Indukční stroje asynchronní motory Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha 1
Indukční stroj je nejpoužívanější a nejrozšířenější elektrický točivý stroj a jeho význam neustále roste. Rozdělení podle toku energie: - indukční motor - indukční generátor - indukční brzda Rozdělení podle počtu fází: - jednofázové - trojfázové Rozdělení podle konstrukce rotoru: - rotor nakrátko - kroužkový motor - speciální rotor Rozdělení podle pohybu motoru: - rotační pohyb - lineární pohyb
3
4
Základní princip funkce založen na točivém magnetickém poli (Vynalezl Nikola Tesla kolem roku 1887) 3y 3x II 3 30 I y 1y 1 30 III x y x. Připojme tři stejné cívky otočené vůči sobě o 10 a spojené do hvězdy ke zdroji třífázového proudu. V jednotlivých cívkách se průchodem střídavého proudu vytvářejí harmonická magnetická pole o magnetických indukcích stejných amplitud, posunutých o 10.. sin t 1 = ω = sin ( ω t 3 4 = sin ( ω t 3 π ) 3 π ) 5
, Středem systému položíme souřadný systém X Y a vypočteme složky výsledné magnetické indukce, x a y. 1 x = 0 o x = cos30 = o 3 x = 3 cos 30 = 1 y = 1 y 3 y = = 3 o cos60 = o 3 cos 60 = 3 3 3, 3y 3x II 3 30 I y 1y 1 30 III y x x 6
7 Elektrické stroje pro hybridní pohony t t x x x x ω ω π cos 3 cos 3 sin 3 ) ( 3 3 3 1 = = = + + = t t t y y y y ω ω π ω sin 3 sin 3 cos 1 sin ) ( 1 3 1 3 1 = + = + = + + = Výsledné složky x a y všech tří fázorů indukce Obě složky indukce magnetického pole x a y představují dva harmonické kmity na sebe kolmé a posunuté ve fázi o π /.
Elektrické stroje pro hybridní pohony Jejich složením dostaneme pohyb koncového bodu vektoru magnetické indukce po kružnici, s poloměrem rovným výsledné amplitudě 0 = = x + y 3/. a s kruhovou frekvencí plynoucí ze vztahu y tg ϕ = = x tg ω t Mezi cívkami vzniká tedy magnetické pole, jehož vektor magnetické indukce má velikost 0 a otáčí se kolem středu s úhlovou rychlostí ω. Vzniká točivé magnetické pole. http://mi1.vsb.cz/flash-animace/magneticke-pole-statoru-asynchronnihomotoru http://www.youtube.com/watch?v=8xf- 11MQGQ0&feature=player_embedded 8
Magnetický obvod statoru a rotoru používají se plechy válcované za studena (dynamové plechy) s obsahem křemíku 3% a tloušťky 0,5 mm. * plechy jsou izolované lakem * do plechu jsou vylisovány drážky pro vinutí a pro stažení a upevnění svazku * jednotlivé plechy jsou staženy do statorového svazku * statorový svazek je připevněn na kostru, rotorový svazek je nalisován na rotor * mezi magnetickým obvodem statoru a rotoru je vzduchová mezera. Měla by být co nejmenší a její velikost je dána technologickými možnostmi (do 1 mm). 9
Magnetický obvod asynchronního stroje ěžné průměry magnetického obvodu magnetický obvod v celku Průběh indukčního toku mezi rotorem a statorem 10
Vinutí asynchronního stroje Statorové plechy Statorové vinutí Rotorové vinutí Zkratovací kruh rotoru 11
uspořádání cívek na obvodu statoru rozložení cívek v drážkách magnetického obvodu statoru 1
Konstrukční provedení základních dílů indukčních strojů 1. Kostra motoru litina nebo hliník (malé motory) * není součástí magnetického obvodu * žebra umožňují lepší odvod tepla. Ložiska * valivá (kuličková) ložiska * provedení ložiska je dáno provozem motoru (axiální a radiální namáhání) * životnost ložiska je podle druhu provozu 0 000 40 000 hodin * požadavky na mazání jsou dány výrobcem 3. Ventilátor * plastový, způsob chlazení je dán výrobcem 13
Provedení klece rotoru 14
Typy klecových rotorů a)drážky pro kruhové tyče b)drážky pro dvojitou klec c)tvary hlubokých drážek 15
Počet pólů motoru * základním prvkem pro vinutí je cívka * každá fáze je tvořena několika cívkami, které jsou vzájemně propojeny do série * při průchodu proudu je cívka elektromagnet, mezi jehož póly se vytváří magnetické pole * vzájemná pozice (úhel) severního a jižního pólu se nazývá pólová rozteč (t p ). * pólová rozteč určuje počet pólů motoru (p) a tím i otáčky motoru t p se udává elektricky a geometricky. S t p elektricky je vždy 180 0 t p geometricky je 180 0 /p kde p počet pólových dvojic t p geo = t p ele /p J S J J t p = 180 0 ele = 180 0 geo p = 1 t p = 180 0 ele = 90 0 geo p = S 16
Provedení čtyřpólového indukčního stroje 17
Charakteristiky asynchronního motoru Momentová charakteristika asynchronního motoru 18
Charakteristiky asynchronního motoru Pro praktické použití se dá charakteristika vypočítat pomocí tzv. zjednodušeného Klosova vztahu: sk skluz na mezi zvratu (s max) 19
Řízení otáček asynchronních motorů Nejperspektivnější způsob řízení rychlosti je současné řízení frekvence a napětí nebo proudu, které s rozvojem polovodičových střídačů se rychle rozšiřuje. Pokročilejší způsoby řízení jsou založeny na tzv. vektorovém řízení, které je pokročilejší formou kmitočtového řízení. Řízením frekvence f se mění synchronní rychlost motoru ω0 = πf/pp. Indukované napětí statoru je úměrné frekvenci a toku Ui1 = 4,44 N1Φm f = konst. *Φm * f Zmenšeni frekvence f vede při konstantním napětí U1 k vzrůstu toku Φm, k nasycení stroje a zvětšení magnetizačního proudu Iµ, tedy ke zhoršení energetických ukazatelů, případně k nadměrnému oteplení. 0
Zvětšení frekvence f při konstantním napětí U, vede ke zmenšení magnetického toku a při stálém momentu na hřídeli motoru M = K Φm I cosφ způsobí vzrůst rotorového proudu, nadměrné oteplení vinutí a nedostatečné využití magnetického obvodu. Sníží se rovněž maximální moment Mmax. Vlastnosti pohonů s frekvenčním řízením asynchronních motorů Frekvenčním řízením střídavých motorů lze v současné době docílit téměř vlastností stejnosměrných regulačních pohonů. Díky technice vektorového řízení asynchronních motorů jsou vlastnosti stejnosměrných pohonů těmito pohony překonány. U motorů nakrátko (a bezkroužkových synchronních motorů) odpadají i sběrací kroužky. Mechanická robustnost a jednoduchost konstrukce ve srovnání se stejnosměrnými motory klade menší požadavky na údržbu. 1
Frekvenční a napěťové řízeni 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 Φm, což vede k současnému řízení napětí U a frekvence f tak, aby platilo U / f = konstanta
Momentové charakteristiky AM při kmitočtovém řízení otáček 3
Rozběh motoru s kotvou nakrátko u trojfázových motorů s výkonem nad 5kW je vyžadován spouštěcí režim omezující rozběhový proud. Lze použít:statorové spouštění-zmenšuje rozběhový proud snížením napětí na statoru a. Statorový spouštěč s odporem. b. Rozběhové transformátory vesměs zapojeny jako autotransformátory. c. Rozběh hvězda trojúhelník při rozběhu v zapojení do hvězdy je napětí na vinutích -krát menší, přívodní rozběhový proud klesne třikrát. d. Rozběh elektronickým spouštěčem softstartérem (elektronická obdoba autotransformátoru). e. Rozběh a regulace otáček měničem kmitočtu (při napájení ss napětím použit střídač). 4
Způsoby regulace otáček asynchronních motorů 1. Změnou počtu pólů - skokově Používá se v méně náročných aplikacích, kde přepínatelné vinutí nám umožňuje motor přepojovat na různý počet pólů (např. dvojpól /čtyřpól). Tato regulace je skoková a používá se jen ve vybraných aplikacích (pračkové motory, elektrické brusky, atd.).. Změnou napájecího napětí (skluzová regulace) Změnu napájecího napětí lze realizovat softstarterem. To nejsou měniče frekvence, ale jen měniče napětí snižují směrem dolů a tím se snižují statické charakteristiky jak maximální, tak i záběrný moment. Tímto způsobem nelze dosáhnout velkého rozsahu regulace otáček (max. o 10 0 % ). 5
Protože moment závisí na druhé mocnině napětí, dochází snižováním napájecího napětí k velkému poklesu momentu. Tato regulace je energeticky nevýhodná, protože je založena na zvětšování skluzu. Zvětšení skluzu znamená zvětšení ztrát v rotoru (rotor se více ohřívá) a to může mít další neblahé důsledky na oteplení motoru. Ojediněle se vyrábějí motory s větším odporem rotoru. Ty mají větší sklon (menší strmost) mommentové charakteristiky, což umožňuje větší rozsah regulace. 6
3. Změnou odporu v rotoru. (kroužkového motoru) Regulace je možná jen u motorů s kotvou kroužkovou. 7
4. Změnou frekvence - frekvenční měniče. Tento způsob je nejvýhodnější i z hlediska energetického, protože zde nevznikají další přídavné ztráty. Skluz je pořád stejný, ať charakteristiku pomocí frekvence posuneme na ose otáček kamkoliv. Změnou frekvence lze plynule posouvat momentovou charakteristiku podle požadovaných otáček. Musí však být dodržen základní předpoklad stále stejného magnetického toku, jako při jmenovitém kmitočtu a napětí. Motor se nesmí přesycovat ale na druhé straně by byla škoda, kdyby magnetický tok byl nižší, protože moment motoru je dán součinem magnetického toku a proudu. To vede na podmínku konstantního poměru U / f. Naopak při zvyšování kmitočtu napájecího napětí nad jmenovitou hodnotu již nelze napájecí napětí zvyšovat měnič není schopen jej zvýšit. Pak motor je napájen napětím konstantní úrovně, ale zvyšujícím se kmitočtem. Reaktance statorového vinutí roste, proud motoru klesá a v důsledku toho klesá s hyperbolickou závislostí i moment. 8
Důsledek je odbuzování motoru - magnetický tok se snižuje. Je to stejný princip, jako bychom regulovali stejnosměrný motor s cizím buzením, změnou budícího proudu. Proto také při aplikaci asynchronních motorů s kmitočtovým řízením je můžeme zatěžovat až do jmenovité rychlosti jmenovitým momentem. Při vyšších otáčkách jejich zatížitelnost klesá. 9
Vektorové řízení momentu Základní podmínkou vektorového řízení střídavého motoru je oddělení regulačních obvodů pro moment a magnetický tok tak, aby se vzájemně neovlivňovaly. Regulačním obvodem momentu se nastavuje moment motoru, a tedy činný výkon, regulačním obvodem magnetického toku se realizuje výsledný magnetický tok stroje, a tedy jalový výkon. Princip vektorového řízení spočívá v rozložení prostorového vektoru statorového proudu do dvou kolmých složek v rotujícím souřadnicovém systému, který může být orientován na prostorový vektor statorového nebo rotorového magnetického toku, případně na prostorový vektor výsledného magnetického toku. Složky prostorového vektoru statorového proudu pak určují moment a magnetizaci stroje. Momentotvorná složka vektoru statorového proudu určuje společně s příslušným vektorem magnetického toku moment stroje. Magnetizační složka ležící ve směru vektoru magnetického toku ovlivňuje magnetizaci motoru. 30
lokové schéma vektorově řízeného elektrického pohonu s asynchronním motorem 31
Přímé řízení momentu Princip přímého řízení momentu (DTC) spočívá ve vytvoření točivého magnetického pole ve statoru pomocí spínacích kombinací výkonového měniče (napěťového střídače), přičemž rychlost otáčení magnetického pole a tím také velikost momentu motoru je možné řídit buď pulzním spínáním nulového vektoru napětí, nebo pulzním přepínáním směru otáčení vektoru statorového magnetického toku. Přímé řízení momentu bylo vyvinuto přibližně před 0 lety (Depenbrock 1985, Takahashi a Noguchi 1985). Z průmyslových společností metodu DTC pro své výkonové měniče používá firma A. Metoda je charakterizována následujícími vlastnostmi: přímé řízení magnetického toku a momentu (výběrem optimálního spínacího vektoru napěťového střídače); nepřímé řízení statorových proudů a napětí; přibližně sinusový průběh statorových toků a statorových proudů; vysoká dynamika; spínací frekvence závisí na velikosti hysterezního pásma dvoupolohových regulátorů toku a momentu a vzorkovací frekvenci. 3
lokové schéma elektrického pohonu s asynchronním motorem s přímým řízením momentu 33
34
35
36