Asünkroonmootor

Kolmefaasiline asünkroonmootor on levinuim vahelduvvoolul töötav elektrimootor maailmas. Seda oma lihtsa ehituse, kerge hooldamise ja suhteliselt 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. 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

Esimene teadaolev teadlane, kellele tuli pöörleva magnetvälja idee, oli François Arago juba 1824. aastal, 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. Tesla enda väitel lõi ta pöörleva magnetvälja juba 1882. aastal.
Tänapäevase, kolmefaasiline asünkroonmootori (lühisrootoriga) leiutas Mihhail Dolivo-Dobrovolsky 1889/1890. aastal.

Asünkroonmootori ehitus

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 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 enne mõlemalt poolt isoleerlakiga, sest see piirab pöörisvoolude tugevust südamikus. Südamiku sisepinnal on pikiuurded, kuhu 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 koosneb 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 nimetatud 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 eespool nimetatud puudused.

Tööpõhimõte

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 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. Standardse asünkroonmootori nimilibistus on mõni protsent, kusjuures suurema nimilibistusega on väiksemad mootorid.

Kiiruse reguleerimine

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 ω₀=2πf/p=(2πn₀)/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 50 Hz ja erinevate poolusepaaride korral võib saada ainult sünkroonkiirusi 3000, 1000, 750, 600 p/min jne. Pooluste arvu saab muuta, kui asetada staatori uuretesse kaks mähist erinevate poolusepaaridega või paigutada staatorile mähis, mille konstruktsioon võimaldab saada erinevat pooluste arvu. Kõige lihtsam on mähis, kui pooluste arvud suhtuvad üks kahele.

Kasutusalad

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