Asynchronní stroje - konstrukce, princip funkce a řízení

Mezi nejhojněji používané elektrické točivé stroje patří asynchronní stroje, které mohou pracovat jako motor i generátor. Asynchronní stroje pracují na principu elektromechanické přeměny energie.

V praxi se nejčastěji používají asynchronní motory konající otáčivý pohyb hřídele kolem své osy. Dalším typem pohybu motoru může být lineární pohyb, což znamená, že stroj nemá otáčivou hřídel, ale může se pohybovat pouze po přímce.

Asynchronní stroje se hojně rozšířily po celém světě díky své konstrukční jednoduchosti a díky tomu, že jsou prakticky bezúdržbové. Používají se především jako čerpadla, kompresory, ventilátory, jeřáby, výtahy či stavební zařízení.

V tomto článku jsou postupně představeny:

• konstrukce asynchronních strojů,
• princip funkce asynchronního stroje,
• pracovní režimy asynchronního stroje,
• řízení asynchronních strojů a momentová charakteristika.

Konstrukce asynchronních strojů

Jako všechny ostatní točivé stroje obsahuje asynchronní stroj pevně zabudovanou část nazývanou stator a pohyblivou část rotor. Stator může být tvořený pevnou litinovou, svařovanou nebo hliníkovou částí a obsahuje dva ložiskové štíty. V této kostře jsou zalisovány vzájemně odizolované plechy tvořící jednu část magnetického obvodu.

Na hřídeli umístěné uvnitř statoru v ložiskových štítech jsou nalisovány rotorové plechy. Mezi statorem a rotorem je malá vzduchová mezera. Přes stator, rotor a tuto vzduchovou mezeru se uzavírá magnetický tok v motoru. Nalisované statorové i rotorové plechy obsahují drážky, ve kterých je uloženo vinutí stroje.

Toto vinutí může být jednofázové, častěji pak trojfázové. Začátky a konce cívek jsou vyvedeny na svorkovnici, která slouží k připojení motoru ke zdroji napětí.

Motory větších výkonů mají rotory tvořeny neizolovanými měděnými nebo mosaznými vodiči, které jsou spojeny kruhy nakrátko. Takovému rotorovému vinutí se říká klec.

Motory s trojfázovým vinutým rotorem mají začátky cívek spojeny do jednoho uzlu (zapojení do hvězdy), konce jsou připojeny ke kroužkům, kterých se dotýkají kartáče. To umožňuje připojit do obvodu rotoru další zařízení, například odpor do každé fáze a podobně.

Proč se to vlastně točí?

Vůbec nejrozšířenějším typem asynchronního stroje je motor s trojfázovým vinutím na statoru. Toto vinutí je připojeno na trojfázovou síť a uvnitř statoru se vytváří točivé magnetické pole. Pohyb magnetického pole zajišťuje, že indukční siločáry protínají vodiče na rotoru a v rotoru se indukuje napětí. Toto napětí zajišťuje, že rotorem protéká proud, což způsobuje silovou interakci vodičů na rotoru s vodiči na statoru.

Napětí se ve vodičích indukuje pouze tehdy, pokud se rotor pohybuje relativním pohybem vůči točivému elektromagnetickému poli statoru. To znamená, že pokud se na statoru vybudí magnetické pole naříklad o 3 000 otáčkách za minutu způsobené napájecím napětím o frekvenci 50 Hz, a rotor se otáčí 3 000 otáčkami za minutu, pak se rotor nepohybuje relativně vůči točivému poli statoru a v rotoru se nemůže indukovat napětí.

Rotor se tedy musí pořád otáčet s menším počtem otáček za minutu, než jak se otáčí pole na statoru. Rozdíl otáček na statoru a na rotoru se nazývá skluz a je dán vztahem

kde n1 jsou synchronní otáčky magnetického pole statoru a n jsou mechanické otáčky rotoru. Otáčky magnetického pole statoru závisejí na počtu pólů statoru. Výše zmiňovaný stroj se 3 000 otáčkami za minutu má dva póly – jednu pólovou dvojici. Ta je rozdělena na severní a jižní pól.

Skluz stroje závisí na velikosti zatížení stroje. Čím je větší zatížení, tím je větší skluz. Počet otáček točivého pole statoru za minutu je dán podílem frekvence a počtem pólových dvojic (p).

Pracovní režimy asynchronního stroje

Asynchronní stroje pracují ve velké většině případů jako motory. To platí v případě, že se jejich otáčky nacházejí v oblasti od nuly do synchronních otáček. Stroj může ale pracovat i jako generátor, pokud mechanicky roztáčíme hřídel, a tím pádem celý rotor. Platí pro oblast na momentové charakteristice (na obrázku níže), kdy rotor má vyšší než synchronní otáčky.

V případě, že zablokujeme pohyb rotoru, mohou asynchronní motory pracovat i jako transformátory pro regulaci napětí. Převod takového transformátoru je dán natočením cívek rotoru vůči cívkám statoru. V případě zabrzděného rotoru má napětí na něm frekvenci stejnou, jako je frekvence napájecí sítě.

Pokud uvažujeme stroj pracující v motorickém režimu, pak frekvence indukovaného napětí je závislá na velikosti skluzu rotoru vůči statoru. Platí, že čím je rychlost otáček rotoru bližší synchronním otáčkám statoru, tím je frekvence rotorového napětí menší.

Řízení asynchronních strojů a momentová charakteristika

Elektrický motor je charakteristický svými parametry. Mezi nejdůležitější patří velikost proudu odebíraného ze sítě, způsob zapojení (hvězda nebo trojúhelník) cívek ve statoru, velikost napětí, jmenovitý moment, otáčky a výkon. Výkon závisí na momentu stroje M a na okamžitých otáčkách hřídele ω a je dán vztahem

Nejdůležitější charakteristikou elektrického motoru je momentová charakteristika. Ta vyjadřuje velikost momentu na hřídeli v závislosti na otáčkách. V rozmezí od nuly do synchronních otáček (rotor má stejné otáčky jako pole statoru) stroj pracuje jako motor. Při překročení těchto otáček se ze stroje stane generátor.

Při rozběhu asynchronního motoru z nulových otáček protéká statorovým vinutím až sedminásobek jmenovitého proudu. Tento proud klesá na jmenovitý proud ihned po úplném roztočení stroje, přesto však představuje rizikový faktor schopný negativně ovlivňovat životnost celého stroje. Žádoucí tedy je účinně snižovat velikost startovacího – tzv. záběrného proudu. K tomu slouží celá řada postupů, mezi něž patří například:

• zapojení předřadných odporů (snižují velikost proudu tekoucího statorovým vinutím),
• spouštění autotransformátorem (plynule zvyšuje hodnotu napájecího napětí),
• přepínač hvězda/trojúhelník (využívá toho, že proud ve trojfázové soustavě je menší, pokud je zátěž (cívky motoru) zapojená do hvězdy, než pokud je zapojena do trojúhelníka (do hvězdy teče třetinový proud proti proudu do trojúhelníka)),
• frekvenční měnič (umožňuje plynulou regulaci napájecí frekvence a tím pádem i rychlost otáčení točivého magnetického pole na statoru),
• softstartér – regulátor napětí (reguluje velikost napájecího napětí a mění skluz motoru).

Otáčky již běžícího motoru můžeme měnit například změnou skluzu, změnou napájecí frekvence, změnou počtu pólů na statoru nebo změnou napětí. Otáčky jsou dány vztahem:

Pokud nemůžeme čekat na samovolný doběh odpojeného motoru od napájení a potřebujeme zastavit motor elektricky, je možné využít brzdění protiproudem. Jedná se o prohození sledu fází. Tím dojde ke změně směru pohybu točivého pole a rotor pohybující se nově v protisměru vytváří brzdný moment. Generátorické brzdění využívá změnu počtu pólů. Tímto způsobem lze skokově měnit otáčky, nemůžeme však stroj úplně zastavit. Dynamické brzdění spočívá v tom, že odpojíme zdroj třífázového napětí a necháme cívkami protékat stejnosměrný proud.

Zdroj úvodní fotografie: www.maximintegrated.com/en.html

Reference: Studijní texty FEKT, VUT v Brně