Raspodjela mag.polja dužinom oboda statora neće biti sinusoidalna, ali kako smo već ustanovili, radi jednostavnosti, bavićemo se samo prvim harmoničnim članovima i ta polja ćemo predstavljati sinusoidalnim, imajući na umu da se zapravo radi samo o prvom harmoničnom članu,odnosno osnovnom valu.

Uzimamo najjednostavniji slučaj da statorski pobudni namotaj čini jedan svitak. Propuštajući kroz njega naizmjeničnu struju koja se vremenski sinusoidalno mijenj, ona će svojim mag. Naponom stvoriti mag. Polje indukcije B, ali vremenski promjenljivo kao što je i ona.

Na ovakav način stvorena mag. Indukcija biće dužinom oboda statora ne samo prostorno promjenljiva nego i vremenski.

Takvo mag.polje koje je prostorno i vremenski promjenljivo nazivamo pulzirajuće magnetsko polje.

Ako sada na stator umjesto jednog svitka stavimo tri čiji su počeci po obodu, dobićemo stator sa tzv. Trofaznim namotajem (sl.2.30).

Drugim riječima, trofazna mašina naizmjenične struje na svom statoru ima tri fazna namotaja, međusobno pomaknuta u prostoru za 120°, odnosno za 1/3 dvostrukog polnog koraka λ.

Sl. 2.30 Stator sa tri fazna namotaja

Pri simetričnom opterećenju sve tri faze, svaki svitak (fazni namotaj) napajamo strujama jednakim po veličini i međusobno pomaknutim za 120°, odnosno za 1/3 peride T.

U svakom svitku pomoću mag. napona stvoriće se pulzirajuće mag. polje, tako da ćemo u trofaznoj mašini imati 3 pulzirajuća mag. polja međusobno pomaknuta prostorno i vremenski za 120°.

Pošto se sva tri polja zatvaraju kroz isto mag. kolo od njih će nastati jedno rezultantno mag.polje, kako je predstavljeno na dijagramu (sl. 2.31).

Polje stvoreno na ovakav način nazivamo obrtno mag. polje. Nikola Tesla je 1887. god. Prvi došao na ideju i pokusom dokazao da se pomoću višefazni sistema u namotajima koji miruju može proizvesti obrnuto mag. Polje, što je osnov za rad motora koji je konstruisan iste god.

Teslin motor, danas poznat pod nazivom indukcioni asnihroni motor, zbog svojih izvanrednih tehničkih karakteristika ima gotovo isključivu primjenu u industrijskim pogonima kao pogonska mašina.

Da je rezultantno mag. Polje obrtnog karaktera, uvjerićemo se posmatrajući sl. 2.31. Uzimamo najjednostavniji trofazni jednoslojni namotaj statora sa 2 pola (p=1) kod koga se namotaji jedne faze sastoji od jednog svitka (m=1) (sl. 2.31a).

Sl. 2.31 Dijagramski prikaz rezultantnog obrtnog Teslinog mag. polja

Vrijeme ćemo računati od trenutka kada je struja prve faze jednaka nuli. Posmatraćemo promjene mag. Toka dužinom zračnog zazora u nekoliko različitih trenutaka,tj. t1= 1/4T; t2=1/4+1/3T i t3=1/4+2/3T.

U svakom od posmatranih trenutaka struja u namotaju jedne faze pozitivna maksimalna, dok su struje druge dvije faze po vrijednosti upola manje ali negativne.

Predpostavićemo da je struja koja teče faznim namotajem od njegovog početka do kraja pozitivna npr. Za prvu fazu od A do X, a negativna ako teče obratno, npr. za drugu fazu od Y prema B. Na slikama b, c i d prikazani su vektorski dijagrami struja triju faza kao i od njih stvoreni osnovni valovi mag. Indukcija (odgovaraju nepokretnim naizmjeničnom mag. tokovima).

Sada pristupamo određivanju smjera i pravca vektora rezultantnog mag. toka kao i krivulje raspodjele njegove indukcije dužinom zračnog zazora u vremenski odabranim posmatranim trnucima. Sa sl. b, c i d vidimo da susjednim svicima, bez obzira kojim fazama pripadaju, teku struje istog smjera i one stvaraju zajednički mag. tok čiji je smjer isti kao i smjerovi tokova pojedinih svitaka.

Smjer zajedničkog mag. toka određujemo Amperovim pravilom.Tako smo odredili pravac i smjer rezultantnog mag. toka koji se, kako se sa slike vidi, obrce, i to u smjeru kretanja kazaljke na satu.

Sa posmatanih slika nije tesko uociti da ce osnovni val indukcije koji odgovara rezultantnom mag. toku biti u svakom trenutku jednak zbiru osnovni valova indukcije ( ). To je također sinusoida s amplitudnom vrijednošću 3/2Bm i prikazano je debljom linijom.

Znači, rezultantno mag. polje sa stalnom amplitudnom vrijednošću putuje dužinom oboda statora i to je još jedan dokaz njegovog obrtnog karaktera.

Brzina vrtnje obrtnog mag.polja srazmjerna je frekvenciji pulzirajućih polja (odnosno frekveencije struje), a obrnuto srazmjerna broju pari polova mašine.

Izražavajući brzinu vrtnje sa brojem obrtaja u minuti, dobivamo:

(o/min) ... (2.21)

Ova brzina vrtnje n1 naziva se sinhrona brzina.

Da zakljucimo:

Maksimalna indukcija rezultantnog mag. toka putuje dužinom zračnog zazora i nalazi se uvijek u osi onog faznog namotaja u kojem struja u tom trenutku ima svoju najvecu vrijednost. Rezultantni mag. tok obrće se u smijeru kretanja kazaljke na satu i za vrijeme jedne periode T pređe po obodu statora dvostruki polni korak λ.

Njegova obodna brzina je:

... (2.22)

Maksimalna vrijednost osnovnog vala indukcije obrtnog mag. toka, proizvedenog pomoću trofaznog statora, veća je za 3/2 puta od max. vrijednosti osnovnog vala indukcije mag. toka jednog faznog namotaja.

... (2.23)

Ukoliko namotaj statora ima q faznih namotaja prostorno pomaknutih za λ/q i napajanih q-faznim naizmjeničnim strujama, max. indukcija takvog obrtnog mag. toka je:

...(2.24)

2.2 FIZIČKE OSNOVE

NA KOJIMA POČIVA

RAD ASINHRONIH MOTORA

2.2.1. Pojam, svrha i primjena asinhronih motora

Asinhroni motor je mašina koja pretvara električnu energiju u mehaničku i može da vrši mehanički rad. Električnu energiju dovodimo na stator, odakle se ona elektromagnetskim putem prenosi na obrtni dio mašine (rotor) i tako se pretvara u mehaničku energiju. Na njegovo vratilo mogu se spojiti raznovrsni radni strojevi koji vrše koristan mehanički rad.

To su razni alatni strojevi, poljoprivredni strojevi, strojevi za obradu drveta, pumpe, ventilatori itd. Zbog svoje jednostavne konstrukcije, dobrih pogonskih osobina, visokog stepena iskorištenja i velike sigurnosti u radu imaju vrlo široku primjenu u elektromotornim pogonima, industruji, rudarstvu, poljoprivredi i čitavom nizu drugih oblasti.

Nedostatci asinhronh motora su u tome što pogoršavaju faktor snage električne mreže na koju su priključen, što im je ograničena mogućnost regulacije broja okretaja ( naročito pri kontinuiranom regulisanju brzine obrtanja) i što su im loše karakteristike pri puštanju u rad. Pokušaji da se ovi nedostatci otklone ostali su bez uspjeha, a u pogledu regulacionih karakteristika još uvijek zaostaju za motorima istosmjerne struje.

U čitavom nizu industrijskih pogona relativno male snage, gdje se ne zahtjeva regulisanje brzine, asinhroni motor je nezamjenjiv. Pri tome sve veći značaj dobija asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom, istiskujući iz upotrebe asinhroni motor sa kliznim prstenovima. Razlozi su u tome što su motori s kratkospojenim rotorom u usporedbi s prstenastim konstruktivno jednostavniji, sigurniji u radu i imaju bolji faktor snage i stepen korisnog djelovanja.

2.2.2. Princip rada asinhronog motora

Dovođenjem trofazne naizmjenične struje u namotaje statora trofaznog asinhronog motora stvara se obrtno mag. polje koje se vrti sinhronom brzinom n1. Predpostavimo da se polje vrti u smjeru kretanja kazaljke na satu i ima polaritet, kako je prikazano na sl. 2.32a. Radi jednostavnosti, posmatramo jedan provodnik rotora.

Sl. 2.32.Princip rada asinhronog motora, a) smjer mag. polja u jednom momentu, b) djelovanje mag. polja na provodnik, c) određivanje smjera elektromagnetne sile F.

U momentu priključenja motora na mrežu rotor miruje. Silnice obrtnog mag. polja svojom sinhronom brzinom presjecaju provodnike rotora i u njima indukuju napon koji će, ukoliko je rotorski namotaj zatvoren, proizvesti indukovanu struju. Znači, njen uzrok je indukovani napon, pa se ovi motori nazivaju još i indukcioni, tj. njihov rotor je proizvođač električne energije.

Kako dolazi do vrtnje rotora? Posmatramo li provodnik koji se nalazi na rotoru (sl.2.32b), vidjećemo da imamo situaciju kada provodnikom protiče indukovana struja, a nalazi se pod uticajem obrtnog mag. polja. Tako je ostvaren uslov za stvaranje elektromagnetne sile čija je vrijednost:

F=bil (N) ...(2.25)

Sl. 2.33. Djelovanje elektromgnetnih sila na provodnike rotora i određivanje obrtnog momenta

Na jednoj strani provodnika koji posmatramo silnice ortnog mag. polja i silnice polja provodnika imaju isti smjer i sabiraju se, a na drugoj strani smjerovi silnica su suprotni, polje slabi i na toj strani doći će do izbacivanja provodnika (sl. 2.32c). Smjer elektromagnetske sile F određujemo pravilom lijeve ruke, koje glasi: ako silnice obrtnog mag. polja ulaze u dlan i ako ispruženi prsti pokazuju smjer struje u provodniku, ispruženi palac će pokazati smjer elektromagnetne sile.

Vidimo da ova sila tjera provodnik da se obrće u istom smjeru u kome se vrti i obrtno mag. polje. Ovo vrijedi za sve provodnike koji su smješteni po obodu rotora (sl.2.33). Sve ove elektromagnetske sile koje pojedinačno djeluju na svaki provodnik rotora sa krakom poluprečnika rotora r stvaraju obrtne momente pod čijim se uticajem rotor vrti. Suma svih pojedinih momenata F·r čini rezultantni obrtni momenat motora M.

Brzina obrtanja rotora n uvijek je manja od brzine obrtnog mag. polja (n<n1), od čega potiče naziv asinhroni. Na ovaj način električna energija koju smo doveli u namotaje statora pomoću trofazne naizmjenične struje pretvara se u mehaničku energiju obrtanja rotora.

2.2.3. Klizanje asinhronog motora

Okrećući se, rotor nastoji da stigne brzinu vrtnje obrtnog mag. polja, ali u tome ne uspjeva zbog trnja u ležajevima, otpora vazduha i konačno opterećenja. Zato je brzina rotora n uvijek manja od brzine obrtnog mag. polja n1. Znači, ona nije sinhrona već asinhrona i zato se svi ovi motori nazivaju asinhroni motori.

Razlika između sinhrone brzine n1 i brzine obrtanja rotora n naziva se relativna brzina vrtnje obrtnog mag. polja i ona iznosi:

Ukoliko bi rotor svojom brzinom stigao brzinu obrtnog mag. polja (Δn=0), silnice obrtnog mag.polja ne bi presjecale provodnike rotora i u njima se ne bi indukovao napon, a rotor bi jednostavno prestao da vrti.

Odnos između relativne brzine vrtnje obrtnog mag. polja (s) i sinhrone brzine n1 naziva se relativno klizanje s:

Ukoliko želimo da relativno klizanje izrazimo u proceentima, potrebno je njegovu vrijednost pomnožiti sa 100, tj.:

Kada rotor miruje, tj. kada je n=0, relativno klizanje ima svoju najveću vrijednost s=1, odnosno 100%. To će nastati onda kada je otporni momenat koji motor mora da savlada veći od obrtnog momenta koji razvija motor. Pri nominalnom opterećenju motora, relativno klizanje je malo i prema snazi motora (od 1 do 1000 kW) kreće se oko 1% za motore većih snaga, između 1 i 3 % za motore veoma malih snaga ide čak i do 8%.

Znajući vrijednost klizanja pri nominalnom opterećenju, pomoću formule za relativno klizanje može se na lak način izračunati asinhrona brzina motora. Npr. za relativno klizanje s=0,05(%) asinhrone brzine bile bi:

- za asinhroni motor s jednim parom polova p=1 sinhrona brzina je:

o/min

Pet posto (5%) od sinhrone brzine je klizanje i za naš primjer iznosi 150 o/min. Ako se od sinhrone brzine oduzme brzina klizanja, dobija se vrijednost asinhrone brzine, tj. 3000-150=2850 o/min

- ako je asinhroni motor s dva para polova p=2, za isto relativno klizanje, asinhrina brzina je 1425 o/min

- ako je asinhroni motor s tri para polova p=3, izračunaj sinhronu i asinhronu brzinu ako je relativno klizanje s=0,04 (4%)

Do sada smo govorili o asinhronoj mašini koja radi kao motor sa brojem okretaja rotora u granicama oddo , tj. pri klizanju od n = 0 do n ≈ n1, tj. pri klizanju od s=+1 do s≈0.

Idealan prazan hod mašine nastaće pri n=n1, s=0, tj. kada brzina rotora dostigne brzinu obrtnog mag. polja. U tom momentu silnice obrtnog mag. polja imaće isti pravac kao i provodnici rotora, neće biti presijecanja, neće biti indukcije i za trenutak će rotor morati zaostati. Zaostajanje izaziva ponovo indukciju, obrtni momenat i okretanje rotora.

Međutim, ukoliko nekom drugom mašinom povećamo brzinu rotora tako da ona postane veća od sinhrone brzine (n>n1), klizanje postaje negativno, a smjer okretanja polja statora u odnosu na rotor se mijenja na suprotnu stranu u odnosu na onu kada je mašina radila kao motor. Jasno je da će doći do promjene smjera indukovanog napona i struje u provodniku rotora kao i smjera elektromagnetske sile.

Momenat što razvija asinhroni motor postaje kočeći u odnosu na obrtni momenat pogonske mašine kojom smo izvršili ubrzanje. U ovom slučaju asinhrona mašina nema više ulogu motora već se ponaša kao generator. To je asinhroni generator koji mehaničku energiju dobijenu od pogonske mašine pretvara u električnu i vraća je u mrežu na koju je priključen njegov stator.

Prema tome, kada asinhrona mašina radi kao generator, klizanje se kreće u granicama od s=0 do s=-∞.