Jak funguje asynchronní motor – provozní vlastnosti, vlastnosti, výhody a příklady použití
Asynchronní motory jsou jedním z nejběžnějších typů střídavých elektromotorů používaných v průmyslu a domácnosti.
Princip činnosti asynchronního motoru je založen na interakci točivého magnetického pole statoru a proudů indukovaných v rotoru tímto točivým polem. Přivedením třífázového proudu do vinutí statoru vzniká rotující magnetické pole. V tomto případě je rychlost otáčení rotoru vždy menší než frekvence otáčení magnetického pole – odtud název „asynchronní“.
Asynchronní motory jsou široce používány při pohonu různých mechanismů díky své jednoduchosti konstrukce, spolehlivosti, nenáročnosti na provoz a relativně nízké ceně. Nejběžnější jsou asynchronní motory s kotvou nakrátko, ale dostupné jsou i motory s vinutým rotorem, které mají řadu výhod.
Dále v článku bude podrobně rozebrána historie vzniku, konstrukce, princip činnosti, vlastnosti a oblasti použití asynchronních motorů.
Historie vzniku asynchronních motorů
Asynchronní motory byly vynalezeny téměř současně několika inženýry na konci 19. století.
V roce 1888 si Nikola Tesla nechal patentovat dvoufázový indukční motor. V témže roce publikoval italský inženýr Galileo Ferraris článek, ve kterém popsal princip činnosti asynchronního motoru a navrhl obvod pro třífázový asynchronní motor.
V roce 1889 ruský elektrotechnik Michail Dolivo-Dobrovolsky vyvinul první třífázový asynchronní motor s rotorem nakrátko a získal na něj patent v Německu. Tento typ asynchronního motoru se později nejvíce rozšířil.
Téměř souběžné vynálezy Tesly, Ferrariho a Dolivo-Dobrovolského umožnily zahájení průmyslové výroby a zavedení asynchronních motorů. Jejich výhody oproti stejnosměrným motorům – jednoduchost a spolehlivost konstrukce, nenáročnost v provozu, možnost využití třífázového napětí – zajistily jejich široké uplatnění v průmyslu v prvních desetiletích 20. století. Od té doby jsou asynchronní motory jedním z nejoblíbenějších elektrických strojů.
Konstrukce asynchronních motorů
Zařízení asynchronního motoru se skládá ze dvou hlavních částí – stacionárního statoru a rotujícího rotoru.
Stator je paket z elektrooceli s drážkami, do kterých zapadá vinutí. Statorové vinutí je třífázové, skládá se ze tří cívek fázově posunutých o 120 stupňů. Stator je instalován uvnitř pouzdra.
Rotor je umístěn uvnitř statoru a je od něj oddělen vzduchovou mezerou. V asynchronních motorech se používají dva hlavní typy rotorů:
- Rotor nakrátko – na ocelovém rotoru jsou umístěny hliníkové nebo měděné tyče, spojené na koncích zkratovacími kroužky.
- Fázový rotor – vinutí rotoru je třífázové, podobně jako vinutí statoru. Vedení rotoru jsou spojena se sběracími kroužky.
Konstrukce asynchronního motoru kromě statoru a rotoru zahrnuje ložiskové jednotky hřídele, skříň s ložiskovými štíty, chladicí ventilátor a další prvky.
Porovnání asynchronních motorů s kotvou nakrátko a vinutým rotorem:
| Charakterizace | Rotor veverky | Prokluzový rotor |
|---|---|---|
| Konstrukce rotoru | Tyče uzavřené zkratovacími kroužky | Třífázové vinutí, sběrací kroužky a kartáče |
| Složitost designu | Snadnější | Obtížnější |
| Stát | Níže | Nahoře |
| Regulace rychlosti | Nemožné | Možná (reostat) |
| Startovací moment | Nahoře | Níže |
| Prokluz rotoru | Lepší | Menší |
| Účinnost | Níže | Nahoře |
| Aplikace | Mechanismy bez regulace rychlosti | Mechanismy s proměnnou rychlostí |
Princip činnosti asynchronních motorů
Princip činnosti asynchronních motorů je založen na interakci rotujícího magnetického pole statoru a proudů indukovaných tímto polem v rotoru.
Při přivedení třífázového napětí na vinutí statoru vzniká rotující magnetické pole. Kříží vodiče rotoru a indukuje v nich proudy (Foucaultovy vířivé proudy). Interakce rotorových proudů a magnetického pole statoru vytváří sílu, která otáčí rotorem.
U asynchronních motorů je rychlost otáčení magnetického pole statoru vždy vyšší než rychlost rotoru – odtud název „asynchronní“. Rozdíl ve frekvencích se nazývá klouzavost.
U motorů s kotvou nakrátko se proudy indukují přímo v tyčích rotoru. U motorů se sběracími kroužky je proud přiváděn do vinutí rotoru přes sběrací kroužky.
Princip činnosti asynchronních motorů je tedy založen na využití jevu elektromagnetické indukce a Ampérové síly. Jednoduchost principu činnosti zajišťuje spolehlivost a životnost těchto motorů.
Regulace rychlosti
Existuje několik způsobů, jak regulovat rychlost otáčení asynchronních motorů:
- Frekvenční metoda – změna frekvence napájecího napětí pomocí frekvenčního měniče. Umožňuje plynule nastavit rychlost v širokém rozsahu.
- Autotransformátorová metoda – regulace napětí na statoru pomocí autotransformátoru. Málo používaný pro svou nehospodárnost.
- Reostatická metoda – připojení odporů k vinutí rotoru motorů s vinutým rotorem. Umožňuje upravit rychlost v omezeném rozsahu.
- Změna počtu pólových párů – přepínání statorových vinutí z hvězdy na trojúhelník. Umožňuje získat dvě pevné rychlosti.
- Pulzní řízení – dodávání speciálně tvarovaného napětí do vinutí statoru. Umožňuje nastavit rychlost v širokém rozsahu.
Nejmodernější je metoda řízení frekvence pomocí frekvenčních měničů, která zajišťuje plynulé plynulé řízení otáček asynchronního motoru.
Vlastnosti a specifikace
Asynchronní motory mají řadu výhod:
- Jednoduchost a spolehlivost konstrukce díky absenci komutátoru a kartáčů.
- Nenáročnost na pracovní podmínky, schopnost odolávat přetížení.
- Vysoký rozběhový moment.
- Široký výkonový rozsah.
- Relativně nízké náklady.
- Vysoká účinnost (až 90 %).
Mezi nevýhody patří:
- Potíže s regulací otáček (kromě motorů s vinutým rotorem).
- Velký startovací proud pro přímý start.
Asynchronní motory mají široké uplatnění v pohonných mechanismech, které nevyžadují regulaci otáček – čerpadla, ventilátory, dopravníky atd. Násuvné motory se používají tam, kde je potřeba regulovat otáčky – obráběcí stroje, zdvihací a dopravní mechanismy.
Závěr
Za více než 100 let historie si asynchronní motory vydobyly přední postavení mezi elektromotory díky své jednoduchosti konstrukce, spolehlivosti a relativně nízké ceně.
Moderní asynchronní motory jsou vysoce účinné elektromechanické měniče energie. Jejich výhody umožňují jejich široké použití v různých oblastech – od domácích spotřebičů až po výkonné průmyslové mechanismy.
Přes dlouhou historii vývoj asynchronních strojů pokračuje. Moderní řídicí systémy založené na frekvenčních měničích umožňují rozšířit funkčnost asynchronních pohonů. Slibný je vývoj v oblasti zvyšování energetické účinnosti a vytváření nových designů.
Navzdory konkurenci jiných typů motorů budou indukční motory hrát důležitou roli v elektrických pohonech, průmyslu a dopravě ještě mnoho let.
Přehled protokolů moderní průmyslové automatizace – Modbus, Profinet, EtherCAT atd.
Co je to frekvenční měnič, hlavní typy a jaký je princip činnosti
Jak připojit 3-fázový elektromotor k síti 220 V přes kondenzátor
Magnetické pole: zdroje, vlastnosti, charakteristiky a aplikace
Co je magnetický motor a jak si ho vyrobit?
Kontrola různých typů elektromotorů pomocí multimetru