Jednofázový asynchronní elektromotor

Jednofázový asynchronní elektromotor je asynchronní elektromotor, který pracuje z jednofázové střídavé elektrické sítě bez použití frekvenčního měniče a který v hlavním provozním režimu (po spuštění) využívá pouze jedno vinutí statoru (fáze).

Jednofázový asynchronní elektromotor se startovacím vinutím

Návrh jednofázového motoru s pomocným nebo rozběhovým vinutím

Hlavní součásti každého elektromotoru jsou rotor a stator. Rotor je rotační část elektromotoru, stator je stacionární část elektromotoru, pomocí které se vytváří magnetické pole k otáčení rotoru.

Hlavní části jednofázového motoru: rotor a stator

Stator má dvě vinutí umístěná vůči sobě pod úhlem 90°. Hlavní vinutí se nazývá hlavní (pracovní) vinutí a zabírá obvykle 2/3 drážek jádra statoru, další vinutí se nazývá pomocné (startovací) vinutí a zabírá obvykle 1/3 drážek statoru.

Motor je ve skutečnosti dvoufázový, ale protože pracuje pouze jedno vinutí, nazývá se elektromotor jednofázový.

Rotor Obvykle se jedná o zkratované vinutí, pro svou podobnost také nazývané „klec pro veverky“. Jejich měděné nebo hliníkové tyče jsou na koncích uzavřeny kroužky a prostor mezi tyčemi je nejčastěji vyplněn hliníkovou slitinou. Rotor jednofázového motoru může být rovněž vyroben ve formě dutého nemagnetického nebo dutého feromagnetického válce.

Jednofázový motor s pomocným vinutím má 2 vinutí umístěná na sebe kolmo

Princip činnosti jednofázového asynchronního motoru

Abychom lépe porozuměli činnosti jednofázového indukčního motoru, uvažujme jej pouze s jedním otočením hlavního a pomocného vinutí.

Pojďme analyzovat případ se dvěma vinutími, z nichž každé má jeden závit

Uvažujme případ, kdy v pomocném vinutí neteče žádný proud. Když je hlavní statorové vinutí připojeno k síti, střídavý proud procházející vinutím vytváří pulzující magnetické pole, stacionární v prostoru, ale měnící se od +F_max do -F_max.

Zastavte
Pulzující magnetické pole

Pokud umístíte rotor s počáteční rotací do pulzujícího magnetického pole, bude se dále otáčet ve stejném směru.

Abychom pochopili princip činnosti jednofázového asynchronního motoru, rozložme pulzující magnetické pole na dvě identická kruhová pole s amplitudou rovnou Ф_max/2 a otáčející se v opačných směrech se stejnou frekvencí:

• kde n_пр – frekvence otáčení magnetického pole v dopředném směru, ot./min.
• n_arr – frekvence otáčení magnetického pole v opačném směru, ot./min.
• f₁ – frekvence statorového proudu, Hz,
• p – počet pólových párů,
• n₁ – rychlost otáčení magnetického toku, ot./min

Zastavte
Rozklad pulzujícího magnetického toku na dva rotující

Působení pulzujícího pole na rotující rotor

Uvažujme případ, kdy rotor, umístěný v pulzujícím magnetickém toku, má počáteční rotaci. Ručně jsme například roztočili hřídel jednofázového motoru, jehož jedno vinutí je připojeno na střídavou síť. V tomto případě za určitých podmínek bude motor nadále vyvíjet točivý moment, protože uklouznutí jeho rotor vzhledem k dopřednému a zpětnému magnetickému toku bude nestejný.

Budeme předpokládat, že přímý magnetický tok Ф_пр, se otáčí ve směru otáčení rotoru a zpětný magnetický tok Ф_arr – v opačném směru. Protože otáčky rotoru n₂ menší než frekvence otáčení magnetického toku n₁, prokluz rotoru vzhledem k průtoku Ф_пр bude:

• kde s_пр – prokluz rotoru vzhledem k přímému magnetickému toku,
• n₂ – rychlost rotoru, otáčky za minutu,
• s – prokluz asynchronního motoru

Dopředný a zpětný rotující magnetický tok namísto pulzujícího magnetického toku

Magnetický tok F_arr otáčí se proti rotoru, otáčky rotoru n₂ vzhledem k tomuto průtoku je záporný a prokluz rotoru vzhledem k Ф_arr

• kde s_arr – prokluz rotoru vůči zpětnému magnetickému toku

Zastavte
Rotující magnetické pole pronikající do rotoru

Proud indukovaný v rotoru střídavým magnetickým polem

Podle zákona elektromagnetické indukce přímý F_пр a obráceně F_arr magnetické toky vytvářené statorovým vinutím indukují EMF ve vinutí rotoru, což odpovídajícím způsobem vytváří proudy I v rotoru nakrátko_2pr a já_2ot. V tomto případě je frekvence proudu v rotoru úměrná skluzu, proto:

• kde f_2pr – aktuální frekvence I_2pr indukovaný přímým magnetickým tokem, Hz

• kde f_2ot – aktuální frekvence I_2ot indukovaný reverzním magnetickým tokem, Hz

S rotujícím rotorem tedy elektrický proud I_2ot, indukované zpětným magnetickým polem ve vinutí rotoru, má frekvenci f_2ot, mnohem vyšší než frekvence f_2pr proud rotoru I_2prindukované přímým polem.

Příklad: pro jednofázový asynchronní motor pracující ze sítě s frekvencí f₁ = 50 Hz při n₁ = 1500 a n₂ = 1440 otáček za minutu,

skluz rotoru vzhledem k přímému magnetickému toku s_пр = 0,04;
frekvence proudu indukovaného přímým magnetickým tokem f_2pr = 2 Hz;
skluz rotoru vůči zpětnému magnetickému toku s_arr = 1,96;
frekvence proudu indukovaného zpětným magnetickým tokem f_2ot = 98 Hz

Podle Ampérova zákona v důsledku interakce elektrického proudu I_2pr s magnetickým polem F_пр dochází k točivému momentu

• kde M_пр – magnetický moment vytvořený přímým magnetickým tokem, N∙m,
• с_M – konstantní koeficient určený konstrukcí motoru

Elektrický proud I_2ot, interagující s magnetickým polem Ф_arr, vytváří brzdný moment M_arrproti otáčení rotoru, tedy proti momentu M_пр:

• kde M_arr – magnetický moment vytvořený zpětným magnetickým tokem, N∙m

Výsledný moment působící na rotor jednofázového asynchronního motoru je

FAQ: Vzhledem k tomu, že v rotujícím rotoru budou přímými a zpětnými magnetickými poli indukovány proudy různých frekvencí, nebudou momenty síly působící na rotor v různých směrech stejné. Rotor se tedy bude nadále otáčet v pulzujícím magnetickém poli ve směru, ve kterém se původně otáčel.

Brzdný účinek zpětného pole

Když jednofázový motor pracuje v rámci jmenovité zátěže, to znamená při malých hodnotách skluzu s = s_прtočivý moment vzniká hlavně díky momentu M_пр. Brzdný účinek momentu zpětného pole M_arr – bezvýznamný. To je způsobeno tím, že frekvence f_2ot mnohem vyšší než frekvence f_2pr, tedy indukční svodový odpor vinutí rotoru x_2ot =x₂s_arr proud I_2ot mnohem větší než jeho aktivní odpor. Proto aktuální I_2ot, který má velkou indukční složku, má silný demagnetizační účinek na zpětný magnetický tok F_arr, což ji výrazně oslabuje.

• kde r₂ — aktivní odpor tyčí rotoru, Ohm,
• x_2ot — reaktance rotorových tyčí, Ohm.

Pokud vezmeme v úvahu, že účiník je malý, je jasné, proč M_arr v režimu zatížení motoru nemá výrazný brzdný účinek na rotor jednofázového motoru.

Rotor nelze spustit pomocí jedné fáze

Rotor s počáteční rotací bude pokračovat v rotaci v poli vytvořeném jednofázovým statorem

Působení pulsujícího pole na stacionárním rotoru

Se stacionárním rotorem (č₂ = 0) skluz s_пр =s_arr = 1 a M_пр = M_arr, tedy počáteční rozběhový moment jednofázového asynchronního motoru M_п = 0. Pro vytvoření rozběhového momentu je nutné otáčet rotorem v jednom nebo druhém směru. Pak s ≠ 1 je narušena rovnost momentů M_пр jim_arr a výsledný elektromagnetický moment nabývá nějaké hodnoty.

Startování jednofázového motoru. Jak vytvořit počáteční rotaci?

Jedním ze způsobů, jak vytvořit rozběhový moment v jednofázovém asynchronním motoru, je umístění pomocného (spouštěcího) vinutí B, posunutého v prostoru vzhledem k hlavnímu (pracovnímu) vinutí A pod úhlem 90 elektrických stupňů. Aby statorová vinutí vytvořila točivé magnetické pole, proudy I_A a já_B ve vinutích musí být vůči sobě fázově mimo. Chcete-li získat fázový posun mezi proudy I_A a já_B V obvodu pomocného (spouštěcího) vinutí B je zařazen fázově posuvný prvek, který se používá jako aktivní odpor (rezistor), indukčnost (induktor) nebo kapacita (kondenzátor) [1].

Poté, co se rotor motoru zrychlí na rychlost otáčení blízkou ustálenému stavu, startovací vinutí B se vypne. Pomocné vinutí se vypíná buď automaticky pomocí odstředivého spínače, časového relé, proudového nebo diferenciálního relé, nebo ručně pomocí tlačítka.

Při spouštění tedy motor pracuje jako dvoufázový a po dokončení rozběhu jako jednofázový.

Připojení jednofázového motoru

Se startovacím odporem

Třífázový motor – jednofázový asynchronní motor s pomocným primárním vinutím na statoru, přesazeným vůči hlavnímu vinutí, a rotorem nakrátko [2].

Jednofázový asynchronní motor s startovací odpor – motor s dělenou fází, ve kterém má obvod pomocného vinutí zvýšený aktivní odpor.

Ohmický fázový posun, bifilární způsob vinutí startovacího vinutí

Rozdílný odpor a indukčnost vinutí

Pro spuštění jednofázového motoru můžete použít spouštěcí odpor, který je zapojen do série se spouštěcím vinutím. V tomto případě je možné dosáhnout fázového posunu o 30° mezi proudy hlavního a pomocného vinutí, což je docela dost pro nastartování motoru. U motoru se startovacím odporem je fázový rozdíl vysvětlen různým komplexním odporem obvodů.

Také fázový posun lze vytvořit použitím startovacího vinutí s nižší indukčností a vyšším odporem. K tomu je spouštěcí vinutí vyrobeno s menším počtem závitů a pomocí tenčího drátu než v hlavním vinutí.

Tuzemský průmysl vyrábí řadu jednofázových asynchronních elektromotorů s aktivním odporem jako fázově posuvný prvek řady AOLB o výkonu od 18 do 600 W při synchronních otáčkách 3000 a 1500 ot./min, určených pro zapojení do sítě. s napětím 127, 220 nebo 380 V, frekvencí 50 Hz.

S kondenzátorovým startem

Kondenzátorový startovací motor je motor s dělenou fází, ve kterém je obvod pomocného vinutí s kondenzátorem zapnut pouze během doby startu.

Kapacitní fázový posun se startovacím kondenzátorem

Pro dosažení maximálního rozběhového momentu je nutné vytvořit kruhové točivé magnetické pole, to vyžaduje, aby proudy v hlavním a pomocném vinutí byly vůči sobě posunuty o 90°. Použití odporu nebo induktoru jako prvku fázového posunu neposkytuje požadovaný fázový posun. Pouze zahrnutí kondenzátoru určité kapacity umožňuje fázový posun o 90°.

Mezi prvky s fázovým posunem pouze kondenzátor umožňuje dosáhnout nejlepších startovacích vlastností jednofázového asynchronního elektromotoru.

Motory, v jejichž obvodu je neustále zapojen kondenzátor, využívají k provozu dvě fáze a nazývají se kondenzátorové motory. Princip činnosti těchto motorů je založen na využití točivého magnetického pole.

Jednofázový stíněný pólový motor

Stínovaný pólový motor – motor s dělenou fází, ve kterém je pomocné vinutí zkratováno.

Stator Jednofázový indukční motor se stíněným pólem má obvykle vyčnívající póly. Na vyčnívajících pólech statoru jsou navinuty cívky jednofázového budícího vinutí. Každý pól statoru je rozdělen na dvě nestejné části axiální drážkou. Menší část kůlu je překryta zkratovaným obratem. Rotor jednofázový motor se stíněnými póly – zkratovaný ve formě „veverčí“ klece.

Při připojení jednofázového statorového vinutí k síti vzniká v magnetickém obvodu motoru pulzující magnetický tok. Jedna část prochází podél nestíněné Ф‘ a druhá Ф“ – podél stíněné části tyče. Průtok „F“ indukuje EMF E ve zkratované smyčce_k, což má za následek proud I_k zaostávající za E_k mimo fázi kvůli indukčnosti závitu. Aktuální I_k vytváří magnetický tok F_k, směrovaný čítač F“, vytvářející výsledný tok ve stíněné části sloupu F_э=F“+F_k. V motoru se tedy toky stíněné a nestíněné části pólu v čase posunou o určitý úhel.

Prostorové a časové úhly posunu mezi toky Ф_э a Ф‘ vytvářejí podmínky pro vznik rotujícího eliptického magnetického pole v motoru, protože Ф_э ≠ F‘.

Startovací a provozní vlastnosti dotyčného motoru jsou nízké. Účinnost je mnohem nižší než u kondenzátorových motorů stejného výkonu, což je spojeno se značnými elektrickými ztrátami ve zkratované cívce.

Jednofázový elektromotor s asymetrickým statorovým magnetickým obvodem

Stator Takový jednofázový motor je vyroben s výraznými póly na asymetrickém vrstveném jádru. Rotor — zkratovaný typ „klece pro veverky“.

Tento elektromotor nevyžaduje k provozu použití prvků s fázovým posunem. Nevýhodou tohoto motoru je nízká účinnost.

Nejběžnější jsou asynchronní elektromotory s rotorem nakrátko. Mají relativně jednoduchý design a jsou relativně levné.

Pro provoz asynchronního motoru je potřeba třífázové napětí, které vytváří točivé magnetické pole na vinutí statoru. Toto pole pohání rotor motoru, který přenáší točivý moment na zátěž, jako je vrtule ventilátoru nebo převodovka dopravníku. Změnou konfigurace vinutí statoru můžete změnit hlavní charakteristiky pohonu – otáčky a výkon hřídele. Když asynchronní elektromotor pracuje v jednofázové síti, používají se kondenzátory pro fázový posun a rozběh.

V současné době také používán DC motory. Tyto pohony mají kartáče, které podléhají opotřebení a jiskření. Dále je zapotřebí předpětí (buzení) vinutí, na které je přivedeno konstantní napětí. Navzdory těmto nevýhodám se stejnosměrné motory používají tam, kde jsou vyžadovány rychlé změny otáček a řízení točivého momentu, a také pro výkony nad 100 kW.

V každodenním životě se také používají komutátorové (kartáčové) střídavé motory, které mají oproti asynchronním nízkou spolehlivost.

2. Jaké způsoby ovládání elektromotorů se v praxi používají?

Ovládání elektromotoru znamená schopnost měnit jeho rychlost a výkon. Takže, pokud je na asynchronní motor aplikováno napětí dané velikosti a frekvence, bude se otáčet jmenovitou rychlostí a bude schopen dodávat energii na hřídel ne více, než je jmenovitá hodnota. Pokud potřebujete snížit nebo zvýšit otáčky elektromotoru, používají se frekvenční měniče. Invertor dokáže poskytnout požadované režimy zrychlení a zpomalení a také vám umožní rychle řídit provozní frekvenci.

Pro zajištění požadovaného zrychlení a zpomalení bez změny pracovní frekvence je použito zařízení pro měkký start (SPD). Pokud potřebujete pouze ovládat zrychlení motoru, použijte propojovací obvod hvězda-trojúhelník.

Pro spouštění motorů bez invertorů a softstartérů se hojně používají stykače, které umožňují dálkové ovládání startu, zastavení a zpětného chodu.

3. Jak zazvonit elektromotor a určit jeho odpor?

Asynchronní elektromotor má obvykle tři vinutí. Každé vinutí má dvě svorky, které musí být označeny ve svorkovnici motoru. Pokud jsou známy svorky vinutí, můžete snadno zazvonit každé z nich a porovnat hodnotu odporu s ostatními vinutími. Pokud se hodnoty odporu neliší o více než 1%, pak s největší pravděpodobností vinutí fungují.

Odpor vinutí motoru se měří pomocí ohmmetru, stejně jako odpor vinutí transformátoru. Čím větší je výkon motoru, tím menší je odpor jeho vinutí a naopak.

4. Jak určit výkon elektromotoru?

Nejjednodušší způsob, jak určit jmenovitý výkon elektromotoru, je pohled na typový štítek. Udává mechanický výkon (výkon hřídele), jehož hodnota je vždy menší než příkon v důsledku ztrát třením a ohřevem. Pokud však na skříni motoru není žádný typový štítek, můžete velmi zhruba odhadnout charakteristiku pohonu na základě jeho rozměrů. Při stejném výkonu bude mít motor s větším průměrem hřídele vyšší výkon na hřídeli a nižší otáčky.

Výkon může být také určen zátěží a nastavením ochranných zařízení, kterými je motor napájen (automatický motor, tepelné relé).

Dalším způsobem je zapnutí motoru na jmenovitý výkon, zajišťující požadované zatížení hřídele. Poté změříme proud pomocí proudové kleště, která by měla být ve všech vinutích stejná. Chcete-li zhruba odhadnout výkon asynchronního motoru zapojeného do hvězdy, musíte jmenovitý naměřený proud vydělit 2.

5. Jak zvýšit nebo snížit otáčky elektromotoru?

Řízení otáček motoru je nutné ve třech provozních režimech – při akceleraci, brzdění a v provozním režimu.

Nejuniverzálnějším způsobem regulace rychlosti je použití frekvenčního měniče. Úpravou nastavení měniče můžete dosáhnout libovolné rychlosti otáčení v rámci technických limitů. Současně můžete ovládat další parametry elektromotoru, stejně jako sledovat jeho stav během provozu. Frekvenci lze měnit plynule nebo postupně.

Řízení otáček motoru v režimech zrychlení a zpomalení je možné pomocí softstartéru. Toto zařízení umožňuje výrazně snížit startovací proud díky hladké akceleraci s pomalým nárůstem rychlosti.

6. Jak vypočítat proud a výkon elektromotoru?

Stává se, že proud asynchronního motoru je znám (z měření ve jmenovitém režimu nebo z typového štítku), ale jeho výkon je neznámý. Jak v tomto případě vypočítat výkon? Obvykle se používá následující vzorec:

P = I (1,73 U cosφ η)

kde:
P – jmenovitý čistý výkon na hřídeli motoru ve W (uveden na typovém štítku),
I – proud motoru, A,
U – napájecí napětí vinutí (380 V při zapojení do „hvězdy“, 220 V při zapojení do „trojúhelníku“),
cosφ, η – faktory výkonu a účinnosti pro zohlednění ztrát (obvykle 0,7. 0,8).

Pro výpočet proudu na základě známého výkonu použijte inverzní vzorec:

I = P/(1,73 U cosφ η)

Pro motory o výkonu 1,5 kW a více, jejichž vinutí jsou zapojena do hvězdy (toto zapojení se používá nejčastěji), platí jednoduché pravidlo – pro přibližný odhad proudu motoru je potřeba jeho výkon vynásobit do 2.

7. Jak zvýšit výkon elektromotoru?

Jmenovitý výkon hřídele, který je uveden na typovém štítku motoru, je obvykle omezen přípustným proudem, a tedy ohřevem skříně pohonu. Proto je při zvyšování výkonu nutné provést dodatečná opatření pro chlazení elektromotoru instalací samostatného ventilátoru.

Při použití frekvenčního měniče ke zvýšení výkonu můžete změnit nosnou frekvenci PWM, ale měli byste se vyhnout přehřátí střídače. Výkon lze také zvýšit pomocí převodovky nebo řemenového pohonu, obětovat počet otáček, pokud je to přijatelné.

Pokud výše uvedené tipy nejsou použitelné, budete muset změnit motor na výkonnější.

8. Jaké jsou výkonové ztráty při připojení třífázového motoru do jednofázové sítě (380 x 220)?

Při tomto zapojení se používají spouštěcí a provozní kondenzátory s fázovým posunem. V tomto případě nebude možné získat jmenovitý výkon na hřídeli a ztráta výkonu bude 20-30% jmenovité hodnoty. K tomu dochází kvůli neschopnosti zajistit, aby při změně zátěže nedocházelo k nevyváženosti fází.

9. Jaké typy motorů existují?

V závislosti na konstrukci jsou elektromotory klasifikovány podle způsobu instalace, třídy ochrany a klimatického provedení. Existují dva hlavní způsoby montáže asynchronních elektromotorů – na patky a přes přírubu. Obě možnosti v různých kombinacích jsou uvedeny v tabulce níže.

Typy klimatických úprav vyžadují použití motoru v určitých klimatických pásmech: mírné klima (U), studené klima (CL), mírně chladné klima (UCHL), tropické klima (T), obecná klimatická verze (O), obecná klimatická námořní verze (OM), celoklimatická verze (B). Existují také kategorie umístění (venku, pod přístřeškem nebo uvnitř atd.).

Třída ochrany udává povahu ochrany motoru proti prachu a vlhkosti. Nejběžnější disky jsou IP55 a IP55.

10. Proč potřebuje elektromotor brzdu?

U některých zařízení (výtahy, elektrické kladkostroje, navijáky) je při zastavení motoru nutné zafixovat jeho hřídel v nehybném stavu. K tomu slouží elektromagnetická mechanická brzda, která je součástí konstrukce motoru a je umístěna v jeho zadní části. Brzda je ovládána pomocí frekvenčního měniče nebo stykačového obvodu.

11. Jak je motor označen na elektrických schématech?

Elektromotor je ve schématech označen písmenem „M“ vepsaným do kruhu. Diagramy mohou také udávat sériové číslo motoru, počet fází (1 nebo 3), typ proudu (AC nebo DC), způsob připojení vinutí (hvězda nebo trojúhelník) a výkon. Příklady notace jsou uvedeny níže.

12. Proč se elektromotor zahřívá?

Motor se může zahřát z jednoho z následujících důvodů:

• opotřebení ložisek a zvýšené mechanické tření
• zvýšení zatížení hřídele
• nesymetrie napájecího napětí
• ztráta fáze
• zkrat ve vinutí
• problém s prouděním vzduchu (chlazení)

Zahřívání motoru prudce snižuje jeho životnost a účinnost a může také vést k selhání pohonu.

13. Typické poruchy elektromotorů

Existují dva typy poruch elektromotoru: elektrické a mechanické.

Mezi elektrické poruchy patří poruchy související s vinutím:

• mezizpětný zkrat
• zkrat vinutí k pouzdru
• zlom vinutí

K odstranění těchto poruch je třeba motor převinout.

• opotřebení a tření v ložiskách
• otáčení rotoru na hřídeli
• poškození skříně motoru
• rotaci nebo poškození oběžného kola dmychadla

Ložiska by se měla pravidelně vyměňovat s ohledem na jejich opotřebení a životnost. V případě poškození se oběžné kolo také vymění. Zbývající závady prakticky nelze odstranit a jediným řešením je výměna motoru.

Pokud máte otázky, které nebyly zodpovězeny v tomto článku, napište nám. Rádi vám pomůžeme!