Princip činnosti synchronních a asynchronních motorů
Elektromotor je hlavní součástí elektrického pohonu různých strojírenských zařízení, ovládacích částí obráběcích strojů, domácích spotřebičů, hořáků kotlů na plyn a kapalná paliva. Motor je součástí servopohonů, může pracovat v režimu elektrického generátoru, je součástí automatizačních systémů a funguje jako akční člen. Pro každý úkol se používá specifický typ motoru, který se liší konstrukcí, interakcí magnetických polí rotoru a statoru a napájením ze sítě.
V tomto článku si popíšeme, co jsou synchronní a asynchronní elektromotory a jak fungují.
Co jsou synchronní a asynchronní motory
Elektromotory jsou obecně elektromechanické měniče energie, které fungují na principu elektromagnetické indukce. Obsahují dvě klíčové komponenty – stator a rotor. První je statický, druhý se otáčí nepřetržitě. V tomto případě jsou zařízení umístěna se vzduchovou mezerou. Synchronní a asynchronní motory jsou bezkartáčové střídavé stroje. V závislosti na řešení mohou být napájeny jednofázovou nebo třífázovou sítí a navíc obsahují kondenzátor, který zjednodušuje spouštění elektromotoru a chrání ho před přepětím.
Asynchronní motory se dělí na modely s rotorem nakrátko (SC) a fázovým rotorem. První jmenované se staly nejrozšířenějšími díky své výjimečné spolehlivosti, nízkým nákladům a nenáročné údržbě. Právě tento typ motoru nabízí italský výrobce Simel pro hořáky na plyn a kapalná paliva. Včetně jednofázových a třífázových modelů, stejně jako těch, které jsou vybaveny kondenzátorem různých kapacit. Každá verze zařízení je navržena pro specifické technické požadavky a provozní podmínky.
Příkladem jednofázového řešení s rotorem veverkovitého typu je asynchronní elektromotor Simel ZD 51/2196-32 o výkonu 250 W s kapacitou kondenzátoru 8 μF. Jedná se o kompaktní, snadno instalovatelný, energeticky úsporný motor s optimální účinností a spolehlivou ochranou proti zkratovým proudům.
Moderní třífázovou verzí pro hořáky na kapalná paliva je model Simel 18/6-54 o výkonu 1.5 kW. Jedná se o nejnovější asynchronní elektromotor s rotorem nakrátko, robustní skříní a nuceným chlazením díky vestavěnému ventilátoru. Je určen pro spolehlivý pohon palivových čerpadel.
Verze s fázovým rotorem se používají, když je nutné snížit rozběhový proud a upravit frekvenci otáčení asynchronního motoru. Motory tohoto typu se vyznačují větší hmotností, rozměry a cenou ve srovnání s elektromotory se zkratovým rotorem.
Princip činnosti synchronních elektromotorů
Provoz synchronního motoru zahrnuje neustálý kontakt mezi magnetickými poli statoru a rotoru. Při napájení se ve statoru vytvoří rotující magnetické pole, které se začne dotýkat pole rotoru. K tomu dochází, když je budicí proud přiváděn přes speciální kontaktní kroužky. U motorů s permanentními magnety se pole vytváří bez vnějšího napájení. V důsledku obousměrné interakce vzniká elektromagnetický moment, který způsobuje, že se rotor otáčí synchronně se statorovým polem, tj. stejnou rychlostí. To je klíčový rys provozu motorů tohoto typu.
Princip činnosti synchronních motorů umožňuje dosáhnout stabilní frekvence otáčení. Tato vlastnost umožňuje jejich použití v zařízeních, jako jsou pohony kompresorů, čerpadla a generátory v elektrárnách. Synchronní motory však mají jednu nevýhodu – obtížné spouštění. Faktem je, že elektrické stroje tohoto typu nejsou schopny samostatného spouštění pod zatížením. Pro jejich spuštění je nutné nejprve zrychlit rotor na synchronní otáčky, což vyžaduje další spouštěcí zařízení. Existuje několik řešení pro spouštění motorů:
- asynchronní start s tlumičem vinutí
- frekvenční start s plynulým zvyšováním frekvence
- startování z pomocného motoru
To vše komplikuje konstrukci motoru, a proto je méně spolehlivý a dražší ve srovnání s asynchronními řešeními. Zároveň jsou méně citlivé na kolísání síťového napětí, mají vysokou účinnost, účiník a přetížitelnost. Synchronní elektromotory navíc pracují se stejnou rychlostí bez ohledu na zatížení hřídele (v rozsahu svých charakteristik).
Princip činnosti asynchronních elektromotorů
Princip činnosti asynchronního motoru je založen na jevu elektromagnetické indukce. Když proud prochází vinutími statoru, vzniká magnetické pole s vlastními parametry frekvence otáčení. Výsledné pole je spřaženo s uzavřeným vinutím rotoru a indukuje elektromotorickou sílu (EMF), což má za následek proudy. Ty, když se dostanou do kontaktu s magnetickým polem statoru, vytvářejí sílu a elektromagnetický moment, které nutí rotor k otáčení. To je princip přeměny elektrické energie na mechanickou práci.
Zvláštností provozu všech asynchronních motorů je nesoulad mezi rychlostí rotoru a magnetickým polem statoru. Desynchronizace rychlosti je nezbytnou podmínkou pro vznik indukce. Bez ní by indukce elektromotorického pole nebyla možná. Rotor se proto vždy mírně zpožďuje, což vytváří jev skluzu – rozdíl v rychlostech, který umožňuje motoru udržovat točivý moment.
Přeměna elektrické energie na mechanickou probíhá vždy se ztrátami. Účinnost je v průměru na úrovni 90–96 %. Zároveň účiník závisí na zátěži (0,7–0,9 v nominální hodnotě).
Jednou z hlavních nevýhod asynchronních motorů je vysoký rozběhový proud, který je 5-7krát vyšší než jmenovitý. Proto se přijímají různá opatření k jeho snížení. Například se přepíná z obvodu „hvězda“ na „trojúhelník“, instalují se autotransformátorové rozběhy nebo frekvenční měniče.
Asynchronní motory jsou obecně jednoduché konstrukce, vysoce spolehlivé a nevyžadují složité řídicí systémy. Kromě toho motory slouží dlouho, nevyžadují častou údržbu a jsou univerzálně použitelné. Kombinace pozitivních vlastností umožňuje jejich použití v průmyslu, domácích spotřebičích a dopravě.
Asynchronní motor je speciální elektrický stroj, který pracuje v režimu motoru. Frekvence otáčení rotoru zařízení se nerovná frekvenci otáčení samotného magnetického pole statoru. Závisí na zatížení systému. Hlavním úkolem zařízení je efektivně přeměňovat elektrickou energii na mechanickou. Největší poptávku na trhu mají jednofázové a třífázové elektronické motory. První třífázové zařízení bylo uvedeno na trh v roce 1889.
Princip činnosti elektromotoru
Rotor elektromotorů je poháněn kombinovaným provozem magnetických polí rotoru a statoru. Pro vytvoření stabilního magnetického pole je nutné použít buď permanentní magnety, nebo elektrické magnety (s rotorovým nebo statorovým vinutím).
Asynchronní motor se výrazně liší od ostatních modelů elektrických strojů absencí jasně definovaného vinutí neboli „budícího“ vinutí.
Vlastnosti struktury mechanismu
Konstrukce asynchronního motoru se vyznačuje jednoduchostí provedení. Systém zahrnuje rotor a stator. Stator má jádro s třífázovým vinutím, ale na trhu jsou i modely s jednou řadou vinutí. Používají se k provozu v jednofázové síti s dvoufázovým vinutím, pracovním nebo rozběhovým vinutím.
Konstrukce statoru se skládá z odolného kovového pouzdra (rámu), které není vystaveno vnějším vlivům ani mechanickému poškození, a také z jádra s vinutími (statorové vinutí).
Vestavěný ventilátor, který je součástí konstrukce, je zakryt pouzdrem s otvory pro přívod vzduchu pro pohony třídy IC411. Není však namontován na všech motorech. Pokud zamýšlené místo instalace umožňuje dobré chlazení vzduchem, lze se obejít bez vestavěného chlazení. Takové motory mají konstrukční kód IC410. Existuje také provedení s nucenou nezávislou chladicí jednotkou – IC416. V tomto případě je výrobek účinně chlazen při jakékoli rychlosti díky stabilnímu proudění vzduchu, které se nesnižuje se snižující se frekvencí.
Podle počtu napájecích fází se rozlišují následující typy:
- třífázové (používají se v sítích, kde je možné se připojit ke všem fázím najednou; ve zvláštních případech je lze spustit i v jednofázové síti se ztrátou výkonu);
- dvoufázové (používané v domácích spotřebičích, konstrukce je doplněna dvěma vinutími, z nichž jedno je napájeno síťovým napětím a druhé je připojeno pomocí fázově posuvného kondenzátoru).
- jednofázový (používá se k připojení domácích spotřebičů a může obsahovat dvě vinutí, jedno pracovní a jedno spouštěcí).
Typy systémů v závislosti na způsobu napájení:
- statorové mechanismy (klasické modely, jejichž charakteristickým rysem je přítomnost pracovního vinutí na statoru zařízení);
- rotační (pracovní vinutí jsou umístěna striktně na rotujícím prvku; zařízení se široce používala s využitím vývoje Schrage-Richtera).
Schéma zapojení vinutí při připojení třífázového elektromotoru
Dvě pracovní schémata umožňují připojení statorových vinutí:
- Hvězda. Při zapojení jsou konce vinutí spojeny dohromady, úroveň napětí je nastavena na začátek
- Trojúhelník. U tohoto typu zapojení je začátek jednoho vinutí zapojen do série s koncem předchozího. Konce obou vinutí jsou vyvedeny do svorkovnice nebo BOMINO. V závislosti na konstrukčních prvcích provedení lze do „BOMINO“ vyvést 3 nebo 6 vodičů. Pokud výrobce vyvedl pouze tři vodiče, pak se vinutí připojují přímo z výroby podle určitého schématu, a pokud 7, může si uživatel samostatně zvolit optimální schéma zapojení po výpočtu maximální úrovně napětí napájecí sítě.
Synchronní a asynchronní motory: jaký je hlavní rozdíl mezi zařízeními?
Spolu s jednoduchými asynchronními systémy se v průmyslu aktivně používají speciální synchronní jednotky. Jejich hlavním rozdílem od asynchronního motoru je synchronní rotace magnetických polí rotoru a statoru.
Vlastnosti použití asynchronních elektromotorů
Rozsah provozu moderních zařízení se týká velké části ekonomické činnosti uživatele. Takové konstrukce lze nalézt v různých typech obráběcích strojů – soustružnických, brusných nebo frézovacích strojích, stejně jako ve válcovacích zařízeních. Motory jsou vybaveny mostovými jeřáby, kladkostroji, zvedáky a dalšími složitými mechanismy. Účinnost elektromotorů zajistila vynikající výkonové vlastnosti a eliminovala riziko předčasného selhání zařízení.
Asynchronní motory našly široké uplatnění v mnoha oblastech lidské činnosti. Jejich popularita je dána jednoduchostí použité konstrukce a rozumnými náklady. V asynchronních jednotkách podléhají údržbě pouze ložiska. Za správných provozních podmínek je možné zaručit, že motor bude fungovat nejméně deset let bez přerušení a složitých oprav.