ASYNCHRONNÍ (INDUKČNÍ) STROJE (MOTORY)

ASYNCHRONNÍ (INDUKČNÍ) STROJE (MOTORY) Indukční (asynchronní) stroj je točivý elektrický stroj, jehož magnetický obvod je malou mezerou rozdělen na dvě části: stator a rotor. Obě části jsou opatřeny vinutím. Jedno vinutí (obvykle statorové) je připojeno na zdroj střídavého proudu a druhé (obvykle rotorové) je spojeno nakrátko a proud v něm vzniká elektromagnetickou indukcí, podobně jako u transformátoru. Odtud název indukční stroj. Nejčastějším druhem indukčního stroje je trojfázový indukční motor, který využívá silového působení statorového proudu (ze sítě) a rotorového proudu (indukovaného ve vinutí spojeném nakrátko). Trojfázový indukční motor je jednoduchý, v provozu spolehlivý a nevyžaduje žádnou zvláštní obsluhu a údržbu. Vyrábí se v širokém rozsahu výkonů: od několika wattů až do 20 MW s velmi širokým rozsahem otáček od desítek otáček za minutu až po 100 000 ot/min Asynchronní motor nakrátko je díky své konstrukční jednoduchosti nejužívanějším motorem. Ve srovnání se stejnosměrnými stroji vyniká jednoduchá konstrukce a prakticky bezúdržbový provoz asynchronních strojů. Jejich rozšíření je spojeno s rozvojem střídavých distribučních a napájecích sítí. Především v neregulovaných pohonech se využívá možnost jednoduchého spouštění přímým připnutím na síť, i když problémy může činit vzniklý proudový náraz (pěti až sedminásobek jmenovitého proudu) a velký odběr jalového výkonu. Snaha o omezení záběrového (spouštěcího) proudu a splnění požadavků na regulaci vedla ke konstrukci speciálních strojů buď s vinutým (kroužkovým) rotorem, čímž však zanikla hlavní výhoda jednoduchých asynchronních strojů s klecovým rotorem, případně strojů vícerychlostních, umožňujících za cenu větší složitosti statorového vinutí stupňovou regulaci otáčivé rychlosti. Teprve nové poznatky v oblasti výkonové elektroniky a regulace zcela vyřešily problémy s kmitočtovým řízením rychlosti asynchronních strojů, které tak dnes získaly dominantní postavení i v oblasti regulovaných pohonů všeobecného použití. Indukční motor může být podle statorového vinutí a) trojfázový, b) jednofázový (pro malé výkony), a podle rotorového vinutí a) nakrátko b) kroužkový. Motor nakrátko má rotorové vinutí spojeno trvale nakrátko. Vinutí je zhotoveno z masivních tyčí, spojených po obou stranách vodivými kruhy. Kroužkový motor má na rotoru trojfázové vinutí. Začátky vinutí jsou vyvedeny na tři kroužky umístěné na hřídeli. Na kroužky dosedají uhlíkové sběrací kartáče, jejichž pomocí můžeme do rotorového vinutí zařadit vhodný odpor a tím zmenšit záběrný proud motoru nebo jeho otáčky a zvětšit záběrný moment. Princip činnosti motoru Vznik točivého magnetického pole Tažná síla indukčního motoru vzniká vzájemným působením točivého magnetického pole, které je výsledkem vzájemného působení dvou nebo několika střídavých magnetických polí vzájemně prostorově i časově posunutých, a magnetického pole rotoru. Točivé magnetické pole můžeme vytvořit např. třemi stejnými válcovými cívkami, pootočenými navzájem o 120, jestliže jsou napájeny trojfázovým proudem (obr. 2.3.1.). 1

Výsledek: velikost výsledného magnetického pole vybuzené třemi cívkami pootočenými o 120, napájenými trojfázovým proudem, se s časem nemění, ale jeho fázor se otáčí ve směru postupu fází stálým úhlovým kmitočtem ω s, který závisí na kmitočtu napájecího proudu. Koncový bod fázoru výsledného magnetického toku opisuje kružnici a proto se nazývá točivé kruhové magnetické pole. Otáčky točivého magnetického pole se nazývají synchronní otáčky, neboť přímo (synchronně) závisejí na kmitočtu napájecího proudu. Výsledná amplituda první harmonické magnetomotorického napětí (mmn) je v každém okamžiku dána vektorovým součtem okamžitých hodnot mmn všech tří fází, jak je naznačeno na obr. 2.3.2. pro tři okamžiky, časově navzájem vzdálené o 120. Vzniká tedy ve vzduchové mezeře elektromagnetické pole, které je charakterizováno průběhem magnetické indukce, mající v ideálním případě tvar sinusové vlny, postupující po obvodě vzduchové mezery. Změnu směru otáčení tohoto pole, a tedy asynchronního motoru, docílíme přehozením libovolných dvou fází. Při napájení z polovodičového měniče (střídače) dosáhneme stejný efekt způsobem řízení. Obr. 2.3.1. Uspořádání cívek pro vznik točivého pole a) schematické uspořádání tří válcových cívek, b) fázorový diagram napájecího proudu, c) zásadní uspořádání tří kotoučových cívek, d) skutečné uspořádání tří cívek na obvodu statoru Obr. 2.3.2. Vznik točivého pole 2

Vznik tažné síly Nejjednodušší rotor indukčního motoru je tvořen jedním závitem spojeným nakrátko, který je vložen do točivého magnetického pole. Velikost magnetického toku procházejícího plochou stojícího závitu se během otáčení točivého magnetického pole mění. Změnou magnetického toku se v závitu indukuje napětí, které jím protlačuje značný proud. Tento proud vybudí své magnetické pole, které spolu s točivým polem statoru vytvoří točivý moment. Indukční motor se takto sám roztočí, což je jeho velkou výhodou. Budeme-li uvažovat ideální indukční motor bez jakýchkoli mechanických ztrát, roztočí se jeho rotor po rozběhu na synchronní otáčky a bude se otáčet souhlasně s točivým magnetickým polem. Jeho vodiče neprotínají žádné indukční čáry a neindukuje se v nich proud. Točivý moment by byl nulový a rotor by se dál otáčel jen setrvačností. Jestliže se však rotor mechanicky zatíží, musí se zpomalit, takže indukční čáry protínají vodiče, ve kterých se indukuje proud potřebný pro vznik tažné síly. Čím více se motor zatíží, tím větší musí být rotorový proud, a tedy tím pomaleji se musí rotor otáčet. S rostoucím zatížením se otáčky indukčního motoru zmenšují. Poměrný pokles otáček rotoru n vzhledem k otáčkám točivého magnetického pole n 0 se nazývá skluz a udává se obvykle v procentech s = (n 0 - n) / n 0 s = (n 0 - n) / n 0 100 [%] Skluz bývá podle odporu rotorového vinutí v rozmezí 1 až 10 %, průměrně asi 5 %. Malé motory mají skluz větší než velké motory. Protože se rotor indukčního motoru neotáčí synchronními otáčkami, nazývá se také asynchronní motor. Provedení asynchronních strojů Rozšíření asynchronních strojů napomohla jejich konstrukce, vhodná pro sériovou výrobu. Vzhledem ke střídavému magnetování je celý magnetický obvod složen z plechů. V nejčastějším provedení je na rotoru klecové vinutí (obr. 2.3.3.), vyrobené jako hliníkový odlitek, umístěný v neizolovaných drážkách. Součástí odlitku bývají i rotorové ventilační lopatky. Obr. 2.3.3. Klec nakrátko 3

Popis trojfázového indukčního motoru s kotvou nakrátko Řez moderním motorem s povrchovým chlazením je na obr. 2.3.4. Hlavní části motoru s kotvou nakrátko jsou: statorový svazek, statorové vinutí, kostra, rotor s klecí, ložiska, ložiskové štíty, ventilátor a statorová svorkovnice. Statorový svazek 1 tvoři mezikruží, složené z dynamových plechů tloušťky 0,5 mm. Jeho vnitřní obvod má drážky, ve kterých je uloženo trojfázové statorové vinutí 2, které po připojení na trojfázovou síť vybudí tzv. točivé magnetické pole. Toto pole vytváří točivý moment motoru. Statorový svazek je zalisován v litinové kostře 3, která dává motoru vnější tvar a umožňuje jeho připevnění k základu. Popisovaný motor má nejčastěji vodorovný patkový tvar. Kromě patek může mít motor i přírubu, která umožňuje jeho přímé spojení s poháněným strojem. Rotor 4 tvoří válec, složený také z dynamových plechů. Ty jsou u menších motorů nalisovány přímo na hřídel, u větších strojů jsou upevněny na rotorové nosné hvězdě. Rotor má na vnějším obvodu drážky vyplněné vodivými tyčemi 5. Tyče jsou po obou stranách spojeny vodivými kruhy 6 a tvoří dohromady tzv. rotorovou klec. Tyče i kruhy jsou nejčastěji z hliníku, který se nastříká do drážek a do zvláštních přiložených forem, ve kterých se vytvoří kruhy. Rotor je od statoru oddělen malou vzduchovou mezerou a otáčí se působením točivého magnetického pole. Točivý moment se na poháněný stroj přenáší pomocí hřídele, který vyčnívá ze zadního ložiskového štítu. Hřídel je upraven tak, že se na něj může nasadit řemenice nebo jeden kotouč spojky. Zadní štít motoru se nazývá ten štít, ze kterého vyčnívá hřídel. Tato strana se nazývá strana pohonu motoru. Přední ložiskový štít je na opačné straně pohonu. Hřídel je uložen ve dvou obvykle valivých ložiskách, která jsou upevněna v ložiskových štítech. Ložiskové štíty jsou svým tvarem přizpůsobeny tvaru statorové kostry a tvoří s ní jednotný celek. Přívod proudu k vinutí umožňuje statorová svorkovnice 10, zakrytá lisovaným plechovým krytem. Chlazení obstarává ventilátor 9, který je u zavřených motorů nasazen zvenku a upraven tak, že ofukuje proudem vzduchu její žebrovaný povrch. Obr. 2.3.4. Řez trojfázovým zavřeným motorem s povrchovým chlazením, 1 statorový svazek, 2 statorové vinutí, 3 žebrovaná kostra, 4 rotor s klecí, 5 tyče klece, 6 kruhy klece, 7 přední ložiskový štít, 8 zadní ložiskový štít, 9 vnější ventilátor, 10 statorová svorkovnice 4

Obr. 2.3.5. Řez asynchronním strojem Obr. 2.3.6. Řez moderním asynchronním strojem (uzavřený stroj s vnějším ventilátorem) 5

Obr. 2.3.7. Patkový trojfázový zavřený asynchronní motor s povrchovým chlazením, Obr. 2.3.8. Složení trojfázového asynchronního motoru s vlastním chlazením, Stroje s vinutým (kroužkovým) rotorem ztrácejí hlavní výhodu, spočívající v konstrukční jednoduchosti strojů nakrátko. Uplatňují se dnes již převážně v rekonstruovaných zařízeních, kde byly často původně navrženy pro použití s rotorovým odporovým spouštěčem. 6

MECHANICKÁ CHARAKTERISTIKA ASYNCHRONNÍHO MOTORU Normální průběh momentové charakteristiky motoru s kotvou nakrátko je na obr. 2.3.9a. V motorické oblasti je v rozsahu s = (0 až 1), což odpovídá rozsahu otáček n = (n 0 až 0). Zvlášť se vyznačí jmenovitý moment M n, odpovídající jmenovitým otáčkám, a moment maximální nazývaný také tzv. momentu zvratu M max. Obr. 2.3.9. Normální průběh momentové charakteristiky, typické průběhy momentových charakteristik v závislosti na druhu klece (rotoru) U motorů kroužkových lze zařazením vnějšího odporníku na kroužky rotoru zvětšovat skluz zvratu a tedy posunovat mechanickou charakteristiku dle obr. 2.3.10. Obr. 2.3.10. a) Momentové charakteristiky pro různý odpor rotoru, b) změna otáček při změně zatížení Pro praktické použití se dá charakteristika vypočítat pomocí tzv. zjednodušeného Klosova vztahu: 2M max M = kde skluz s sk + s s k a synchronní otáčky (tj. naprázdno) kde f 1 je napájecí kmitočet a p počet polpárů s n0 n = n 0 60 f = p 1 n0 7

Význam parametrů v Klosově vztahu M max (maximální moment) a s k (skluz zvratu) plynou z grafického vyjádření na obr. 2.3.11. a dají se vypočítat ze šťítkových údajů. Graficky je Klosův vztah vynesen na obr. 2.3.11. Na dalším obrázku 2.3.12. je pro dokreslení situace vynesen průběh proudů statoru a rotoru na otáčkách, resp. skluzu. Obr..2.3.11. Mech. charakteristika AM Obr. 2.3.12. Průběhy I 1, I 2 = f(s) Z rovnice mechanické charakteristiky vyplývají možnosti řízení rychlosti asynchronního motoru: Napájecím kmitočtem f 1 měníme synchronní rychlost, čímž dostaneme síť charakteristik posunutých vzhledem k rychlosti. Tato možnost je nejideálnější, protože spojená s nejmenšími ztrátami. Donedávna tento způsob ale narážel na absenci dostupných měničů kmitočtu. To se ovšem s rozvojem výkonové a řídicí elektroniky v posledních letech změnilo a dnes jsou běžně na trhu poměrně levné tranzistorové měniče kmitočtu (viz kap. 4 a 5). Ostatní způsoby regulace otáček u as. motorů nakrátko, které se pro své výhody dnes převážně používají, prakticky nepřipadají v úvahu (teoretická možnost regulace otáček pouze velikostí napájecího napětí je použitelná pouze ve velmi úzkém rozsahu otáček. Jiná je situace u motorů kroužkových, kde můžeme měnit sklon (tvrdost) mechanické charakteristiky zařazeným vnějším rotorovým odporníkem, což je zase ovšem ztrátové. Vlastnosti pohonů s frekvenčním řízením asynchronních motorů Frekvenčním řízením střídavých motorů lze v současné době docílit téměř vlastností stejnosměrných regulačních pohonů a lze očekávat ještě další rozmach v tomto směru s ohledem na výhody střídavých motorů vůči stejnosměrným, které spočívají především v tom, že tyto stroje nemají komutátor. U motorů nakrátko (a bezkroužkových synchronních motorů) odpadají i sběrací kroužky.mechanická robustnost a jednoduchost konstrukce ve srovnání se 8

stejnosměrnými motory klade menší požadavky na údržbu, (což je na příklad základní požadavek pro pohony v jaderné energetice), umožňuje vyšší mezní výkony, vyšší otáčky, použitelnost pro prostory s nebezpečím výbuchu v hornictví a v chemii a vyznačuje se malým momentem setrvačnosti. Zatímco stejnosměrné motory dovolují maximální obvodovou rychlost rotoru 110 m/s, synchronní motory s hladkou kotvou 130 m/s, asynchronní motory 200 m/s a homopolární stroje s masivním rotorem až 400 m/s. Relativně malé setrvačné rotující hmoty umožňují realizovat i dynamicky náročné pohony. Střídavé motory ve spojení s tyristorovými střídači umožňují dnes realizovat otáčky do 90 000 ot/min a pro malé výkony s tyristorovými střídači e frekvencí 4 khz a rychlosti 240 000 ot/min. Vysokootáčkové stroje se vyžadují ve zkušebnách spalovacích motorů, u obráběcích strojů, brusek, pro odstředivky, atd. Malá měrná hmotnost na jednotku výkonu a malé rozměry zvyšují v současné době přitažlivost střídavých motorů i pro trakci. Konstantní synchronní otáčky umožňují splnit požadavky na synchronní chod mnohamotorových pohonů v textilním průmyslu. Hlavní dosud uváděné nevýhoda tj. obtížná regulace rychlosti, je při současném stavu moderní výkonové elektroniky a výpočetní mikroelektroniky ve světě, téměř odstraněna. S vyjímkou ventilových kaskád byly zatím všechny probrané způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů spojeny se značnými ztrátami. Nejperspektivnější způsob řízení rychlosti je současné řízení frekvence a napětí nebo proudu, které s rozvojem tyristorových střídačů se rychle rozšiřuje. Řízením frekvence f se mění synchronní rychlost motoru ω 0 = 2πf/p p. Indukované napětí statoru je úměrné frekvenci a toku U i1 = 4.44 N 1 Φ m. f = konst. Φ m. f V prvém přiblížení zanedbáme úbytky napětí na statorové impedanci. Zmenšeni frekvence f vede při konstantním napětí U 1 k vzrůstu toku Φ m, k nasycení stroje a zvětšení magnetizačního proudu I µ, tedy ke zhoršení energetických ukazatelů, příp. k nadměrnému oteplení. Zvětšení frekvence f při konstantním napětí U, vede ke zmenšení magnetického toku a při stálém momentu na hřídeli motoru M=K Φ m I 2 cosϕ 2 způsobí vzrůst rotorového proudu, nadměrné oteplení vinutí a nedostatečné využití magnetického obvodu. Sníží se rovněž maximální moment M max. Z uvedeného rozboru vyplývá nutnost současné regulace frekvence a napětí nebo proudu, v závislosti na zatížení. Rozsah řízení bývá 1 : 15 až 1 : 20 pod základní rychlost ω 0 a 1 ; 2 až 1:4 nad ω 0. U speciálně konstruovaných strojů se horní hranice rychlosti může mnohonásobně zvýšit proti uvedeným údajům, spodní hranici můžeme snížit automatickou regulací rychlosti. Frekvenční a napěťové řízeni M max = M U 2 f 2 = s f 1 1n 1n max n U 1n f k kn 1 f1 s 9

Z rovnice vyplývá, že moment asynchronního motoru je úměrný čtverci napětí, takže asynchronní motor je citlivý na kolísání sítového napětí. Při stálém momentu na hřídeli M = konst je nutné udržet konstantní magnetický tok Φ m, což vede k současnému řízení napětí U a frekvence f tak, aby platilo U / f = konst. Maximální moment a skluz zvratu pro aktuální hodnotu napětí a kmitočtu určíme z výše uvedených rovnic. Mechanické charakteristiky jsou znázorněny na obr. 2.3.13a) za předpokladu, že napětí je řízeno dle výše uvedeného vztahu U / f = konst.. V případě, že řídíme napětí U 1, úměrné frekvenci f 1 i pro nízké rychlosti, je vyznačená mechanická charakteristika čárkovaně (moment klesá vlivem úbytku napětí na statorovém odporu, což je v uvedených vzorcích zanedbáno). Při řízení rychlosti nad základní rychlost (poměrná rychlost vztažena na jmenovitou hodnotu ν>1 ) by při řízení napětí dle výše uvedeného vztahu rostl s napětím také typový výkon a proto se častěji v této oblasti užívá zeslabení magnetického pole podobně jako u stejnosměrného motoru. Toto zeslabení však nemá vliv na rychlost naprázdno (jako u ss motoru) nýbrž pouze na průběh momentu. Zpravidla se při rychlostech nad ω 0 udržuje konstantní jmenovité napětí U 1 = U 1n. V tom případě moment motoru klesá dle vztahu M=M n / ν 2. Tomuto řízení v obou rozsazích odpovídají mechanická charakteristiky znázorněné na obr. 2.3.13b. Obr. 2.3.13. Mechanické charakteristiky AM při frekvenčním řízení 10