Silniki trójfazowe, dwufazowe i jednofazowe – jak są zbudowane, do czego służą

By Redakcja SZEF UR | 19 lipca, 2021

Co warto wiedzieć o silnikach elektrycznych

• Silnik trójfazowy klatkowy
• Silnik trójfazowy pierścieniowy
• Silnik jednofazowy
• W jaki sposób wywołać ruch silnika jednofazowego?
• Silnik dwufazowy

Silniki elektryczne- jednofazowe i trójfazowe – mają proste zadanie. Zamieniają energię elektryczną na mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wału. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu pola magnetycznego. Co oczywiste, w każdym z zależności od aplikacji, należy zastosować inne rozwiązanie umożliwiające wywołanie ruchu.

W przemyśle najczęściej spotykane są asynchroniczne silniki trójfazowe, klatkowe lub pierścieniowe. Wynika to głównie z ich prostej budowy, łatwej obsługi oraz możliwości osiągania dużo większych mocy od silników jednofazowych. Znajdują one zastosowanie w kompresorach, tokarkach, frezarkach i wielu innych urządzeniach.

Silnik trójfazowy klatkowy
Silnik trójfazowy klatkowy zbudowany jest z wirnika oraz stojana, w których wykonane są żłobki. W nich umieszcza się uzwojenia. W przypadku wirnika są to pręty aluminiowe lub miedziane łączące ze sobą dwa pierścienie. Tworzą one w ten sposób coś na kształt klatki. Pręty budujące klatkę są umieszczone skośnie, co pozwala uzyskać równomierne obroty. Silnik ten nazywany jest również zwartym. Wynika to z faktu, że obwód elektryczny wirnika w tym rodzaju napędu zawsze jest zwarty.

Główną wadą silników asynchronicznych klatkowych są duże prądy rozruchu, przy jednoczesnym niewielkim momencie rozruchowym. Silniki zwarte pobierają prąd od pięciu do ośmiu razy większy, niż znamionowy. Powoduje to nagrzewanie się uzwojeń, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Ponadto tak duży pobór prądu może powodować wahania napięcia w sieci. Z tego względu silniki o mocy ponad 4kW nie wolno nawet podłączać bezpośrednio do sieci. Dlatego do rozruchu przewidziano pewne konkretne rozwiązania.

Jednym z nich jest zastosowanie układu gwiazda-trójkąt. Oznacza to, że podczas rozruchu, przez określony czas silnik pracuje z mniejszym momentem, a napięcie na każdym z uzwojeń jest równe napięciu fazowemu. Po częściowym rozpędzeniu silnika, przełącznik gwiazda-trójkąt zmienia połączenia uzwojeń na takie, w którym początek jednego uzwojenia, łączy się z końcem drugiego, przewód neutralny nie jest używany, a silnik pracuje z mocą znamionową.

Drugim sposobem na bezpieczny rozruch silnika klatkowego jest zastosowanie urządzenia, które nazywa się “soft start”. Jest to układ elektroniczny zbudowany z tyrystorów i triaków, który ma za zadanie płynnie zwiększać napięcia podawane na uzwojenia. W większości współcześnie budowanych projektów chętniej stawia się na to rozwiązanie niż na klasyczny przełącznik gwiazda-trójkąt.

Silnik trójfazowy pierścieniowy
Silnik pierścieniowy to drugi najpopularniejszy rodzaj napędu trójfazowego. Jego budowa jest bardziej skomplikowana, co przekłada się na wyższe koszta związane z zakupem oraz użytkowaniem tego typu motorów. W tym przypadku w żłobkach znajduje się trzyczęściowe uzwojenie połączone w gwiazdę, czyli końce każdego z nich (oznaczane zazwyczaj literami U, V, W) są połączone we wspólnym punkcie. Pozostałe trzy końce (K, L, M) połączone są z pierścieniami ślizgowymi, do których przylegają szczotki. Końcówki tych uzwojeń wyprowadzone są na zewnątrz, co pozwala na przyłączenie do uzwojeń dodatkowych obwodów, umożliwiających np. łagodny rozruch.

Rozruch silników pierścieniowych rozwiązany może być przy wykorzystaniu dodatkowych rezystorów w obwodzie wirnika. Pozwalają one obniżyć prąd wirnika, a więc również prąd pobierany z sieci. Rozwiązanie to jest coraz rzadziej stosowane ze względu na wysokie koszty oraz skomplikowaną budowę.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie falownika. To rozwiązanie również nie jest tanie, aczkolwiek daje duże możliwości. Pozwala na precyzyjne sterowanie prędkością obrotową silnika. Falowniki stosowane są także w parze z silnikami klatkowymi, co sprawia, że w przemyśle coraz rzadziej spotyka się droższe w wykonaniu silniki pierścieniowe.

Aby wprawić silnik w ruch, niezbędne jest wywołanie wirującego pola magnetycznego. W przypadku silników trójfazowych, wytwarza się ono samoistnie. Jest to możliwe dzięki przesunięciu faz o 120 stopni względem siebie. Inaczej wygląda sprawa w przypadku silników jednofazowych. Tam należy samemu wywołać przesunięcie fazowe.

Silnik jednofazowy
Silniki jednofazowe są rzadko stosowane w przemyśle, jednak spotykamy je powszechnie w gospodarstwach domowych, na przykład w urządzeniach AGD czy elektronarzędziach. Jest to spowodowane tym, że większość tych urządzeń nie potrzebuje zbyt dużej mocy, a przy tym muszą być one łatwe w użyciu. Muszą zatem działać po podpięciu do zwyczajnego gniazdka elektrycznego, bez konieczności posiadania instalacji trójfazowej w mieszkaniu. Motory jednofazowe zapewniają zazwyczaj moc do około 2kW, co jest wartością wystarczającą w przypadku większości artykułów gospodarstwa domowego.

W jaki sposób wywołać ruch silnika jednofazowego?
Budowa silnika jednofazowego jest poniekąd podobna do omówionych wcześniej silników trójfazowych. Jednak ze względu na fakt, że posiada on tylko jedno uzwojenie, wirujące pole magnetyczne nie powstaje po podaniu napięcia, a jego brak oznacza, że wirnik nie wprawia się w ruch. Jeśli jednak poruszymy wałem silnika, ten będzie się obracał samoistnie. Ręczne poruszanie silnikiem nie jest jednak ani bezpieczne, ani wygodne. Dlatego do wywołania ruchu stosuje się kondensator oraz połączone z nim dodatkowe uzwojenie, zwane startowym. Jest ono przesunięte w fazie najczęściej o 90 stopni względem uzwojenia głównego. Uzwojenie rozruchowe wykorzystywane jest wyłącznie w trakcie startu pracy silnika. Po osiągnięciu przez motor momentu znamionowego musi ono zostać odłączone. Gdyby tak się nie stało, układ mógłby ulec przepaleniu, ze względu na powstające w nim ciepło.

Silnik dwufazowy
Bardzo rzadko występującym rodzajem silników elektrycznych są silniki indukcyjne dwufazowe. Swego czasu były one spotykane w rozwiązaniach przemysłowych, choć i tam były rzadkością. Aktualnie w zasadzie w ogóle się ich nie stosuje i mówi się o nich niemal wyłącznie w kategorii ciekawostki. Silniki dwufazowe zbudowane są w sposób podobny do silników jednofazowych i działają na podobnych założeniach. Główną różnicą jest fakt, że rolę uzwojenia rozruchowego, które występuje w silnikach jednofazowych, pełni uzwojenie symetryczne do głównego, przesunięte geometrycznie o 90 stopni. Aby uzyskać przesunięcie fazowe, zbliżone do 90 stopni konieczne jest, podobnie jak w przypadku motorów jednofazowych, zastosowanie kondensatora o właściwej pojemności. Ponadto niezbędne jest wykonanie odpowiedniej, dwufazowej instalacji elektrycznej, która jest niepraktyczna – zdecydowana większość odbiorników jest zasilana z jednej lub z trzech faz. Z tego względu stosowanie silników dwufazowych nie było zbyt powszechnie spotykane. Obecnie zostały one w zasadzie całkowicie wyparte przez napędy jedno- i trójfazowe, które są znacznie praktyczniejsze i bardziej uniwersalne.

Silniki jedno- i trójfazowe mają bardzo szerokie zastosowanie, a co za tym idzie, mają zróżnicowane parametry. Aby dobrać odpowiedni motor do Twojego projektu, sprawdź ofertę TME na silniki elektryczne jednofazowe oraz trójfazowe. Szeroki asortyment naszego sklepu sprawia, że z łatwością znajdziesz w nim silnik, który może zostać zastosowany zarówno na hali przemysłowej, jak i w Twoim mieszkaniu. Nasza oferta skierowana jest zarówno do klientów indywidualnych, jak i biznesowych, więc w naszej gamie produktowej na pewno znajdziesz to, czego szukasz.

Tekst opracowany przez Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

Oryginalne źródło tekstu: https://www.tme.eu/pl/news/library-articles/page/43518/Silniki-trojfazowe-dwufazowe-i-jednofazowe-jak-sa-zbudowane-do-czego-sluza/