Volume 17 lk 36
  5. J. J. O'Neill (1944) Prodigal Genius: The Life of Nikola Tesla lk 115
  6. M. W. Hubbell (2011) The Fundamentals of Nuclear Power Generation: Questions & Answers lk 27
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 M. Katsman (1971) Elektrimasinad ja transformaatorid lk 278–283, 317–333
  8. U. Agur, J. Laugis (1984) Elektriajamid lk 120–126, 133–136