25) Asynchronní elektromotory

Asynchronní motory Jsou točivé elektrické stroje (elektromotor), pracující na střídavý proud. Jde o nejrozšířenější elektromotor v elektrotechnice vůbec, který slouží jako základní součást pohonů mnoha strojů v různých oblastech společenské praxe. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná jednoduchou konstrukcí. Nejčastěji se používají jako napájené z běžné střídavé sítě. Napájecí napětí může být jednofázové nebo trojfázové. Asynchronní motor připojený přímo na elektrickou síť může pracovat buď v omezeném rozsahu otáček, nebo je jeho provoz neefektivní. Díky frekvenčním měničům je dnes možné asynchronní stroje provozovat v širokém rozsahu otáček. Trojfázový asynchronní motor Svorkovnice asynchronního motoru zapojená do hvězdy a do trojúhelníka Klecový rotor asynchronního motoru Každý trojfázový asynchronní motor je složen ze dvou hlavních částí. • Stator (pevná část) – je u většiny typů podobný. Je složen z nosné kostry motoru, ložiskových štítů, příruby, patek, svazku statorových plechů se statorovým vinutím vloženým do drážek. • Rotor (otočná část) – hřídel s nalisovanými rotorovými (elektrotechnickými) plechy (tzv. dynamoplechy) s drážkami, do kterých jsou vloženy tyče rotorové klece nebo vodiče rotorového vinutí. o Kotva nakrátko nebo kotva klecová – v drážkách rotoru jsou vloženy neizolované měděné, mosazné nebo hliníkové tyče, které jsou na obou koncích spojeny zkratovacími kruhy. Tyče spolu s kruhy mají podobu "klece pro veverky" (anglicky "squirrel cage rotor"). Klec je svařena nebo odlita odstřiknutím hliníku. o Kroužková kotva – v drážkách plechů je uloženo vinutí rotoru z izolovaných vodičů, které je zapojeno do hvězdy, do trojúhelníka nebo do V (dvoufázové). Rotorové vinutí je vyvedeno na tři kroužky. Na kroužky dosedá trojice kartáčů, ke kterým lze připojit regulační rotorový obvod, nejčastěji rezistory. Větší motory mívají odklápěč kartáčů se zkratovačem kroužků. Točivé pole tvořené statorem má větší rychlost než otáčky rotoru Základem činnosti asynchronního stroje je vytvoření točivého magnetického pole statoru, které vznikne průchodem střídavého trojfázového proudu vinutím statoru. Toto magnetické pole indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud rotoru vyvolává magnetický tok, který je spřažen se statorem. Spřažený magnetický tok vyvolá silové působení na rotor a tím otáčení rotoru. Otáčky točivého pole statoru, tj. synchronní otáčky, jsou dány kmitočtem napájecího napětí a počtem pólů trojfázového motoru. kde je kmitočet proudu a je počet pólových dvojic statoru. Asynchronní stroj může dávat na výstupní hřídeli kroutící moment jen tehdy, pokud rychlost otáčení magnetického pole statoru je rozdílná oproti mechanickým otáčkám rotoru, tj. o skluz. Při nulovém skluzu, tj. při synchronních otáčkách stroje se magnetické pole statoru vůči rotoru nepohybuje, tím se v rotoru neindukuje napětí, neteče rotorový proud, nevzniká rotorová část spřaženého magnetického pole stroje a nevzniká kroutící moment. Míra rozdílu otáček pole a rotoru je nazývána skluz, udávána v procentech a definována jako: kde jsou "synchronní" otáčky magnetického pole statoru, jsou mechanické otáčky rotoru. Podle hodnoty skluzu lze snadno rozdělit oblasti práce asynchronního stroje: Spouštění Druhy kotev s dvojitou klecí Při spouštěni asynchronního motoru s kotvou nakrátko je záběrový proud až 7krát vyšší než hodnota nominálního proudu. Tím v síti vznikají velké proudové rázy při poměrně malém záběrovém momentu. Proto je přímé spouštění zpravidla používáno jen pro motory s výkonem přibližně do 3 kW. Motor s kotvou nakrátko Zmenšení velkého rozběhového proudu lze u asynchronního motoru docílit snížením rozběhového napětí statoru, nebo zvětšením impedance rotoru nebo tvarem rotorové klece. Regulace napětí, impedance rotoru tvar klece nemění rychlost otáčení motoru, mění skluz motoru. Nejčastěji používané metody snížení rozběhového napětí jsou: • Statorový spouštěč – Do série se statorovým vinutím je zapojena omezovací impedance (často jen rezistory), která je během spouštění postupně vyřazována. Pro omezení tepelných ztrát na rezistorech se do obvodu zařazují předřadné impedance - cívky, které (i když jen krátkodobě) zhoršují účiník odebíraného proudu. Tento způsob je vhodný pro jemný záběr motoru, který je při rozběhu málo zatížen. • Rozběhové transformátory – Do série se statorovým vinutím jsou zapojeny spouštěcí transformátory snižující rozběhové napětí a tím i rozběhový proud. Z ekonomických důvodů se nejčastěji používají autotransformátory. Při spouštění lze autotransformátor krátkodobě i přetížit, neboť ihned po rozběhnutí motoru je odpojen ze sítě. Tento způsob rozběhu se používá hlavně pro motory velkých výkonů. • Přepínač hvězda–trojúhelník Y/D – Statorové vinutí motoru je při rozběhu spojeno do hvězdy (označované Y), po ukončení rozběhu je vinutí přepojeno do do trojúhelníku (označované D). Napětí cívky při rozběhu je zmenšeno na , například 230 V. V tomto poměru klesne odebíraný proud, ale výkon klesne na . Napětí cívky po ukončení rozběhu a přepnutí do D je například 400 V. Rozběh Y/D se může použít jen pokud je motor při rozběhu odlehčen. Přepínáním Y/D se nemění rychlost otáčení motoru, mění se skluz motoru. • Polovodičový regulátor napětí (softstartér) – Je polovodičová, maloztrátová regulace napětí motoru, při kterém lze dosáhnout plynulý rozběh motoru. Softstartér nemění rychlost otáčení motoru, mění skluz motoru. Softstartér je možno použít i pro regulaci otáček ASM ventilátoru a podobné zátěže s kvadratickou závislostí výkonu na otáčkách. • Speciální úprava klece - Speciální úpravy klece jsou prováděny jednak pro omezení rozběhových proudů statoru a také pro zvětšení záběrového momentu při rozběhu. Rozběhový moment pak může dosáhnout až momentu zvratu. Tato úprava je v malé míře realizována i u běžných elektromotorů ASM. o Kotva s dvojitou klecí – Mělce uložená klec je rozběhová. Druhá, boce uložená klec je běhová. o Kotva s odporovou klecí – Vodiče klece jsou vyrobeny z materiálu s větším měrným elektrickým odporem. Stroj má zvýšené ztráty při běžném chodu. o Vírová kotva – Speciální tvary drážek a tyčí klece, které jsou umístěny po celém obvodu rotoru, každý z těchto vodičů má stejný odpor, ale různé rozptylové indukčnosti. Motor s kroužkovou kotvou Přes kartáče je ke kroužkům rotoru připojen rotorový spouštěč, většinou sestavený ze tří stejně velkých rezistorů, které jsou postupně vyřazovány. Po skončení rozběhu je vinutí spojeno nakrátko. Kroužková kotva je určena pro omezení rozběhových proudů statoru a také pro zvětšení záběrového momentu při rozběhu. Rozběhový moment pak může dosáhnout až momentu zvratu. Rotorový spouštěč nemění rychlost otáčení motoru, mění skluz motoru. Jednofázový asynchronní motor • Stator – je složen ze statorových plechů a dvou vinutí. U stroje, jehož vinutí vychází z třífázového vinutí je hlavní vinutí je ve 2/3 drážek a pomocné vinutí je ve zbývající 1/3. Stroje konstruované jako jednofázové s trvale připojeným kondenzátorem mají v 1/2 drážek vinutí hlavní v druhé polovině tzv. pomocné vinutí. Hlavní a pomocné vinutí mají posun 90°. • Rotor – je vždy klecového provedení. Vinutí statoru jednofázového asynchronního motoru. U1-U2: hlavní vinutí, Z1-Z2: pomocné vinutí Princip činnosti Jednofázové hlavní vinutí vytváří pulzující magnetické pole, které se neotáčí ani nenatáčí. Aby rotor vytvářel točivý moment, musí se magnetické pole statoru otáčet, nebo alespoň natáčet vůči rotoru. Při jednofázovém napájení se musí proudy v hlavním a pomocném vinutí fázově posunout, aby vzniklo kruhové, nebo alespoň eliptické magnetické pole. Toho se dociluje zapojením kondenzátoru do pomocného vinutí, nebo zhotovením pomocného vinutí z odporového materiálu - zvětšením rezistivity vinutí. Fázový posun mezi proudy bývá až 90°. Působení pomocného vinutí není pro samotný běh motoru nutné, a tak se v některých případech odpojuje po rozběhu. Nejčastější způsob odpínání pomocného vinutí je odstředivým spínačem. Pokud zůstane pomocné vinutí s kondenzátorem zapojeno i po rozběhu motoru, zvýší se výkon a točivý moment motoru na úroveň jako třífázového stroje stejné velikosti a rychlosti otáčení. Připojený kondenzátor zlepší celkový účiník stroje.[zdroj?] Pro pohon gramofonů, magnetofonů, ventilátorů apod. jsou používány jednofázové asynchronní motorky v provedení s pomocnými póly, kde pomocné vinutí je tvořeno závitem nakrátko na části statoru, tyto motory se nazývají asynchronní motory se stíněným pólem Použití Používá se pro elektrické pohony malých výkonů do 3,5 kW. Jednofázový asynchronní motor je používán tam, kde není nutné regulovat otáčky motoru během provozu stroje např. při pohonu kompresorů v lednicích, domácích pračkách, sekačkách a ventilátorech. Regulace otáček jednofázových asynchronních motorů frekvenčními měniči není používána. Použít je možno frekvenční měnič napájený z jednofázové střídavé sítě, který napájí třífázový asynchronní motor. V běžných spotřebičích jako je elektrické ruční nářadí, kuchyňské roboty, vysavače, vysoušečích vlasů jsou stále aplikovány komutátorové motory, které mají především vyšší rychlost otáčení a tím pro požadovaný výkon menší objem a hmotnost. Sériová výroba složitějších a na údržbu náročnějších komutátorových univerzálních motorů je dobře zvládnuta a automatizována.