Princíp činnosti
Každý z nás v školských hodinách fyziky demonštroval experimenty s drôteným rámom umiestneným v poli permanentného magnetu. Ak prechádza rám rámom, potom sily Ampere pôsobia na vodiče v pravej a ľavej časti rámu, čím sa vytvorí krútiaci moment a rám s prúdom sa otáča, až kým nedosiahne polohu, v ktorej sa pôsobiace sily navzájom vyvážia.
Ak sa pole otočí, rám s prúdom sa s ním otočí. Princíp synchrónneho motora je založený na tomto princípe. Rám s magnetmi je analógom elektromotora. Otočný rám s prúdom - rotor. Stacionárne magnety - stator.
Trojfázový synchrónny motor
Teraz je potrebné nútiť statický stator vytvoriť rotujúce magnetické pole.
Na začiatku nahradíme permanentné magnety prúdovými cievkami vo vinutiach statora. Prúdová cievka vytvára rovnaké magnetické pole ako magnet. Nasaďte na stator nie jeden magnet cievky, ale tri, ktoré sú navzájom otočené o 120 stupňov. Na tieto vinutia dodávame striedavý prúd s fázovým posunom 120 stupňov. Takto sa fázy posunú v trojfázovej sieti.
Výsledné magnetické pole je výsledkom prídavku vektora troch polí. Celkový vektor magnetickej indukcie sa bude otáčať pri frekvencii striedavého prúdu. V jednom období magnetické pole vytvorené trojfázovým statorom motora vykoná úplnú otáčku. Rotor, ktorý je podobný cievke s prúdom, sa otáča s magnetickým poľom statora rovnakou rýchlosťou. Rotor synchrónneho motora teda otáča frekvenciu striedavého prúdu.
Synchrónne motory majú najlepší výkon, maximálny výkon a vysokú účinnosť. Existuje však ťažký rotor s vinutiami, ktoré je ťažké vyvážiť. Na vinutie rotora musí byť privádzaný prúd, čo si vyžaduje použitie nespoľahlivej zostavy kefy. Všeobecne platí, že synchrónny motor je dobrý, ale ťažký, drahý a nie veľmi spoľahlivý.
Trojfázový asynchrónny motor
Zakryte konce rámu. Dostaneme jednu veveričnú cievku. Náš trojfázový stator vytvára rotujúce magnetické pole. Nechajte toto pole a vytvára prúd v skratovanom rotore.
Keď sa statorové pole otáča relatívne k pevnému rámu, vytvára vo svojom obryse premenlivý magnetický tok. Podľa zákona elektromagnetickej indukcie, striedavé pole indukuje elektrický prúd v ráme . Prúd vytvára krútiaci moment a rám sa otáča po magnetickom poli, ako v synchrónnom motore.
Ale je tu jeden zásadný rozdiel. V synchrónnom motore sa rotor otáča súčasne, to znamená synchrónne so statorovým poľom. Rotor vzhľadom na statorové pole je stacionárny.
V asynchrónnom motore sa rotor snaží dobehnúť točivým poľom, ale vždy za ním trochu zaostáva, akoby k nemu kĺzal. Ak je rýchlosť otáčania rotora presne rovnaká ako rýchlosť poľa, indukčný prúd už nebude v rotore indukovaný.
Rozdiel vo frekvencii otáčania magnetického poľa a rotora indukčného motora sa nazýva sklz. To zabezpečuje prítomnosť prúdu v rotore.
Asynchrónne motory sú horšie synchrónne vo všetkých charakteristikách, ale oveľa jednoduchšie, jednoduchšie, spoľahlivejšie a lacnejšie. Prakticky všetky elektrické motory používané v priemysle sú dnes asynchrónne trojfázové motory.
Mechanická charakteristika
Mechanická charakteristika motora je závislosť krútiaceho momentu na hriadeli na otáčkach.
Ako už bolo spomenuté, rýchlosť otáčania rotora v asynchrónnom motore je vždy odlišná od rýchlosti otáčania statorového poľa o veľkosť sklzu.
Slip S = (n1- n2) / n1, kde n1 je rýchlosť otáčania poľa a n2 je rýchlosť otáčania rotora.
Táto vlastnosť ukazuje, že motor môže pracovať v piatich režimoch:
- Voľnobeh.
- Štart.
- Motorový režim.
- Režim regenerácie.
- Režim generátora.
V režime voľnobehu sa posúvač S rovná 0. Rotor sa otáča synchrónne s magnetickým poľom, ako v synchrónnom motore, a krútiaci moment je 0. Režim voľnobehu je čisto hypotetický a v praxi sa nikdy nerealizuje.
V čase rozbehu je rotor stále a S = 1. Krútiaci moment pri S = 1 sa nazýva štartovací moment.
Po naštartovaní sa rotor dostane do motorového režimu a začne sa otáčať, pričom postupne dobieha magnetické pole. V režime motora 1> S> 0.
Ak rotor náhle nejako predbehne pole, príde režim obnovy. V tomto prípade motor posiela energiu do siete. V režime obnovenia S <0.
S> 1 zodpovedá režimu generátora. V režime generátora sa rotor pohybuje smerom k prúdu a generuje elektrický prúd.
S = Sn zodpovedá nominálnemu režimu. Hodnota nominálneho sklzu je zvyčajne 2 - 8%.
Jednofázový asynchrónny motor
Môžete dokonca spúšťať trojfázový asynchrónny motor.
Nechajme len jedno vinutie na statore a tam dáme jednofázový elektrický prúd. Máme jednofázový asynchrónny motor. V tomto motore je statorové pole nehybné - to je základný rozdiel medzi jednofázovým motorom a viacfázovým motorom. Takýto motor však funguje.
Jednofázový motor sa nemôže spustiť nezávisle. Na tom nie je nič zvláštne. Motor s vnútorným spaľovaním, ktorý je nám známy, sa musí najprv uvoľniť. V aute používame prídavný elektromotor - štartér a v reťazovej píle, ktorú robíme ručne, ťahaním štartovacieho kábla.
Ak je jednofázový motor zatlačený a v akomkoľvek smere, zrýchli sa a bude sa otáčať v danom smere.
Ak sa rotoru dáva rotácia v určitom smere, bude sa pohybovať spolu s jedným poľom a smerom k druhému.
Motor môže byť znázornený ako dva trojfázové motory, namontované na jednom hriadeli, ale zahrnuté v opačnom smere. Pri rozbehu je hriadeľ stacionárny a motory sa navzájom vyvážia.
Ak je hriadeľ uvoľnený vonkajšou silou v určitom smere, potom jeden motor, spustený v rovnakom smere, bude v režime motora a druhý v generačnom. Mechanická charakteristika ukazuje, že krútiaci moment v režime motora je väčší ako v režime generátora, preto súvisiace motory ťahajú.
štart
Na spustenie jednofázového elektromotora je na jeho statore kolmo na hlavnú stranu navinutý ďalší štartovací vinutie a do neho je privádzaný prúd s fázovým posunom. Pre fázový posun v sérii s vinutím je použitý prvok fázového radenia. Ako prvok fázového posunu môžete použiť odpor, tlmivku alebo kondenzátor. V každom prípade bude celková impedancia v hlavnom a štartovacom obvode vinutia odlišná a prúdy budú prijímať fázový posun.
Najčastejšie sa používa kondenzátor fázového posunu.
Rýchlosť otáčania
Siete našich energetických spoločností využívajú striedavé napätie 220/380 s frekvenciou 50 Hz. Okrem toho sa udržiava AC frekvencia 50 Hz s presnosťou 2%. Ako už vieme, rotor synchrónneho elektromotora sa otáča s frekvenciou striedavého prúdu . To znamená, že pri frekvencii siete 50 Hz dosahuje rotor 50 otáčok za sekundu alebo 3000 otáčok za minútu. Vinutie statora je možné rozdeliť na sekcie a urobiť multipolárny motor. Vo viacpólovom motore sa rýchlosť znižuje so zvyšovaním počtu pólov a všeobecne sa rovná 3000 / p otáčkam, kde p je počet pólov.
Preto rýchlosť otáčania elektromotora v našej krajine nemôže byť vyššia ako 3000 otáčok za minútu. V krajinách, kde bola prijatá sieťová frekvencia 60 Hz, napríklad v Spojených štátoch, sa elektromotory otáčajú maximálnou rýchlosťou 3600 otáčok za minútu. A tu sme opäť za Amerikou.
Pri synchrónnom elektromotore nie sú otáčky závislé od zaťaženia. Pri rastúcom zaťažení rotor synchrónneho stroja zaostáva za poľom vo väčšom uhle, ale rýchlosť otáčania sa nemení.
V asynchrónnom režime závisí veľkosť preklzu od zaťaženia. Pri zvyšujúcom sa zaťažení tak klesá rýchlosť asynchrónneho elektromotora.
Schémy zapojenia
Štartovacie vinutie, zapnuté s fázovým posunom, otáča magnetické pole a otáča jednofázový motor na dvojfázový na čas štartovania.
Ďalšie vinutie nie je určené na dlhodobú prevádzku a po vstupe do prevádzkového režimu by malo byť vypnuté. Odpojenie sa vykonáva buď ručne pomocou tlačidla, alebo pomocou odstredivého spínača, alebo pomocou tepelného relé na ohrev štartovacieho vinutia.
V jednofázovom motore v prevádzkovom režime je magnetické pole statora nepohyblivé . Toto je jej hlavný rozdiel od viacfázovej fázy.
Niekedy sa mylne nazývajú jednofázové elektromotory, ktorých prídavné vinutie je trvalo pripojené cez kondenzátor.
Trojfázový motor je možné pripojiť k jednofázovej sieti, ak je jedno z fázových vinutí pripojené cez kondenzátor. Ak máte k dispozícii priemyselný trojfázový elektromotor, môžete ho použiť v jednofázovej domácej sieti, aj keď so stratou výkonu a nižšou účinnosťou.
Porovnanie motorov
synchrónne
- Na rotore je vinutie, do ktorého prúdi prúd.
- Frekvencia otáčania hriadeľa je rovnaká alebo násobkom frekvencie zdroja energie.
- Rýchlosť je stabilná a pri zaťažení sa nemení.
asynchrónne
- Rotor nie je pripojený k zdroju prúdu.
- Frekvencia otáčania hriadeľa pod frekvenciou siete na úrovni preklzu.
- S rastúcim zaťažením sa rýchlosť znižuje.
Jednofázová asynchrónna
- Jediné vinutie na statore.
- Otáča sa v ľubovoľnom smere.
- Nezačína sám od seba.