Jak se rotor otáčí?

Nejúčinnějším zařízením, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou, je asynchronní motor, který vynalezl inženýr Dolivo-Dobrovolsky na konci 19. století. Vzhledem k rostoucímu zájmu současníků o vývoj a montáž obráběcích strojů, samojízd a dalších mechanismů se pokusíme vysvětlit, jak funguje asynchronní elektromotor, abyste pochopili princip jeho činnosti a efektivně jej používali.

Zařízení asynchronního motoru

Jeho design obsahuje následující prvky:

• Válcový statorsestavené z ocelových plechů. Jádro statoru má drážky, ve kterých jsou uložena vinutí. Jejich osy jsou vůči sobě posunuty o 120 stupňů.
• Rotor (zkrat nebo fáze). První možností je jádro s hliníkovými tyčemi, koncovými kroužky nakrátko (klec na veverku). Druhá možnost se skládá z třífázového vinutí, nejčastěji spojeného “hvězdou”.
• Konstrukční detaily – hřídel, ložiska, tlapky, koncové štíty, plášť oběžného kola a ventilátoru, svorkovnice – zajišťující otáčení, chlazení a ochranu mechanismu.

Schéma indukčního motoru s jeho detaily lze snadno najít na internetu nebo v příručkách.

Princip činnosti indukčního motoru

Princip činnosti asynchronního elektromotoru spočívá v jeho názvu (nikoli synchronní). To znamená, že stator a rotor, když jsou zapnuté, vytvářejí magnetická pole rotující na různých frekvencích. V tomto případě je frekvence otáčení magnetického pole rotoru vždy menší než frekvence otáčení magnetického pole statoru.

Chcete-li si tento proces lépe představit, vezměte permanentní magnet a otočte jej kolem své osy poblíž měděného disku. Disk s mírným zpožděním se po magnetu začne otáčet. Faktem je, že když se magnet otáčí, jsou ve struktuře disku excitovány Foucaultovy proudy (indukční proudy) pohybující se v začarovaném kruhu. Ve skutečnosti jsou to zkratové proudy, které zahřívají kov. V disku se „narodí“ jeho vlastní magnetické pole, které následně interaguje s polem magnetu.

V asynchronním motoru se vinutí statoru používá k vytvoření točivého pole. Jimi tvořený magnetický tok vytváří EMF ve vodičích rotoru. Interakcí magnetického pole statoru a indukovaného proudu ve vinutí rotoru vzniká elektromagnetická síla, která pohání hřídel motoru.

Postup krok za krokem je následující:

1. Při spouštění motoru se magnetické pole statoru protíná s obvodem rotoru a indukuje elektromotorickou sílu.
2. Ve zkratovaném rotoru vzniká střídavý proud.
3. Dvě magnetická pole (stator a rotor) vytvářejí krouticí moment.
4. Spřádací rotor se snaží „dohnat“ pole statoru.
5. V tom okamžiku, kdy se frekvence otáčení magnetického pole statoru a rotoru shodují, jsou elektromagnetické procesy v rotoru utlumeny a točivý moment se rovná nule.
6. Magnetické pole statoru vybudí obvod rotoru, který v této době opět zaostává.

To znamená, že rotor je vždy pomalejší než magnetické pole statoru, což zajišťuje asynchronii.

Protože se proud indukuje v rotoru bezkontaktně, není potřeba instalovat kluzné kontakty, což činí asynchronní motory spolehlivějšími a účinnějšími. Změnou směru proudu v jednom z vinutí (k tomu musíte změnit fáze na svorkách) můžete motor „přimět“ otáčet se v jednom nebo druhém směru.

Směr elektromagnetické síly lze snadno určit, zapamatovat si školní kurz fyziky a použít „pravidlo levé ruky“.

Frekvence rotace magnetického pole statoru je ovlivněna frekvencí napájecí sítě a počtem pólových párů. Protože počet pólových párů závisí na typu motoru a zůstává nezměněn, pokud chcete změnit rychlost pole, musíte změnit frekvenci sítě pomocí měniče.

Výhody indukčních motorů

Vzhledem k tomu, že zařízení a princip činnosti asynchronního elektromotoru jsou poměrně jednoduché, má mnoho výhod a je široce používán ve všech oblastech národního hospodářství a v každodenním životě. Motory tohoto typu se vyznačují:

• Spolehlivost a trvanlivost. Absence kontaktu mezi pohyblivými a pevnými částmi minimalizuje možnost opotřebení a rozbití.
• Nízké náklady. Jsou dostupné (není divu, že 90 % všech motorů vyrobených na světě je asynchronních).
• Snadné ovládání. K jejich použití není nutné mít speciální znalosti a dovednosti.
• Všestrannost. Mohou být instalovány na téměř jakékoli zařízení.

Vynález asynchronního elektromotoru byl významným přínosem pro rozvoj vědy, průmyslu a zemědělství. Udělalo to náš život pohodlnějším.

Jedním z nejběžnějších typů elektrických strojů na světě je indukční motor. Vzhledem ke své vysoké spolehlivosti a nenáročnosti v provozu jsou takové jednotky široce používány v celé řadě průmyslových odvětví a zemědělství, pomáhají řešit domácí a obecné výrobní problémy jakékoli složitosti. Proto v tomto článku podrobně zvážíme vlastnosti asynchronních motorů.

Zařízení

Konstrukčně nejjednodušší asynchronní stroj je rám rotující ve střídavém magnetickém poli. V praxi má však tento model spíše průzkumný charakter a v průmyslu nemá praktické uplatnění. Proto na obrázku 1 níže budeme uvažovat zařízení současného modelu asynchronního elektromotoru.

Rýže. 1. Zařízení asynchronního elektromotoru

Celý motor je umístěn ve skříni postele 7, jeho hlavním úkolem je poskytnout dostatečnou mechanickou pevnost, aby odolala dostatečným silám. Čím vyšší je tedy výkon jednotky, tím větší by měla být pevnost rámu a karoserie.

Uvnitř těla je instalováno jádro stator 3, působící jako magnetický vodič pro elektrické vedení pracovního pole. Pro snížení ztrát v oceli je magnetický obvod vyroben z laminovaných plechů, u řady modelů se však používá i monolitické provedení.

Zapadá do drážek jádra statoru navíjení 2, navržený tak, aby procházel elektrickým proudem a generoval EMF. Počet vinutí bude záviset na počtu pólových párů na fázi. Také z hlediska položených vinutí se elektromotory dělí na:

• třífázový;
• dvoufázový;
• jednofázový.

Uvnitř statoru je pohyblivý prvek – rotor 6. Konstrukčně může být rotor klecový nebo fázový, obrázek ukazuje první možnost. Rotor obsahuje jádro 5, rovněž z vrstvené oceli a klec pro veverky 4. Celá konstrukce je napíchnuta na kov hřídel 1 přenášející rotaci a mechanickou sílu.

Princip činnosti

Spočívá ve vytvoření elektromagnetického pole kolem vodiče, kterým protéká elektrický proud. U asynchronního elektromotoru tento proces začíná ihned po přivedení napětí na vinutí statoru, načež se v rotoru indukuje EMF vzájemné indukce, která indukuje vířivé proudy v kovovém rámu. Přítomnost vířivých proudů způsobuje generování vlastního EMF, které tvoří elektromagnetické pole rotoru. Nejúčinnější účinnost asynchronního elektrického stroje je dosaženo při provozu z třífázové sítě.

Konstrukčně jsou vinutí statoru vzájemně odsazena v prostoru o 120°, což je znázorněno na obrázku 2 níže:

Rýže. 2. Geometrický fázový posun ve statoru

Tato technika umožňuje přestavět magnetické pole pracovních vinutí v přísném souladu s napětím třífázové sítě, která má podobný rozdíl v křivkách elektrické hodnoty.

Rýže. 3. Princip vzniku magnetického toku asynchronního motoru

Na obrázku 3 výše jsou všechny tři fáze zobrazeny v různých barvách, aby bylo snazší pochopit proces, také ukazuje křivku proudů tekoucích ve fázích indukčního motoru. Nyní se podívejme na fyzikální procesy ve vinutí motoru pro tři polohy zobrazené na obrázku:

• I – v této poloze teče maximální proud v červeném vinutí motoru a hodnota proudu ve žlutém a modrém je stejná. Hlavní tok siločar je tvořen červenou fází a další dvě ji doplňují.
• II – v tomto bodě je žlutá sinusoida rovna nule, takže nevytváří žádný tok a červený a modrý proud jsou stejné. Proud je tvořen dvěma fázemi najednou a posouvá se ve směru hodinových ručiček doprava, čímž se zatáčí.
• III – třetí bod je charakterizován maximální proudovou zátěží pro modrou křivku a červená a žlutá mají stejnou amplitudu, ale opačný směr. V důsledku toho se maximální magnetické čáry jižního a severního pólu posunou o dalších 30°.

Podle tohoto principu se magnetické pole statoru otáčí v asynchronním elektrickém stroji během periody. Vlivem magnetické interakce s polem statoru asynchronního elektromotoru dochází k translačnímu pohybu rotoru kolem jeho osy. Dá se říci, že rotor se snaží dohnat pole statoru. Je to kvůli rozdílu v rotaci polí, že se tento typ elektrického stroje nazýval asynchronní.

Rozdíl od synchronního motoru

Spolu s jednoduchými asynchronními elektrickými stroji se v průmyslu používají i synchronní jednotky. Hlavním rozdílem mezi synchronním motorem je přítomnost pomocného vinutí na rotoru, určeného k vytvoření konstantního magnetického toku.jak je znázorněno na obrázku 4 níže.

Rýže. 4. Rozdíl mezi asynchronním a synchronním motorem

Toto vinutí vytváří magnetický tok, který nezávisí na přítomnosti elektromotorické síly ve vinutí statoru elektromotoru. Proto při vybuzení synchronního motoru se jeho hřídel začne otáčet současně s polem statoru. Na rozdíl od asynchronního typu, kde je rozdíl v pohybu, který je fyzikálně vyjádřen jako skluz a je vypočítán podle vzorce:

kde s je množství skluzu, měřeno v procentech, n₁ je frekvence, se kterou se pole statoru otáčí, n₂ je frekvence, při které se rotor otáčí.

Synchronní elektromotory se používají v těch zařízeních, kde je důležité dodržet vysokou přesnost synchronizace napájení a začátku pohybu. Zajišťují také zachování výkonu během spouštění.

V praxi existuje velké množství druhů asynchronních elektromotorů, které se liší jak rozsahem, tak výkonem podle GOST 12139-84. Vzhledem k tomu, že není možné vyjmenovat všechny varianty, budeme zvažovat nejvýznamnější kritéria, podle kterých se asynchronní zařízení dělí na typy.

Podle počtu fází dodávky jsou:

• třífázové – používají se v sítích, kde je možné připojit všechny fáze najednou, ale ve zvláštních případech je lze spustit i v jednofázové síti;
• dvoufázové – používané v mnoha domácích spotřebičích, sestávají ze dvou pracovních vinutí, z nichž jedno je napájeno síťovým napětím a druhé je připojeno přes kondenzátor s fázovým posunem.
• jednofázové – stejně jako předchozí model obsahují dvě vinutí, z nichž jedno je funkční a druhé je spouštěcí.

Podle typu rotoru se rozlišují:

• s rotorem nakrátko – má obtížný rozběh, ale také nižší cenu;
• s fázovým rotorem – na rotoru je instalováno pomocné vinutí, díky kterému je chod elektromotoru plynulejší.

Způsob napájení:

• stator – klasické modely, ve kterých jsou pracovní vinutí instalovány na statoru;
• rotační – pracovní vinutí jsou umístěna na točivém prvku, v praxi se hojně používají asynchronní motory Schrage-Richter.

Způsoby spouštění a schémata zapojení

Indukční motor s kotvou nakrátko má nízkou cenu, vysoké startovací proudy a nízkou startovací sílu. Proto lze pro různé účely použít různé metody spouštění, které snižují zapínací proud ve vinutí a zlepšují výkon:

• stejnosměrné – napětí je dodáváno do elektromotoru přes spouštěče nebo stykače;
• přepnutí schématu zapojení vinutí motoru z hvězdy na trojúhelník;
• pokles napětí;
• hladký start;
• změna frekvence napájecího napětí.

Jednofázový asynchronní motor.

Pro asynchronní jednofázový elektromotor lze použít tři hlavní způsoby spouštění:

Třífázový asynchronní motor.

Třífázové asynchronní jednotky lze připojit následujícími způsoby:

• Přímo do obvodu přes startér nebo stykač, což zajišťuje jednoduchost procesu, ale generuje maximální proudy. Tato metoda není vhodná v případě velkého mechanického zatížení hřídele.
• Přepínání obvodu z hvězdy na trojúhelník – používá se ke snížení proudů ve vinutí motoru snížením napájecího napětí z lineárního na fázové.
• Připojením přes měnič napětí, reostaty nebo autotransformátor snížit potenciální rozdíl. Používá se také změna počtu párů pólů, frekvence napájecího napětí a další.

Třífázové asynchronní motory mohou navíc v obvodu používat přímé a reverzní schéma zapojení. První možnost se používá pouze pro otáčení hřídele motoru v jednom směru. V opačném schématu můžete přepínat pohyb pracovního těla ve směru vpřed a vzad.

Rýže. 9: přímý okruh bez možnosti couvání

Uvažujme nereverzibilní spouštěcí obvod pro asynchronní elektromotor (obrázek 9). Zde přes třípólový jistič QF1 napájení je dodáváno do startéru KM1. Po stisknutí tlačítka SB2 napětí bude přivedeno na vinutí motoru, zastaví se tlačítkem SB1. Tepelné relé KK1 slouží k ovládání teploty topení a žárovky HL1 signalizuje, že stykač je zapnutý.

Obrázek 10: obvod přímého připojení s reverzním chodem

Reverzní obvod (viz obrázek 10) je podobný, ale používá dva spouštěče. KM1 и KM2. Přímé zařazení asynchronního elektromotoru se provádí tlačítkem SB2, a naopak SB3.

přihláška

Rozsah asynchronních elektromotorů pokrývá poměrně velký segment lidské ekonomické činnosti. Proto je lze nalézt v různých typech obráběcích strojů – soustružení, broušení, frézování, válcování atd. Při práci jeřábů, kladkostrojů, kladkostrojů a dalších mechanismů.

Používají se pro výtahy, důlní zařízení, zemní stroje, eskalátory, dopravníky. V každodenním životě je lze nalézt ve ventilátorech, mikrovlnných troubách, pekárnách chleba a dalších pomocných zařízeních. Taková popularita asynchronních elektromotorů je způsobena jejich významnými výhodami.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody asynchronních elektromotorů ve srovnání s jinými typy elektrických strojů patří:

• Relativně nižší náklady ve srovnání s jinými typy elektromotorů díky jednoduchosti konstrukce;
• Vysoký stupeň spolehlivosti, kvůli absenci pomocných prvků, zřídka selhávají;
• Schopný odolat krátkodobému přetížení;
• Lze připojit přímo k okruhu bez použití dalšího vybavení;
• Nízké náklady na údržbu během provozu.

Hlavní nevýhodou asynchronního motoru jsou poměrně velké rozběhové proudy a slabý rozběhový moment, což do jisté míry omezuje rozsah přímého spínání. Také asynchronní elektromotory mají nízký účiník a jsou velmi závislé na parametrech napájecího napětí.