Základy elektrotechniky

Transkript

1 Základy elektrotechniky Přednáška Asynchronní motory 1

2 Elektrické stroje Elektrické stroje jsou vždy měniče energie jejichž rozdělení a provedení je závislé na: druhu použitého proudu a výstupní formě energie (mechanická, elektrická) Dle pohybu dělíme elektrické stroje na: netočivé (bez pohybu) točivé (s pohybem) lineární (s pohybem) Točivý elektrický stroj má části schopné vykonávat relativní točivý pohyb, je určeno pro elektromechanickou přeměnu energie o přeměna elmg. energie na mechanickou (motory) o a mechanické energie na energii elmg. pole (generátory) 2

3 Elektrické stroje Rozdělení elektrických točivých strojů dle charakteru napájecího napětí: střídavé stroje (AC stroje) o jednofázové, o trojfázové, o m - fázové stejnosměrné stroje (DC stroje) ostatní Rozdělení elektrických strojů netočivých: transformátory jedno a třífázové měniče (usměrňovače, střídavé měniče napětí, střídače, pulzní měniče, měniče kmitočtu) 3

4 Elektrické stroje točivé Rozdělení elektrických točivých strojů dle charakteru přeměny energie: Generátory Motory Generátory stejnosměrné: o cizím buzením o derivační o kompaudní o sériové střídavé (alternátory): o asynchronní, o synchronní Motory stejnosměrné: o cizím buzením o derivační o kompaudní o sériové střídavé (alternátory): o asynchronní, o synchronní komutátorové 4

5 Asynchronní motor Asynchronní motor: je elektromotor pracující na střídavý proud nejrozšířenější pohon v elektrotechnice vůbec tok energie statorem a rotorem je realizován díky elektromagnetické indukci Výhody je vysoká spolehlivost jednoduchá konstrukce napájení z běžné sítě střídavého napětí (napájecí napětí může být jednofázové nebo třífázové) Nevýhody velký proudový náraz při rozběhu induktivní účiník cosφ, způsobující jalové zatížení sítě 5

6 Princip činnosti asynchronního motoru Elektrická energie ze sítě a přivedená do statoru se prostřednictvím magnetického pole přenáší na rotor a odtud v mechanické formě na hřídel hnaného stroje. Stroj pracuje jako motor a vytváří na hřídeli hnací točivý moment. Indukční čáry točivého magnetického pole protínají vodiče statorového a rotorového vinutí a indukují v nich napětí název indukční stroj. Napětí indukované v rotoru vyvolá v uzavřeném rotorovém vinutí průtok proudu Na rotorové vinutí působí mechanická síla, vodiče se začnou vychylovat ve směru otáčení magnetického pole. V nezatíženém stavu se rotor otáčí otáčkami naprázdno, které jsou téměř shodné se synchronními otáčkami. 6

7 Svorkovnice asynchronního motoru 3f Svorkovnice běžných asynchronních motorů má obvykle šest vývodů. U V W U V W Připojení vinutí na svorkovnici a zapojení do hvězdy a do trojúhelníka. 7

8 Konstrukční uspořádání 3f ASM příkon P 1 3f statorové vinutí ložisko svorkovnice statoru výkonový štítek ventilátor kryt ventilátoru proud chladícího vzduchu výkon P 2 ložisko hřídel ložiskový štít ztráty ΔP litinová nebo hliníková kostra s chladícími žebry 8

9 Konstrukční uspořádání 3f ASM Konstrukce statoru Jádro (paket) z izolovaných trafoplechů s drážkami Vinutí z izolovaných Cu vodičů, zpravidla tří nebo jednofázové, je vytvarováno a uloženo oddělené drážkovou izolací v drážkách jádra statorová drážka vinutí statoru 9

10 Konstrukční uspořádání 3f ASM Konstrukce rotoru s kotvou nakrátko (klecové) - rotorové vinutí zhotovené z tyčí, které jsou na obou koncích nakrátko spojeny vodivými kruhy s vinutou kotvou (kroužkový ASM) na rotoru trojfázové vinutí, začátky vinutí jsou vyvedeny na tři navzájem odizolované kroužky umístěné na hřídeli - přes tyto kroužky a kartáče je vinutí připojeno k regulačním odporům. 10

11 Synchronní otáčky ASM Synchronní otáčky ASM závisí na frekvenci sítě a počtu pólpárů: n s s 60f, p n n, n s s kde n s synchronní otáčky f frekvence p počet pólpárů s skluz n otáčky rotoru 60 f1 n ns ( 1 s) (1 s) p 11

12 Náhradní schéma jedné fáze 3f ASM R 1 odpor vinutí statoru, L σ1 rozptylová indukčnost statoru, L σ2 rozptylová indukčnost rotoru, R 2 odpor rotoru L 1h - hlavní magnetizační indukčnost R Fe - ztráty ve feromagnetickém jádru, 12

13 Momentová charakteristika ASM brzda motor genegátor s MAX = s zv skluz zvratu s = 1 stav nakrátko s = 0 stav naprázdno 13

14 Výkonová bilance ASM P M P Fe 3 U R 2 i Fe P p - činný elektrický příkon P p P P 3 U1I1 cos 1 2 j1 3 R1 I1,, 2 j2 3 R2 I2 R2 1 s R2 R2 s s s Pm 2 I R s P P P P P P P P p j1 Fe j2 m 14

15 Měření na asynchronních strojích Měření naprázdno (nezatížený AM) - poskytne údaje o ztrátovém odporu jádra R Fe a hlavní magnetizační reaktanci Xμ Měření nakrátko (při zabržděném rotoru) - poskytne hodnoty ( R 1 + R 21 ) a ( X 1σ + X 21σ ) Měření odporu statorového vinutí stejnosměrnou Ohmovou metodou - umožní určit velikost odporu R1. Měření při zatížení poskytne hodnoty pro určení účinnosti 15

16 Měření ASM naprázdno AM se napájí sdruženou hodnotou střídavého napětí U 1N, měří se proud naprázdno I 0 a elektrický příkon naprázdno P 10, který tvoří především výkonové ztráty hysterezní ΔP h a ztráty vířivými proudy Δ P v ve statorovém paketu. ztráty Jouleovy ve statorovém vinutí Δ P j1 jsou podstatně menší (vlivem malého I 0 ), ztráty mechanické Δ P mech 16

17 Měření ASM nakrátko AM se napájí sníženým napětím U 1k při zabržděném rotoru (n = 0, tj s=1). Lze i snížit frekvenci f 1 = 0,3 f 1 15 Hz (simulace stavu, kdy rotorová frekvence proudu je při normálním chodu malá). Měří se hodnoty: napětí U 1k, proud nakrátko I 1k, el. příkon P 1k Hlavní magnetizační reaktance X μ a ztrátový rezistor R Fe se v celkové velikosti impedance nakrátko neprojeví, ta je velmi malá, proto musíme AM napájet sníženým napětím. 17

18 Kružnicový diagram ASM Kružnicový diagram vyjadřuje provozní vlastnosti motoru a lze z něho zjistit veškeré provozní charakteristiky (zejména u strojů s kotvou vinutou). K jeho sestrojení je třeba znát tři body, hodnoty zjištěné měřením ve stavu naprázdno a nakrátko: 1. koncový bod fázoru proudu naprázdno - daný velikostí proudu naprázdno I 10 změřeného při jmenovitém napětí U 1n a účiníkem ve stavu naprázdno cos 0, 2. koncový bod fázoru proudu nakrátko při jmenovitém napětí. Z měření je k dispozici účiník nakrátko cos K a hodnota napětí nakrátko, kterým je motor napájen ve stavu nakrátko při jmenovitém proudu. Velikost proudu nakrátko I 1K při jmenovitém napětí zjistíme z napětí nakrátko lineárním přepočtem. 18

19 Kružnicový diagram ASM 19

20 Provozní charakteristiky ASM Jsou to závislosti proudu I, účiníku cosφ, skluzu s a účinnosti η na příkonu P p. Příklad provozních charakteristik ASP 12 MW, 2p = 4, 6 kv, 50 Hz 20

21 Spouštění asynchronních motorů přímým připojením na síť (max do 3 6 kw) doprovázeno proudovým nárazem - u motorů s kotvou nakrátko se omezuje snížením napětí a tím i momentu: přepínáním statorového vinutí z Y do Δ, napětí fáze se sníží v poměru 1: 3, záběrový proud I ZY = (1/3). I ZD, a záběrový moment M ZY = (1/3). M ZD se též sníží v poměru 1:3 spouštěním autotransformátorem ve třech stupních sníženého napájecího napětí, η, M z ~ U 1 2 spouštěním statorovým odporem, rotorovým spouštěčem u kroužkových motorů (je vyřazen po ukončení rozběhu) frekvenčním měničem 21

22 Regulace otáček ASM Změna frekvence f 1 napájecího napětí: ovlivňuje magnetický tok, moment i proud motoru je třeba současně s řízením kmitočtu f 1 řídit i napětí U 1 pomocí nepřímého měniče frekvence hospodárný, plynulý, v současnosti nejvíce používaný způsob regulace otáček. U I1,44. kv. N. hm. f1 UI1 hm. 4 f 1 m 2 f 1 ( 1 s) p p U 1 konst. f f p 1 n s M max 2 3. U1 2.. X s k 2 3. U L p k const 22

23 Brždění ASM U asynchronního motoru lze vhodným zásahem - změnit smysl momentu a tím přejít do brzdného režimu. elektrické brzdění u pohonů protiproudé generátorické stejnosměrným proudem časté použití jednoduchost mnohdy i energetickou výhodnost 23

24 Způsoby brzdění asynchronních motorů Brzdění Výhody Nevýhody Poznámka Protiproudé Jednoduché - prohození dvou fází statoru, u motorů s vinutou kotvou možnost zvýšení momentu řazením odporů do rotoru Velký proud, velký ztrátový výkon, malý moment Motory nakrátko - jen malé výkony, motory s vinutou kotvou - se zařazením přídavného rotorového odporu Generátorické Velké momenty, menší proudy, el. energie se vrací zpět do zdroje V případě frekvenčního řízení relativně drahé + vyšší harmonické, v případě řazení odporů do rotoru motoru s kotvou vinutou - ztráty Pro řízení brzdného momentu nutnost napájení ze zdroje s proměnnou frekvencí či řadit odpor do rotoru u motorů s vinutou kotvou Brzdění stejnosměrným proudem Relativně jednoduché, možnost změny momentu změnou ss proudu Nutnost zdroje ss proudu, pokles brzdného momentu v okolí nulových otáček Statorové vinutí se odpojí od třífázové sítě a napájí se ss proudem 24

25 Jednofázový ASM Pro jednofázový asynchronní motor platí: nerozběhne se bez pomocného vinutí (M=0 Nm pro s=1) rozběhové vinutí je buď připínáno jen po dobu rozběhu (velký moment) rozběhové vinutí je připojeno stále (časté spouštění) bez rozběhového vinutí může fungovat jen když jej rozběhneme např. ručně Rozběhovým vinutím musí téci proud s fázovým posuvem (90 ) oproti hlavnímu vinutí ( použití např. C nebo R, L) 25