Elektromotor je stroj, který přeměňuje elektrickou energii spotřebovanou ze sítě na mechanickou energii. Elektromotory jsou hlavním spotřebitelem elektrické energie. Více než 60 % vyrobené elektřiny přeměňují elektromotory na mechanickou práci. Nejrozšířenější jsou třífázové asynchronní motory (IM) pro svou jednoduchost, spolehlivost v provozu a nízkou cenu. V domácích spotřebičích se používají nízkoenergetické jedno- a dvoufázové AD, napájené dvouvodičovou sítí.
Krevní tlak se zkratem rotor
Motor se skládá z pevné části – statoru a rotujícího rotoru. Hlavní částí statoru je pouzdro 1 s lisovaným jádrem 2. Jádro statoru je sestaveno z tenkých kotoučů z elektrooceli (pro snížení ztrát vířivými proudy a hystereze). Na vnitřním válcovém povrchu jádra jsou drážky 3, ve kterém je uloženo třífázové vinutí statoru, sestávající ze tří fázových vinutí (na obr. 3.17, Obr. а není zobrazeno). Fázová vinutí jsou vzájemně posunuta o 120° a lze je zapojit do hvězdy nebo trojúhelníku. Začátek fází C1, C2, C3 a jejich konce C4, C 5, C6 přinesl do krabice na statoru.
Uvnitř statoru je rotor, sestávající z hřídele 4, na kterém je nalisováno válcové jádro 5 (Obr. а). Jádro rotoru se skládá z jednotlivých ocelových disků s drážkami 6, ve kterém je umístěno vinutí rotoru. Podle typu vinutí se rotory dělí na: 1) nakrátko; 2) fáze. Zkratované vinutí má konstrukci typu „squirrel cage“ a skládá se z tyčí umístěných v drážkách rotoru 1, na koncích zkratované kroužky 2 . Tyče a kroužky jsou vyrobeny z mědi nebo hliníku. Pro chlazení IM jsou na prstencích umístěny lopatky ventilátoru.
Fázovaný rotor IM
V drážkách 1 vinutý rotor obsahuje třífázové vinutí 2spojeny hvězdou. Jeho konce jsou připájeny ke kontaktním kroužkům izolovaným od hřídele. 3, které sousedí s kartáči s pružinou 4. Kartáče a kroužky tvoří elektrické kontakty, přes které je k vinutí rotoru připojen třífázový reostat 5. Reostat 5 může být spouštěcí (pro omezení rozběhových proudů rotoru a statoru a zvýšení rozběhového momentu IM), nastavovací (pro změnu otáček rotoru) nebo rozběhově nastavovací. Z konců je těleso statoru uzavřeno štíty 7, v jehož středu jsou nalisována ložiska hřídele rotoru.
Princip činnosti indukčního motoru
Směry vektorů magnetické indukce (а); časový diagram statorových proudů (б); vektory celkové indukce (в–д)
Ve skutečném IM se každé fázové vinutí statoru skládá ze samostatných cívek umístěných v sérii, které zabírají několik sousedních štěrbin jádra, což umožňuje aproximovat rozložení magnetické indukce podél mezery mezi statorem a rotorem na sinusový a snížit rozměry statoru. Zvažte zjednodušenou konstrukci statoru, ve které se každé fázové vinutí skládá z jedné soustředěné cívky. Cívka letadla ACH, PODLE, ЖZ a v souladu s tím jsou jejich osy posunuty v prostoru o 120° (obr. а). Jsou označeny začátky vinutí, obvykle znázorněné jako jeden závit А, В, Сa konce – X, Y, Z.
Nechť jsou statorová vinutí zapojena do symetrické třífázové sítě, která v nich vytvoří symetrický třífázový systém proudů iA,, iB, iC (Obr. б). Zvolíme kladný směr proudu v každém vinutí od začátku do konce, to znamená, že kladný proud ve vodiči sousedícím se začátkem vinutí směřuje od nás (kříž) a ve vodiči sousedícím s koncem , směrem k nám (bod). Kladné směry vektorů magnetické indukce BА, BВ, BС určeno pravidlem gimlet (obr. а). Magnetické pole každé cívky se v čase mění (pulsuje) podle sinusového zákona, přičemž se drží směr osy pulzace. Najděte polohu vektoru celkové indukce BS, vytvořený třemi vinutími, ve stejně vzdálených bodech v čase t1, t2, t3 (obr. 3.19, б). Na t = t1 proud iА pozitivní a rovné Ima proudy iB, iC negativní a rovné Im/2 (na obr. а směry proudů ve vodičích vinutí jsou označeny „´“, „·“, když t = t1). Protože indukce a proud jsou ve fázi se znaménky, pak BA(t1) = Bm, BB(t1) = BC(t1) = –Bm/2, kde Bm – amplituda indukce jedné cívky.
Směry indukčních vektorů cívek jsou určeny gimletovým pravidlem (obr. в). Shrnutí vektorů BA, BB, BC, zjistíme, že vektor BS v tuto chvíli t = t1 směrováno vodorovně doleva a rovná se 1,5Bm. S t = t2 = t1 + T1/6, kde T1 = 1 /f1 – perioda napájecího napětí, BS zaujme polohu znázorněnou na obr. г, zatímco t = t3 – podle obr. д. Takže vektor BS se otáčí rovnoměrně ve směru hodinových ručiček a prochází v čase Т/6 úhel 60° = = π/3 rad. Vektor úhlové rychlosti BS Ω1 = π/3: (Т /6) = 2πƒ1. Rychlost rotace krevního tlaku se obvykle odhaduje podle frekvence rotace n1měřeno v otáčkách za minutu. Pak n1 = 60Ω1/(2p) = 60ƒ1, n1 = 9,55Ω1. V tomto případě má rotující magnetické pole jeden severní a jeden jižní pól, tedy počet pólových párů р = 1. Je-li každé fázové vinutí statoru rozděleno na р sériově zapojených skupin cívek a skupina je rovnoměrně posunuta po obvodu statoru, pak bude mít rotující magnetické pole statoru р páry tyčí (2р střídavé N и S póly). Toto pole odpovídá frekvenci otáčení n1 a úhlová rychlost W1:
Při připojení vinutí pevného statoru k třífázové napájecí síti a rotující magnetické pole, jehož rychlost otáčení je určena daným vzorcem. Pole statoru křižuje vodiče vinutí rotoru a indukuje v nich EMF, pod jehož vlivem se v těchto vodičích objevují indukční proudy. Na každý vodič působí síla s proudem v magnetickém poli, takže na hřídeli rotoru vzniká točivý moment М, což způsobí rotaci rotoru ve směru točivého pole statoru. Jak IM zrychluje, točivý moment М se mění, dokud se neustaví rovnováha М = МсKde Мс – moment odporu (brzdný moment) vytvářený hnaným mechanismem (čerpadlo, odstředivka, ventilátor atd.) a třecími silami. Bilancování momentů odpovídá ustálenému stavu motoru s konstantními otáčkami rotoru n = konst.
posuvné s relativní rozdíl v rotačních frekvencích statorových a rotorových polí se nazývá:
kde Ω = pn/30″ n/9,55 je úhlová rychlost rotoru (rad/s). Vzhledem k tomu Мс = 0 (ideální volnoběh), rotor teoreticky dosáhne otáček statorového pole, tzn. n = n1, (s = 0). V tomto případě se vodiče vinutí rotoru neprotnou s magnetickými čarami pole statoru, indukované proudy v rotoru zmizí a točivý moment М se stane nulovým: М = Мс = 0. Na hřídeli IM je vždy moment odporu Мсvlivem tření v ložiskách, odporu vzduchu atd., takže skutečné volnoběžné otáčky jsou o něco nižší n1: nxx »0,99n1 (sxx »0,01). Účinnost krevního tlaku je největší při malém skluzu, tedy nastaveno snom = 0,02¸0,08, tj. nnom = = (0,92¸0,98)n1. Reverzace motoru (změna směru otáčení) se provádí změnou směru otáčení statorového pole. Chcete-li to provést, musíte změnit pořadí fází statorového napětí, tj. prohodit závěry libovolných dvou fází napájecí sítě.
Z různých typů moderních elektrických strojů je v dnešní době nejběžnější asynchronní bezkomutátorový stroj, obvykle používaný jako motor. Asynchronní stroj je stroj, ve kterém je při provozu buzeno točivé magnetické pole, ale rotor se otáčí asynchronně, tedy s úhlovou rychlostí odlišnou od úhlové rychlosti pole. Vynalezl jej M. O. Dolivo-Dobrovolsky v roce 1888, ale dodnes si z velké části zachoval jednoduchou formu, kterou mu dal talentovaný ruský vynálezce. Důvody pro mimořádně rozšířené použití asynchronního motoru (a s ním i třífázového systému) jsou jeho jednoduchost a nízká cena. Dá se říci, že v podstatě asynchronní stroj se skládá ze tří stacionárních cívek (přesněji vinutí) umístěných na společném jádru a čtvrté rotující cívky umístěné mezi nimi. Stroj neobsahuje žádné snadno poškozené nebo rychle opotřebitelné elektrické části (např. komutátor).
Nízkopříkonové asynchronní stroje jsou často jednofázové, což umožňuje jejich použití v zařízeních napájených dvouvodičovou sítí. Takové stroje jsou široce používány v domácích spotřebičích.
Společnou nevýhodou asynchronních strojů je relativní složitost a neefektivnost regulace jejich provozních charakteristik.
b) ZAŘÍZENÍ TŘÍFÁZOVÉHO ASYNCHRONNÍHO STROJE
Třífázový asynchronní stroj se skládá ze dvou hlavních částí: stacionárního statoru a rotujícího rotoru.
Konstrukce statoru.Stator asynchronního stroje je dutý válec sestavený z elektrotechnických ocelových desek, které jsou od sebe izolované vrstvou laku (obr. 14.1, ). Třífázová vinutí, která budí točivé magnetické pole stroje, jsou umístěna ve štěrbinách na vnitřní straně statoru. Pro lepší využití obvodu statoru je každé z fázových vinutí uspořádáno v několika štěrbinách (distribuované vinutí). Na Obr. 14.1, б ukazuje umístění jednofázového vinutí ve štěrbinách statoru. Tady А – začátek a X – konec vinutí. Rozložení vinutí podél štěrbin určuje odpovídající rozložení magnetického pole po obvodu statoru. Aby bylo víceotáčkové fázové vinutí rozděleno do několika slotů, je rozděleno na příslušný počet sekcí zapojených do série (obr. 14.1, b), z nichž každá se skládá z několika závitů.
Sekce vinutí jsou umístěny v drážkách. U asynchronních strojů je jádro statoru vyrobeno s polootevřeným (obr. 14.2, b) nebo otevřeným (obr. 14.2, b) ) drážky. Na straně pootevřených štěrbin je výhodou nižší magnetický odpor, proto je u motoru s takovými štěrbinami menší magnetizační proud. Na druhou stranu s otevřenými drážkami je snadnější pokládat sekce vinutí a podmínky pro izolaci jsou spolehlivější, což je u vysokonapěťových motorů velmi důležité.
Minimální počet fázových vinutí u třífázového asynchronního stroje т = 3. Každé vinutí obsahuje jednu nebo více skupin cívek zapojených do série, například na Obr. 14.1, б – dvě skupiny. Umístění každého vinutí s jednou skupinou cívek je posunuto podél obvodu statoru vzhledem ke skupině cívek sousedního fázového vinutí o úhel 120°. Obecně může být počet fázových vinutí v třífázovém asynchronním stroji libovolný, ale násobek tří.
Konstrukce rotoru. Asynchronní stroje se liší především konstrukcí rotoru. Rotor asynchronního stroje je válcové jádro (obr. 14.3, a), sestavené z elektrotechnických ocelových desek izolovaných od sebe lakem. Jádro rotoru je uloženo na hřídeli zajištěném v ložiskách. Závity vinutí rotoru jsou umístěny v drážkách rotoru.
Většina motorů používá rotor klece veverky. Je to mnohem levnější, a což je velmi důležité, servis motoru s rotorem nakrátko je mnohem jednodušší. Vinutí rotoru nakrátko je provedeno ve formě válcové klece (obr. 14.3,6) z měděných nebo hliníkových tyčí, které jsou bez izolace vloženy do drážek jádra rotoru. Koncové konce tyčí jsou zkratovány kroužky ze stejného materiálu jako tyče (tzv. „veverka“). Často je zkratované vinutí vyrobeno vyplněním štěrbin rotoru roztaveným hliníkem.
Navíjení vinutý rotor, také nazývaný rotor se sběracími kroužky (obr. 14.3, c), se provádí s izolovaným drátem. Ve většině případů je třífázový, se stejným počtem cívek, jako má statorové vinutí daného motoru. Třífázová vinutí rotoru jsou na rotoru samotném spojena do hvězdy a jejich volné konce jsou spojeny se třemi sběracími kroužky namontovanými na hřídeli stroje, ale izolovanými od tohoto hřídele. Na kroužky jsou umístěny kartáče instalované v pevných držákech kartáčů. Prostřednictvím kroužků a kartáčů je vinutí rotoru uzavřeno na třífázový reostat.
Statorové vinutí takového motoru je připojeno přímo k třífázové síti (obr. 14.4). Zařazení reostatu do okruhu rotoru umožňuje výrazně zlepšit startovací podmínky motoru – snížit startovací proud a zvýšit počáteční startovací moment; navíc pomocí reostatu zahrnutého v okruhu rotoru můžete plynule regulovat otáčky motoru . Na Obr. 14.5 jsou uvedeny symboly asynchronních strojů se zkratem (a) a fází (b) rotor na schématech elektrického obvodu.
Celkový pohled na těleso asynchronního stroje s na něm namontovaným, ale nenavinutým jádrem statoru je na Obr. 14.6.
PROVOZNÍ REŽIMY TŘÍFÁZOVÉHO ASYNCHRONNÍHO STROJE
Provozní režim třífázového asynchronního stroje je určen režimem elektromagnetické interakce proudů ve vinutí statoru a rotoru.
Interakce rotujícího magnetického pole vytvářeného proudy ve statorových vinutích s proudy rotoru nutí rotor otáčet se ve směru rotace pole. Ale čím rychleji se rotor otáčí, tím nižší je EMF indukovaný v jeho vinutí, a proto nižší proudy. Pokud je frekvence rotace pole пи a otáčky rotoru P, pak lze charakterizovat provozní režim asynchronního motoru posuvné
Na Obr. Obrázek 14.11 ukazuje závislost rychlosti rotoru na prokluzuP (s).
V závislosti na hodnotě skluzu může třífázový asynchronní stroj pracovat v režimu motoru, generátoru a elektromagnetické brzdy.
В režim elektromagnetické brzdy (s> 1) se rotor třífázového asynchronního stroje otáčí v opačném směru, než je směr otáčení magnetického pole vytvářeného proudy ve vinutí statoru. V režimu elektromagnetické brzdy v třífázovém asynchronním stroji je značná energie rozptýlena ve vinutích, hysterezi a vířivých proudech.
