1

ElektrickElektrickéé stroje stroje ÚÚvodvod

–– AsynchronnAsynchronníí motorymotory

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek únor 2007

Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II

ElektrickElektrickéé ststrrojeoje jsou vjsou vžždydy mměěniničče energie e energie jejichjejichžž rozdrozděělenleníí a provedena provedeníí je zje záávislvisléé na na druhu poudruhu použžititééhoho proudu a výstupnproudu a výstupníí formforměě

energie (mechanickenergie (mechanickáá, elektrick, elektrickáá).).

transformací pohybem samoindukcí

Podle zpPodle způůsobu dosasobu dosažženeníí zmzměěnynymagnetickmagnetickéého toku ho toku hovohovořříímeme o o indukovanindukovanéém napm napěěttíí vzniklvznikléémm

2

IndukovanIndukovanéé napnapěěttíí vzniklvznikléé transformactransformacíí

dtdNu h

iΦ

= *22

Indukované napěětí vzniklé pohybem

,* ,

dtdx

dxdN

dtd

Nu xtxi ⋅

Φ⋅=

Φ= 2

vlBNu xi ⋅⋅⋅⋅= 2

3

IndukovanIndukovanéé napnapěěttíí vzniklvznikléé samoindukcsamoindukcíí

⋅⋅=⋅Φ

=dtdi

Ldtdi

dtdNu t

i *2

SilovSilovéé úúččinky inky

F = B .I . l M = 0,5 . d . sum Fi

4

ZZáákladnkladníí rozdrozděělenleníí ES dle pohybu:ES dle pohybu:

-- netonetoččivivéé (bez pohybu)(bez pohybu)

-- totoččivivéé ((s pohybem)s pohybem)

-- linelineáárnrníí (s pohybem)(s pohybem)

DefDef.: To.: Toččivýivý ES je zaES je zařříízenzeníí, kter, kteréé mmáá ččáástisti schopnschopnéévykonvykonáávat relativnvat relativníí totoččivýivý pohyb a kterpohyb a kteréé je urje urččenoeno pro pro

elektromechanickou pelektromechanickou přřememěěnu energie.nu energie.

ElektrickElektrickéé stroje tostroje toččivivéé ppřřememěňěňujujíí elektrickou elektrickou (elektromagnetickou) formu energie na mechanickou (elektromagnetickou) formu energie na mechanickou

formu energie (motory) a naopak (generformu energie (motory) a naopak (generáátory). tory).

ElektrickElektrickéé stroje tostroje toččivivéé

5

Základní rozděělení EST(dle charakteru napájecího napěětí )

• střřídavé stroje (AC stroje)

jednofázové, trojfázové, m - fázové

• stejnosměěrné stroje (DC stroje)

• ostatní

T O Č I V É NETOČIVÉ

GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY(jedno a trojfázové) MĚNIČE

Stej

nosm

ěrné

Stříd

avé

(Alte

rnát

ory)

Stej

nosm

ěrné

Stříd

avé

Kom

utát

orov

é

• cizím buzením• derivační• kompaudní• sériové

• cizím buzením• derivační• kompaudní• sériové

• synchronní• asynchronní

• asynchronní• synchronní

•usměrňovačestřídavé měničenapětí

•střídače•pulzní měniče•měniče kmitočtu

ELEKTRICKÉ STROJE

síťové (výkonové)

pecnísvařovací (rozptylové)

měřící (MTP, MTN)

speciální (autotransformátory,

bezpečnostní, izolační, atd.)

6

Rotor s:

Stator s:

klecovým vinutím

3-fázovým vinutím s kroužky

vyniklými póly vč.

permanent-ních magnetů

vinutím a s komutátorem

3-fázovým vinutímAsynchronní

klecový motor,

Asynchronnímotor

(s kotvou) nakrátko

Asynchronnímotor

s vinutým rotorem

Kroužkový asynchronní

motor

Synchronnístroj

Komutátorový motor

vyniklými pólySynchronní

stroj s vyniklými

(vyjádřenými) póly

Krokový motor Stejnosměrný stroj

Motor se stíněným

pólem

Základní konstrukce elektrických strojů točivých

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ STROJESTROJEObecně

• Asynchronní stroj (AS) je používánjako 1f a 3f motor (AM) a také jakogenerátor. Nejčastěji však jakomotor. Je nazýván “ tažným koněm”průmyslu.

• Většina AM používaných v průmyslu je s klecovým rotorovýmvinutím, tzv. “ nakrátko”.

• Oba motory, třífázový i jednofázovýmotory mají široké použití.

• AS jako asynchronní generátor máojedinělé použití, jako typický jepoužití ve větrných elektrárnách, apod.

Jednofázový asynchronní motor

Svorkovnice

Výkonový štítek stroje

Hřídel

Ložiskové pouzdro

Ložiskový štít-zadní

Rozběhový kondenzátor

© Stýskala, 2002

7

Hlavní části 3f asynchronního motoruHlavní části 3f asynchronního motoru

Rotor Stator

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORY• Stator - konstrukce

– Jádro (paket) z izolovanýchdynamoplechů s drážkami

– Vinutí z izolovaných Cu vodičů, zpravidlatří nebo jednofázové, je vytvarováno a uloženo oddělené drážkovou izolací v drážkách jádra

• Rotor klecového AM - konstrukce– Paket z izolovaných dynamolechů s

drážkami na vnějším obvodu– Kovové tyče vinutí zalisovány v

drážkách, zpravidla slitiny na bázi Al– Dva kroužky spojující tyče nakrátko– Drážky a tyče jsou zešikmeny z důvodů

snížení hlučnosti vlivu harmonických

Jádro

Statorovádrážka

Řez statorovým vinutím

Řez tyčí rotorového vinutí

Spojovací kruhyRotorové tyčemírné zešikmení

8

statorovásvorkovnice

3f statorové

vinutí

ventilátor

litinová nebo hliníková kostra s chladícími žebry

ložiska

přední a zadníložiskový štít

kryt ventilátoru

výkonový štítek

hřídel

proud chladícího vzduchu

motorový přívod elektrické energie

Názorný řez 3f AM v patkovém provedení

patka

příkon P1

výkon P2ztráty ΔP

KLECOVKLECOVÉÉ ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORYKonstrukce

• Statorový paket je tvořenmezikružími z izolovanýchelektrotechnických plechů s drážkami na vnitřním obvodu

• Ve statorových drážkách je uloženotřífázové vinutí vyvedené nasvorkovnici

• Na hřídeli je nalisován rotorovýpaket také z izolovanýchelektrotechnických plechů s drážkami po vnějším obvodu

• Klecový rotor: Tyče z vodivéhomateriálu jsou na obou koncíchspojeny nakrátko vodivými kruhy(časté u montáže AM středních a větších výkonů)

Koncepce 3f klecového AM

U-

V+

U+W+

W-

V-

FázeU

FázeV

FázeW

Statorové jádro- paketz izolovanýchdynamoplechů

Statorovédrážkys vinutím

Paket z rotorovýchplechů

Vzduchovámezera

Kruhy nakrátkotvořící s tyčemirotorové klecovévinutí - klec

© Stýskala, 2002

9

KROUKROUŽŽKOVKOVÉÉ ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORY

Rozdílnost konstruce

Vinutý rotor:• Trojfázové rotorové vinutí je

uloženo v rotorových drážkách.• Je zapojen zpravidla do hvězdy

(Y), zřídka do trojúhelníka (D)• Konce fází rotoru jsou vyvedeny

na kroužky, začátky do uzlu (Y)• Tři uhlíkové kartáče dosedají na

tři kroužky• Rotorové vinutí může být spojeno

s externími variabilními rezistorynebo se samostaným zdrojem(měničem)

Koncepce 3f AM s vinutým rotorem

U-

V+

U+W+

W-

V-

FázeU

FázeV

FázeW

Statorové jádro- paketz izolovanýchdynamoplechů

Statorové drážkys vinutím

3f rotorové vinutíuložené v rotorovýchdrážkách vyvedenéna kroužky

Třífázovéstatorovévinutí

Rotorový paketz izolovanýchdynamoplechů

hřídel motoru

Vzduchovámezera

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORYVinutý rotor

• Na obrázku je vinutý rotorkroužkového motoruvelkého výkonu

• Konce všech fází jsouvyvedeny na kroužky

• Pomocí tří sběracíchkartáčů dosedajících nakroužky bývá k rotorovému vinutípřipojena trojice vnějšíchrezistorů Rad spojenýchdo Y

Konstrukce vinutého rotoru

Kroužky

© Stýskala, 2002

RadU

RadV

RadW

Uhlíkovékartáče

10

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORYPrincip činnosti 3f AM

• Statorové vinutí je napájeno třífázovým napětím, které v němvyvolá souměrný střídavý proud.

• Protékající třífázový proud generuje ve statoru točivé EM pole.

• Toto EM pole rotuje (obíhá, otáčí se) synchronní úhlovourychlostí Ω1 = π·n1/30. Synchronní rychlost je úměrnásynchronním otáčkam n1, ty závisí na frekvenci napájecíhonapětí AM a počtu pólových dvojic (pólpárů) p:

n1 = 60 ·f / p (min-1)

• Rotující EM pole indukuje indukované napětí do vodičůrotorového vinutí nakrátko.

• Indukované napětí vyvolá v klecovém vinutí rotoru el. proud.

Uu

Uv

Uv

Princip vzniku kruhového točivéhomagnetického pole ve statoru 3f AM

n1 ….. synchronní otáčky točivého mag. pole ve statorovém vinutí, resp. ve statorovém paketu

∼

∼

∼

fáze statorového vinutí

napá

jení

z 3f

stří

davé

ho z

droj

e ha

rmon

ické

ho n

apět

í

11

Působení kruhového točivéhomagnetického pole ve statoru 3f AM na rotor,

vznik točivého momentu

Stator

Rotor(rotorové vinutí není

nakresleno)

Statorovévinutí

n …. otáčky (aktuální) rotoru

n1 … synchronníotáčky

3 fázový zdroj

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORY

Vznik tažné síly AM

• Točivé EM pole indukujeproud v tyčích rot. vinutí

• Vzájemné působenítohoto proudu a EM točivého pole vyvoláhybnou sílu přenášenouna hřídel

F = B · I1 · l

• l je délka rotoru

Force

Brotating

I1

Ring

Síla FIndukce Btočivého EM

pole

Tyče rotorovéhovinutí

Rotorové kruhy

n, Ω

l

12

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORY3f AM - Význam skluzu

• Když se rotor otáčí stejnou úhlovou rychlostí (resp. otáčkami) jakou mátočivé EM pole statoru, je jím indukované napětí, proud a moment rovennule. Proto k vytvoření momentu musí mít rotor AM rychlost menšínež je rychlost synchronní (Ω < Ω1 , resp. n < n1).

• Motor ke své činnosti potřebuje stále určitý rozdíl rychlosti (otáček) rotoruvůči rychlosti (otáčkám) synchronní, vytvořené EM polem statoru. Tentopoměrný pokles otáček se nazýván skluz s a je dán vztahem:

s = (n1 - n)/n1

• Frekvence indukovaného napětí a proudu v rotoru je: f2 = s⋅ f1• Jmenovitý skluz sn (při jmenovitém zatížení) AM bývá od 0,5 do 5%, u velmi

malých motorů až 10%.

ASYNCHRONNASYNCHRONNÍÍ MOTORYMOTORY3f AM - Skluz - Příklad výpočtu

Třífázový AM 14,7 kW, 3x230V, 50Hz, šestipólový, zapojený do Y, má jmenovitý skluz 5%.

Vypočtěte:a) Synchronní otáčky a synchronní rychlostb) Jmenovité otáčky rotoruc) Jmenovitý moment motorud) Frekvenci rotorového proudu

Řešení

a) Synchronní otáčky : n1 = 60 ⋅ f /p = 60 ⋅ 50 / 3 = 1 000 ot./min., tj. 16,667 ot./s.synchronní úhlová rychlost : Ω 1 = 2 ⋅ π ⋅ n1 = 104,669 rad./s.

b) Otáčky rotoru: nn = (1 - s ) ⋅ n1 = (1 - 0,05) ⋅ 1 000 = 950 ot./min., tj. 15,83 ot./s.

úhlová rychlost rotoru: Ω n = 2 ⋅ π ⋅ nn = 99,465 rad./s.

c) Jmenovitý moment motoru: Mn= P2n/ Ω n = 147,8 Nmd) Frekvenci rotorového proudu: f2 = s ⋅ f1 = 0,05 ⋅ 50 = 2,5 Hz

13

ASYNCHRONNÍ MOTORYSestrojení náhradního (elektrického) obvodu 3f AM,aby bylo možno popsat AM jen elektrickými obvodovými veličinami

• Toto je úplné náhradní schéma AM:

I1j Xσ1

IFe

U1

R21/sj Xσ21

I21 = I2 /K

R1

Iμ

jXμRFe

I0

a1

1´

2

2´

Ui

Náhrada statorového obvoduNáhrada rotorového obvodu

Náhrada magnetickéhoobvodu AM

δ

Ui1

© Stýskala, 2002

ASYNCHRONNÍ MOTORY3f AM - Momentová charakteristika - průběh a důležité hodnoty

Momentová charakteristika, tzn. n = f (M) závislost rychlosti, resp. otáček AM nazatěžovacím momentu se dá sestrojit např. pomocí programu MathCad.• Obrázek s m.ch. AM ukazuje důležité body a hodnoty, včetně nominálního bodu A.• AM pracuje jako motor v rozsahu skluzu od 1 do 0.

1,0 2,0 3,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

s = 1,0

0,05

MN

MM

MZ

M0

4,00,0

n0

nN

nz

v

n1 A

s

n = f (M)

M

n , resp. Ω

14

3 pracovnírežimy, plynulé

přechody

Asynchronnímotory

ASYNCHRONNÍ MOTORY“ 3f AM - Výkonová analýza - bilance výkonů a výkonových ztrát ”

• Výkony a ztráty jsou u AM vyjádřeny s použitím jeho náhradního schématu.

• Diagram toku výkonů při jmenovitém zatížení ukazuje následující obrázek:

P 1N

= R

e {3

⋅U

1 ⋅I

1*} =

=√

3 ⋅U

1NS

⋅I 1S⋅

cosϕ

1N

Mec

hani

cké

ztrá

tyΔ

P mec

Ztrá

tyv

roto

rové

mvi

nutí

ΔP j

2= 3

⋅I 2

2 ⋅R

21

Ztrá

tyve

vinu

tíst

ator

uΔ

P j1

= 3

⋅I1

2 ⋅R

1

Dod

ateč

nézt

ráty

P2N = MN ⋅ ΩNPmec = Mmec ⋅ Ω N

Pδ = 3 ⋅ I22 ⋅ (R21/s)

Pmec= 3 ⋅ I22 ⋅ R21 ⋅ (1- s)/s

P2N = Pmec- ΔPtoč

ΔPtoč = ΔPmec+ ΔPd

Ztrá

tyv

žele

zeΔ

P Fe

Pδ = Mem ⋅ Ω1

Výkon přenášený EM točivým polem ze statoru do rotoru přes vzduchovou mezeru δ Výkon elektromagnetického pole (vnitřní)

S t a t o r R o t o r

15

ASYNCHRONNÍ MOTORY“ Jednofázový AM ”

OBECNĚ

• Je nejvíce používán v chladničkách, pračkách, ždímačkách, hodinách, vrtačkách, malých kompresorech, pumpách, atd.

• U tohoto typu motoru je v drážkáchstatorovém paketu uloženo dvojívinutí uspořádané navzájem kolmo. Jedno je hlavní (pracovní), a druhépomocné je pro rozběh (stratovací).

Klecovýrotor

Statorový paketz izolovanýchdynymoplechů

Statorovédrážky s vinutím

Rotorovtyče

Kroužky spojujícítyče nakrátko

Hlavnívinutí

Startovací -- pomocné

vinutí

+

_

I

ASYNCHRONNÍ MOTORY

Jednofázový AM - Princip spouštění

• Spouštění 1f AM vyžaduje vytvoření točivého EM pole.

• Točivé EM pole k rozběhu je zde vytvořeno (např. pomocí kapacitoru v) proudyve vinutích navzájem fazově posunutími o 90o (el.).

U

C

odstředivý spínač

hlavní vinutí

rozběhovévinutí

rotor

16

Pro jednofázový asynchronní motor platí:• nerozběhne se bez pomocného vinutí

(moment pro s=1 0 Nm)• rozběhové vinutí je buď připínáno jen po

dobu rozběhu (velký moment)• rozběhové vinutí je připojeno stále (časté

spouštění)• bez rozběhového vinutí může fungovat jen

když jej „rozběhneme“ např. ručně

ASYNCHRONNÍ MOTORY

Jednofázový AMSpouštění jednofázového AM• Pro spouštění - rozběh 1f AMplatí:Γ Hlavní vinutí je napájeno proudemIh = I ⋅ cos ωtΓ A rozběhovým vinutím musí téctproudIr = I ⋅ sin ωt• Fázové posunutí (90°) proudů jedosaženo buď připojením rezistoru,induktoru nebo (zpravidla) silnoproudéhokapacitoru do série s rozběhovýmvinutím, viz. obr..• Při rozběhu s C je až 4x většízáběrnýmoment a menší záběrný proud než urozběhu s rezistorem.

17

Klossův vztahPlatí jen pro 3-f kroužkové motory,

Mm – maximální moment

s – skluz ve vyšetřovaném bodě

sb - skluz při max. momentu

Xσ – rozptylová indukčnost

R2‘ – přepočtený odpor rotoru

U1 – napájecí napětí

ΩS1 – frekvence napájenístatoru

R1 – odpor statoru

Důsledky Klossova vztahu

• S klesajícím napětím klesá kvadraticky maximální moment motoru (stejně tak jako záběrný)

• S rostoucí frekvencí (výš než nominální) klesá hyperbolicky (kvadrátem) max. moment motoru

• Při vřazení rotorového externího odporu (kroužkové motory) se posouvá max. moment směrem k vyššímu skluzu

18

Zjednodušené výpočty momentu AM

V okolí pracovního bodu (kolem Mn, sn) platí podobnost trojúhelníků, tj. moment je přímo úměrný skluzu.

Toto platí i pro klecové motory, obecně lze takto počítat v rozmezí cca 0,2 – 2 Mn

Spouštění AM• Malé výkony (Pn< 2,2 kW) přímým

připojením na síť.• Výkony do cca 6 kW – přepínáním vinutí

Y/D• Pro kroužkové stroje – spouštěcí odpor v

rotoru• Pro klecové stroje – spouštěcí statorový

odpor/tlumivka, autotransformátor• Polovodičové měniče – softstartér /

frekvenční měnič• Pomocný rozběhový motor menšího výkonu

19

Řízení otáček AM

• V zatížení pro kroužkové stroje rotorovým odporem/ podsynchronní kaskádou – tzv. skluzová regulace

• Změnou frekvence statorového napětí(frekvenční měnič)

• Změnou počtu pólů – tzv. Dahlanderovozapojení

Brzdění AM

Protiproudé („těžký rozběh“) změna sledu fází –skluz je 2 – energeticky nejhorší

Dynamické (stejnosměrné) nevýhoda v nulových otáčkách je moment 0.

Generátorické – buď změna počtu pólů nebo frekvence napájení statoru (frekvenční měnič) je možné rekuperovat elektrickouenergii. (skluz je < 0 )

20

MMěřěřeneníí na asynchronnna asynchronníích strojch strojííchch

TÉMA PŘEDNÁŠKY:

“ 3f AM - Určení parametrů podle zkoušek - měření ”

Parametry AM se určují na základě třech zkoušek:Měření naprázdno (nezatížený AM) - Poskytne údaje o ztrátovém odporu jádra RFe a hlavní magnetizační reaktanci Xμ

Zkouška nakrátko (při zabržděném rotoru) - Poskytne hodnoty( R1 + R21 ) a ( X1σ + X 21σ)

Měření odporu statorového vinutí stejnosměrnou Ohmovoumetodou - Umožní určit velikost odporu R1.Měření při zatížení – poskytne hodnoty pro určení účinnosti

© Stýskala, 2002

Určení parametrů 3f AM podle zkoušek

Měření odporu statorového vinutí stejnosměrnou Ohmovou metodou

– Zdroj ss napětí se připojí mezi dvě fáze (např. U a W jako na obr.)

– Změří se hodnoty ss napětía proudu

– Hodnotu rezistoru určímenásledně:

Id

R1

jXσ1

R1

R1

U

Ud

d

d

IUR⋅

=21

W

jXσ1

+

-

© Stýskala, 2002

MMěřěřeneníí na asynchronnna asynchronníích strojch strojííchch

21

Měření AM naprázdno

Určení parametrů 3f AM podle zkoušek

Měření naprázdno

– AM (Y) se napájí sdruženou hodnotou střídavého napětí U1N(S) , měří se proud naprázdno I0 a el. příkon naprázdno P10

– Příkon naprázdno P10 tvoří především výkonové ztrátyhysterezní ΔPh a vířivými proudy Δ Pv ve statorovém paketu. Další, podstatně menší (vlivem malého I0), jsou ztráty Jouleovyve statorovém vinutí Δ Pj1 a mechanické ztráty Δ Pmec

© Stýskala, 2002

Měření AM naprázdno3f AM - Určení parametrů podle zkoušek

Měření naprázdno - pokračování

• Mechanické výkonové ztráty Δ Pmec ( způsobené třenímotáčejícího se rotoru v úzké vzduchové mezeře, ventilačníztráty, apod.)

• Při chodu naprázdno je skluz velmi malý (s → min.), proto Jouleovy ztráty v rotorovém vinutí na něm přímo závislézanedbáváme

• Příkon naprázdno P10 se tedy zmaří především ve ztrátách v statorovém paketu Δ Pj1 a v mechanických ztrátách Δ Pmec

© Stýskala, 2002

22

Měření AM nakrátko3f AM - Určení parametrů podle zkoušek

Zkouška nakrátko (při zabržděném rotoru)

– AM je napájen sníženým napětím U1k (sdružená hodnota) a někdy i se sníženou frekvencí, jejíž hodnota se určí: f 1(mes) = 0,3 ·f 1 = 15 Hz.Sníženou frekvencí se simuluje stav, kdy rotorová frekvence proudu jepři normálním chodu malá.

– Měří se hodnoty napětí U1k , proudu nakrátko I1k a el. příkonu P1k

– Při zabržděném rotoru (n = 0) je hodnota skluzu s = 1. Hlavní

magnetizační reaktance Xμ a ztrátový rezistor RFe se v celkové velikosti

impedance nakrátko neprojeví, ta je velmi malá, proto musíme AM

napájet sníženým napětím.

© Stýskala, 2002

Zkouška nakrátko – pokračování

Při zkoušce nakrátko se projeví rozptylová indukčnost statoru a rotoru a odpory statorového a rotorového vinutí. (viz náhradní schéma)

Při zkoušce při plném napětí motor vyvine záběrný moment při záběrném proudu (až 7 násobek In )

Z toho zahřívání motoru, riziko spálení stat./rot. vinutí.Ztráty nakrátko jsou ztrátami ve vinutí (stator a rotor)

Měření AM nakrátko

23

Provozní charakteristiky AM• Jsou to závislosti proudu, účiníku, skluzu a účinnosti na

příkonu motoru odebíraném ze sitě při jmenovitém napětí.