Nejcharakterističtější magnetický jev – přitahování kousků železa magnetem – je znám již od starověku. Další velmi důležitou vlastností magnetů je přítomnost pólů: severní (záporný) a jižní (kladný). Opačné póly se přitahují a jako póly se odpuzují.
Magnetické pole
Magnetické pole může být konvenčně reprezentováno čarami ve formě magnetického toku pohybujícího se od severního pólu k jihu. V některých případech je určení, kde je severní a jižní pól, poměrně obtížné.
Elektromagnetismus
Kolem vodiče, když jím prochází elektrický proud, vzniká magnetické pole. Tento jev se nazývá elektromagnetismus. Fyzikální zákony jsou stejné pro magnetismus a elektromagnetismus.
Magnetické pole kolem vodičů lze posílit jejich navinutím na cívku s ocelovým jádrem. Když je vodič navinut kolem cívky, všechny čáry magnetického toku generované každým závitem se spojí a vytvoří kolem cívky jediné magnetické pole.
Čím více závitů na cívce, tím silnější je magnetické pole. Toto pole má stejné vlastnosti jako přirozené magnetické pole, a proto má také severní a jižní pól.
Otáčení hřídele elektromotoru je způsobeno působením magnetického pole. Hlavní části elektromotoru: stator a rotor.
Rotor:
Pohyblivá část elektromotoru, která se otáčí s hřídelí elektromotoru a pohybuje se spolu s magnetickým polem statoru.
Stator:
Pevná součást elektromotoru. Obsahuje několik vinutí, jejichž polarita se mění, když jimi prochází střídavý proud (AC). Vzniká tak kombinované magnetické pole statoru.
Rotace pod vlivem magnetického pole
Výhodou magnetických polí vytvářených cívkami s proudem je schopnost prohodit póly magnetu změnou směru proudu. Právě tato schopnost měnit póly se využívá k přeměně elektrické energie na mechanickou energii.
Stejně jako se póly magnetů odpuzují, opačné póly se přitahují. O této vlastnosti lze říci, že se používá k vytvoření kontinuálního pohybu rotoru neustálou změnou polarity statoru. Rotor je zde magnet, který se může otáčet.
Rotace pólů pomocí střídavého proudu
Rotace pólů pomocí střídavého proudu
Polarita se neustále obrací pomocí střídavého proudu (AC). Dále uvidíme, jak je rotor nahrazen magnetem, který se otáčí vlivem indukce. Střídavý proud zde hraje důležitou roli, proto bude užitečné zde o něm uvést několik stručných informací:
Střídavý proud – AC
Střídavým proudem se rozumí elektrický proud, který periodicky mění svůj směr v obvodu tak, že průměrná hodnota proudu za dané období je nulová. Rotující magnetické pole lze vytvořit pomocí třífázového napájení. To znamená, že stator je připojen k třífázovému střídavému zdroji. Kompletní cyklus je definován jako cyklus 360 stupňů. To znamená, že každá fáze je umístěna pod úhlem 120 stupňů vůči druhé. Fáze jsou znázorněny jako sinusové křivky, jak je znázorněno na obrázku.
Třífázový střídavý proud
Třífázové napájení je nepřetržitá řada překrývajících se napětí střídavého proudu (AC).
Přepólování
Následující stránky vysvětlují, jak se rotor a stator vzájemně ovlivňují, aby se motor otáčel.
Pro názornost jsme nahradili rotor otočným magnetem a stator cívkami. Na pravé straně stránky je obrázek dvoupólového třífázového elektromotoru. Fáze jsou spojeny po párech: 1. fáze odpovídá cívkám A1 a A2, 2. fáze – B1 a B2 a 3. fáze odpovídá C1 a C2. Když je proud přiváděn do cívek statoru, jedna z nich se stane severním pólem, druhá se stane jižním pólem. Pokud je tedy A1 severní pól, pak A2 je jižní pól.
Napájení střídavým proudem
Vinutí fází A, B a C jsou vůči sobě umístěna pod úhlem 120 stupňů.
Počet pólů elektromotoru je určen počtem průsečíků pole vinutí s polem rotoru. V tomto případě je každé vinutí zkříženo dvakrát, což znamená, že máme dvoupólový stator. Pokud by se tedy každé vinutí objevilo čtyřikrát, byl by to čtyřpólový stator atd.
Když je na fázová vinutí přiveden elektrický proud, hřídel motoru se začne otáčet rychlostí určenou počtem pólů (čím méně pólů, tím nižší rychlost)
Rotace rotoru
Dále je popsán fyzikální princip činnosti elektromotoru (jak se rotor otáčí uvnitř statoru). Pro názornost vyměňme rotor za magnet. Všechny změny v magnetickém poli probíhají velmi rychle, takže musíme celý proces rozdělit na etapy. Při průchodu třífázového střídavého proudu vinutím statoru v něm vzniká magnetické pole, jehož výsledkem jsou mechanické síly, které způsobují otáčení rotoru ve směru otáčení magnetického pole.
Jakmile se magnet začne otáčet, bude sledovat měnící se magnetické pole statoru. Statorové pole se změní tak, aby se udrželo otáčení v jednom směru.
Indukce
Dříve jsme zjistili, jak se běžný magnet otáčí ve statoru. Střídavé motory mají spíše rotory než magnety. Náš model je velmi podobný skutečnému rotoru, až na to, že rotor je polarizován vlivem magnetického pole. To je způsobeno magnetickou indukcí, díky které se ve vodičích rotoru indukuje elektrický proud.
Indukce
Rotor funguje v podstatě stejně jako magnet. Když je elektromotor zapnutý, proud protéká vinutím statoru a vytváří elektromagnetické pole, které se otáčí ve směru kolmém na vinutí rotoru. Ve vinutí rotoru se tedy indukuje proud, který pak kolem rotoru a polarizace rotoru vytváří elektromagnetické pole.
V předchozí části, aby bylo snazší vysvětlit princip fungování rotoru, jeho nahrazení magnetem pro názornost. Nyní vyměníme stator za magnet. Indukce je jev, ke kterému dochází, když se vodič pohybuje v magnetickém poli. Relativní pohyb vodiče v magnetickém poli vede ke vzniku tzv. indukovaného elektrického proudu ve vodiči. Tento indukovaný proud vytváří magnetické pole kolem každého vinutí vodiče rotoru. Protože třífázové střídavé napájení způsobuje rotaci magnetického pole statoru, indukované magnetické pole rotoru bude následovat tuto rotaci. Tímto způsobem se bude hřídel motoru otáčet. Střídavé motory se často nazývají AC indukční motory nebo AC indukční motory.
Princip činnosti elektromotorů
Indukční motory se skládají z rotoru a statoru.
Proudy ve vinutí statoru jsou vytvářeny fázovým napětím, které pohání indukční motor. Tyto proudy vytvářejí rotující magnetické pole, nazývané také pole statoru. Rotující magnetické pole statoru je určeno proudy ve vinutích a počtem fázových vinutí.
Rotující magnetické pole vytváří magnetický tok. Rotující magnetické pole je úměrné elektrickému napětí a magnetický tok je úměrný elektrickému proudu.
Rotující magnetické pole statoru se pohybuje rychleji než rotor, což podporuje indukci proudů ve vinutích vodičů rotoru, což má za následek vznik magnetického pole rotoru. Magnetická pole statoru a rotoru tvoří své vlastní toky, tyto toky se budou vzájemně přitahovat a vytvářet točivý moment, který způsobuje otáčení rotoru. Princip činnosti indukčního motoru je znázorněn na obrázcích vpravo.
Rotor a stator jsou tedy nejdůležitější součásti střídavého indukčního motoru. Jsou navrženy pomocí CAD (Computer Aided Design). Dále si povíme podrobněji o konstrukci rotoru a statoru.
Stator motoru
Stator je stacionární elektrická součást elektromotoru. Obsahuje několik vinutí, jejichž polarita se neustále mění, jak jimi prochází střídavý proud (AC). Vzniká tak kombinované magnetické pole statoru.
Všechny statory jsou instalovány v rámu nebo krytu. Skříň statoru elektromotorů Grundfos pro elektromotory do 22 kW je nejčastěji vyrobena z hliníku a pro elektromotory s vyšším výkonem – z litiny. Samotný stator je instalován v tělese statoru. Skládá se z tenkých plátů elektrooceli obalených izolovaným drátem. Jádro se skládá ze stovek takových desek. Při napájení prochází vinutím střídavý proud a vytváří elektromagnetické pole kolmé na vodiče rotoru. Střídavý proud (AC) způsobuje rotaci magnetického pole.
Izolace statoru musí splňovat požadavky normy IEC 62114, která poskytuje různé třídy ochrany (teplotní úrovně) a změnu teploty (AT). Elektromotory Grundfos mají třídu ochrany F a při zvýšení teploty – třídu B. Grundfos vyrábí 2-pólové elektromotory s výkonem do 11 kW a 4-pólové elektromotory s výkonem do 5,5 kW. Grundfos nakupuje výkonnější elektromotory od jiných společností, jejichž kvalita výrobků odpovídá standardům Grundfos. U čerpadel se používají hlavně statory se dvěma, čtyřmi a šesti póly, protože otáčky hřídele elektromotoru určují tlak a průtok čerpadla. Stator může být vyroben tak, aby zvládal různá napětí, frekvence a výstupní výkony, stejně jako proměnný počet pólů.
Rotor motoru
Elektromotory využívají tzv. “veverčí kola” (rotory v kleci), jejichž konstrukce připomíná veverčí bubny.
Když se stator otáčí, magnetické pole se pohybuje kolmo na vinutí vodičů rotoru; objeví se proud. Tento proud cirkuluje vinutími vodičů a vytváří magnetická pole kolem každého vodiče rotoru. Protože se magnetické pole ve statoru neustále mění, mění se i pole v rotoru. Tato interakce způsobuje pohyb rotoru. Stejně jako stator je rotor vyroben z elektroocelových plechů. Ale na rozdíl od statoru s vinutími vyrobenými z měděného drátu jsou vinutí rotoru vyrobena z litého hliníku nebo siluminu, které fungují jako vodiče.
Asynchronní motory
V předchozích částech jsme diskutovali o tom, proč se střídavé motory také nazývají indukční motory nebo motory s veverčím kolem. Dále si vysvětlíme, proč se jim také říká asynchronní elektromotory. V tomto případě se bere v úvahu vztah mezi počtem pólů a počtem otáček rotoru elektromotoru.
Frekvence otáčení magnetického pole je obecně považována za frekvenci synchronního otáčení (Ns). Synchronní rychlost lze vypočítat následovně: frekvence linky (F) vynásobená 120 a dělená počtem pólů (P).
Pokud je například frekvence sítě 50 Hz, pak jsou synchronní otáčky pro 2-pólový elektromotor 3000 ot./min.
S rostoucím počtem pólů se synchronní rychlost snižuje. Níže uvedená tabulka ukazuje synchronní rychlost pro různé počty pólů.
Třífázový asynchronní elektromotor se jako každý elektromotor skládá ze dvou hlavních částí – statoru a rotoru. Stator je stacionární část, rotor je rotační část. Rotor je umístěn uvnitř statoru. Mezi rotorem a statorem je malá vzdálenost, nazývaná vzduchová mezera, obvykle 0,5-2 mm.
Stator asynchronního motoru
Rotor indukčního motoru
Stator sestává z těla a jádra s vinutím. Jádro statoru je sestaveno z tenkého plechu technické oceli, obvykle tloušťky 0,5 mm, potaženého izolačním lakem. Konstrukce laminovaného jádra přispívá k výraznému snížení vířivých proudů vznikajících při procesu obrácení magnetizace jádra rotujícím magnetickým polem. Vinutí statoru je umístěno ve štěrbinách jádra.
Skříň a jádro statoru asynchronního elektromotoru
Návrh vrstveného jádra asynchronního motoru
Rotor sestává z jádra s vinutím nakrátko a hřídele. Jádro rotoru má rovněž laminovaný design. V tomto případě nejsou plechy rotoru lakovány, protože proud má nízkou frekvenci a oxidový film je dostatečný k omezení vířivých proudů.
Princip činnosti. Rotující magnetické pole
Princip činnosti třífázového asynchronního elektromotoru je založen na schopnosti třífázového vinutí vytvářet točivé magnetické pole při připojení k síti třífázového proudu.
Rotující magnetické pole je základním konceptem elektromotorů a generátorů.
Rotační magnetické pole asynchronního elektromotoru
Frekvence otáčení tohoto pole neboli synchronní rychlost otáčení je přímo úměrná frekvenci f střídavého proudu1 a je nepřímo úměrná počtu pólových párů p třífázového vinutí.
- kde n1 – frekvence otáčení magnetického pole statoru, ot/min,
- f1 – frekvence střídavého proudu, Hz,
- p – počet pólových párů
Koncept rotujícího magnetického pole
Chcete-li lépe porozumět jevu rotujícího magnetického pole, zvažte zjednodušené třífázové vinutí se třemi závity. Proud procházející vodičem vytváří kolem něj magnetické pole. Obrázek níže ukazuje pole vytvořené třífázovým střídavým proudem v určitém časovém okamžiku
Magnetické pole vytvořené vinutím
Složky střídavého proudu se budou časem měnit, což způsobí změnu magnetického pole, které vytvářejí. V tomto případě bude mít výsledné magnetické pole třífázového vinutí různé orientace při zachování stejné amplitudy.
Vliv rotujícího magnetického pole na uzavřenou smyčku
Nyní umístíme uzavřený vodič do rotujícího magnetického pole. Podle zákona elektromagnetické indukce způsobí měnící se magnetické pole vznik elektromotorické síly (EMF) ve vodiči. EMF zase způsobí proud ve vodiči. V magnetickém poli tedy bude uzavřený vodič s proudem, na který bude podle Amperova zákona působit síla, v důsledku čehož se obvod začne otáčet.
Vliv rotujícího magnetického pole na uzavřený vodič s proudem
Klecový rotor asynchronního motoru
Na tomto principu funguje i asynchronní elektromotor. Namísto proudovodného rámu je uvnitř asynchronního motoru rotor s klecí nakrátko, jehož konstrukce připomíná veverkové kolo. Rotor nakrátko se skládá z tyčí, které jsou na koncích spojeny nakrátko s kroužky.
Rotor s kotvou nakrátko nejrozšířenější v indukčních motorech (zobrazeno bez hřídele nebo jádra)
Třífázový střídavý proud, procházející vinutím statoru, vytváří rotující magnetické pole. Tedy, jak již bylo popsáno dříve, v tyčích rotoru bude indukován proud, který způsobí, že se rotor začne otáčet. Na obrázku níže si můžete všimnout rozdílu mezi indukovanými proudy v tyčích. K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že velikost změny magnetického pole se u různých párů tyčí liší v důsledku jejich různého umístění vzhledem k poli. Změna proudu v tyčích se bude měnit s časem.
Magnetický moment působící na rotor
Můžete si také všimnout, že ramena rotoru jsou nakloněna vzhledem k ose otáčení. To se provádí za účelem snížení vyšších harmonických EMF a odstranění zvlnění točivého momentu. Pokud by tyče směřovaly podél osy otáčení, pak by v nich vzniklo pulzující magnetické pole kvůli tomu, že magnetický odpor vinutí je mnohem vyšší než magnetický odpor zubů statoru.
Prokluz asynchronního motoru. Rychlost rotoru
Charakteristickým rysem asynchronního motoru je, že rychlost rotoru n2 menší než rychlost synchronního otáčení magnetického pole statoru n1.
To se vysvětluje skutečností, že EMF v tyčích vinutí rotoru se indukuje pouze tehdy, když jsou frekvence otáčení n nestejné21. Frekvence otáčení statorového pole vzhledem k rotoru je určena skluzovou frekvencí ns=n1-n2. Zpoždění rotoru od točivého pole statoru je charakterizováno relativní hodnotou s nazývanou skluz:
- kde s je skluz asynchronního elektromotoru,
- n1 – frekvence otáčení magnetického pole statoru, ot/min,
- n2 – rychlost rotoru, otáčky za minutu,
Uvažujme případ, kdy se frekvence otáčení rotoru shoduje s frekvencí otáčení magnetického pole statoru. V tomto případě bude relativní magnetické pole rotoru konstantní, takže v tyčích rotoru nevznikne žádné EMF, a tedy žádný proud. To znamená, že síla působící na rotor bude nulová. Tím se zpomalí rotor. Poté bude na tyče rotoru opět působit střídavé magnetické pole, čímž se indukovaný proud a síla zvýší. Ve skutečnosti rotor asynchronního elektromotoru nikdy nedosáhne rychlosti otáčení magnetického pole statoru. Rotor se bude otáčet určitou rychlostí, která je o něco menší než synchronní rychlost.
Skluz asynchronního motoru se může měnit v rozsahu od 0 do 1, tedy 0-100 %. Je-li s~0, pak to odpovídá režimu volnoběhu, kdy rotor motoru nevykazuje prakticky žádný protipůsobící moment; pokud s=1 – režim zkratu, ve kterém je rotor motoru stacionární (n2 = 0). Prokluz závisí na mechanickém zatížení hřídele motoru a zvyšuje se s jeho růstem.
Skluz odpovídající jmenovitému zatížení motoru se nazývá jmenovitý skluz. U asynchronních motorů s nízkým a středním výkonem se jmenovitý skluz pohybuje od 8 % do 2 %.
Přeměna energie
Asynchronní motor přeměňuje elektrickou energii dodávanou do vinutí statoru na energii mechanickou (rotace hřídele rotoru). Vstupní a výstupní výkon se však navzájem nerovná, protože při přeměně dochází ke ztrátám energie: třením, ohřevem, vířivými proudy a hysterezními ztrátami. Tato energie se rozptýlí jako teplo. Proto má asynchronní elektromotor ventilátor pro chlazení.
