Asünkroonmootor

Kolmefaasiline asünkroonmootor on levinuim vahelduvvoolul töötav elektrimootor maailmas, seda tänu lihtsale ehitusele, kergele hooldamisele ja suhteliselt madalale hinnale. Teiste elektrimasinatega võrreldes on ta töökindel, rasketes oludes vastupidav ja vajab vähe jooksvat hooldust. Seetõttu on asünkroonmootorite kasutamine majanduslikult otstarbekas ja tõhus. See masin võib töötada nii mootori kui ka generaatorina, mootori puhul on staatormähise ülesandeks pöörleva magnetvälja tekitamine. Asünkroonmootor on nimetus saanud selle järgi, et rootori pöörlemiskiirus erineb magnetvälja pöörlemiskiirusest ehk sünkroonkiirusest. 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 induktsioonmootorid teineteisest sõltumatult nii Nikola Tesla kui Galileo Ferraris. Viimane esitas oma mootori 1885. aastal ning avaldas kolm aastat hiljem 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 mootori patent. Tesla enda väitel lõi ta pöörleva magnetvälja juba 1882. aastal. Tänapäevase kolmefaasilise asünkroonmootori (lühisrootoriga) leiutas Mihhail Dolivo-Dobrovolski 1889/1890. aastal. Asünkroonmootori põhiosadeks on staator (paigalseisev osa) ja rootor (pöörlev osa). Asünkroonmootorid jagunevad ehituselt kaheks tüübiks, mis erinevad 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 võrgupingel, mis on omavahel vahekorras √3. Mootori rootor koosneb võllist, südamikust ja mähisest. Rootorsüdamikul on silindri kuju ja ta koostatakse samuti elektrotehnilisest terasplekist. Lühisrootoriga mootoril koosneb rootorimähis vask- või alumiiniumvarrastest, mis asetsevad rootorisüdamiku uuretes. Vardad on omavahel rootori otstes lühistatud. Niisugune mähis on 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 paigaldatakse 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. 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: juhtmes indutseeritakse 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. Asünkroonmootori käivitusomadusi hinnatakse tema käivituskarakteristikutega: käivitusvoolu Ikäiv tugevuse või selle kordusega; käivitusmomendi Mk suuruse või selle kordusega; mootori käivitamise kestuse ja sujuvusega; käivitusoperatsiooni keerukusega; käivitusoperatsiooni ökonoomsusega (maksumus ja töökindlus). Käivituse alghetkel on libistus s=1. Mootorile on iseloomulik suhteliselt väike käivitusmoment ning samal ajal üsna suur, nimivoolu kuni kümme korda 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 nii, et rootorivool jääks mootori käivitamise ajal ligikaudu muutumatuks, käivitusmomendi keskmine väärtus aga oleks maksimaalse lähedal. Käivitusreostaadid valmistatakse keermekujuliselt keritud metalltraadist või -lindist, neid valatakse ka malmist. Ebasümmeetriline käivitus Sel juhul lühistatakse reostaat astmete kaupa igas faasis omaette. Osa käivitusastmete lülitusi on ebasümmeetrilised, osa sümmeetrilised. Paispoolkäivitus (reaktoritega käivitus) 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 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 – selle puhul ühendatakse asünkroonmootori staatoriahelasse sümmeetriline induktiivtakistus. Selline käivitusviis sobib eelkõige võimsamate kõrgepingeliste asünkroon- ja sünkroonmootorite käivitamiseks väikesel koormusel või tühijooksul. Sümmeetriline reostaatkäivitus – sarnaneb väga 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. 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 sünkroonnurkkiirus (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 paigaldada staatori uuretesse kaks mähist erinevate poolusepaaridega või paigutada staatorile mähis, mille konstruktsioon võimaldab saada erineva pooluste arvu. Kõige lihtsam on mähis, kui pooluste arvud suhtuvad üks kahele. Kõige enam kasutatakse asünkroonmootoreid mitmesuguste üldotstarbeliste masinate nagu ventilaatorite, kompressorite, pumpade, aga ka ketassaagide, puiduhöövelpinkide ja muude masinate käitamiseks. lihtne ehitus; kerge hooldada; võrdlemisi madal hind; töökindel; rasketes oludes vastupidav. mootori pinge sageduse reguleerimise vajadus; suurematel võimsustel nõuab käivitus võrreldes nimivooluga väga suurt staatorivoolu; käivitus otse elektrivõrku lülitamisega 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. Elektrimasin Lõhisfaasmootor ehk ühefaasiline asünkroonmootor U. Agur, J. Laugis (1984) Elektriajamid lk 120–126, 133–136 C. Babbage, J.W.F. Herschel (1825) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 115 lk 467–496 L. Day, I. McNeil (1998) Biographical Dictionary of the History of Technology lk 1204 A. S. Kent (1992) The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications, Volume 17 lk 36 J. J. O'Neill (1944) Prodigal Genius: The Life of Nikola Tesla lk 115 M. W. Hubbell (2011) The Fundamentals of Nuclear Power Generation: Questions & Answers lk 27 M. Katsman (1971) Elektrimasinad ja transformaatorid lk 278–283, 317–333