Princip činnosti elektromotorů

Vinutí rotoru se skládá z měděných nebo hliníkových tyčí na koncích zkratovaných dvěma kroužky (klece nakrátko). Statorové vinutí (budící vinutí) je napájeno střídavým proudem ze sítě – vzniká točivé magnetické pole, které indukuje proud ve vinutích rotoru. Na vodiče přenášející proud vinutí rotoru z magnetického pole budícího vinutí působí elektromagnetické síly – vzniká točivý moment, který táhne rotor za magnetickým polem. Frekvence otáčení rotoru nemůže dosáhnout frekvence otáčení magnetického pole statoru (proto se elektromotor nazývá asynchronní), jinak se úhlová rychlost otáčení magnetického pole vzhledem k vinutí rotoru stane nulovou a magnetické pole přestane indukovat EMF ve vinutí rotoru a vytvářet točivý moment.

Indukční motor s fázovým rotorem

Vinutí rotoru je vyvedeno na sběrací kroužky, které se otáčejí s hřídelí stroje. Pomocí kov-grafitových kartáčů klouzajícího po těchto kroužcích je k obvodu vinutí rotoru připojen balastní reostat. Zvýšením odporu reostatu v okamžiku spouštění můžete zvýšit rozběhový moment a snížit rozběhový proud.

Synchronní elektromotory

Statorové vinutí (vinutí kotvy) je napájeno střídavým proudem ze sítě – vzniká točivé magnetické pole. Na rotoru je indukční vinutí spojené se sběracími kroužky. Při startování jsou vinutí rotoru zkratována nebo přes reostat a motor zrychluje v asynchronním režimu. Po dosažení otáček blízkých jmenovitým otáčkám je induktor buzen stejnosměrným proudem – vzniká konstantní magnetické pole, které je v záběru s magnetickým polem statoru a začíná se s ním synchronně otáčet (motor vstupuje do synchronismu).

Provozní režimy asynchronního motoru

Elektromotor přeměňuje elektrickou energii spotřebovanou ze sítě na mechanickou energii.

Asynchronní motor se přepne do režimu generátoru, pokud se rotor začne otáčet rychleji než magnetické pole – na hřídeli se objeví brzdný moment. V tomto režimu elektromotor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou a dodává ji do sítě.

Asynchronní motor se přepne do režimu elektromagnetické brzdy, pokud se rotor a magnetické pole statoru otáčí různými směry – na hřídeli se objeví brzdný moment, ale motor nadále spotřebovává elektřinu ze sítě – veškerá spotřebovaná energie je využita k ohřevu motoru.

Způsoby regulace rychlosti otáčení asynchronního motoru

Do obvodu rotoru (motor s vinutým rotorem) se zavádějí další odpory – mechanické vlastnosti motoru se změknou (zhorší se stabilita provozu, zvýší se skluz), sníží se otáčky, zvýší se rozběhový moment a zachová se přetížitelnost.
Nevýhody: velké ztráty na reostatu, skokově se mění otáčky.

Pro tento způsob řízení se používají frekvenční měniče. Pokud při změně frekvence uložte beze změny magnetický tok (a proto musíme udržovat poměr U/f konstantní), pak dostaneme rodinu mechanických charakteristik se stejnou tuhostí a přetížitelností.
Výhody: plynulá regulace, výborné ekonomické vlastnosti, možnost zvýšení frekvence nad 50 Hz (frekvence sítě).

Jak vybrat elektromotor

Vinutí rotoru

• Rotor klece na veverku (klec na veverku)
• Nasouvací rotor: vinutí rotoru je spojeno se sběracími kroužky, které se otáčejí s hřídelí motoru. Pomocí kov-grafitových kartáčů je k okruhu rotoru připojen startovací-regulační reostat. Pomocí tohoto reostatu můžete snížit rozběhový proud a regulovat rychlost otáčení hřídele motoru.

Statorové vinutí, napájecí napětí

Statorové vinutí lze zapojit do hvězdy nebo trojúhelníku.
Pokud je na typovém štítku motoru uvedeno: 220/380, D/Y, to znamená, že motor lze připojit k síti s U_л = 220 V podle obvodu „trojúhelník“ a s U_л = 380 V – podle obvodu „hvězda“.

Pro motory IEC je standardní napětí 230/400 V a pro domácí – 220/380 V.

Standardní velikost

Velikost rámu je vzdálenost v milimetrech „od podlahy“ k ose hřídele motoru. Standardní velikosti domácích motorů (GOST) a dovážených motorů (IEC, NEMA) se obecně neshodují: naše motory jsou nižší než dovážené motory stejného výkonu.

Materiál těla (rámu).

• Hliník
• Litina.

Účinnost

Účinnost η se rovná poměru mechanického výkonu na hřídeli P motoru₂ na elektrickou energii odebíranou ze sítě P₁.

Výstupní výkon je menší než příkon o množství ztrát.

Třída energetické účinnosti

• EFF1 (vysokoúčinné motory)
• EFF2 (motory s vylepšenou účinností)
• EFF3 (motory s konvenční účinností).

Montážní design

• Nohy (Noha) lité s tělem nebo šroubované
• Příruby (příruba) se zadlabacími otvory (malé příruby) nebo průchozími otvory (velké příruby)
• Kombinované – tlapky a příruba.

Třída ochrany krytu motoru IP

Standardní stupeň krytí elektromotorů je IP55.

Rychlost otáčení

Rychlost otáčení magnetického pole motoru (synchronní rychlost):
n₁ = 60f/p [ot./min],
kde p je počet párů pólů motoru,
f je frekvence sítě (50 Hz).

• 2 póly – 3000 ot./min
• 4 póly – 1500 ot./min (standardně)
• 6 pólů – 1000 ot./min
• 8 pólů – 750 ot./min
• 10 pólů – 600 ot./min
• 12 pólů – 500 ot./min.

Rychlost otáčení rotoru asynchronního motoru je menší než rychlost otáčení magnetického pole:
n₂ =n₁(1 – s),
kde s je skluz.

Vícerychlostní elektromotory jsou motory, u kterých je skoková změna rychlosti realizována přepínáním počtu párů pólů.

Okolní teplota a nadmořská výška

Při instalaci motoru nad 1000 metrů nad mořem a při provozu za zvýšených okolních teplot je nutné počítat se snížením (Derating) výkonu motoru (existují na to speciální tabulky).

Třída tepelné odolnosti izolace

• B – 130 °C
• F – 150 °C (dost pro provoz z frekvenčního měniče)
• H – 180 °C

Jmenovité charakteristiky motoru pro všechny třídy izolace jsou uvedeny pro teplotu chladicí kapaliny +40°C.

Provozní režim

• S1 – trvale: motor běží při ustálené teplotě
• S2 – krátkodobě: motor se nestihne zahřát na stanovenou teplotu, ale během zastavení se stihne úplně vychladit
• S3 – přerušovaný: provoz s konstantní zátěží se střídá s odstávkami, přičemž motor se nestihne ani zahřát, ani zchladit na ustálenou teplotu
• S4 – opakované krátkodobé s dlouhými starty: motor se nestihne zahřát ani zchladit na ustálenou teplotu
• S5 – přerušovaný s dlouhými starty a elektrickým brzděním: motor se nestihne zahřát ani zchladit na ustálenou teplotu
• S6 – přerušovaný: práce s konstantní zátěží se střídá s prací na volnoběh, přičemž se motor nestihne ani zahřát, ani zchladit na ustálenou teplotu
• S7 – přerušovaný s dlouhými starty a brzděním: motor se nestihne zahřát ani vychladit na ustálenou teplotu
• S8 – přerušované s periodickými změnami rychlosti otáčení: motor nemá čas se zahřát ani ochladit na ustálenou teplotu

Tepelná ochrana motoru

• PTC termistory jsou rezistory, jejichž odpor se okamžitě zvýší, když je dosaženo dané teploty. 1 až 3 termistory jsou zapojeny do série pro signalizaci vypínací teploty (Trip), například 155°C. Další řetězec termistoru lze nastavit na signál Alarm, například 145°C.
• PT100 – platinové snímače teploty mají vysokou odolnost proti oxidaci a vysokou přesnost měření. PT100 se připojují pomocí 2, 3 nebo 4vodičového obvodu (čím více vodičů, tím méně rušení).
  Do vinutí statoru lze instalovat 3 až 6 snímačů PT100.
  Další 2 snímače PT100 lze použít pro měření teplot ložisek.
• KTY jsou křemíkové tepelné senzory s kladným koeficientem odporu, vyznačující se vysokou linearitou, vysokým výkonem, spolehlivým polovodičovým designem a nízkou cenou.

Servisní faktor

Motor s provozním faktorem 1.1 může nepřetržitě pracovat s přetížením 10 % jmenovitého výstupního momentu.

Třída točivého momentu

Třída momentu ukazuje násobek rozběhového momentu (s přímým startem ze sítě) při napětí sníženém o 5 %:

• Třída 16 – 160 %
• Třída 13 – 130 %
• Třída 10 – 100 %
• Třída 7 – 70 %
• Třída 5 – 50 %

Účiník cos φ

Účiník (cos φ) se rovná poměru činného výkonu spotřebovaného motorem k celkovému výkonu.
Aktivní síla se vynakládá na užitečnou práci.
Zdánlivý výkon se rovná geometrickému součtu činného a jalového výkonu.
Jalový výkon se vynakládá na magnetizaci motoru.

Antikondenzační topení

Existují dva způsoby, jak vysušit vinutí před spuštěním motoru ve vlhké místnosti:

• Použijte motor se speciálním vestavěným topením
• Na jedno vinutí statoru přiveďte napětí 4 až 10 % jmenovité hodnoty (pro průchod proudu 20 až 30 % jmenovité hodnoty), které stačí k odpaření kondenzátu (neplatí pro všechny motory). Některé frekvenční měniče to umí.

Chlazení

• Povrchové chlazení (bez ventilace: bez ventilátoru)
• Vlastní ventilace: ventilátor na hřídeli motoru
• Nucené chlazení (nezávislý ventilátor nebo kapalinové chlazení vodou nebo olejem)

U turbo mechanismů (ventilátory a čerpadla, u kterých je kroutící moment na hřídeli úměrný druhé mocnině otáček) většinou postačí vlastní odvětrání.
Motory, které pracují z frekvenčních měničů s konstantním momentem po dlouhou dobu při nízkých otáčkách, musí být buď předimenzovány, nebo opatřeny nuceným chlazením.

Fan

• Plastický
• Kovové
• Kov se zvýšeným momentem setrvačnosti

Požadavky na motor při provozu z frekvenčního měniče

• Teplotní třída izolace není nižší než F
• Možnost nuceného větrání (viz výše)
• Izolované ložisko na nepracovní straně hřídele (doporučeno pro velikosti 225 a vyšší)

Ložiska

Při provozu z frekvenčního měniče při frekvencích nad 50 Hz se snižuje životnost ložisek.

Některé motory mají na pracovní straně hřídele nainstalované plovoucí ložisko a na nepracovní straně pevné ložisko (Located bearing). U ostatních je to naopak (například pro spojení s převodovkou).

Ložiska jsou standardně odpružena v axiálním směru (podél hřídele), aby byl zajištěn rovnoměrný chod motoru. Motory s ložisky s kosoúhlým stykem takovou pružinu nemají, takže radiální síla (kolmo na hřídel – např. od řemene) musí působit neustále, jinak ložisko rychle selže.

Tuk

U motorů s velikostí rámu do 250 pracujících ve jmenovitém režimu je mazivo zpravidla dimenzováno na celou životnost ložisek.
Pro doplnění maziva musí mít motor speciální vsuvku.

Hřídel motoru

Motor může mít druhý konec hřídele motoru, který může přenášet jak jmenovitý, tak menší točivý moment.
Druhý konec hřídele je nekompatibilní s volitelnými doplňky, jako je snímač rychlosti a nucený chladicí ventilátor a případně také brzda.

Brzda

Při výběru brzdy je třeba vzít v úvahu:

• Typ:
  • statické (přídržná brzda se aktivuje pouze tehdy, když hřídel stojí)
  • dynamický (můžete upravit brzdný moment, menší opotřebení v případě nouzového brzdění)

  Snímač rychlosti

  Snímač rychlosti může být umístěn hermeticky uvnitř pouzdra (zapouzdřený) nebo vně pod ochranným krytem.

  Jak víte, asynchronní elektromotory mají třífázové vinutí (tři samostatná vinutí) statoru, který může podle své konstrukce tvořit různý počet párů magnetických pólů, což zase ovlivňuje jmenovité otáčky motoru při jmenovité frekvenci napájecího třífázového napětí. Kromě toho se rotory motorů tohoto typu mohou lišit a u asynchronních motorů mohou být zkratované nebo fázované. Tento článek bude diskutovat o rozdílu mezi rotorem s veverkou a fázovým rotorem.

  

  Rotor veverky

  Pochopení jevu elektromagnetické indukce nám napoví, co se stane s uzavřenou smyčkou vodiče umístěného v rotujícím magnetickém poli podobném magnetickému poli statoru asynchronního motoru. Umístíme-li takovou cívku dovnitř statoru, pak při přivedení proudu do vinutí statoru se v cívce indukuje EMF a objeví se proud, to znamená, že obrázek bude vypadat takto: cívka s proudem v magnetickém poli. Potom na takový závit (uzavřený obvod) bude působit dvojice ampérových sil a závit se začne otáčet po pohybu magnetického toku.

  Tak funguje asynchronní motor s rotorem nakrátko, jen místo otáčení na jeho rotoru jsou měděné nebo hliníkové tyče, mezi sebou zkratované kroužky na koncích jádra rotoru. Rotor s takovými zkratovanými tyčemi se nazývá zkratovaný nebo klecový rotor, protože tyče umístěné na rotoru připomínají klec nakrátko.

  Střídavý proud procházející vinutím statoru, generující rotující magnetické pole, indukuje proud v uzavřených obvodech „klece na veverku“ a celý rotor se začne otáčet, protože v každém okamžiku budou mít různé páry rotorových tyčí různé indukované proudy: některé tyče budou mít velké proudy, některé budou mít menší, v závislosti na poloze určitých tyčí vzhledem k poli. A momenty nikdy nevyrovnají rotor, takže se bude otáčet tak dlouho, dokud statorovým vinutím protéká střídavý proud.

  Kromě toho jsou tyče klece na veverku mírně nakloněny vůči ose otáčení – nejsou rovnoběžné s hřídelí. Naklonění je provedeno tak, aby točivý moment zůstal konstantní a nepulzoval; navíc sklon tyčí umožňuje snížit účinek vyšších harmonických indukovaných v tyčích EMF. Pokud by tyče nebyly nakloněny, magnetické pole v rotoru by pulzovalo.

  

  Posuvné s

  Asynchronní motory se vždy vyznačují skluzem s, ke kterému dochází v důsledku skutečnosti, že synchronní frekvence točivého magnetického pole n1 statoru je vyšší než skutečná frekvence otáčení rotoru n2.

  Skluz nastává, protože EMF indukované v tyčích se může objevit pouze tehdy, když se tyče pohybují vzhledem k magnetickému poli, to znamená, že rotor je vždy nucen alespoň trochu zaostávat za magnetickým polem statoru. Velikost skluzu je s = (n1-n2)/n1.

  Pokud by se rotor otáčel se synchronní frekvencí magnetického pole statoru, pak by se v tyčích rotoru neindukoval žádný proud a rotor by se jednoduše neotáčel. Rotor v asynchronním motoru proto nikdy nedosáhne synchronní frekvence otáčení magnetického pole statoru a vždy alespoň trochu zaostává za synchronní frekvencí (i když je zatížení hřídele kriticky malé).

  Skluz s se měří v procentech a při volnoběžných otáčkách se téměř blíží 0, kdy téměř chybí protitah od rotoru. V případě zkratu (rotor je zablokován) je skluz roven 1.

  Obecně platí, že skluz asynchronních motorů s rotorem nakrátko závisí na zatížení a měří se v procentech. Jmenovitý skluz je skluz při jmenovitém mechanickém zatížení hřídele za podmínek, kdy napájecí napětí odpovídá jmenovité hodnotě motoru.

  Další články o asynchronních motorech s rotorem nakrátko na Elektrik Info:

  Prokluzový rotor

  

  Asynchronní motory s fázovým rotorem mají na rozdíl od asynchronních motorů s rotorem nakrátko plné třífázové vinutí na rotoru. Stejně jako je třífázové vinutí uloženo na statoru, je také třífázové vinutí uloženo ve štěrbinách fázového rotoru.

  Svorky vinutí fázového rotoru jsou připojeny ke sběracím kroužkům namontovaným na hřídeli a izolovány od sebe a od hřídele. Vinutí fázového rotoru se skládá ze tří částí, každá pro svou vlastní fázi, které jsou nejčastěji zapojeny do hvězdy.

  Přes kontaktní kroužky a kartáče je k vinutí rotoru připojen seřizovací reostat. Pod zatížením se startují například jeřáby a výtahy a zde je potřeba vyvinout výrazný pracovní moment. Přes složitost konstrukce mají asynchronní motory s fázovým rotorem lepší možnosti nastavení pracovního momentu na hřídeli než asynchronní motory s rotorem nakrátko, které vyžadují průmyslový frekvenční měnič.

  

  Statorové vinutí asynchronního motoru s fázovým rotorem se provádí stejně jako u statorů asynchronních motorů s rotorem nakrátko a obdobným způsobem vytváří v závislosti na počtu cívek (tři, šest, devět nebo více cívek) dva, čtyři atd. póly. Cívky statoru jsou vzájemně posunuty o 120, 60, 40 atd. stupňů. V tomto případě je na fázovém rotoru vytvořen stejný počet pólů jako na statoru.

  Úpravou proudu ve vinutí rotoru se upravuje pracovní moment motoru a velikost skluzu. Když je seřizovací reostat zcela odstraněn, pak pro snížení opotřebení kartáčů a kroužků jsou zkratovány pomocí speciálního zařízení pro zvedání kartáčů.

  • Principy činnosti elektromotoru pro začátečníky
  • Elektroměry – druhy a druhy, hlavní charakteristiky
  • Hlavní typy konstrukcí transformátorů

  Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Pomoc začínajícím elektrikářům, Elektromotory a jejich aplikace

  Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

  Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
  Chat na elektrická témata

  Sdílejte tento článek se svými přáteli: