W pierwszej części serii artykułów rozpoczęliśmy omawianie historii silników elektrycznych, wymieniliśmy ich główne typy i przedstawiliśmy najważniejsze komponenty. W tym artykule pójdziemy dalej i zajmiemy się konkretnie trójfazowym silnikiem asynchronicznym.

Przeczytaj pierwszą część artykułu TUTAJ

Choć wiele osób określa mianem silnika elektrycznego wyłącznie jednostkę napędową współczesnych samochodów elektrycznych, to w rzeczywistości wśród producentów nie ma zgody co do tego, który typ silnika jest najbardziej odpowiedni. Trójfazowa wersja asynchroniczna zyskała wielką popularność na rynku – zjawisko, to postaramy się wytłumaczyć w dzisiejszym artykule.

Opis ogólny

Trójfazowy silnik asynchroniczny, nazywany także silnikiem indukcyjnym, to jedna z najpopularniejszych i najprostszych maszyn elektrycznych. Istnieje również odmiana jednofazowa, którą zazwyczaj stosuje się do zadań o niższych wymaganiach wydajnościowych.

Zasada działania trójfazowego silnika asynchronicznego

Podobnie jak w ogólnym opisie z pierwszego artykułu, można powiedzieć, że silnik jest podzielony na dwie główne części: obrotową i stacjonarną. Ta ostatnia posiada uzwojenie wielofazowe, które wytwarza wirujące pole magnetyczne. Linie sił pola przecinają uzwojenie wirnika, wzbudzając w nim napięcie.

Uzwojenie tworzy obwód zamknięty lub zwarty, dlatego prąd płynie w obwodzie elektrycznym dzięki wzbudzanemu w nim napięciu. Wirnik następnie obraca się, aby zapobiec przecięciu się linii sił, a tym samym indukcji (prawo Lenza).

Jeśli parametry wirnika osiągną wartość pola magnetycznego stojana, linia przecięcia sił zanika. W praktyce tak się nie dzieje, ponieważ wirnik zawsze działa z opóźnieniem. Opóźnienie to nazywane jest poślizgiem.

Wartość tę można obliczyć w następujący sposób:

s = (n₀ -n)/n₀

gdzie:

• s to wartość poślizgu
• n₀ to prędkość synchroniczna
• n to aktualna prędkość

W niektórych dziedzinach poślizg jest zwykle wyrażany w procentach, w którym to przypadku formuła jest modyfikowana za pomocą dodatkowego mnożnika:

s% = ((n₀ -n)/n₀ ) ∙ 100

Dokładną prędkość, przy której stojan i wirnik zostaną zsynchronizowane, można określić za pomocą następującego wzoru:

n₀ = f/p

gdzie:

• n₀ to prędkość synchroniczna
• f to częstotliwość sieci
• p to liczba par biegunów

Na podstawie powyższego wzoru można zauważyć, że poślizg wynosi 1 dla nieruchomego wirnika i 0 dla prędkości synchronicznej. Poślizg równy 1 oznacza oczywiście, że maszyna asynchroniczna jest zatrzymana, ale nie może przenosić momentu obrotowego nawet przy zerowym poślizgu, ponieważ brak napięcia indukowanego.

Wynika z tego bezpośrednio, że silnik nie jest w stanie pracować z prędkością synchroniczną pod obciążeniem, zawsze bowiem potrzebuje minimalnego poślizgu do działania. Dlatego też dwie główne części silnika nigdy nie są zsynchronizowane – stąd nazwa „asynchroniczny”.

To prowadzi z kolei do jednej z najpoważniejszych wad: ponieważ silnik nie może pracować z prędkością synchroniczną, wymaga kontroli prędkości w pętli zamkniętej nawet przy stałym obciążeniu. Ponadto potrzebne jest trójfazowe zasilanie z przetwornicą częstotliwości.

Mimo to jest to nadal najbardziej wytrzymały typ silnika, prosty, kompaktowy i praktycznie bezobsługowy, dlatego pomimo swoich wad jest doskonałym rozwiązaniem do napędzania pojazdów.

Konstrukcja

Ogólnie rzecz biorąc, zarówno wirnik, jak i stojan trójfazowego silnika asynchronicznego są pokryte warstwą izolacyjną. Ma to na celu uniknięcie strat w postaci prądów wirowych. Stojan jest wyposażony w uzwojenie dwu- lub trójfazowe, a wirnik przyjmuje formę klatki lub jest także uzwojony.

Istnieją dwa główne typy konstrukcji, z których jeden to maszyna asynchroniczna z pierścieniem ślizgowym. W tym przypadku punkty końcowe uzwojenia wirnika są podłączone do pierścienia ślizgowego. Kontakt w tym układzie jest ustanawiany bezpośrednio lub za pośrednictwem rezystora, co pozwala na kontrolowanie prędkości i momentu obrotowego.

W przypadku wirnika klatkowego nie ma potrzeby (ani możliwości) wyprowadzania uzwojenia wirnika ani stosowania rezystorów – mamy tu do czynienia z tzw. wirnikiem klatkowym. Uzwojenie wirnika jest wykonywane podczas procesu odlewania. Formowane są rowki, a następnie wmontowuje się w nie uzwojenie. Powstałe pręty są bezpośrednio łączone ze sobą w głowicach uzwojenia.

W porównaniu z rozwiązaniem z pierścieniem ślizgowym jest to prostsza konstrukcja, a także wymaga mniej konserwacji. Ponadto umożliwia wykorzystanie pełnego przekroju rowków wirnika, przy czym w przypadku silnika z możliwością przełączania biegunów nie jest konieczne uzwojenie wirnika dla każdej liczby biegunów.

Tryby pracy

Jedną z największych zalet silników elektrycznych w porównaniu do silników spalinowych jest to, że mogą one działać w kilku trybach pracy. Nie inaczej jest w przypadku trójfazowego silnika asynchronicznego.

Tryb pracy silnika

Najczęściej używany jest tryb ogólny. Napęd elektryczny przekształca dostarczaną energię elektryczną w ruch obrotowy.

Tryb pracy generatora

Silnik elektryczny przekształca dostarczoną energię mechaniczną w energię elektryczną. Maszyna asynchroniczna nie jest w stanie działać jako izolowany generator o własnej mocy, ale spełnia to zadanie w sieci elektrycznej.

Warto zauważyć, że podczas pracy generatora prędkość wyjściowa jest zawsze wyższa niż prędkość wejściowa, przez co poślizg przyjmuje wartość ujemną, a więc wirnik „wyprzedza” pole magnetyczne.

Samochody elektryczne wykorzystują ten tryb do procesu rekuperacji.

Tryb pracy hamowania

Zazwyczaj jest to stan przejściowy podczas zmiany kierunku obrotów. W tym przypadku wał obraca się w kierunku przeciwnym do pola magnetycznego wytworzonego w stojanie. Silnik elektryczny przekształca zarówno przychodzącą energię elektryczną, jak i mechaniczną w ciepło, które jest uwalniane do otoczenia.

Samochody osobowe z trójfazowym silnikiem asynchronicznym

Oczywiście każdy producent stara się znaleźć dodatkowy potencjał w swoich silnikach elektrycznych, więc nie można kategorycznie stwierdzić, że wszyscy używają tej samej maszyny asynchronicznej, a jedynie, że wykorzystują te same zasady fizyczne podczas tworzenia konstrukcji.

Silnik ten można znaleźć w pojazdach opartych na platformie MEB koncernu VW-Audi, we wszystkich obecnie dostępnych Teslach (S, 3, X, Y) oraz np. w Mercedesie EQC.