Asynchronní elektromotor s fázovým rotorem – Zařízení, princip činnosti

Asynchronní motor s vinutým rotorem je jedním z nejoblíbenějších zařízení pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii. Zařízení pracuje na principu elektromagnetické indukce. Hlavní součásti indukčního motoru jsou rotor (rotační prvek) a stator (stacionární prvek).

Konstrukce a princip činnosti

Fázový rotor asynchronního motoru má konstrukci podobnou statoru. Je založen na deskách vyrobených z elektrostatické oceli a upevněných na hřídeli. Konstrukce obsahuje podélné drážky. V nich jsou položeny závity cívek vinutí. Počet fází rotoru a statoru je stejný. Vinutí rotoru je připojeno k obvodu na hřídeli pomocí tří sběracích kroužků z mosazi nebo oceli. Kroužky se montují na hřídel s povinnou izolací. Konce vinutí rotoru jsou v kontaktu s vodivými kov-grafitovými kartáči, které zasahují do skříně skříně. Tato konstrukce poskytuje možnost připojit externí přídavný odpor. Kartáče jsou upevněny na speciálním kartáčovém držáku, vyrobeném a přitlačovaném ke sběracím kroužkům pružinami.

Vzhledem k povaze střídavého proudu se směr magnetického pole mění s určitou periodicitou. Indukovaný rotorový proud zase vytváří své vlastní magnetické pole. Rotorová a statorová pole se vzájemně ovlivňují a uvádějí mechanismus do pohybu.

Tento princip je základem činnosti všech asynchronních motorů. Stator generuje magnetické pole, které působením elektromagnetické indukce nutí rotor se otáčet. Modely s vinutým rotorem mají izolované vinutí statoru. Proud z kroužků se odstraňuje speciálními kartáči. Jádra rotoru a statoru jsou vyrobena z lisovaných elektroocelových plechů. Listy jsou izolované a vzájemně se nedotýkají. Navíc jsou lakované, aby se minimalizovaly vířivé proudy.

Ihned po spuštění IM motor zrychlí rotor na jmenovité hodnoty, přičemž překoná odpor přenášený na pracovní hřídel. Každý start motoru je doprovázen výrazným uvolňováním tepla, proto, aby bylo zařízení chráněno před přehřátím, jsou nastavena omezení na počet startů a dobu nepřetržitého provozu motoru.

Schéma zapojení

V závislosti na síťovém napětí mohou být fáze vinutí zapojeny do „trojúhelníku“ nebo „hvězdy“. U dvoupólových elektromotorů jsou pólové osy magnetických polí statoru a rotoru vůči sobě posunuty o 120°. Díky tomu se elektrický vodič pohybuje v měnícím se magnetickém poli a indukuje se v něm elektrické napětí (EMF). Pokud je tento vodič uzavřen, protéká jím proud a vytváří magnetické pole.

Stator je vnější stacionární část motoru. Při průchodu střídavého proudu jeho cívkami se magnetické pole začne pohybovat určitou rychlostí, které se říká synchronní. Magnetické pole rotoru má tendenci sledovat pole statoru s určitým posunem. Rotor nikdy neodpovídá synchronní rychlosti statoru. Pokud by k tomu došlo, pak by nedocházelo k relativnímu pohybu mezi dvěma součástmi motoru, a tudíž by se v rotoru nesnižovalo žádné napětí. Rozdíl v rychlosti je indikátorem prokluzu.

Rozsah použití asynchronního motoru s vinutým rotorem

IM tohoto typu se vyznačují vysokým točivým momentem při nízkých rozběhových proudech. Díky tomu mohou pracovat dlouhodobě stabilně i při zvýšené zátěži a výborně se hodí pro rozjezdy se zátěží na hřídeli. Takové motory se používají v podmínkách, kde je prioritou vysoký výkon a není potřeba plynulé nastavení rychlosti otáčení v širokém rozsahu.

Vzhledem k jejich vysokému výkonu jsou vinuté rotorové IM obvykle instalovány v těžkých energetických zařízeních:

• zdvihací mechanismy, včetně jeřábů;
• pohony výtahů,
• průmyslové stroje,
• kompresory;
• fanoušků.

Vysoká konstrukční pevnost, provozní účinnost a relativně jednoduchá obsluha je činí obzvláště oblíbenými ve výrobě.

Klady a zápory asynchronního motoru s vinutým rotorem

Takové IM mají oproti podobným zařízením řadu významných výhod:

• vysoký startovací moment,
• stabilní rychlost otáčení při vysokém zatížení,
• nižší startovací proud,
• možnost automatického startu,
• schopnost pracovat pod přetížením po dlouhou dobu.

Současně nejsou IM s navinutým rotorem bez nevýhod:

• citlivost na napěťové rázy,
• velké rozměry,
• poměrně vysoká cena,
• poměrně složitý design díky přítomnosti obvodu rotoru s přídavným odporem,
• snížený účiník a účinnost ve srovnání s motory s kotvou nakrátko.

Je třeba vzít v úvahu, že ovládací panel v kolektorových elektrických zařízeních je považován za jednu z nejméně spolehlivých součástí. Kluzné kontakty se v důsledku intenzivního tření rychle stanou nepoužitelnými. Proto jsou kartáče v průmyslových motorech spotřebním materiálem.

Obecně platí, že ačkoli IM s vinutým rotorem jsou složitější než ty s rotorem s klecí nakrátko, jejich startovací charakteristiky jsou mnohem vyšší a poskytují větší rozsah nastavení provozního momentu na hřídeli. Při správném výběru se jejich účinnost může blížit modelům s rotorem nakrátko.

Asynchronní motor díky své funkčnosti způsobil revoluci v průmyslovém světě. Jeho schopnost efektivně přeměňovat elektrickou energii na mechanickou z něj udělala nepostradatelný nástroj téměř v každém odvětví. Přestože existuje mnoho typů elektromotorů, indukční motory uvedené v našem katalogu zůstávají preferovanou volbou kvůli jejich všestrannosti, účinnosti a odolnosti. Nabízíme produkty předních výrobců se záručním a pozáručním servisem výrobce.

V současné době tvoří asynchronní motory nejméně 80 % všech elektromotorů vyráběných v průmyslu. Patří mezi ně třífázové asynchronní motory.

Třífázové asynchronní elektromotory jsou široce používány v automatizačních a telemechanických zařízeních, domácích a lékařských zařízeních, zařízeních pro záznam zvuku atd.

Výhody asynchronních elektromotorů

Široká distribuce třífázových asynchronních motorů se vysvětluje jednoduchostí jejich konstrukce, provozní spolehlivostí, dobrými výkonnostními vlastnostmi, nízkou cenou a snadnou údržbou.

Konstrukce asynchronních elektromotorů s vinutým rotorem

Hlavní části každého asynchronního motoru jsou stacionární část – stator a rotační část, nazývaná rotor.

Stator třífázového asynchronního motoru se skládá z vrstveného magnetického jádra zalisovaného do litého rámu. Na vnitřním povrchu magnetického jádra jsou drážky pro uložení vodičů vinutí. Tyto vodiče jsou stranami víceotáčkových měkkých cívek, které tvoří tři fáze vinutí statoru. Geometrické osy cívek jsou posunuty v prostoru vůči sobě navzájem o 120 stupňů.

Fáze vinutí mohou být zapojeny do hvězdy nebo trojúhelníku v závislosti na síťovém napětí. Pokud je například v datovém listu motoru uvedena napětí 220/380 V, pak při síťovém napětí 380 V jsou fáze zapojeny do hvězdy. Pokud je síťové napětí 220 V, pak jsou vinutí zapojena do „trojúhelníku“. V obou případech je fázové napětí motoru 220 V.

Rotor třífázového asynchronního motoru je válec vyrobený z lisovaných plechů elektrooceli a uložený na hřídeli. Podle typu vinutí se rotory třífázových asynchronních motorů dělí na klecové a fázové.

U asynchronních elektromotorů s vyšším výkonem a speciálních strojů s nízkým výkonem se pro zlepšení startovacích a regulačních vlastností používají fázově vinuté rotory. V těchto případech je na rotoru umístěno třífázové vinutí s geometrickými osami fázových cívek (1), posunutými v prostoru vůči sobě o 120 stupňů.

Fáze vinutí jsou spojeny hvězdou a jejich konce jsou spojeny se třemi sběracími kroužky (3), namontovanými na hřídeli (2) a elektricky izolovanými jak od hřídele, tak i od sebe navzájem. Pomocí kartáčů (4), které jsou v kluzném kontaktu s kroužky (3), je možné zařadit do obvodů fázových vinutí seřizovací reostaty (5).

Asynchronní motor s vinutým rotorem má lepší startovací a regulační vlastnosti, ale vyznačuje se větší hmotností, velikostí a cenou než asynchronní motor s rotorem nakrátko.

Princip činnosti asynchronních elektromotorů

Princip činnosti asynchronního stroje je založen na využití točivého magnetického pole. Při připojení třífázového statorového vinutí do sítě vzniká rotující magnetické pole, jehož úhlová rychlost je určena frekvencí sítě f a počtem pólových párů vinutí p, tj. ω1=2πf/p

Křížením vodičů vinutí statoru a rotoru toto pole indukuje EMF ve vinutích (podle zákona elektromagnetické indukce). Když je vinutí rotoru uzavřeno, jeho EMF indukuje proud v obvodu rotoru. V důsledku interakce proudu s výsledným magnetickým polem vzniká elektromagnetický moment. Pokud tento moment překročí moment odporu na hřídeli motoru, hřídel se začne otáčet a pohánět pracovní mechanismus. Obvykle se úhlová rychlost rotoru ω2 nerovná úhlové rychlosti magnetického pole ω1, nazývané synchronní. Proto je název motoru asynchronní, tedy nesynchronní.

Provoz asynchronního stroje je charakterizován skluzem s, což je relativní rozdíl mezi úhlovými rychlostmi pole ω1 a rotoru ω2: s=(ω1-ω2)/ω1

Hodnota a znaménko skluzu v závislosti na úhlové rychlosti rotoru vůči magnetickému poli určují pracovní režim asynchronního stroje. V ideálním klidovém režimu se tedy rotor a magnetické pole točí se stejnou frekvencí ve stejném směru, skluz s = 0, rotor je stacionární vůči točivému magnetickému poli, EMF v jeho vinutí se neindukuje, proud rotoru a elektromagnetický moment stroje jsou nulové. Při startu je rotor v prvním časovém okamžiku nehybný: ω2=0, s=1. Obecně se skluz v režimu motoru mění od s=1 při spuštění do s=0 v ideálním klidovém režimu.

Když se rotor otáčí rychlostí ω2>ω1 ve směru otáčení magnetického pole, skluz se stává záporným. Stroj přejde do režimu generátoru a vyvine brzdný moment. Když se rotor otáčí v opačném směru, než je směr otáčení magnetického pole (s>1), asynchronní stroj přejde do protispínacího režimu a také vyvine brzdný moment. V závislosti na skluzu se tedy rozlišují režimy motoru (s=1÷0), generátoru (s=0÷-∞) a režimu protispínání (s=1÷+∞). K brzdění asynchronních motorů se používají režimy generátor a back-off.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře