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:
- Při spouštění motoru se magnetické pole statoru protíná s obvodem rotoru a indukuje elektromotorickou sílu.
- Ve zkratovaném rotoru vzniká střídavý proud.
- Dvě magnetická pole (stator a rotor) vytvářejí krouticí moment.
- Spřádací rotor se snaží „dohnat“ pole statoru.
- 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.
- 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.
Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj, jehož otáčky rotoru se nerovnají (v motorickém režimu menší) rychlosti magnetického pole generovaného proudem statorového vinutí.
V řadě zemí jsou komutátorové stroje také klasifikovány jako asynchronní stroje. Druhým názvem asynchronních strojů je indukce kvůli tomu, že proud ve vinutí rotoru je indukován točivým polem statoru. Asynchronní stroje dnes tvoří většinu elektrických strojů. Používají se především jako elektromotory a jsou hlavními měniči elektrické energie na mechanickou energii.
Výhody: Snadná výroba Bez mechanického kontaktu se statickou částí stroje.
Nevýhody: Malý rozběhový moment.Značný rozběhový proud.
Asynchronní stroj má stator a rotor oddělené vzduchovou mezerou. Jeho aktivními částmi jsou vinutí a magnetický obvod (jádro); všechny ostatní díly jsou konstrukční, zajišťující potřebnou pevnost, tuhost, chlazení, možnost otáčení atd.
Statorové vinutí je třífázové (obecně vícefázové) vinutí, jehož vodiče jsou rovnoměrně rozmístěny po obvodu statoru a uloženy fáze po fázi v drážkách s úhlovou vzdáleností 120 el. Fáze statorového vinutí jsou připojeny podle standardních schémat “trojúhelník” nebo “hvězda” a připojeny k síti třífázového proudu. Magnetický obvod statoru je remagnetizován v procesu změny proudu ve vinutí statoru, takže je rekrutován z elektroocelových desek, aby byly zajištěny minimální magnetické ztráty. Hlavní metodou sestavení magnetického obvodu do obalu je míchání.
Podle konstrukce rotoru se asynchronní stroje dělí na dva hlavní typy: s rotorem nakrátko a s fázovým rotorem. Oba typy mají stejnou konstrukci statoru a liší se pouze konstrukcí vinutí rotoru. Magnetický obvod rotoru je vyroben podobně jako magnetický obvod statoru – z elektrotechnických ocelových plechů.
Na vinutí statoru je přivedeno napětí, při jehož působení těmito vinutími protéká proud a vytváří rotující magnetické pole. Magnetické pole působí na vinutí rotoru a podle zákona elektromagnetické indukce v nich indukuje EMF. Ve vinutí rotoru při působení indukovaného EMF vzniká proud. Proud ve vinutí rotoru vytváří vlastní magnetické pole, které interaguje s rotujícím magnetickým polem statoru. V důsledku toho na každý zub magnetického obvodu rotoru působí síla, která sečtením po obvodu vytváří rotační elektromagnetický moment, který způsobuje otáčení rotoru.
Mezi elektromotory byl nejrozšířenější třífázový asynchronní motor, který jako první zkonstruoval slavný ruský elektrikář M. O. Dolivo-Dobrovolsky.
Asynchronní motor se vyznačuje jednoduchou konstrukcí a snadnou údržbou. Jako každý střídavý stroj se indukční motor skládá ze dvou hlavních částí; stator a rotor. Stator je stacionární částí stroje, rotor je rotační částí. Asynchronní stroj má vlastnost reverzibility, to znamená, že může být použit jak v režimu generátoru, tak v režimu motoru. Vzhledem k řadě významných nedostatků se asynchronní generátory téměř nepoužívají, zatímco asynchronní motory, jak bylo uvedeno výše, se velmi rozšířily.
Budeme proto uvažovat provoz asynchronního stroje v režimu motoru, tedy proces přeměny elektrické energie na energii mechanickou.
Vícefázové vinutí střídavého proudu vytváří rotující magnetické pole, jehož rychlost otáčení za minutu
Pokud se rotor otáčí rychlostí n2 rovnou rychlosti rotace magnetického pole (n2=n1), pak se tato rychlost nazývá synchronní.
Pokud se rotor otáčí rychlostí, která se nerovná rychlosti otáčení magnetického pole < n2n1), pak se tato rychlost nazývá asynchronní.
U asynchronního motoru může pracovní proces probíhat pouze při asynchronní rychlosti, tedy při rychlosti rotoru, která není rovna rychlosti rotace magnetického pole.
Rychlost rotoru se může velmi málo lišit od rychlosti července, ale když motor běží, bude vždy nižší (n2
Činnost indukčního motoru je založena na jevu zvaném Arago-Lenzův disk (obr. 108). Tento jev je následující: pokud umístíte měděný kotouč 1 před póly permanentního magnetu, volně sedícího na ose 2, a začnete magnetem otáčet kolem své osy pomocí rukojeti, pak se měděný kotouč bude otáčet stejně směr. To se vysvětluje skutečností, že když se magnet otáčí, magnetické čáry jeho pole, uzavírající se od severního pólu k jihu, pronikají diskem a indukují v něm vířivé proudy v důsledku interakce vířivých proudů s magnetickým polem. pole magnetu, vzniká síla, která způsobí rotaci disku. Na základě Lenzova zákona je směr jakéhokoli indukovaného proudu takový, že je proti příčině, která jej způsobila. Vířivé proudy v těle disku proto mají tendenci zpomalovat rotaci magnetu, ale protože toho nejsou schopny, způsobují rotaci disku tak, že následuje magnet. V tomto případě je rychlost otáčení disku vždy menší než rychlost otáčení magnetu. Pokud by se z nějakého důvodu tyto rychlosti srovnaly, pak by magnetické vodítko neprotíhlo disk a následně by v něm nevznikaly vířivé proudy, tj. nepůsobila by síla, pod jejímž vlivem by se disk otáčel.
U asynchronních motorů je permanentní magnet nahrazen točivým magnetickým polem vytvářeným třífázovým statorovým vinutím, když je připojeno k síti střídavého proudu.
Rotující magnetické pole statoru protíná vodiče vinutí rotoru a indukuje v nich emf. S. Pokud je vinutí rotoru uzavřeno na jakýkoli odpor nebo zkratováno, pak
pod vlivem indukovaného e. d.s. proud teče. V důsledku toho vzniká točivý moment polem vinutí statoru, pod jehož vlivem se rotor začne otáčet.
Vyberme si například část obvodu rotoru, na které je jeden vodič jeho vinutí. Pole statoru je reprezentováno severním pólem N, který rotuje v prostoru a kolem rotoru ve směru hodinových ručiček s počtem otáček N za minutu. V důsledku toho se pól N pohybuje vzhledem k vodiči vinutí rotoru zleva doprava, v důsledku čehož se v tomto vodiči indukuje emf. s, která podle pravidla pravé ruky směřuje k divákovi (znak “tečka”). Pokud je vinutí rotoru uzavřeno, pak při působení e. d.s. tímto vinutím protéká proud směřující v námi zvoleném vodiči také směrem k divákovi.
V důsledku interakce proudu ve vodiči vinutí rotoru s magnetickým polem vzniká síla F, která pohybuje vodičem ve směru určeném pravidlem levé ruky, tedy zleva doprava. Spolu s vodičem se začne pohybovat i rotor.
Pokud se síla F působící na vodič vinutí rotoru vynásobí vzdáleností tohoto vodiče od osy rotoru (rameno působení síly), pak získáme krouticí moment vyvíjený proudem tohoto vodiče. Protože je na rotoru umístěno velké množství vodičů, určuje součet součinů sil působících na každý z vodičů ve vzdálenosti těchto vodičů od osy rotoru moment vyvíjený motorem. Působením točivého momentu se rotor otáčí ve směru otáčení magnetického pole. Proto pro reverzaci motoru, tj. pro změnu směru otáčení rotoru, je nutné změnit směr otáčení magnetického pole vytvářeného vinutím statoru. Toho je dosaženo změnou sledu fází statorových vinutí; u kterého je nutné prohodit libovolné dva ze tří vodičů spojujících vinutí statoru se sítí vzhledem k vývodům sítě. Reverzibilní motory jsou vybaveny spínači, kterými lze měnit sled fází statorových vinutí a tím i směr otáčení rotoru.
Bez ohledu na směr otáčení rotoru je jeho rychlost n2, jak již bylo uvedeno, vždy menší než rychlost magnetického pole statoru.
Pokud předpokládáme, že v určitém okamžiku se počet otáček rotoru ukázal být roven počtu otáček pole statoru, pak vodiče vinutí rotoru nebudou protínat magnetické čáry pole statoru a tam V rotoru nebude proud. V tomto případě se točivý moment stane rovným nule, rychlost otáčení rotoru se bude snižovat ve srovnání s rychlostí otáčení pole statoru, dokud nenastane točivý moment, který vyrovná brzdný moment, který je součtem momentu; zatížení hřídele a moment třecích sil ve stroji.
