Ciele cvičenia
- Pochopiť princíp činnosti asynchrónneho stroja
- Porozumieť náhradnej schéme asynchrónneho stroja
- Prepočítať príklady pre asynchrónny stroj
1. Čo je to asynchrónny stroj?
Asynchrónny stroj je najrozšírenejší striedavý elektrický stoj, ktorý je niekedy označovaný aj ako indukčný stroj. Ako každý točivý elektrický stroj dokáže meniť elektrickú energiu na mechanickú a naopak. Najčastejšie sa však používa ako motor.
Čo sa týka konštrukcie, asynchrónny stroj sa skladá klasicky zo statora a rotora. Stator je v tomto stroji, čo sa týka konštrukcie, identický ako v synchrónnom stroji. Magnetický obvod je zložený z plechov a v drážkach je umiestené najčastejšie trojfázové vinutie. Rotor môže byť konštrukčne vyhotovený buď ako rotor s vinutou kotvou (krúžkový rotor), alebo ako rotor s kotvou nakrátko (klietkový rotor).
- Asynchrónny stroj s kotvou nakrátko - kotva nakrátko je pre veľké motory vyhotovená z medených tyčí, ktoré sú na čelách skratované. Vytvárajú tak tvar klietky. Malé motory majú kotvy nakrátko vyhotovené z hliníka liatím, kde pri odlievaní sa na jednej strane obvykle vytvoria aj lopatky ventilátora.
- Asynchrónny stroj s vinutou kotvou - v magnetickom obvode rotora je v drážkach umiestnené trojfázové vinutie spojené do hviezdy. Konce vinutia sú pripojené na medené krúžky. Z krúžkov je vinutie pomocou uhlíkového zberača vyvedené na svorkovnicu. Na rotor môžeme takto pripájať spúšťacie odpory, alebo iným spôsobom riadiť prúd kotvy. Z toho dôvodu je aj pomenovanie krúžková kotva.
Pre lepšiu predstavu toho ako vyzerá asynchrónny stroj s kotvou nakrátko a s vinutou kotvou je možné prezriet si fotografie asynchrónnych strojov v galérii asynchrónnych strojov.
2. Princíp činnosti asynchrónneho stroja
Pripojením trojfázového napätia na stator trojfázového stroja začne vinutiami pretekať prúd, vďaka čomu vznikne v statore točivé magnetické pole. Majme rotor s krúžkovou kotvou, ktorú necháme na svorkovnici rozpojenú. V rotore tak máme rovnako rozložené trojfázové vinutie zapojené do hviezdy. Statorové otáčavé magnetické pole bude presekávať rotorové cievky a bude v nich indukovať napätie. Hodnota indukovaného napätia bude daná prevodom tak, ako pri transformátore. Ak na rotorovú svorkovnicu pripojíme záťažové odpory alebo ich len skratujeme, potom vplyvom indukovaného napätia v rotore začne tiecť rotorom prúd. V rotore tak vznikne ďalšie točivé magnetické pole. Pôsobením týchto dvoch magnetických polí sa rotor začne otáčať (Lenzov zákon). V prípade, že by sa rotor asynchrónneho stroja otáčal synchrónnymi otáčkami, prestalo by presekávanie statorového rotačného magnetického poľa rotorovými cievkami, čím by sa zastavilo indukovanie napätia v rotore, a tým aj tok prúdu. Zanikol by moment stroja, ktorý by sa ďalej otáčal iba zotrvačnosťou. Na to aby mal stroj moment, a mohol vykonávať prácu musía byť otáčky menšie/väčšie ako synchrónne (asynchrónne otáčky).
Pre lepšie pochopenie činnosti asynchrónneho stroja odporúčame si pozrieť nasledujuce video.
3. Náhradná schéma asynchrónneho stroja
Ako sme už spomenuli, asynchrónny stroj je v podstate veľmi podobný transformátoru. Preto aj náhradná schéma pre asynchrónny motor je veľmi podobná náhradnej schéme transformátora. Všetky odpory a reaktancie sa modelujú rovnako až na odpor v rotore, ktorý je navyše predelený sklzom \( R_2^\prime / s \). Zahrnutie tejto veličiny v náhradnej schéme:
- Modeluje efektívne straty v rotore asynchrónneho stroja pri rôznych hodnotách sklzu.
- Zabezpečuje, aby bol prenášaný výkon asynchrónneho stroja správne rozdelený na tepelné straty a mechanický výkon.
- Dáva možnosť analyzovať asynchrónny stroj v rôznych prevádzkových stavoch (od nulového sklzu po maximálny sklz).
Náhradná schéma jednofázového asynchrónneho stroja
4. Momentová charakteristika asynchrónneho stroja
Na nasledujúcom obrázku je zobrazená momentová charakteristika asynchrónneho stroja. Zvyslá os (os y) zobrazuje elektromagnetický moment asynchrónneho stroja. Vodorovná os (os x) zobrazuje mechanickú rýchlosť, resp. sklz asynchrónneho stroja. Oblasť v intervale \( s = (0,1) \) odpovedá motorickému chodu. Sklz \( s > 1 \) odpovedá brzdnej a \( s < 0 \) generátorovej prevádzke asynchrónneho stroja. Priebeh elektromagnetického momentu má dva extrémy. Maximálny moment v motorickej prevádzke, nazývaný aj moment zvratu, a maximálny moment v generátorovej prevádzke.
Momentová charakteristika asynchrónneho stroja
5. Rozbeh asynchrónneho motora
Rozbeh asynchrónneho motora je prechodný dej počas ktorého sa mení jeho rýchlosť, moment a prúd. V okamihu pripojenia asynchrónneho motora na sieť sa tento správa ako transformátor nakrátko. V tomto momente preteká motorom záberový prúd obmedzený v okamihu rozbehu len impedanciou nakrátko. Tento pri priamom pripojení na sieť býva pri motoroch s kotvou nakrátko 4 až 7 násobok menovitého prúdu.
- Rozbeh priamym pripojením na sieť (stroje do 3 kW)
- Rozbeh zmenou napájacieho napätia (hviezda-trojuholník)
- Soft štart pomocou frekvenčných meničov
Rozbeh zmenou napájacieho napätia
Týmto spôsobom sa rozbiehajú najmä asynchrónne motory s kotvou nakrátko. Najjednoduchší spôsob zmeny napájacieho napätia je prepínanie hviezda-trojuholník. Statorové vinutie motora je vyvedené na svorkovnicu, tak ako je to uvedené na obrázku.
Zapojenie vinutia na svorkovnici asynchrónneho stroja
Motor sa rozbieha pri zapojení do hviezdy. Vtedy je napätie jednej fázy \(U_\mathrm{Y} = 230\, \mathrm{V}\). Po rozbehu a poklese prúdu sa vinutie prepne do trojuholníka a hodnota jeho fázového napätia stúpne na \(U_\Delta = \sqrt{3} U_\mathrm{Y} = 400\,\mathrm{V}\). Prúd v trojuholníku je oproti hviezde o \( \sqrt{3} \) väčší, no moment je v trojuholníku oproti hviezde trojnásobný. Moment prepnutia sa volí tak, aby sa dosiahol čo najväčší dynamický moment, ale aby prúd neprekročil hodnotu prúdu nakrátko v zapojení do hviezdy. Týmto sposobom sa rozbiehajú motory s výkonom od \( 3\,\mathrm{kW} \) do \( 10\,\mathrm{kW} \).
Priebeh elektromagnetického momentu pri prepínaní Y/D
6. Počítanie príkladov
Na tomto mieste si môžete stiahnuť súbor potrebný pre výpočtové cvičenie. Súbor obsahuje prepočítané príklady, ktoré vám pomôžu pri riešení zadania a lepšom pochopení problematiky asynchrónnych strojov. Heslo vám poskytne cvičiaci na cvičení.