Asynchrónne stroje (MO 20)

MO-20 ASYNCHRÓNNE STROJE
(Indukčné stroje)

Sú najpoužívanejšie a najrozšírenejšie ele. stroje.
Výhody: majú jednoduchú konštrukciu, nízku cenu, vysokú spoľahlivosť sú nenáročné na
údržbu a obsluhu a vyrábajú sa v širokom výkonovom rozsahu.
Nevýhody: veľký prúdový nárast po pripojení do siete. Nemožnosť plynulej a hospodárnej
regulácie otáčok lacnými prostriedkami.
Indukčný stroj je točivý ele. stroj. Mag. obvod má rozdelený malou vzduchovou medzerou na stator a rotor. Pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie.

Princíp činnosti asynchrónneho motora:
Na statore sa nachádza trojfázové vinutie, ktoré sa pripája na zdroj trojfázového striedavého prúdu. Striedavý prúd vytvorí otáčavé mag. pole v statore, ktorý indukuje v rotorovom vinutí napätie. Indukované napätie pretláča pomerne veľký rotorový prúd, ktorý si vytvorí vlastné mag. pole. Vzájomným silovým pôsobením oboch mag. polí sa rotor začne otáčať. Otáčky rotora sú vždy menšie ako otáčky mag. poľa statora vzniká sklz a preto sa tieto motory nazývajú asynchrónne.

ASYNCHRÓNNY MOTOR: - 1) s kotvou (rotorom) nakrátko
- 2) s krúžkovým rotorom (kotvou)
Konštrukcia AM:
1) s kotvou na krátko: hlavné časti sú:
- kostra (liatinová)
- statorové vinutie je trojfázové uložené v drážkach statora a vyvedené na svorkovnicu.
- svorkovnica je uložená na kostre zakrytovaná a je na nej 6 svoriek
(3začiatky a 3konce).
Rotor: sa skladá z elektroplechou z drážkami, do ktorých sa vkladá hliníková klietka. Klietku tvoria vodivé tyče spojené po obvode nakrátko. Medzi statorom a rotorom je malá vzduchová medzera 0,3 - 1mm. Rotor je nalisovaný na hriadeli, kde je umiestnení aj ventilátor. Hriadeľ sa otáča v ložiskách, ktoré sú upevnené v ložiskových štítoch, ktorými sa uzatvára kostra motora. Ložiskové štíti sú vyrobené zo sivej liatiny. Tvar kostry a ložiskových štítov je taký, aby sa chladiaci vzduch účinne viedol okolo vinutí. Pripevnenie motora na konštrukciu umožňujú pätky na kostre.

2) s krúžkovým rotorom (kotvou):
- majú na rozdiel od AM s kotvou nakrátko v rotore namiesto klietky umiestnené trojfázové vinutie trvale spojené do hviezdy a vyvedené na 3 vodivé zberacie krúžky, ktoré sú umiestnené na hriadeli.

Na krúžky dosadajú uhlíkové kefy upevnené v kefových držiakoch, ktoré sú vodivo pripojené na 3 svorky rotorovej svorkovnice. Na svorky sa pripája reostat na spúšťanie, alebo na reguláciu otáčok AM.
Magnetický obvod: - indukčné čiary vychádzajú zo statora, pretože mag. pole je vytvorené statorovým prúdom, prechádzajú vzduchovou medzerou, zubami rotora, jarmom rotora a vracajú sa späť cez zuby rotora, vzduchovú medzeru, zuby statora a uzatvárajú sa jarmom statora. Mag. prúd potrebný na vybudenie mag. toku sa určuje výpočtom.
Trojfázové vinutie: - základnou úlohou trojfázového statorového vinutia AM je vybudiť otáčavé mag. pole, ktoré sa otáča synchrónnymi otáčkami, ktoré potom určuje otáčky rotora. Vinutie je preto dôležitou časťou motora, ktorou možno ovplyvniť jeho vlastnosti v prevádzke. Jedným z činiteľov podľa, ktorého posudzujme vhodnosť určitého druhu vinutia je tvar otáčavého mag. poľa, ktoré vybudí dané vinutie. Žiada sa sínusový tvar otáčok mag. poľa vo vzduchovej medzere. Nesínusový priebeh zhoršuje prevádzkové vlastnosti. Jedna cievka vytvorí stojaté 2 pólové homogénne mag. pole, ktoré vyzerá takto: >>>>>>>>
MAG. POLE JEDNEJ CIEVKY
Otáčavé mag. pole možno vytvoriť 3 rovnakými valcovými cievkami pootočením proti sebe o 120o.
Úprava 3 valcových cievok je nepraktická preto sa nahrádzajú kotúčovými cievkami, ktorých roviny sa pretínajú v spoločnej osi. Cievky sú spojené do hviezdy a napájané 3 prúdmi posunutími o 120o. Prúdi sa menia sínusovo a vybudia mag. toky, ktoré sa tiež menia sínusovo, výsledný mag. tok sa s časom nemení ale jeho veľkosť sa otáča v smere postupu fáz stálou uhlovou rýchlosťou ω, ktorá závisí od frekvencie.
Koncový bod fázora, výsledného mag. toku opisuje kružnicu a preto sa nazýva otáčavé kruhové mag. pole. Otáčavá rýchlosť otáčok mag. poľa je synchrónna a vypočíta sa: počet 60.f
synchrónne otáčky - ns = p – pólov. dvojíc
Skutočná rýchlosť AM je vždy menšia ako sú otáčky mag. poľa a vypočítajú sa:
n = ns.(1-s) ,
60.f
n = p .(1-s)
S – sklz: je rozdiel medzi otáčkami mag.

poľa statora a otáčkami rotora vyjadrený v percentách. ns-n
S= ns .100 [%]

CHOD NAPRÁZDNO
ak statorové vinutie pripojíme na trojfázovú sieť a rotor nebude mechanicky zaťažený hovoríme, že asynchrónny motor je v chode na prázdno.
ns-n
n = ns .(1-s), p= ns .100 [%]
Pre ideálny AM v chode na prázdno budú otáčky rotora zhodné z otáčkami
mag. poľa statora: n = ns
Sklz: s = 0
Pre skutočný AM v ktorom vznikajú mechanické straty (trenie v ložiskách, rotor o vzduch), ďalej vznikajú straty z Fe(v mag. obvode) a straty vo vinutí otáčky n sa blížia k otáčkam mag. poľa a sklz je veľmi malý. Statorovým vinutím preteká malý prúd na prázdno, ktorý má tiež 2 zložky: I0 = IFe + Iμ







V porovnaní z transformátormi je prúd naprázdno I0 je väčší ako prúd asynchrónneho motora:
I = (0,05-0,1). IN = 5 – 10 %. IN
= 20 – 40 %. IN
Chod na prázdno viditeľne zhoršuje účinník siete a preto by sa mali motory cez prestávky vypínať.




CHOD NAKRÁTKO
Asynchrónny motor je v chode na krátko vtedy, keď jeho rotor stojí, teda na začiatku každého rozbehu a vtedy keď sa zastavil vplyvom nadmerného zaťaženia.
N = 0
S = 1 (100%) – platí pre ideálny asynchrónny motor. V chode nakrátko sa indukuje v rotorovom vinutí pomerne veľký skratový prúd I1K. V porovnaní z transformátorom je pomerne menší I1K = (3,5 – 7) IN.
Skratový prúd sa určuje z merania nakrátko pričom motor je zabrzdený a statorové vinutie je napájané zníženým napätím U1K – je napájaný tak aby statorovým vinutím prechádzal menovitý prúd.
Straty nakrátko:




Asynchrónny motor (AM) vytvorí počas chodu nakrátko určitý záberový moment MZ, ktorý zabezpečuje samočinný rozbeh motora.
P
MZ = 9,55 N



CHOD PRI ZAŤAŽENÍ




Statorové vinutie pripojíme na 3 - fázové striedavé napätie a hriadeľ motora mechanicky zaťažíme pracovným strojom, ktorému asynchrónny motor odovzdáva mechanický výkon. Po zaťažení vonkajších momentov začne rotor zaostávať za otáčavým magnetickým poľom. Čím väčším momentom sa rotor zaťažuje tým viac zaostáva za otáčavým magnetickým poľom.
Sklz: rastie a otáčky klesajú.
Rotoroví prúd I2 a rotorové indukované napätie Ui2 majú frekvenciu rovnajúcu sa rozdielu otáčok mag. poľa a rotora.





Rotorové napätie:
Čím je Ui2 väčšie tým väčší je sklz.
Rotorový obvod je v náhradnej schéme znázornený stálou rozptylovou reaktanciou X21δ a premenlivým odporom R21.
Premenlivý odpor má 2 zložky: 1) stály odpor R21
2) zvyšok

Spolu tento zaťažovací odpor R21. (1-s) / S predstavuje mechanický výkon odoberaný na hriadeli motora.
K mechanickému výkonu na hriadeli zodpovedá točivý moment M = 9,55. P/n
Na posúdenie vlastnosti motora je dôležitá momentová charakteristika, ktorá udáva závislosť momentu od sklzu, alebo momentu od otáčok.

Na charakteristike sú dôležité 3 veľkosti momentov. MZ – záberový moment = je to moment, ktorý vyvinie motor pri rozbehu
MZV (Mmax) – moment zvratu = je to najväčší moment, ktorý dosiahneme pri sklze zvratu
MN – menovitý moment = je to pracovný moment stroja, ktorý motor vyvinie pri
menovitom sklze a pri menovitých otáčkach
Momentová charakteristika má dve oblasti a to:
- stabilnú oblasť 0 < S < SZR a z rastúcim sklzom moment stúpa, v tejto oblasti má motor
pracovať.
- nestabilná oblasť S > SXr v tejto oblasti motor nesmie pracovať. Sklz je väčší ako sklz
zvratný.

SPÚŠŤANIE AM
Pri priamom pripojení AM na sieť odoberá veľký prúd na krátko, čiže vznikne veľký prúdový náraz, ktorý zapríčiňuje pokles napätia v sieti a tým aj zníženie točivých momentov všetkých AM pracujúcich v tej istej sieti. Tento záverný prúd môže byť až (4-7) IN. Tento prúdový náraz je jedným z najväčších prevádzkových problémov AM. Pri spúšťaní sa snažíme dosiahnuť, aby záberný prúd bol čo najmenší, ale záberný moment čo najväčší. Spôsoby spúšťania:
1) Priame spúšťanie s plným napätím: je to najjednoduchší spôsob spúšťania. Môže sa
používať len u motorov s výkonom do 3kW. Používa sa vtedy ak potrebujeme
rozbeh s plným zaťažením a nezáleží na plynulom rozbehu.
2) Statorový spúšťač: záberový prúd možno znížiť zmenšením svorkového napätia,
nevýhodou je, že sa súčastne znižuje. Tento spôsob spúšťania môžeme použiť pre Am
s malým zaťažením pri jemnom rozbehu.
3) Prepínač, hviezda, trojuholník: znížené napätie pri rozbehu môžeme dosiahnuť aj
použitím prepínača (Y/D – hviezda, trojuholník). Pri rozbehu je prepínač zapojený do
Y (hviezdy), po dosiahnutí asi 80% otáčok sa prepne do D (trojuholník). Pri zapojení
do Y sa zníži záberový prúd na 1/3 záberového prúdu pri zapojení do D. Nevýhodou
je, že súčastne sa zníži moment na 1/3 celkového záberového momentu. A preto týmto
spôsobom môžeme spúšťať motory s výkonom od 3-15 kW bez zaťaženia, alebo
s malým zaťažením.
4) Spúšťanie pomocou rozbehovej spojky: rozbehovou spojkou spúšťame nezaťažené
motory, pričom sa na konci motor spojí s pracovným strojom.

Používajú sa rozbehové
trecie spojky, elektromagnetické spojky, elektrodynamické spojky.
5) Spúšťanie pomocou transformátora: pri motoroch s veľkým výkonom je potrebné väčšie
zníženie záberneho prúdu, čo sa dá dosiahnuť pomocou spúšťacieho transformátora,
ktorý je zapnutý len pri rozbehu a je dimenzovaný (navrhovaný) len na krátke
zaťaženie počas rozbehu. Po rozbehu sa transformátor vyradí. Najčastejšie to býva
autotransformátor. 6) Spúšťanie zmenou frekvencie: otáčky motora sú priamo úmerne frekvencií a preto ich
možno plynule zvyšovať zmenou frekvencie. K rozbehu je však potrebný menič
frekvencie. Súčastne so zmenou frekvencie sa musí zmeniť aj napätie, aby sme
dosiahli konštantný moment. Ako meniče frekvencie sa používajú statické meniče
frekvencie tvorené s polovodičových súčiastok. Statické meniče môžu byť:
a) priame (cyklokonvertory) – ktorých výstupná frekvencia je vždy menšia ako
sieťová. Používajú sa pre veľké výkony.
b) nepriame – ktorých výstupná frekvencia je väčšia, alebo aj menšia ako sieťová.

REGULÁCIA OTÁČOK AM
Regulácia otáčok je každé úmyselné nastavenie otáčok na hodnotu rozdielu od menovitej hodnoty
Otáčky indukčného motora meníme týmito spôsobmi:
1) Zmenou svorkového napätia: zmena svorkového napätia málo vplýva na zmenu
svorkového napätia, pretože väčšina AM má tvrdú momentovú charakteristiku. Používa sa len u motorov s dostatočne veľkým odporom v rotore. Na reguláciu napätia
sa používajú tyristorové meniče striedavého prúdu. Táto regulácia sa uskutočňuje pri
motoroch malých a stredných výkonoch do 100 kW, ktoré sú určené na pohon
ventilátorov čerpadiel, žeriavov.
2) Zmenou frekvencie: otáčky sú priamoúmerné frekvencií. Je to najdokonalejší spôsob
regulácie, používa sa najmä pri AM s kotvou na krátko, ale aj krúžkových najmä pre
pohony u ktorých sa vyžaduje veľká dynamika a široký regulačný rozsah. Frekvenčné
meniče sú rotačné alebo statické polovodičové. V súčasnosti sa používajú statické
frekvenčné meniče a to cyklokonvertory. Základ cyklokonvertora tvoria dve skupiny
meničov spojených antiparalélne. Uhol riadenia jednotlivých tyristorov sa riadi
plynulo, tak že sa plynule mení výstupné napätie súčasne s frekvenciou. 3) Regulácia zmenou počtu pólov: pri konštantnej frekvencií je možné meniť otáčky
v hrubých stupňoch zmenou počtu pólov. Tento spôsob regulácie sa používa pri
obrábacích strojoch výťahov, čerpadiel. Najčastejšie pre dvojstupňovú reguláciu.

Stator má samostatné vinutie pre každý rýchlostný stupeň, alebo jedno spoločné
prepínateľne vinutie pre rôzne počty pólových dvojíc. Prepínanie sa uskutočňuje
kontaktným spôsobom, použitie tyristorov by bolo veľmi drahé. 4) Regulácia zmenou sklzu: sa môže uskutočňovať len pri krúžkových AM. A to
najjednoduchším spôsobom, zmenou rotorového odporu. Na plynulú reguláciu
rotorového odporu sa v súčasnosti používajú impulzové meniče jednosmerného
prúdu. Tento spôsob regulácie je jednoduchý, často používaný ale nehospodárny,
pretože výkon sa stráca v regulačnom odpore. Súčasne so zmenou regulačného
odporu sa mení aj momentová charakteristika. Tento spôsob regulácie je vhodný, len
pre menej náročné pohony s malým regulačným rozsahom. BRZDENIE AM
S reguláciou otáčok úzko súvisí brzdenie AM. Brzdiť môžeme mechanicky, alebo elektricky. Elektrické brzdenie môže byť:
1) Protiprúdom: brzdíme tak, že motor otáčajúci sa jedným smerom zapojíme na opačný
smer otáčania zámennou dvoch ľubovolných fáz v prívode statora. Brzdiaci stav nastáva aj pri dvíhaní bremena pri žeriavoch, keď motor
pôsobením bremena prejde na opačné otáčky.
2) Generátorové: obráti sa smer otáčania mag. poľa a to zámennou dvoch fáz v statore. Otáčavé mag. pole má rovnaký smer ako rotor. So stroja sa stáva
generátor a po prekročení synchrónnych otáčok nastáva brzdenie.

3) Dynamické: najdokonalejší spôsob brzdenia. Stator sa odpojí od siete a do dvoch fáz sa
privedie jednosmerný prúd. Bremeno poháňa Am, mení ho na generátor. Mechanická energia sa mení na elektrickú, ktorá sa v odporoch.