Pohonnatechnika.cz

 

Domů / ŠKOLA / Škola - Motory

Princip - asynchronní motor

 

Asynchronní indukční motor (AM) je nejběžnější v průmyslu a je prakticky bezúdržbový. Jeho mechanická konstrukce je standardizována, takže je vždy poblíž vhodný dodavatel. Existuje mnoho různých typů motorů, ale všechny fungují na  stejném základním principu. Asynchronní motor je skutečný tahoun ve veškerém průmyslu.

AM má dvě hlavní složky - stator (stacionární motor část) a rotor (rotační část).


 




Stator je pevně integrován do stacionární motorové části. Skládá se z tělesa pláště (1), ložiska (2), v němž je uložen rotor (9), (3), ložiskový štít pro uložení ložisek, ventilátor (4) pro chlazení motoru a krytu ventilátoru (5) proti náhodnému kontaktu s rotujícím ventilátorem. Pa straně statoru má motor spojovací skříňku (6) pro připojení  kabelů.

Uvnitř statoru je železný (7) z tenkých plechů z kovu o tloušťce 0,3 až 0,5 mm. V železných plechách  jsou k dispozici dělené drážky, do kterých jsou umístěny tři fáze vinutí.

Fázové vinutí statoru generuje magnetické pole.Počet párů pólů určuje rychlost, s jakou se otáčí magnetické pole. Když je motor připojen k nominální frekvenci, nazývá se rychlost magnetického pole synchronní rychlostí (N0). Pro napájecí síť 50 Hz platí :

počet párů pólů (p) 1 2 3 4 5
počet pólů 2 4 6 8 12
n0 RPM 3000 1500 1000 750 500



Magnetické pole

Magnetické pole rotuje ve vzduchové štěrbině mezi statorem a rotorem. Pokud se vinutí motoru připojí k jedné fázi vzniká magnetické pole.


Poloha magnetického pole statoru je pevná, ale směr pole se mění. Rychlost kterou se mění směr určuje frekvence síťového napětí. Pokud je síťová frekvence 50 Hz, změní se směr pole 50 krát za sekundu.

Jsou-li
dvě fáze vinutí jsou připojeny současně na příslušné fáze jsou dvě magnetická pole indukována ve statoru jádra. Ve 2-pólovém motoru je poloha pole rotoru posunuta 120 ° vůči sobě. Maximální hodnoty pole jsou také posunuty vzájemně. To vede k vytvoření výsledného magnetického pole, které se otáčí ve statoru.Pole, ale je silně asymetrický a je plně symetrické pouze tehdy, když je připojena i třetí fáze.

Když se připojí třetí fáze, vzniknou tři magnetická pole ve statoru. Pole jsou vzájemně časově posunuta o 120°


Stator je nzní třífazově připojen k síti a jeho vinutí spolupracují, že vzniká symetrické a rotující magnetické pole. Amplituda rotujícího pole je stálá a je rovná 1,5ti násobku amplitudy jednotlivźch polí, ze kterých vzniklo. Rychlost rotace je

n0 = (f x 60) / p RPM

f = frekvence sítě

n0 = synkronní rychlost
p = počet pólů

Rotační rychlost neboli počet otáček závisí na počtu pólů (párů pólů) a frekvenci připojeného napětí - sítě. Následující obrázek ukazuje sílu pole Φ v třech časech během jedné otáčky.


Když si představíme rotující magnetické pole jako vektor rotující s odpovídající úhlovou rychlostí, vytvoří se kružnice. Pokud se pohyb vektory rozvine v čase, vznikne sinusovka.

Rotor




Rotor je namontován na ose motoru. Rotor je, stejně jako stator, vyroben z tenkých železných plechů ve kterých jsou otvory. Rotor je budˇ typu se sběraćími kroužky nebo kotvou na kratko.

Rotor se sběracími kroužky ma stejně jako stator vinuté cívky vložené do drážek. Cívky jsou pro každou fázi a jsou připojeny ke sberacím kroužkům. Pokud se kroužky zkratují funguje rotor jako tzv. "s kotvou na krátko" nebo klecový rotor.

Zkratovaný rotor má aluminiové tyče yalité do drážek. Na obou koncích jsou tyče zkratovány aluminiovým mezikružím.

Tento druh rotoru je zcela tím nejobvyklejším. Jelikož oba rotory pracují na stejném principu, budeme se dále zabývat pouze kotvou nakratko.


Když umístíme tyč rotoru v rotujícím magetickém poli a tato míji pól, vznikne na ní napětí a protéká proud Iw (pokud je tyč částí uzavřené smyčky) a na tyč působí síla F.

Síla je úměrná  hustotě mag. pole B, indukovanému proudu Iw,  délce rotoru l a úhlu q pod kterým mag. pole na tyč působí.

F = B x Iw x l x sin(q)

pokud q = 90° pak platí

F = B x Iw x l


Další pól, který míjí tyč má opačnou polaritu. Indukuje tedy opačný směr proudu než ten první. Protože ale obojí yměnilo směr - jak proud, tak mag. pole, je výsledná síla stejného směru jako dříve. Pokud celý rotor umístíme do rotujícího mag. pole, bude toto působit na tyče rotoru a ten se začne otáčet. Otáčky rotoru budou o něco nižší než otáčky mag. pole, protože při rovnosti otáček se neindukuje žádný proud do rotoru.


indukovaný proud v tyčích rotoru


Skluz, moment a otáčky

Za normálního provozu jsou otáčky rotoru nn o něco nižší než otáčky mag. pole ve statoru n0.

n0 = (f x 60) / p            p = počet párů pólů

Skluz "s" je rozdíl mezi otáčkami pole a rotoru.

s = n0 - nn

Skluz se často udává v procentech synchronních otáček a hodnota bývá 4 až 11 procent.

s = [(n0 - nn)  /  n0] x 100  [%]

Hustota mag. pole "B" se definuje jako mag. tok Φ na jednotku plochy "A".  Z toho plyne síla

F = Φ x Iw x l

F ≈ Φ x Iw

Síla, která působí na tyč v mag.poli statoru je úměrná procházejícímu proudu a magnetickému toku Φ. Mag. pole indukuje napětí, tím vzniká proud ve zkratovanćh tyčích. Celková síla ve všech tyčích pak vytváří na hřídeli točivý moment T.


Moment na hřídeli je roven součtu sil všechny tyče krát rameno, na které sila působí

Souvislost mezi točivźm momentem a a otáčkami je charakteristická a může se o něco měnit v závislosti na na provedení drážek v rotoru. Moment na obvodu kola s poloměrem r ,namontovaného na hřídeli je  T = F x r.

Práce W, kterou motor vykoná je  W = F x d

kde  d = n x 2 x p x r,    n = počet otáček je ta dráha, kterou motor vykoná při dané zátěži.

Práci je možno vyjádřit i jako výkon během doby, kdy vźkon působí  : W = P x t.

Moment :

T = F x r = (W / d) x r= (P x t x r) / (n x 2Π x r)

T= (P x 9550) / n (t = 60s)

Vzorec ukazuje souvislost mezi "n"  [ot/min], točivým momentem  T [Nm]  a výkon motoru P [kW]).

Tak lze snadno porovnat  n, T a P s okamžitými hodnotami (nr , Tr och Pr) v daném okamžiku pohonu. Pracovní bod je obecně nominální pracovní bod motoru a vzorec je možné přepsat takto :

Tr=    Pr  / nr  nebo  Pr =  Tr x  nr

kde :  Tr = T / Tn Pr = P / Pn    a     nr= n / nn

V tomto proporcionálnim výpočtu zmizí konstanta  9550


 

Příklad :

Zátěž = 15% nominální hodnoty, otáčky = 50% nominální hodnoty. Tento výkon je 7,5% nominálního výkonu motoru, protože  Pr = 0,15 x 0,50 = 0,075.

Mimo nominální oblasti provozu motoru jsou dvě brzdné oblasti:

V oblasti n / n0 > 1 otáčí zátěž motorem nad synchronními otáčkami. Motorn funguje jako generátor a dává proti-moment a dodává energii do sítě.

V oblasti    n / n0 < 1 se brzdění nazývá protiproudové brzdění.

Kdzž náhle prohodíte dvě fáze, změní pole svůj směr.  Okamžitě po prohození fází bude platit      n / n0 = 1

Motorn, který byl dříve zatížen momentem T, bude teď vytvářet brzdný moment. Pokud se proud k motoru nepřeruší když n = 0,  bude motor zrychlovat v opačném směru otáček.

V oblasti 0 < n/n0 < 1,  je motor poháněn ve své obvyklé pracovní oblasti.

Pracovní oblast motoru lze rozdělit na dvě oblasti:

Oblast zrychlování 0 < [n/n0] < [nk/n0]  oblast pohonná  [nk/n0] < [n/n0] < 1

V pracovní oblasti motoru je několik důležitých bodů:

Det finns några viktiga punkter i motorns arbetsområde:

Ts - startovní momemt - moment, který vznikne na hřídeli motoru, když motor stojí a připojí se k němu štítkové napětí.

Tk  kipp - moment. největší moment, kterź na hřídeli motoru lze vyvinout, když je motor připojen na štítkové napětí.

Tn Nominální moment. Nominální hodnoty jsou takové, pro které je motor konstruován mechanicky a elektricky dle normy IEC 34. Hodnoty jsou uvedeny na štítku motoru. Udávají optimální bod provozu motoru.


Účiník a ztráty

Motor odebírá energii ze sítě. Při konstantním zatížení odebírá větší energii než kolik se jí objeví na hřídeli motoru.  To je díky ztrátám v motoru.  Poměr mezi odevzdanou energií a energií přijatou ze síte se nazývá účinník η.

η = P2 / P1 =  (odevzdaný výkon na hřídeli / výkon přijatý ze sítě)

Účinník leží typicky mezi 0,7 a 0,9 v závislosti na velikosti motoru a počtu pólů.

 

 Ztráty v motoru

 

Čtzři největší ztráty v motoru jsou :

Ztráty v mědi - ohmický odpor ve vinutích statoru a rotoru.

Ztráty v železe, hysterezní ztráty a ztráty vlivem vířivých proudů. Hysterezní ztráty vznikají při přemagnetizování železa.  Obojí - přemagnetizování a odmagnetizování potřebuje energii. Potřeba energie stoupá s frekvencí a magnetickou indukcí. 

Ztráty vířivými proudy vznikají když mag. pole indukuje el. napětí v železném jádře - přesně jako v jakémkoli jiném vodiči. Tyto prody procházejí v drahách kolmých na mag. pole. Pokud se železné jádro rozdělí na vzájemně


Ztráty vlivem ventilátoru plynou z odporu vzduchu při chlazení motoru.

Ztráty třením vznikají v ložiskách, kde je rotor uložen. Když se určuje účinnost motoru odečtou se ztráty od přijatého výkonu.Příkon může být přesně změřen a ztráty lze vypočítat nebo určit experimentálně.

Chybná magnetizace

Motor je konstruován pro pevné napětí a frekvenci a magnetizace závisí na poměru napětí a frekvence.

  Když poměr napětí / frekvence stoupá, motor je přemagnetizován a pokud klesne je motoru podmagnetiyován.Motor  Podmagnetzovaný motor má oslabené magnetické pole a točivý moment motoru se sníží. To může způsobit že motor se neroztočí nebo se může zastavit. Motor může prodloužit svůj čas potřebný ke staru ažse motor přetíží.

Přemagnetizovaný motor se přetíží při běžném provozu.Výkon odebíraný pro extra magnetizaci je přeměněn na teplo v motoru a může v nejhorším případě poškodit izolaci.Třífázový motor je velmi robustní a problém s přemagnetiyováním může nastat pouze při při trvalém provozu.

Chod motoru ukazuje na magnetizační poměry v motoru. Nevhodné poměry se projevují klesajícími otáčkami při změnách zátěže, nestabilní nebo trhavý chod atd.



Ekvivalentní schéma

V zásadě platí, indukční motor ze šesti cívek. Tři cívky motoru a zkrat rotorů, které magneticky chová, jako by se skládal ze tří role. Tím, že studuje soubor těchto cívek, jeden může postavit schéma, které umožňuje pochopit, jak motor funguje.

 

layout statorového a rotorového vinutí

 

 Náhradní - ekvivalentní schéma AM

 

Proud ve vinutí statoru není omezen jen ohmickým odporem. Vzhledem k tomu, že vinutí jsou připojena na střídavé napětí se objeví také střídavý odpor cívky vinutí. Tento odpor se nazývá reaktance (XL = 2 x x f x L), měřená v ohmech [Ω].

f je frekvence a 2 x ∏ x f je úhlová frekvence ω v [1 / s].

L je indukčnost cívky a měří se v Henry [H]. Reaktance nevede k energetickým ztrátám, ale proto, že je závislá na frekvenci, bude omezí proud cívkou.

Cívky se navzájem ovlivňují prostřednictvím magnetické indukce B. Vinutí - cívka rotoru vyvolává další proud v cívce statoru a cívky statoru bude dělat totéž ve vinutí rotoru pólu. Tato interakce znamená, že dva elektrické obvody mohou být propojeny pomocí společného propojení.Společné pojítko se skládá ze dvou částí, RFe a Xh tzv. příčný odpor a příčná reaktance. Prochází jimi proud pro magnetizaci statoru a rotoru.Pokles napětí na těchto prvcích se nazývá budící (magnetizační) napětí.

Poměry v motoru při provozu


V příkladech uvedených dosud nebyl motor zatížen. Když motor pracuje v normálním pracovním rozsahu, otáčky rotoru jsou nižší než točivého mag. pole ve statoru. Induktance rotoru klesá s poměrem "S" (skluz).

V ekvivalentschematu lze toto popsal jako zvýšení rotorového odporu R2 koeficientem 1 / s.

R2 /s lze přepsat jakoR2 + R2 x (1-s)/s   kde   R2 x (1-s)/s je výrazem mechanického zatížení motoru.

R2 och X2 představují rotor. R2 je příčinou tepelnych ztrát a vznikajících v rotoru při zatížení motoru.

Náhradní schéma pro zatížený motor


V nezatíženém motoru je skluz téměř nulový. To znamená, že hodnota R2 x (1-s)/s  je velká.


Výroba motorů




 
 

Copyright © Pohonnatechnika.cz 2007-2017. All rights reserved