Výhody a nevýhody asynchronního motoru | Technický pohon

Nejúčinnějším zařízením, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou, je asynchronní motor, vynalezený inženýrem Dolivo-Dobrovolským na konci 19. století. S ohledem na rostoucí zájem současníků o vývoj a montáž obráběcích strojů, samojízd a dalších mechanismů se pokusíme vysvětlit, jak funguje asynchronní elektromotor, abyste pochopili princip jeho činnosti a efektivně jej používali.

Zařízení asynchronního motoru

Jeho design obsahuje následující prvky:

• Válcový stator, sestavené z ocelových plechů. Jádro statoru má štěrbiny, ve kterých jsou umístěna vinutí. Jejich osy jsou vůči sobě posunuty o 120 stupňů.
• Rotor (zkrat nebo fáze). První možností je jádro s hliníkovými tyčemi zkratovanými koncovými kroužky (klec na veverku). Druhou variantu tvoří třífázové vinutí, nejčastěji zapojené do hvězdy.
• Konstrukční detaily – hřídel, ložiska, tlapky, ložiskové štíty, oběžné kolo a skříň ventilátoru, svorkovnice – zajišťující otáčení, chlazení a ochranu mechanismu.

Schéma asynchronního motoru s uvedením jeho detailů lze snadno najít na internetu nebo v manuálech.

Princip činnosti asynchronního motoru

Princip činnosti asynchronního elektromotoru je naznačen již v jeho názvu (nesynchronní). To znamená, že stator a rotor, když jsou zapnuté, vytvářejí magnetická pole rotující na různých frekvencích. V tomto případě je frekvence otáčení magnetického pole rotoru vždy menší než frekvence otáčení magnetického pole statoru.

Chcete-li si tento proces jasněji představit, vezměte permanentní magnet a roztočte jej kolem své osy poblíž měděného disku. Disk se s mírným zpožděním začne otáčet po magnetu. Faktem je, že když se magnet otáčí ve struktuře disku, jsou excitovány Foucaultovy proudy (indukční proudy), pohybující se v uzavřeném kruhu. V podstatě jsou to zkratové proudy, které zahřívají kov. V disku se „vynoří“ jeho vlastní magnetické pole, které následně interaguje s polem magnetu.

Asynchronní motor využívá vinutí statoru k vytvoření točivého pole. Jimi tvořený magnetický tok vytváří EMF ve vodičích rotoru. Při interakci magnetického pole statoru s indukovaným proudem ve vinutí rotoru vzniká elektromagnetická síla, která způsobuje otáčení hřídele motoru.

Postup krok za krokem je následující:

1. Při nastartování motoru se magnetické pole statoru protíná s obvodem rotoru a indukuje elektromotorickou sílu.
2. Ve zkratovaném rotoru vzniká střídavý proud.
3. Dvě magnetická pole (stator a rotor) vytvářejí krouticí moment.
4. Spřádací rotor se snaží „dohnat“ pole statoru.
5. V okamžiku, kdy se frekvence otáčení magnetického pole statoru a rotoru shodují, elektromagnetické procesy v rotoru slábnou a točivý moment se stává nulovým.
6. Magnetické pole statoru vybudí obvod rotoru, který se v tomto okamžiku opět zpozdí.

To znamená, že rotor je vždy pomalejší než magnetické pole statoru, což zajišťuje asynchronii.

Vzhledem k tomu, že rotorový proud je indukován bezkontaktně, nejsou potřeba kluzné kontakty, díky čemuž jsou indukční motory spolehlivější a účinnější. Změnou směru proudu v jednom z vinutí (k tomu je třeba změnit fáze na svorkách), můžete „přinutit“ motor otáčet se jedním nebo druhým směrem.

Směr elektromagnetické síly lze snadno určit zapamatováním školního kurzu fyziky a pomocí „pravidla levé ruky“.

Frekvence rotace magnetického pole statoru je ovlivněna frekvencí napájecí sítě a počtem pólových párů. Protože počet pólových párů závisí na typu motoru a zůstává konstantní, pokud chcete změnit rychlost pole, musíte změnit napájecí frekvenci pomocí měniče.

Výhody asynchronních motorů

Vzhledem k tomu, že konstrukce a princip činnosti asynchronního elektromotoru jsou poměrně jednoduché, má mnoho výhod a je široce používán ve všech oblastech národního hospodářství a v každodenním životě. Motory tohoto typu se vyznačují:

• Spolehlivost a životnost. Absence kontaktu mezi pohyblivými a stacionárními částmi minimalizuje možnost opotřebení a poškození.
• Nízká cena. Jsou dostupné (ne nadarmo je 90 % všech motorů vyrobených na světě asynchronních).
• Snadné použití. K jejich použití není nutné mít speciální znalosti a dovednosti.
• Všestrannost. Mohou být instalovány na téměř jakékoli zařízení.

Vynález asynchronního elektromotoru byl významným přínosem pro rozvoj vědy, průmyslu a zemědělství. S ním se náš život stal pohodlnějším.

Naprostá většina elektromotorů používaných v průmyslu jsou asynchronní motory s kotvou nakrátko. V nové výbavě je jejich podíl více než 95 %, zbytek tvoří servomotory, krokové motory, kartáčované stejnosměrné motory a některé další specifické typy pohonů.

Výhody asynchronního motoru

Výstavba. Asynchronní motor má oproti jiným typům elektromotorů nejjednodušší konstrukci. Na jedné straně je to vysvětleno použitím standardního třífázového napájecího systému, na druhé straně principem činnosti jednotky. Tato funkce poskytuje další důležitou výhodu – nízkou cena asynchronní pohony. Mezi různými typy motorů stejného výkonu bude nejlevnější asynchronní.

Připojení. Vzhledem k tomu, že ve standardním třífázovém napájecím systému jsou fáze posunuty o 120°, nejsou nutné další prvky a transformace pro vytvoření točivého pole. Rotace pole uvnitř statoru a v důsledku toho rotace rotoru jsou určeny konstrukcí samotného asynchronního motoru. Stačí přivést napětí přes spínací zařízení (stykač nebo startér) a motor běží.

Vykořisťování. Provozní náklady asynchronního elektromotoru jsou extrémně nízké a údržba nepředstavuje žádné potíže. Jen je potřeba čas od času očistit od prachu a případně dotáhnout připojovací kontakty. Při správné instalaci a provozu motoru se ložiska vyměňují každých 15-20 let.

Nevýhody asynchronních motorů

Rychlost rotoru. Rychlost otáčení hřídele motoru závisí na frekvenci napájecí sítě (standardní hodnoty v průmyslu jsou 50 a 60 Hz) a na počtu pólů vinutí statoru.

To lze považovat za nevýhodu v případě, kdy je potřeba měnit rychlost otáčení za provozu. K vyřešení tohoto problému byly vyvinuty vícerychlostní asynchronní motory, které mají schopnost spínat vinutí.

V moderních zařízeních je navíc regulace otáček realizována pomocí frekvenčních měničů.

Uklouznutí. Kluzný efekt se projevuje tím, že otáčky rotoru budou vždy menší než otáčky pole uvnitř statoru. Toto je princip činnosti asynchronního motoru a odráží se v jeho názvu. Klouzání závisí také na mechanickém zatížení hřídele.

V případě potřeby lze pomocí frekvenčního měniče kompenzovat skluz a rychlost otáčení nezávisle na zatížení.

Hodnota napájecího napětí. Ve vlhkých a vlhkých místnostech, kde jsou zvýšené požadavky na elektrickou bezpečnost, nemusí být použití asynchronního elektromotoru možné. Takové motory se totiž kvůli konstrukčním vlastnostem prakticky nevyrábějí pro napájecí napětí menší než 220 V. V takových případech se používají stejnosměrné pohony, konstruované pro napětí 48 V a méně, nebo hydraulické či pneumatické pohony. Jsou používány.

Citlivost na napájecí napětí. Při odchylce napájecího napětí o více než 5% se mohou parametry motoru lišit od jmenovitých a může dojít k přehřátí samotné jednotky. Navíc při poklesu napětí klesá kroutící moment elektromotoru, který závisí kvadraticky na napětí.

Při použití frekvenčního měniče se rychlost otáčení mění změnou velikosti a frekvence napájecího napětí. Důležité je, že poměr napětí k frekvenci musí být konstantní.

Počáteční proud. Velký rozběhový proud je problémem u asynchronních motorů s výkonem nad 10 kW. Při spouštění může proud překročit jmenovitý proud 5-8krát a trvat několik sekund. Kvůli tomuto negativnímu efektu není vhodné připojovat přímo výkonné motory.

Nejčastěji se pro snížení rozběhového proudu používá obvod hvězda-trojúhelník, softstartéry a frekvenční měniče. Můžete použít i asynchronní motory s vinutým rotorem.

Startovací moment. V důsledku elektrických a mechanických přechodových jevů v okamžiku startování má motor extrémně nízkou účinnost a vysokou reaktivitu. Kvůli nízkému rozběhovému momentu se může stát, že pohon nezvládne rozběh těžkých strojů. Stejná nevýhoda vede k zahřívání motoru při startování. To vyvolává další problém – omezení počtu spuštění za jednotku času.

Při použití frekvenčního měniče lze zvýšit točivý moment při rozběhu a při nízkých frekvencích zvýšením napětí.

Výkon

Výhody asynchronních motorů výrazně převažují nad nevýhodami. Ve většině případů jsou nedostatky kompenzovány použitím frekvenčních měničů a jiných startovacích zařízení.