Zařízení a princip činnosti asynchronních elektromotorů

Elektrická autapřeměna elektrické energie ze střídavého proudu na mechanickou energii se nazývají střídavé elektromotory.

V průmyslu jsou nejrozšířenější asynchronní třífázové motory. Podívejme se na zařízení a princip fungování těchto motorů.

Princip činnosti indukčního motoru je založen na využití točivého magnetického pole.

Abychom porozuměli fungování takového motoru, provedeme následující experiment.

Budeme posilovat magnet podkovy na ose tak, aby se dala otáčet za rukojeť. Mezi póly magnetu umístíme podél osy měděný válec, který se může volně otáčet.

Obrázek 1. Nejjednodušší model pro získání rotačního magnetického pole

Začněme otáčet magnetem rukojeti ve směru hodinových ručiček. Pole magnetu se také začne otáčet a jak se otáčí, bude svými siločárami křížit měděný válec. Ve válci podle zákona elektromagnetické indukce, budu mít vířivé proudykteří si vytvoří vlastní magnetické pole — pole válce. Toto pole bude interagovat s magnetickým polem permanentního magnetu, což způsobí, že se válec bude otáčet ve stejném směru jako magnet.

Bylo zjištěno, že rychlost otáčení válce je o něco menší než rychlost otáčení magnetického pole.

Ve skutečnosti, pokud se válec otáčí stejnou rychlostí jako magnetické pole, pak ho magnetické siločáry nekříží a proto v něm nevznikají vířivé proudy způsobující otáčení válce.

Rychlost otáčení magnetického pole se obvykle nazývá synchronní, protože se rovná rychlosti otáčení magnetu a rychlost otáčení válce je asynchronní (asynchronní). Proto se samotný motor nazývá indukční motor... Rychlost otáčení válce (rotoru) se liší od synchronní rychlost otáčení magnetického pole s malým množstvím prokluzu.

Označuje rychlost rotace rotoru přes n1 a rychlost rotace pole přes n můžeme vypočítat procentuální skluz podle vzorce:

s = (n — n1) / n.

Ve výše uvedeném experimentu jsme získali rotující magnetické pole a rotaci válce jím způsobenou rotací permanentního magnetu, takže takové zařízení ještě není elektromotor… Mělo by být hotovo elektřina vytvořte rotující magnetické pole a použijte jej k otáčení rotoru. Tento problém ve své době bravurně vyřešil M. O. Dolivo-Dobrovolski. Pro tento účel navrhl použít třífázový proud.

Zařízení asynchronního elektromotoru M. O. Dolivo-Dobrovolski

Obrázek 2. Schéma asynchronního elektromotoru Dolivo-Dobrovolsky

Na pólech prstencového železného jádra, nazývaného stator motoru, jsou umístěny tři vinutí, sítě třífázového proudu 0 umístěné vzájemně vůči sobě pod úhlem 120 °.

Uvnitř jádra kovový válec, tzv. rotor elektromotoru.

Pokud jsou cívky propojeny, jak je znázorněno na obrázku, a připojeny k síti třífázového proudu, pak se celkový magnetický tok vytvořený třemi póly ukáže jako rotující.

Obrázek 3 ukazuje graf změn proudů ve vinutí motoru a proces vzniku rotujícího magnetického pole.

Podívejme se na tento proces podrobněji.

Obrázek 3. Získání rotujícího magnetického pole

V poloze «A» grafu je proud v první fázi nulový, ve druhé fázi je záporný a ve třetí je kladný. Proud protéká pólovými cívkami ve směru naznačeném šipkami na obrázku.

Když určíme podle pravidla pravé ruky směr magnetického toku vytvářeného proudem, zajistíme, že jižní pól (S) bude vytvořen na vnitřním konci pólu (směrem k rotoru) třetího vinutí a severní pól (C ) vznikne na pólu druhé cívky. Celkový magnetický tok bude směřovat od pólu druhé cívky přes rotor k pólu třetí cívky.

Na pozici «B» grafu je proud ve druhé fázi nulový, v první fázi kladný a ve třetí záporný. Proud procházející pólovými vinutími vytváří jižní pól (S) na konci prvního vinutí a severní pól (C) na konci třetího vinutí. Celkový magnetický tok bude nyní směrován od třetího pólu přes rotor k prvnímu pólu, to znamená, že se póly posunou o 120°.

Na pozici «B» grafu je proud ve třetí fázi nulový, ve druhé fázi kladný a v první fázi záporný.Nyní proud procházející první a druhou cívkou vytvoří severní pól (C) na pólovém konci první cívky a jižní pól (S) na pólovém konci druhé cívky, tzn. se polarita celkového magnetického pole posune o dalších 120°. V poloze «G» na grafu se magnetické pole posune o dalších 120°.

Celkový magnetický tok tedy bude měnit svůj směr se změnou směru proudu ve vinutích statoru (pólech).

V tomto případě po dobu jedné periody změny proudu v cívkách provede magnetický tok úplnou otáčku. Rotující magnetický tok s sebou bude táhnout válec a tím získáme asynchronní elektromotor.

Připomeňme, že na obrázku 3 jsou vinutí statoru zapojena do hvězdy, ale při zapojení do trojúhelníku vzniká rotující magnetické pole.

Pokud přehodíme vinutí druhé a třetí fáze, magnetický tok obrátí svůj směr otáčení.

Stejného výsledku lze dosáhnout bez změny vinutí statoru, ale nasměrováním proudu druhé fáze sítě do třetí fáze statoru a třetí fáze sítě do druhé fáze statoru.

Směr otáčení magnetického pole tedy můžete změnit přepnutím dvou fází.

Uvažovali jsme zařízení s indukčním motorem se třemi statorovými vinutími... V tomto případě je rotující magnetické pole bipolární a počet otáček za sekundu se rovná počtu period změny proudu za jednu sekundu.

Pokud je na stator po obvodu umístěno šest cívek, pak čtyřpólové točivé magnetické pole... S devíti cívkami bude pole šestipólové.

Při frekvenci třífázového proudu rovné 50 periodám za sekundu nebo 3000 za minutu bude počet otáček n točivého pole za minutu:

s bipolárním statorem n = (50 NS 60) / 1 = 3000 ot./min,

se čtyřpólovým statorem n = (50 NS 60) / 2 = 1500 otáček,

se šestipólovým statorem n = (50 NS 60) / 3 = 1000 otáček,

s počtem párů pólů statoru rovným p: n = (f NS 60) / p,

Stanovili jsme tedy rychlost rotace magnetického pole a její závislost na počtu vinutí statoru motoru.

Jak víme, rotor motoru se bude v rotaci trochu zpožďovat.

Zpoždění rotoru je však velmi malé. Například při volnoběhu motoru je rozdíl v otáčkách jen 3% a při zatížení 5-7%. Proto se otáčky indukčního motoru při změně zátěže mění ve velmi malých mezích, což je jedna z jeho výhod.

Zvažte nyní zařízení asynchronních elektromotorů

Demontovaný asynchronní elektromotor: a) stator; b) rotor s klecí nakrátko; c) rotor ve fázi provádění (1 — rám; 2 — jádro z lisovaných ocelových plechů; 3 — vinutí; 4 — hřídel; 5 — kluzné kroužky)

Stator moderního asynchronního elektromotoru má nevýrazné póly, to znamená, že vnitřní povrch statoru je zcela hladký.

Pro snížení ztrát vířivými proudy je jádro statoru vyrobeno z tenkých lisovaných ocelových plechů. Sestavené jádro statoru je upevněno v ocelovém plášti.

Cívka z měděného drátu je položena ve štěrbinách statoru Fázová vinutí statoru elektromotoru jsou spojena "hvězdou" nebo "trojúhelníkem", pro které jsou všechny začátky a konce vinutí přivedeny do tělo - do speciálního izolačního štítu. Takové statorové zařízení je velmi pohodlné, protože umožňuje zapnout jeho vinutí na různá standardní napětí.

Rotor indukčního motoru je stejně jako stator sestaven z lisovaných ocelových plechů. V drážkách rotoru je položena cívka.

Podle konstrukce rotoru se asynchronní elektromotory dělí na motory s rotorem nakrátko a motory s fázovým rotorem.

Vinutí rotoru nakrátko je vyrobeno z měděných tyčí vložených do drážek rotoru. Konce tyčí jsou spojeny měděným kroužkem. Tomu se říká válení v kleci pro veverky. Všimněte si, že měděné tyče v kanálech nejsou izolované.

U některých motorů je „klec na veverku“ nahrazena litým rotorem.

Motor s asynchronním rotorem (se sběracími kroužky) se obecně používá ve vysoce výkonných elektromotorech a v těchto případech; kdy je potřeba, aby elektromotor při rozjezdu vytvářel velkou sílu. Toho je dosaženo tím, že vinutí fázového motoru jsou připojena startovací reostat.

Indukční motory s veverkovou klecí se uvádějí do provozu dvěma způsoby:

1) Přímé připojení třífázového síťového napětí ke statoru motoru. Tato metoda je nejjednodušší a nejoblíbenější.

2) Snížení napětí aplikovaného na vinutí statoru. Napětí se sníží např. přepnutím vinutí statoru z hvězdy do trojúhelníku.

Motor se spustí, když jsou vinutí statoru zapojena do "hvězdy", a když rotor dosáhne normální rychlosti, vinutí statoru se přepne na zapojení "trojúhelník".

Proud v napájecích vodičích se při tomto způsobu spouštění motoru sníží 3x oproti proudu, který by nastal při spouštění motoru přímým připojením k síti s vinutími statoru spojenými «trojúhelníkem».Tato metoda je však vhodná pouze v případě, že je stator navržen pro normální provoz, když jsou jeho vinutí zapojena do trojúhelníku.

Nejjednodušší, nejlevnější a nejspolehlivější je asynchronní motor s kotvou nakrátko, ale tento motor má některé nevýhody — nízké startovací úsilí a vysoký startovací proud. Tyto nevýhody jsou do značné míry odstraněny použitím fázového rotoru, ale použití takového rotoru značně zvyšuje cenu motoru a vyžaduje spouštění reostatu.

Typy asynchronních motorů

Hlavním typem asynchronního stroje je třífázový asynchronní motor... Má tři statorová vinutí umístěná po 120° od sebe. Cívky jsou zapojeny do hvězdy nebo trojúhelníku a napájeny třífázovým střídavým proudem.

Nízkopříkonové motory jsou ve většině případů realizovány jako dvoufázové... Na rozdíl od třífázových motorů mají dvě statorová vinutí, jejichž proudy je nutné pod úhlem přesazovat, aby se vytvořilo točivé magnetické pole π/2.

Pokud jsou proudy ve vinutích stejné velikosti a posunuté ve fázi o 90 °, pak se provoz takového motoru nebude nijak lišit od provozu třífázového. Takové motory se dvěma statorovými vinutími jsou však ve většině případů napájeny jednofázovou sítí a posun blížící se 90° je vytvářen uměle, obvykle kvůli kondenzátorům.

Jednofázový motor pouze jedno vinutí statoru je prakticky neaktivní.Při nehybném rotoru vzniká v motoru pouze pulzující magnetické pole a točivý moment je nulový. Je pravda, že pokud se rotor takového stroje otáčí na určitou rychlost, pak může plnit funkce motoru.

V tomto případě sice bude pouze pulzující pole, ale skládá se ze dvou symetrických - vpřed a vzad, které vytvářejí nestejné kroutící momenty - větší motor a menší brzdění, vznikající vlivem rotorových proudů o zvýšené frekvenci (prokluz proti zpětnému synchronnímu pole je větší než 1).

V souvislosti s výše uvedeným jsou jednofázové motory dodávány s druhým vinutím, které se používá jako spouštěcí vinutí. Do obvodu této cívky jsou zařazeny kondenzátory pro vytvoření fázového posunu proudu, jehož kapacita může být značně velká (desítky mikrofaradů s výkonem motoru menším než 1 kW).

Řídicí systémy využívají dvoufázové motory, někdy nazývané výkonné... Mají dvě statorová vinutí posunutá v prostoru o 90°. Jedno z vinutí, nazývané polní vinutí, je přímo připojeno k síti 50 nebo 400 Hz. Druhá se používá jako řídicí cívka.

Pro vytvoření rotujícího magnetického pole a odpovídajícího točivého momentu musí být proud v řídicí cívce posunut o úhel blízký 90°. Regulace otáček motoru, jak bude ukázáno níže, se provádí změnou hodnoty nebo fáze proudu v této cívce. Opakem je změna fáze proudu v řídící cívce o 180° (přepnutí cívky).

Dvoufázové motory se vyrábí v několika verzích:

• s rotorem na veverku,

• s dutým nemagnetickým rotorem,

• s dutým magnetickým rotorem.

Lineární motory

Přeměna otáčivého pohybu motoru na translační pohyb orgánů pracovního stroje je vždy spojena s nutností použití jakýchkoliv mechanických celků: ozubených hřebenů, šroubu atd.pouze podmíněně — jako pohyblivý orgán).

V tomto případě je prý motor nasazený. Statorové vinutí lineárního motoru se provádí stejně jako u objemového motoru, ale mělo by být uloženo pouze v drážkách po celé délce maximálního možného pohybu posuvného rotoru. Rotor šoupátka bývá zkratován, pracovní těleso mechanismu je s ním kloubově spojeno. Na koncích statoru musí být samozřejmě zarážky, které zabrání rotoru opustit pracovní limity dráhy.