Asynchronní motor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Největší motor: třífázový asynchronní motor 750W, (druhý největší 25W, dále synchronní motorky z CD přehrávače a stejnosměrný motorek z dětské hračky).

Asynchronní motor je točivý elektrický stroj (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.

Historie[editovat | editovat zdroj]

První asynchronní motory postavilo nezávisle na sobě několik vynálezců:

  • V roce 1887 podal Nikola Tesla patent na asynchronní stroj, 5. května následujícího roku pět dalších patentů.
  • Ve stejném období publikoval Galileo Ferraris pojednání o točivých strojích, které v roce 1885 experimentálně doložil.
  • V roce 1889 přišel Michail Doliwo-Dobrowolski s prvním trojfázovým asynchronním motorem s kotvou nakrátko.

Trojfázový asynchronní motor[editovat | editovat zdroj]

Konstrukce[editovat | editovat zdroj]

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.
    • 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.
    • 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.

Princip činnosti[editovat | editovat zdroj]

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.

n_s=\frac{60 \cdot\ f}{p}\quad[min^{-1}],

kde f je kmitočet proudu a p 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:

s=\frac{n_s-n}{n_s}\cdot 100\quad[%],

kde n_s jsou "synchronní" otáčky magnetického pole statoru, n jsou mechanické otáčky rotoru.
Podle hodnoty skluzu lze snadno rozdělit oblasti práce asynchronního stroje:

Moment asynchronního motoru[editovat | editovat zdroj]

Moment běžného asynchronního motoru s kotvou nakrátko je v ustáleném stavu dán tzv. Klossovým vztahem (tento vztah se v dnešní době začíná nahrazovat). Ustálený stav nastává po odeznění přechodových dějů způsobených rychlými změnami zátěže nebo napájení stroje.

M=\frac{2M_{max}}{\frac{s}{s_z} + \frac{s_z}{s}}

kde M_{max} je maximální moment stroje (neplést se jmenovitým) a s_z je skluz zvratu, tj. skluz při maximálním momentu

V běžných provozních stavech, kdy je skluz malý (několik procent) lze Klossův vztah linearizovat zanedbáním nevýznamných členů:

M=\frac{2M_{max}}{s_z}s


Maximální moment stroje je úměrný druhé mocnině napájecího napětí.

Spouštění[editovat | editovat zdroj]

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 zpravidal 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 1/\sqrt{3} = 0,577, například 230 V. V tomto poměru klesne odebíraný proud, ale výkon klesne na 1/3. Napětí cívky po ukoncení 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.
    • Kotva s dvojitou klecí – Mělce uložená klec je rozběhová. Druhá, boce uložená klec je běhová.
    • Kotva s odporovou klecí – Vodiče klece jsou vyrobeny z materiálu s větším měrným elektrickým odporem. Stroj má zvýšené ztráty při běžném chodu.
    • 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.

Regulace otáček[editovat | editovat zdroj]

Otáčky rotoru:

n=n_1(1-s)=\frac{60*f_1}{p}(1-s),

jsou tedy dány skluzem s, kmitočtem napájecího napětí f_1, a počet pólpárů p. Regulovat otáčky tedy můžeme změnou kterékoliv z těchto veličin.

  • Regulace změnou skluzu – změníme-li výkon, který se spotřebovává v rotoru, změní se i skluz. Lze použít pouze pro motor s kroužkovou kotvou.
    • Pomocí regulačního odporu – zařazením odporu do obvodu rotoru se část skluzového výkonu přemění na teplo. Je to nehospodárný způsob změny skluzu.
    • Podsynchronní kaskádou – část skluzového výkonu se vrací zpět do sítě, jde tedy o hospodárnější způsob snížení skluzu. Kmitočet rotorových proudů je odlišný od kmitočtu sítě, před navrácením výkonu do sítě se tedy musí použít měnič kmitočtu.
  • Regulace změnou kmitočtu – používá se u motorů s kotvou nakrátko. Připojením měniče kmitočtu můžeme řídit napětí a tím i vytvářené magnetické pole statoru.
    • Skalární řízení – lze nastavovat velikost magnetického toku. V podstatě reguluje napětí a kmitočet v poměru U/f =konstanta. Používá se u motorů s nízkými nároky na dynamické vlastnosti (čerpadla,ventilátory). Skalární řízení je nepoužitelné pro regulaci stroje v oblasti nulových otáček. Skalárním řízením lze docílit nadsynchronní rychlosti otáčení.
    • Vektorové řízení – kromě velikosti magnetického toku lze nastavovat i jeho směr a tím můžeme docílit plynulou změnu otáček při jakémkoliv režimu práce a zatížení. Jde o dokonalejší způsob řízení otáček a lze jím docílit i otáček nadsynchronních. Vektorové řízení umožňuje generovat moment i v oblasti nulových otáček. Starší implementace vektorového řízení vyžadovaly čidlo otáček, dnes se již používají metody pro bezsenzorovou identifikaci stavu stroje.
    • Přímé řízení momentu (DTC) - jde rovněž o pokročilou metodu řízení, která však nezajistí plnou dynamiku při nízkých nebo nulových otáčkách. Výhodou DTC je, že řídicí algoritmus je jednoduchý přímo generuje stav sepnutí tranzistorů a nevyžaduje čidlo otáček nebo náročnou identifikaci stavu stroje.
  • Regulace změnou počtu pólů – lze dosáhnout pouze skokové změny otáček, protože počet pólových dvojic musí být celé číslo.
  • Regulace změnou napětí – je založena na změně tvaru momentové charakteristiky se změnou napětí s následným posunutím pracovního bodu.

Brzdění[editovat | editovat zdroj]

Při prostém odpojení ze sítě je v motoru (a případně v dalších zařízeních poháněných motorem (například vlak)) akumulována velká kinetická energie, která působí dlouhý doběh motoru. Brzdný moment, potřebný k rychlejšímu zastavení motoru, lze vytvořit jak mechanicky, tak i elektronicky.

  • Brzdění protiproudem – změnou smyslu otáčení magnetického pole statoru se vytváří brzdný moment, působící proti směru otáčení rotoru. Skokovým přepnutím smyslu otáčení motoru vznikne skluz o velikosti blížící se dvojnásobnému skluzu při rozběhu motoru. Přepnutím dochází ke zvýšenému mechanickému namáhání izolace vinutí statoru. Vinutím statoru i rotoru tečou značné proudy (větší než zapínací). Tím dochází k proudovému přetížení motoru. Kinetická energie je přeměňována především na teplo v rotoru, čímž se motor značně ohřívá a způsobuje, zvýšené tepelné namáhání izolace vinutí statoru. Při častějším brzdění proudem je nutno zajistit intenzivní chlazení motoru. Před dosažení nulových otáček je nutno motor odpojit, aby se nezačal otáčet opačným směrem. Brzdění protiproudem je energeticky nehospodárné a je požíváno pro výkony do cca 10 kW.
  • Brzdění generátorické – (viz Elektrodynamická brzda) nastává při práci motoru jako generátoru, tedy když n>n_1 lze jej použít pro zastavení motoru, pouze pokud je možné měnit frekvenci otáčení magnetického pole frekvenčním měničem. Vyrobenou energii je možno vracet do sítě nebo do akumulátoru energie, jedná se o nejhospodárnější způsob brzdění asynchronního motoru (tzv. Rekuperace). Tento způsob používají například moderní lokomotivy, tramvaje a trolejbusy. Pokud frekvenční měnič nevrací vyrobenou elektřinu zpátky do sítě, musí být zmařena na teplo. Nejčastěji je mařena v tzv. "brzdném odporu", u hybridního vozidla může být ukládána do baterií. Maření energie v rezistoru používají starší lokomotivy, tramvaje a trolejbusy. U obou těchto způsobů je výhodné, že se vyrobená energie odvede mimo motor, který se díky tomu zbytečně nepřehřívá. Pomocí tohoto způsobu lze zastavit motor až do nulových otáček, udržovat konstantní brzdící moment a podobně.
  • Dynamické brzdění – (Stejnosměrná brzda) statorové vinutí se odpojí od sítě a připojí se na zdroj stejnosměrného napětí. Magnetické pole statoru je nepohyblivé. Rotor se otáčí v magnetickém poli, indukuje se vněm napětí a prochází proud. Tím spřažené magnetické pole vytváří brzdný moment. Velikost brzdného momentu je možno regulovat velikostí stejnosměrného proudu pouze v omezeném rozsahu. Tento způsob je účinný při vyšších otáčkách. Při otáčkách blízkých nule musí být motor dobrzděn mechanicky. Tento způsob brzdění je jednoduchý a spolehlivý. Většina teplné enrgie vytvořené brzděním zůstává v rotoru motoru, který se tím ohřívá. Množství tepla je mnohem menší než při brzdění protiproudem.

Jednofázový asynchronní motor[editovat | editovat zdroj]

Konstrukce[editovat | editovat zdroj]

  • 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 kapacitorem 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[editovat | editovat zdroj]

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 kruhov, nebo alespoň eliptické magnetické pole. Toho se dociluje zapojením kapacitoru do pomocného vinutí, nebo zhotovením pomocného vinutí z odporového materálu - 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 velikostia rachlosti otáčení. Připojený kapacitor zlepší elkový účiník sroje.[zdroj?] Pro poho gramofonů, magnetofonů, ventilátorů a pod. jsou používány jednofázové asynchronní motorky v provedení s pomocnými póly, kde pomocné vinutí je tvořeno závitem nakrátko na části statoru.

Použití[editovat | editovat zdroj]

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, vysoušečeh vlasů jsou stále aplikovány komutátorové motory, které mají předevší 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.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons Obrázky, zvuky či videa k tématu Asynchronní motor ve Wikimedia Commons

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • Tkotz Klaus; Příručka pro elektrotechnika; Sobotáles 2006; ISBN 80-86706-13-3
  • Bastian Peter; Praktická elektrotechnika; Sobotáles 2004; ISBN 80-86706-07-9
  • Mravec Rudolf; Elektrické stroje a přístroje, 1. Elektrické stroje; SNTL 1982

Reference[editovat | editovat zdroj]

Jak se co dělá – elektromotory

Související články[editovat | editovat zdroj]

motory
ostatní