Asynchronní stroje

Asynchronní motor s klecí nakrátko

Řez asynchronním motorem

Princip funkce asynchronního motoru

→ (Lenzovo pravidlo) → n

n1 – otáčky točivého pole

Ustálený stav: n < n1

Základní vlastnost: Mp → n aby uiv , iv , Fv

→ n(M) klesá od n1

Točivé magnetické pole lze simulovatpolem permanentního magnetu,

otáčejícího se konstantní rychlostí n1 .

Základní pojmy

úhlová rychlost točivého pole při napájecím kmitočtu f1p

f11

2

1s

1s úhlová rychlost rotoru

úhlová rychlost rotoru vůči poli

1

1

1

1

n

nns

skluz

12 s skluzová úhlová rychlost

12 fsf skluzový kmitočet (kmitočet napětí a proudů v rotoru)

11 s úhlová rychlost rotoru

12s

Základní pojmy

1

1

1

1

n

nns

skluz

0 ≤ n < n1 tedy 1 > s > 0 - motorický chod

n > n1 tedy - ∞ < s < 0 - generátorický chod

(rotor je poháněn ve smyslu otáčení pole)

1 < s < + ∞ - brzda

(rotor je poháněn proti točivému poli)

Napěťové rovnice

111111ˆˆˆˆ

iUIXjIRU

222222ˆˆˆˆ UIXjIRUi

1111 44,4 vi kNfU

2212 44,4 vi kNfU

02 U

22222ˆˆˆ IXsjIRUs i

Po úpravě na f1 jako je ve statoru:

2222222222

2ˆ1ˆˆˆˆˆ IR

s

sIXjIRIXjI

s

RU i

Obdobná rovnice platila pro transformátor se zátěží:2

1R

s

sZ

Indukované napětí:Analogicky jako u transformátoru:

1212 sfsf

Náhradní schéma

Přepočet parametrů náhradního schématu

Pro zachování Φμ se nesmí změnit Fm , které jej vyvolává:

2221 FFFFFmp

kINm

p

kINm vv 222

2121

1 45,045,0

Přepočet proudů:111

22222

v

v

kNm

kNmII

Přepočet napětí:

22

11221

v

viii

kN

kNUUU

Přepočet činných odporů: 2

222

2

221 IRmIRm(zachování ztrát)2

22

11

2

12

2

2

2

1

222

v

v

kN

kN

m

mR

I

I

m

mRR

Přepočet rozptylových reaktancí:

2

22

11

2

12

2

2

2

1

222

v

v

kN

kN

m

mX

I

I

m

mXX

Náhradní schéma

Použití přepočtených parametrů pro náhradní schéma

111111ˆˆˆˆ

iUIXjIRU

2222222ˆˆ1ˆˆ IXjIR

s

sIRU i

2222

2ˆˆˆ IXjI

s

RU i

Napěťová rovnice asynchronního motoru pro stator:

Napěťová rovnice pro rotor:

nebo také:

Jouleovy ztráty v rotorovém vinutí Přeměňovaný elektromechanický výkon

Náhradní schéma asynchronního stroje

sR2

Pro každou fázi motoru:

Fázorový diagram asynchronního stroje

Proudy při uvažování ztrát v železeBez ztrát v železe

Výkonová bilance asynchronního stroje

222 1

Rs

sR

s

R

Odpovídá Jouleovým ztrátám

v rotorovém vinutí

Odpovídá přeměňovanému

elektromechanickému výkonu

222 1

Us

sU

s

U

Odpovídá elektrickému

výkonu na kroužcích stroje

Odpovídá přeměňovanému výkonu při připojení

rotorového vinutí na zdroj nebo na spotřebič

Přeměňovaný elektromechanický výkon

2222

2

22

113 PP

s

sIUIR

s

sP jim

P2 je elektrický výkon dodávaný strojem (je záporný)

Výkon přenášený vzduchovou mezerou

Výkonová bilance asynchronního stroje

Vnitřní elektromechanický moment

s

PP

s

s

s

PM el

m

el

mm

imi

11

11

1

1

s

PMP el

mi

Vnitřní moment:

s

IR

s

PPPM

m

el

mmm

imi

2

22

111

311

22

2

212

2

kXs

R

UI

22

2

21

21

3

km

i

Xs

R

UR

sM

Elektromagnetický moment M

Dosazením

Vnitřní moment asynchronního stroje

Momentová charakteristika

Mz

Mzv

n

sszv

0 n1

I0

I1 M

1 0

BRZDA MOTOR GENERÁTOR

I1

M

Momentová charakteristika

Momentová přetížitelnost 2,27,1max N

zv

M

Mm

Mp

n

Mzv

0 n1

M

MN

nN

Mz

Mechanická charakteristika n (M)

U = konst.

f = konst. n Mp

n1

0

nN

MN

.

..

.

.

.

.

.

.

.

..

Moment zvratu (maximální) Nezávisí na R2

Skluz zvratu Závisí na R2

Nezávisí na U1

Moment záběrný: s = 1 Závisí na R2

kzv

X

Rs

ds

dM 20

km

zvX

UM

21

12

3

222

21

21

3

km

izXR

URM

s

s

s

sM

M

zv

zv

zv

2

Elektromagnetický moment M

Klossův vztah

Jednovrstvé vinutí

soustředné

čela dvoupatrová

q = 2 y = τp

Dvouvrstvé vinutí

s cívkami stejného kroku

q = 3 yd1 = 7

Jednovrstvé vinutí

soustředné

čela dvoupatrová

q = 2

Dvouvrstvé vinutí

s cívkami stejného kroku

q = 3 yd1 = 7

q = 2 , y = τp

Schéma zapojení jedné fáze dvouvrstvého vinutí 2p = 4

L

dvouvrstvé

Tvary drážek statoru lichoběžníkové

S

Vinutí

vsypávané

jednovrstvé

polozavřené

L

dvouvrstvé

Tvary drážek statoru lichoběžníkové

S

Vinutí

vsypávané

jednovrstvé

polozavřené

Klecové rotorové vinutí asynchronního motoru

Tyče v rotorových drážkách

Kruhy spojující tyče dokrátka

m2 = Q2

N2 = 0,5

kv2 = 1

Pro číslocelép

Q

2

2 platí:

Fáze vinutí rotoru

Klecové rotorové vinutí asynchronního motoru

u v w

Změna smyslu otáčení

u v w

n1 n1

Dvě konstrukční řešení rotoru asynchronních motorů:

a) kotva klecová, nakrátko

b) kotva kroužková: trojfázové vinutí i na rotoru

vyvedeno přes kroužky

Motor s kotvou kroužkovou

Hlavní výhoda: lze měnit R2 pomocí tří Rreg

Frekvence f2 :

1

1

112 fs

n

nnff

Vztahy platí obecně,

tedy i pro klec na rotoru

Rozběh do chodu naprázdno: s=1 až 0

Asynchronní motor s kotvou kroužkovou

Zjednodušení pro výpočty:

Pp

n1

nM

Mp

Fyzikální představa

Uvažujeme jen ΔPj2

(Ostatní ztráty zanedbáváme)

Pp = ΔPj2 + Pm

(M´ - na hřídeli)

u nás: M´ = MUstálený stav

ΔPj2 = s.Pp !

!pj PsMP

1

1

12

)(

Spouštění asynchronního motoru

Úkol: Zajistit - dostatečně velký záběrný moment,- omezit záběrný proud.

Kroužkové motory: ** Snížením U1 , spouštěcím odporem v rotoru R2

Motory nakrátko: * Přímým připnutím na síť

- Přepínačem Y→Δ- Spouštěcím odporem v obvodu statoru !!!

- Reaktorem v obvodu statoru

- Autotransformátorem v obvodu statoru

* Snížením napájecího napětí U1

* Softstartem

* Frekvenčním rozběhem

* Zvětšením odporu v rotoru R2 ?

Přepínání Y/D ( u větších strojů nízkého napětí )

Příklad: Motor 160 kW; Z1k=2,3 Ω , 3x400 V

V praxi:

motor pracuje v D na 3x400 V, pro rozběh ve Y →

ve srovnání s přímým připnutím v D → I1k sítě 3x , Mz 3x

( M ~ U12 )Pro většinu rozběhů metoda vyhoví.

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Přepínání Y/D

MD

Mp

Rozběh asynchronního motoru s kotvou nakrátko

00,20,40,60,81s

00,20,40,60,81

Přepínání Y/D

MD

MY

Mp

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

s

Přepínání Y/D

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

00,20,40,60,81

MD

MY

Mp

s

A

B

00,20,40,60,81

Přepínání Y/D

ID

IY

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

s

Přepínání Y/D

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

00,20,40,60,81

ID

IY

s

A

B

+ : omezí I1k vhodným Rsp (např. 3x jako Y/D)

Snížení rozběhového proudu

a) statorový spouštěč

3xU AM

Jištění

Rsp

Po rozběhu se

Rsp zkratuje.

- : při I1k 3x musí U1 také 3x ( Z1k mot=konst ) →

→ Mz 9x ! Pouze pro lehký rozběh.

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Snížení rozběhového proudu

b) softstart

Během rozběhu se mění statorové napětí podle předem

stanovených podmínek polovodičovým spouštěčem.

n

I

Iz

Is

IN

t

U

UN

Us

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Snížení rozběhového proudu

b) softstart

Během rozběhu se mění statorové napětí podle předem

stanovených podmínek polovodičovým spouštěčem.

Iz

Is

IN

nt

U

UN

Us

Spouštění asynchronního motoru s kotvou nakrátko

00,20,40,60,81s

Řízení otáček asynchronního motoru s kotvou nakrátko

každé řízení, kde s → η !!

Snížení napětí U1

M ~ U12

Malý regulační rozsah

Řízení otáček asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Přepínání počtu pólů

Řízení otáček asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Změna napájecí frekvence

Stejné náhradní schéma jako u transformátoru, proto i zde platí:

hmhmi BffNUU 11111 44,4

Pro Bhm = konst musí platit U1 / f1 = konst.

n1 ~ f1

Řízení otáček asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Změna napájecí frekvence

Hodnocení:

nejlepší řízení otáček, s → 0 proto η optimální,

s poklesem ceny měniče narůstá použití

Měnič frekvence

Princip pulzně šířkové modulace

ΔPj2

J

n

Mp

M Pm

Pp

Počáteční stav

Brzdění asynchronního motoru

Podsynchronní ( protiproudem)

Brzdění

n1

Φ1