Synchronní a asynchronní elektromotory: princip činnosti a rozdíly v charakteristikách

Elektromotory jsou stroje, které přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii. Přeměněná energie pohání rotor motoru, který přenáší rotaci přes převod přímo na hřídel pohonu. Hlavními typy elektromotorů jsou synchronní a asynchronní motory. Rozdíly mezi nimi určují možnosti použití v různých zařízeních a technologických postupech.

Principy práce

Všechny elektromotory mají pevný stator a rotující rotor. Rozdíl mezi asynchronními a synchronními motory spočívá v principech vytváření pólů. V asynchronním elektromotoru jsou vytvářeny jevem indukce. Všechny ostatní elektromotory využívají k vytvoření magnetického pole permanentní magnety nebo cívky s proudem.

Vlastnosti synchronních motorů

Vedoucí jednotky synchronního stroje – kotva a induktor. Kotva je stator a induktor je umístěn na rotoru. Vlivem střídavého proudu vzniká v kotvě točivé magnetické pole. Spáruje se s magnetickým polem induktoru, tvořeným póly permanentních magnetů nebo cívek se stejnosměrným proudem. V důsledku této interakce se energie elektřiny přeměňuje na kinetickou energii rotace.

Rotor synchronního stroje má stejnou rychlost jako pole statoru. Výhody synchronních motorů:

• Konstrukčně se používá jako motor i jako generátor.
• Rychlost nezávislá na zatížení.
• Velká účinnost.
• Nízká pracnost při opravách a údržbě.
• Vysoký stupeň spolehlivosti.

Synchronní stroje jsou široce používány jako vysokovýkonné motory pro nízké otáčky a konstantní zatížení. Generátory se používají tam, kde je vyžadován nezávislý zdroj energie.

Synchronní stroj má také nevýhody:

• Vyžaduje stejnosměrný zdroj pro napájení induktoru.
• Neexistuje žádný počáteční točivý moment, spuštění vyžaduje externí točivý moment nebo asynchronní start.
• Štětce a sběrače rychle selhávají.

Moderní synchronní jednotky obsahují v tlumivce kromě vinutí napájeného stejnosměrným proudem také rozběhové vinutí nakrátko, které je určeno pro rozběh v asynchronním režimu.

Charakteristické vlastnosti asynchronních motorů

Rotující magnetické pole statoru asynchronního motoru indukuje v rotoru indukční proudy, které tvoří vlastní magnetické pole. Interakce polí způsobuje rotaci rotoru. V tomto případě rychlost rotoru zaostává za rychlostí magnetického pole. Právě tato vlastnost se odráží v názvu motoru.

Asynchronní motory jsou dvou typů: s klecí nakrátko a s fázovým rotorem.

Domácí spotřebiče, jako je ventilátor nebo vysavač, jsou obvykle vybaveny motory s klecovou klecí, což je „kolečko“. Všechny tyče jsou uzavřeny kotouči navařenými na obou stranách. Interakcí magnetického pole statoru s indukovanými proudy v rotoru vzniká elektromagnetická síla, která působí na rotor ve směru otáčení pole statoru. Točivý moment na hřídeli motoru je vytvářen všemi elektromagnetickými silami z každého vodiče.

U elektromotoru s fázovým rotorem je použit stejný stator jako u motoru s rotorem nakrátko. A k rotoru jsou přidána vinutí tří fází spojených do „hvězdy“. Při startování motoru je lze připojit k reostatům, které regulují startovací proudy. Pomocí reostatů můžete nastavit i otáčky motoru.

Mezi výhody asynchronních motorů patří:

• Napájení přímo ze sítě AC.
• Jednoduchost zařízení a relativně nízká cena.
• Možnost použití v domácích spotřebičích pomocí jednofázového zapojení.
• Nízká spotřeba energie a ekonomické.

Vážné nevýhody – komplexní regulace otáček a velké tepelné ztráty. Aby se zabránilo přehřátí, je tělo jednotky žebrované a na hřídeli motoru je instalováno oběžné kolo pro chlazení.

Rozdíl ve vlastnostech elektromotorů

Při výběru jednotek jsou rozhodující konstrukční vlastnosti a výkonnostní charakteristiky elektromotorů. Na tom závisí konstrukce převodů a všech pohonných jednotek mechanismů. Při výběru motoru se musíte spolehnout na společné vlastnosti a hlavní rozdíly ve vlastnostech strojů:

• Hlavním rozdílem mezi synchronním a asynchronním motorem je konstrukce rotoru. Je to permanentní nebo elektrický magnet. U asynchronního stroje se magnetická pole v rotoru indukují pomocí elektromagnetické indukce.
• U synchronních motorů je rychlost otáčení hřídele konstantní, u asynchronních motorů se může měnit při změně zatížení.
• Synchronizátory nemají rozběhový moment. Chcete-li zadat synchronizaci, musíte použít asynchronní spuštění.

Synchronní a asynchronní elektromotory nacházejí své vlastní uplatnění. Synchronní motory se doporučují pro použití všude s vysokým výkonem, kde probíhá nepřetržitý výrobní proces a není potřeba často restartovat jednotky nebo upravovat otáčky. Používají se v dopravnících, válcovnách, kompresorech, drtičích kamene atd. Moderní synchronní elektromotor má stejně rychlý náběh jako asynchronní, ale je menší a ekonomičtější než indukční motor stejného výkonu.

Asynchronní elektromotory s vinutým rotorem se používají tam, kde je potřeba vysoký rozběhový moment a časté zastavování agregátů. Například ve výtazích a věžových jeřábech. Asynchronní elektromotory s rotorem nakrátko jsou široce používány kvůli jednoduchosti zařízení a snadnému ovládání.

S využitím výhod různých jednotek a toho, jak se synchronní motor liší od asynchronního motoru, můžete při navrhování strojů, obráběcích strojů a dalších zařízení informovaně vybrat ten či onen motor.

Majitelé tohoto nebo toho zařízení obvykle nepřemýšlejí o tom, jaké elektrické motory jsou instalovány, ale pouze do té doby, než selžou. A úplně první „nemoci“ těchto „skromných dělníků“ způsobují kolaps obrovských toků nákladu. Do ruských skladů se dostává spousta zahraniční zvedací a přepravní techniky a čtenáře bude zajímat, jaké typy a konstrukce elektromotorů v těchto strojích a mechanismech fungují.

Elektromotory jsou nezbytnou součástí zdvihacích a přepravních a automatizovaných zařízení: dopravníků, automatizovaných skladů, zakladačů, balicích strojů a dalších skladových zařízení. Obvykle si tyto agregáty pro své zařízení vybírají sami výrobci, ale stále častěji se stává, že si elektroenergetické agregáty pro potřeby svého podniku mohou vybrat sami kupující a majitelé strojů v závislosti například na konkrétních provozních podmínkách jeho jednotlivých úseků. V některých případech společnosti vybavují zařízení ve všech svých skladech a továrnách stejným typem elektromotorů, aby snížily náklady na údržbu standardizací postupů a náhradních dílů. Někdy se elektromotory volí z důvodů nízké ceny.

Ve skladové a manipulační technice se nejvíce používá pět typů elektromotorů:

• Stejnosměrné elektromotory s buzením permanentním magnetem;
• asynchronní střídavé elektromotory. Používají se v zařízeních s kontinuálním cyklem, například v konvenčních dopravnících;
• servomotory (servomotory). Pracují ve strojích, které musí provádět přesné pohyby, přemisťovat a polohovat břemena na přesně definovaná místa: ve zakladačích, automatických skladových systémech;
• lineární asynchronní motory. Používají se v zařízeních, pro která má prvořadý význam vysoká provozní rychlost, např. u třídicích strojů;
• motorové válečky (neboli motorové bubny), tedy utěsněné hnací válečky, uvnitř kterých jsou uzavřeny malé elektromotory a převodovky. Používají se k pohonu dopravníků, které pracují přerušovaně. Dříve byla skladová manipulační technika vybavena stejnosměrnými elektromotory s buzením permanentními magnety. V současné době jsou stroje a automaty vybaveny asynchronními střídavými elektromotory, jejichž použití se neustále rozšiřuje.

Jaké jsou výhody asynchronních elektromotorů?

Asynchronní střídavé motory jsou jednodušší a levnější než jiné typy elektromotorů, proto se v dnešní době používají stále častěji. Při výběru asynchronního motoru je třeba vzít v úvahu dva faktory: účinnost. přeměna energie a typ konstrukce jednotky.

Účinnost V řadě zemí stanoví legislativa minimální hodnotu účinnosti. pro elektrické hnací motory, ale mnoho výrobců vyrábí elektromotory podle přísnějších norem National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Pokud při výběru elektromotoru vidíte, že splňuje normu NEMA Premium, zaručuje to jeho vysokou účinnost, spolehlivost a hospodárnost.

Elektromotory běžné kvality mají účinnost rovná se 75 %, u jednotek nejvyšší kvality – 85 %. Podle odborníků vysoce účinné jednotky Jsou mnohem dražší než běžné, ale pokud elektromotor běží nepřetržitě, rychle se zaplatí. Navíc se díky úsporám energie zlepšuje i ekologická situace, které je v civilizovaných zemích věnována stále větší pozornost.

Typ provedení – důležitá vlastnost při výběru elektromotoru. Existuje pět hlavních typů asynchronních elektromotorů:

• ODP (Open drip proof) – „otevřený elektrický motor odolný proti kapání“. Tento typ elektromotoru je nejrozšířenější v průmyslu. Nejsou vybaveny ventilátorem a mají otvory v pouzdře, kterými mohou pronikat nečistoty a vlhkost, proto se doporučuje používat takové elektromotory pouze v uzavřených místnostech;

• TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled) – „uzavřený typ s chlazením ventilátorem“. Tyto motory jsou vybaveny ventilátorem, který vytváří proudění vzduchu skrz jejich kryt. Ventilátor je utěsněný a cizí částice a kapaliny se nemohou zvenčí dostat do elektromotoru. TEFC motory se často používají v dopravnících;

• TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated Motor) – „uzavřený typ bez chlazení“. Tyto elektromotory se také používají ve skladových zařízeních pro manipulaci s materiálem, kde je externí zdroj, který vytváří proudění vzduchu pro chlazení motoru;

• TEBC (Totally Enclosed Blower-Cooled Motor) – „chlazený foukáním“. Tyto motory jsou vybaveny vlastním ventilátorem, avšak umístěným a ovládaným zvenčí. Elektromotory typu TEBC se typicky používají ve vysoce výkonných zařízeních, jako jsou jeřáby, navijáky atd. nebo v zařízeních s proměnnou rychlostí, kde může motor někdy pracovat při téměř nulové rychlosti;

• EPFC (Explosion Proof Fan Cooled Motor) – „nevýbušná konstrukce s ventilátorem
„chlazení“. Používají se v podmínkách s vysokým obsahem hořlavých a výbušných prvků v ovzduší, jako jsou benzínové výpary, jiné ropné produkty, čpavek, uhelný prach atd.

Možnosti použití jakéhokoli asynchronního elektromotoru jsou rozšířeny použitím frekvenčního měniče (VFD). Asynchronní elektromotory tradiční konstrukce pracují s konstantní frekvencí. Frekvenčně řízený elektrický pohon umožňuje měnit otáčky motoru i celého stroje. Ve skladových manipulačních zařízeních umožňují pohony s proměnnou frekvencí zvýšení rychlosti na maximum během špičkových provozních období a snížení v jiných obdobích, čímž šetří energii a peníze.

Servomotory

Tyto motory zaujímají své vlastní speciální místo – pracují v zařízeních, která vyžadují přesné ovládání polohy a rychlosti pohybu. Tato zařízení jsou speciálně navržena jako elektromotory s malým průměrem kotvy, ale vyvíjející vysoký točivý moment. Čím menší kotva, tím menší setrvačnost a proto elektromotor rychleji zrychluje a stroj běží rychleji.

Servomotory jsou také vybaveny zpětnovazebními řídicími systémy: na základě signálů z otáčkoměru, lineárních snímačů dráhy a analogově-digitálního převodníku (ADC). Díky ovládání signály z těchto zařízení se zvyšuje přesnost pohybů a řízení rychlosti strojů. Servomotory se používají v zařízeních a systémech, které vyžadují vysoce přesné pohyby: v robotických zařízeních, zakladačích a podobných skladových strojích. Elektromotory tohoto typu se také používají v zařízeních a systémech, kde je vyžadována vysoká přesnost synchronizace – ve strojích, které instalují (polohují) břemena na regály v automatizovaných skladech.

Lineární asynchronní elektromotory

Lineární asynchronní elektromotory jsou novým vývojem v průmyslu skladové manipulační techniky. Umožňují výrazně zvýšit rychlost pohybů stroje s pozoruhodnou opakovatelností a přesností. Lineární indukční motor generuje magnetické pole, které pohybuje jezdcem (deskou) v motoru. Obvykle je jezdec připevněn k předmětu, který se má pohybovat magnetickým polem: například u třídicích strojů je jezdec elektromotoru připojen k pohyblivé misce rozdělovače.

V takovém provedení nejsou žádné díly, které by se opotřebovaly. Lineární asynchronní elektromotory poskytují přesnost pohybu až 0,0335 mm na 1 m pojezdu, tedy umožňují provádět přesnou práci. Jak jedinečná je tato schopnost zařízení, dokládá skutečnost, že tloušťka lidského vlasu je asi 0,09 mm, tedy třikrát větší! Pracovní rychlost lineárních asynchronních elektromotorů je velmi vysoká – až 5 m/s, a proto jsou jejich pracovní cykly krátké a produktivita na nejvyšší úrovni. Rychlost pohybu jezdce na různých úsecích během jednoho cyklu lze měnit, nebo lze nastavit pohyb krok za krokem – to je u některých automatů velmi užitečná vlastnost.

Motorové válečky

Lineární indukční motory nejsou jedinou novinkou na poli elektrických pohonných jednotek. V poslední době se v dopravnících stále více používají motorem poháněné válečky (MDR). Před pouhými dvěma lety na výstavě ProMat Material Handling and Logistics Show v Chicagu jen několik společností vystavovalo motorizované válečkové dopravníky, ale na výstavě v lednu 2007 měla téměř každá společnost nabízející dopravníky ve svém sortimentu modely s motorizovanými válečky.

Ve Spojených státech byly motorizované válečkové dopravníky poprvé použity poštovními službami. Jejich design je jednoduchý. Uvnitř hnacího válce je instalován miniaturní stejnosměrný motor pracující na 24 V a převodovka. U konvenčních dopravníků je jeden motorový válec na každých 9 konvenčních válečků.

Pokud dopravník pohybuje břemeny v nepřetržitém proudu, je podle odborníků ekonomičtější pohon od externích elektromotorů. Dopravníky s motorizovanými válečky jsou cenově výhodné a používají se především v případech, kdy je potřeba nashromáždit příchozí zboží na dopravníku a následně jej přemístit dále, nebo kdy je potřeba rozdělit tok zboží do skupin a zboží přesouvat po skupinách.

Motorizované válce mají celou „buketu“ výhod. Hlučnost dopravníků vybavených motorovými válečky je výrazně nižší než u konvenčních dopravníků. Pomáhají šetřit energii: nejen díky vyšší účinnosti, motorové válce, ale také proto, že dopravník funguje pouze v případě potřeby. Další výhodou je vyšší úroveň řídicích systémů pro motorové válce. V současné době se vyrábí dopravníky s motorovými válečky, které vyvinou rychlost až 90 m/min, a pokud dojde ke snížení toku zboží, lze rychlost snížit až na 30 m/min, čímž se sníží opotřebení dílů dopravníků a spotřeba energie. Konečně válečkový motor nevyžaduje prakticky žádnou údržbu. Protože funguje pouze v případě potřeby, jeho životnost se prodlužuje na roky. Při poruše elektromotoru je válečkový motor vyměněn za jiný, prakticky bez přerušení dopravníku.