Asynchronní motor | Konstrukce a princip činnosti asynchronního elektromotoru

Elektromotory jsou mechanismy určené k přeměně elektrické energie na mechanický pohyb. Elektromotory provázejí člověka téměř ve všech oblastech jeho činnosti. Bez nich je nemožné si představit moderní život. Navzdory spolehlivosti a odolnosti se stále vyskytují poruchy a poruchy takových zařízení. Znalost vlastností a vlastností pomůže správně vybrat, udržovat a v případě potřeby opravovat asynchronní motory.

U asynchronních motorů na střídavý proud (AC) nejsou otáčky rotoru synchronizovány s frekvencí magnetického pole indukovaného proudem vinutí statoru. Z tohoto principu vzešla definice této skupiny elektrických strojů. U synchronních elektrických strojů jsou frekvence stejné.

V současné době bylo vyvinuto a používáno mnoho různých typů AD, které se liší konstrukcí a charakteristikami. Existují jednofázové, dvoufázové, třífázové, vícefázové konstrukce, které pracují se střídavým proudem. Počet pólů se liší. Používají se modifikace s konstantním a proměnným frekvenčním proudem, které se nazývají invertor. Podle typu rotoru existují 2 typy: fázové elektromotory a motory s rotorem nakrátko. Asynchronní elektromotory jsou ve srovnání s jinými měniči energie příznivé ve své kompaktnosti, odolnosti a vysoké účinnosti.

IM jsou velmi rozšířené a jsou nejoblíbenějším typem elektrických strojů. Asynchronní elektromotory se používají v kompresorech, vodovodních systémech, vytápění, klimatizaci a automobilovém průmyslu. Taková zařízení jsou žádaná zejména v oblastech, kde je nutné přesně udržovat rychlost otáčení hřídele, například při výrobě polymerů, skleněných tkanin a drátů.

Relativně nízkoenergetické jednofázové jednotky pracují ve ventilátorech a nízkoenergetických domácích spotřebičích. Produktivnější dvoufázové jednotky jsou oblíbenější, používají se v pohonech praček, ledniček a dalších spotřebičů.

Třífázové asynchronní elektrické stroje nacházejí uplatnění mnohem více, především v průmyslu. Jsou vybaveny elektrickými pohony obráběcích strojů, jeřábů, výtahů a mnoha dalších. To je usnadněno spolehlivostí a účinností elektromotorů.

Jak funguje krevní tlak?

Asynchronní elektromotor se skládá ze dvou hlavních součástí: stacionárního statoru a rotoru rotujícího kolem své osy. Stator je standardní konstrukce, kde jádro je vyrobeno jako dutý válec z ocelových plátů navzájem izolovaných. V otevřených drážkách umístěných na vnitřním obvodu je uloženo primární vinutí, do kterého je přiváděno síťové napětí.

Uvnitř statoru je na hřídeli uložen rotor prostřednictvím ložisek. Samotná ložiska jsou na obou stranách kryta krytkami, které je zajišťují. Celá jednotka je umístěna v kovové skříni. U asynchronních motorů středního a vysokého výkonu jsou ve skříni k dispozici žebra pro účinnější chlazení a také ventilátor na hřídeli. V místě, kde jsou vyvedeny konce vinutí, je svorkovnice.

Rotor může být dvou typů: klecový a fázový. Konstrukčně se liší podle toho, asynchronní motory patří do jedné ze dvou skupin podle typu rotoru.

Asynchronní motor s kotvou nakrátko

Konstrukce takového rotoru je extrémně jednoduchá. Jádro je vyrobeno z lisovaných plechů a roli sekundárního vinutí hraje sada vzájemně rovnoběžných kovových tyčí, jejichž konce jsou uzavřeny ocelovými kroužky. Mechanismus připomíná veverčí kolo.

Vinutí statoru je umístěno pod úhlem 120°. Pokud na ně přivedete střídavé napětí s posunem o 120°, objeví se uvnitř rotující magnetické pole. Pokud umístíte právě tuto veverčí klec do rotujícího pole, její siločáry budou křížit vodiče rotoru a indukovat v nich elektromotorickou sílu a podle toho se objeví proudy. V důsledku toho se tam vytvoří jeho vlastní magnetické pole, které bude interagovat s rotujícím polem a „zapojit“ se do něj. To znamená, že se rotor začne otáčet ve stejném směru jako magnetické pole statoru.

Otáčky rotoru jsou vždy nižší než frekvence pole statoru. Pokud „dohoní“ frekvenci statoru, nebude indukováno žádné EMF, točivý moment bude nulový a elektromotor přestane fungovat. Tento efekt je významem asynchronie. Relativní velikost zpoždění, vyjádřená v konvenčních jednotkách, se nazývá skluz. Tento parametr závisí na vlastnostech rotoru, včetně jeho odporu.

Asynchronní motory s rotorem nakrátko nemají pohyblivé kontakty, jejich součásti jsou jednodušší, díky čemuž jsou spolehlivé a odolné. Používají se v systémech, které nevyžadují úpravu rychlosti otáčení, protože je to obtížné a konstrukce se stává složitější.

Indukční motor s fázovým rotorem

Konstrukce fázového rotoru se mírně liší od statoru. Jádro se skládá ze sady izolovaných desek z elektrostatické oceli namontovaných na hřídeli. Mezi deskami jsou drážky orientované podél podélné osy. V nich jsou umístěny závity sekundárního vinutí, nazývá se fázové vinutí. Počet fází vinutí statoru a rotoru musí být stejný. Elektrické obvody rotoru jsou spojeny třemi kontaktními kroužky, na kterých jsou upevněny konce vinutí. Fáze jsou spojeny hvězdičkou nebo trojúhelníkem. U dvoupólového asynchronního motoru jsou osy vinutí vůči sobě posunuty o 120°.

Pro zlepšení startovacích charakteristik je možné připojit další externí odpor. Obvykle se používá reostat s krokovým nastavením. Motor v této konfiguraci také nabírá rychlost v krocích. Po dosažení optimální rychlosti se reostat vypne zkratováním sběracích kroužků.

Vlastnosti různých typů rotorů

Elektromotory s rotorem nakrátko se vyznačují následujícími výhodami:

• konstantní rychlost, která nezávisí na změnách zatížení;
• odolnost proti krátkodobému mechanickému přetížení;
• snadné spuštění a připojení.

Je zaznamenána vyšší účinnost a snadnější automatizace. Zároveň má tento typ elektromotorů i nevýhody, z nichž hlavní je složité nastavování otáček. Proto se tato konstrukce používá v systémech s konstantní rychlostí otáčení elektromotoru. Za nevýhody se navíc považuje vysoký proud a nedostatečná startovací síla.

Elektromotory s vinutým rotorem jsou horší než motory s kotvou nakrátko, pokud jde o ztrátu výkonu, kvůli jejich složitější konstrukci. Používají se, když je potřeba upravit otáčky, snížit rozběhový proud a zvýšit točivý moment v okamžiku rozběhu.

Způsoby připojení

Elektromotor by se měl rozběhnout s minimálním proudovým rázem ve vinutích. K tomuto účelu se používá 5 hlavních způsobů připojení:

• přímý – napájení je dodáváno přímo do kontaktů motoru přes stykač nebo spouštěč, když pokles napětí není kritický;
• snížení napětí během doby startu;
• schéma zapojení statorových vinutí se přepne na trojúhelník z hvězdy;
• jemný začátek;
• změna frekvence síťového napětí.

U jednofázových verzí se používá rozdělování pólů, spouštění kondenzátorem nebo odporem. Třífázové elektromotory se spouštějí buď přímo, přepnutím do trojúhelníku, nebo pomocí měniče napětí, ať už je to reostat nebo transformátor. Je aplikována změna v počtu pólových párů.

Jak se dosahuje regulace rychlosti?

Regulace otáček asynchronního motoru není tak snadná. Jsou 3 možnosti. Můžete změnit:

• frekvence sítě;
• počet párů pólů;
• množství skluzu.

Chcete-li změnit počet párů pólů, musíte položit vinutí statoru zvláštním způsobem. Mezi další kroky patří možnost přepnutí na jeden, dva nebo tři páry pólů. Toto přepínání bude postupné. V souladu s tím se bude rychlost rotoru asynchronního motoru měnit diskrétně. U vícepólových statorových vinutí je frekvence vyšší.

Druhým způsobem je změna snímku. Jeho hodnota závisí mimo jiné na odporu. K tomu je rotor vybaven vinutím a vodiče jsou protaženy kroužky. Objeví se kluzný kontakt a spolehlivost se sníží. Ale pomocí reostatu nebo stupňového přepínání můžete do rotoru zavést další odpor a plynule nebo diskrétně měnit velikost prokluzu. Prostřednictvím této akce je možné regulovat rychlost otáčení asynchronních motorů.

Tyto způsoby však nejsou příliš ekonomické ani pohodlné. S rozvojem výkonové elektroniky se objevil třetí, nejúčinnější způsob – změna frekvence napájecí sítě, pro kterou se používají frekvenční měniče. Plynulou změnou frekvence napájecího proudu je možné získat spojitou řadu frekvencí magnetického pole statoru asynchronního motoru v určitém rozsahu, a tedy plynule měnit i rychlost otáčení hřídele. Výkonová elektronika dala motorům nový impuls k vývoji; jejich podíl přesahuje 80 % všech elektromotorů na světě.

Jak vysokého rozběhového momentu je dosaženo

Jednou z výhod asynchronního motoru s vinutým rotorem je jeho vysoký rozběhový moment, zatímco rotory s kotvou nakrátko takovou výhodu neposkytují. Svědčí o tom jeho mechanické vlastnosti. V okamžiku spuštění dosahují proudy 5–7 hodnot nominální hodnoty a součin síly proudu a magnetického toku udává točivý moment.

Představíme-li si, že rotor je konstrukčně konstruován ve formě dvou do sebe vložených veverkových kol různého průměru, pak v okamžiku rozběhu bude počáteční moment aplikován na vnější kolo většího průměru. K tomu dochází v důsledku jevu proudění při vysokých frekvencích, nazývá se to kožní efekt. Při dvoupólové cívce a síťové frekvenci 50 Hz vyvine magnetické pole rotoru úhlovou rychlost 3 tisíce ot./min. Vrstva kůže je 9 mm. U vícepólových strojů je tato vrstva větší. Proto je při startování proud vytlačen ven a díky delší páce se zvyšuje točivý moment. Když elektrický stroj dosáhne jmenovitých otáček a přepne se do režimu motoru, kožní efekt se vyrovná. S rostoucí rychlostí rotoru se snižuje indukční frekvence ve vinutí. Poté proud protéká vnitřkem. Tento princip zajišťuje vysoký startovací tah.

Ve skutečné praxi je u asynchronních motorů se zvýšeným rozběhovým momentem skinefekt zajištěn vytvořením hluboké drážky v navinutém rotoru. Proud je distribuován v různých časech podél hloubky drážky v různých oblastech. Při startování se proud soustředí do vnější části, při roztočení motoru pak skinefekt mizí. Proud se přerozděluje do hloubky drážky, provozní krouticí moment se zmenšuje. To znamená, že ve stabilním motorickém režimu je krevní tlak mnohem ekonomičtější, časté starty zvyšují náklady.

Asynchronní měnič energie jako generátor

Generátory jsou určeny k přeměně mechanické rotační energie na elektřinu. Dojde-li k otáčení rotoru asynchronního motoru a dosažení rychlosti pole statoru, proud se již nebude indukovat a nebude se vytvářet točivý moment. Pokud použijete vnější sílu a budete pokračovat v otáčení tohoto rotoru ve směru pole s ještě vyšší frekvencí otáčení, začne se v rotoru opět indukovat EMF, ale v opačném směru. Elektrický proud poteče opačným směrem, ne jako v motorovém režimu. Tyto proudy budou indukovat zpětné EMF ve vinutí statoru. V něm se vytvoří proud. Tato konstrukce je asynchronní generátor.

Pokud je k síti připojen asynchronní motor a jeho rotor se pak začne otáčet rychleji, než je frekvence pole statoru ve stejném směru, dojde ke generování v síti. V tomto případě bude asynchronní motor spotřebovávat reaktivní energii ze sítě k vytvoření magnetického pole a na výstupu aktivní energie. Příkladem jsou slavné elektromobily Tesla první generace. Byly vybaveny moderním inovativním asynchronním měničem energie. Fungoval jak v režimu motoru při akceleraci, tak v režimu generátoru při rekuperačním brzdění, kdy je přes měnič dodávána elektřina pro nabíjení baterie.

Asynchronní generátory patří do skupiny zařízení produkujících střídavý proud různých frekvencí. V obvodu je zařazen invertor, kde se proud převádí na stejnosměrný. Poté opět na střídavý, ale s přesně specifikovanou frekvencí sítě – 50 hertzů.

Výhody a nevýhody asynchronních motorů

AD si díky svým kvalitám získal vysokou oblibu. Mezi nesporné výhody takových zařízení patří:

• jednoduchý a osvědčený design;
• nízké provozní náklady: náklady na jednotku výkonu u asynchronních motorů jsou nejnižší;
• spolehlivost, snadná údržba, usnadněná absencí kartáčů
• nízké náklady.

Díky fázovému posunu nejsou potřeba žádná další zařízení nebo měniče pro generování točivého momentu. Malé ztráty hrají důležitou roli. Účinnost při provozu při maximální zátěži může díky minimálnímu počtu uzlů dosáhnout 97 %.

Jako všechna zařízení mají asynchronní převodníky nevýhody. Mezi nimi:

• obtížná regulace rychlosti otáčení hřídele, úzký rozsah změny.
• vysoké proudy při spouštění, které mohou vést k napěťovým rázům v síti.
• setrvačnost rotoru v okamžiku startu: asynchronní motor se nemusí spustit, pokud je poháněn masivní jednotkou.
• závislost na parametrech sítě.

Moderní mechanická a elektrická konstrukční řešení tyto nedostatky téměř zcela odstraňují.

A přesto, navzdory všem výhodám, zdroj asynchronních elektromotorů není věčný. Dochází k prokluzování rotoru vůči hřídeli, zkratům vinutí, zlomům, poškození skříně, opotřebení ložisek a dalším poruchám. To vše se projevuje jako pokles výkonu, cizí zvuky a pachy nebo dokonce úplné selhání. Nákup nové jednotky může být drahý a ne vždy má smysl. V naprosté většině případů je racionálnější odstranit poruchu a pokračovat v provozu elektromotoru.

Firma Held Way opravuje v Petrohradě elektromotory jakéhokoli typu a výkonu. Veškeré práce na obnovení funkčnosti elektromotorů jsou prováděny rychle a efektivně, bez ohledu na složitost. Každý opravený elektrický stroj je testován, aby bylo zajištěno, že parametry splňují požadavky na nový agregát.

Na práci jsou poskytovány slevy a garance. Aktuální opravy jsou možné v místě provozu s návštěvou specialistů. Větší a střední opravy jsou prováděny v areálu podniku. K dispozici jsou náhradní díly a komponenty.