1 Jednofázový asynchrónny motor

Transcript

1 1 Jednofázový asynchrónny motor V domácnostiach je často dostupná iba 1f sieť, pretože výkonovo postačuje na napájanie domácich spotrebičov. Preto aj väčšina motorov používaných v domácnostiach musí byť schopná prevádzky z jednofázového zdroja. Jedným z typov motorov, ktorý môže byť napájaný 1f napätím je aj jednofázový asynchrónny motor. Jeho hlavnou nevýhodou je, že nedokáže vytvoriť rotujúce magnetické pole s konštantnou amplitúdou magnetického poľa. Preto sa táto kapitola zaoberá princípom fungovania motora a to konkrétne 1. aké pole v motore vzniká pri napájaní z 1f siete, 2. aké sú dôsledky takéhoto napájania, 3. aké sú charakteristiky tohto motora. Z rôznych možností vlastností motora nám vyplynú rôzne druhy týchto jednofázových motorov, ktoré väčšinou posudzujeme s ohľadom na ich cenu, mechanický moment a účinnosť: 1. motor s hlavným a pomocným vinutím, 2. motor s kondenzátorom, 3. motor s tienenými pólmi. Ak pochopíme princíp správania tohto typu motora, bude potom ľahšie matematicky opísať niektoré fyzikálne deje v stroji ako 1. pulzujúce magnetické pole a príslušné momentové charakteristiky, 2. náhradnú schému jednofázového asynchrónneho motora. V závere kapitoly si vysvetlime 1. ako zmeniť smer otáčania, 2. ako pripojiť 3f asynchrónny motor na 1f sieť, 3. a ako regulovať otáčky motora. 1.1 Magnetické pole v motore napájanom z 1f siete 1f asynchrónny motor si môžeme predstaviť ako 3f asynchrónny motor, ale iba s jedným vinutím na statore (Obr. 1. a). Keďže máme k dispozícii iba jedno striedavé napájacie napätie (jednu fázu), postačuje nám iba jedno vinutie na statore.

2 Stator Rotor Obr. 1. 1f asynchrónny motor a) stator s jedným vinutím a rotor s klietkou nakrátko, b) prúdy a vektory magnetických polí statora a rotora. Po pripojení jednofázového striedavého napätia na vinutie, začne vinutím pretekať striedavý prúd. Smer striedavého prúdu v jednom časovom okamžiku je naznačený na Obr. 1 b). Tento striedavý prúd vytvorí v motore striedavé magnetické pole B S. Toto pole bude v čase pulzovať (bude sa meniť len jeho veľkosť) ale nebude sa otáčať (pozri podkapitolu1.8 Pulzujúce magnetické pole a príslušné momentové charakteristiky). Ako už vieme napr. z transformátorov, zmena magnetického poľa v čase bude indukovať napätie. Indukované napätie bude pretláčať prúd elektricky vodivou klietkou rotora. Prúd v rotore bude mať opačnú orientáciu vzhľadom na prúd vo vinutí statora, pretože sa bude snažiť zabrániť zmene (=statorový prúd), ktorá ho vyvolala (Obr. 1 b)). Magnetické pole statora, bude väčšie ako magnetické pole rotora a budú navzájom v priestore posunuté o Dôsledky napájania 1f asynchrónneho motora 1f napätím Ako sme spomenuli v predchádzajúcej podkapitole 1.1, magnetické pole statora iba pulzuje a neotáča sa. Rovnako to je aj s magnetickým poľom rotora. Preto interakcia týchto polí nebude vytvárať moment sily a preto sa motor neroztočí: = = sin = sin180 =0 Kde Μ e je elektromagnetický (vnútorný, indukovaný) moment motora. 1.3 Vlastnosti 1f motora Pulzujúce magnetické pole a nulový záberový moment (moment sily pri nulových otáčkach rotora) sú hlavnými nevýhodami tohto motora. Ak dokážeme tieto nevýhody prekonať malými a lacnými úpravami alebo zmenami, vytvorili by sme lacný motor, ktorý má širokú oblasť použitia. Preto sa teraz pozrime, aké sú rozdiely medzi týmto motorom a napr. motorom trojfázovým.

3 Ako vieme, 3f motor vytvára točivé magnetické pole s konštantnou amplitúdou magnetického poľa statora. Takéto pole vytvorí nenulový záberový moment. Preto by sme sa mali Hlavné vinutie Pomocné vinutie Obr f asynchrónny motor s hlavým a pomocným vinutím a ich vektormi magnetického poľa. snažiť nájsť cestu ako čo najjednoduchšie vytvoriť takéto alebo aspoň podobné pole v 1f motore. Ako vieme, točivé magnetické pole 3f motora je spôsobené tým, že jednotlivé napájacie fázy sú vzájomne posunuté časovo o 120 a vinutia sú posunuté vzájomne priestorovo o 120. Ale podobné pole ako v 3f motore môžeme vytvoriť aj dvomi fázami posunutými v čase o 90 a dvomi vinutiami posunutými v priestore o 90 (Obr. 2). Takýto motor by mal podobné charakteristiky ako 3f motor a stále by bol z konštrukčného hľadiska jednoduchší pretože by mal o jedno vinutie menej. Avšak ako sme si už povedali, máme k dispozícii iba jedno napájacie napätie. A preto vyvstáva otázka ako jednofázovým napätím napájať dve vinutia tak, aby napätia boli posunuté? Na túto otázku je niekoľko odpovedí alebo riešení. Každé z týchto riešení sa líši cenou prevedenia, momentovou charakteristikou ako aj účinnosťou stroja. 1.4 Motor s hlavným a pomocným vinutím Prvou z možností vytvorenia točivého magnetického poľa je použitie pomocného vinutia, ktorého parametre sú odlišné od parametrov hlavného vinutia. Obyčajne má v tomto prípade pomocné vinutie vyššiu indukčnosť a odpor (Obr. 3. a). Na tomto obrázku pomocné vinutie je používane len pri rozbehu na vytvorenie záberového momentu a pri určitých otáčkach dochádza k jeho vypnutiu odstredivým vypínačom. Na Obr. 4. b, pri vyšších otáčkach je moment motora s napájaným hlavným vinutím vyšší ako moment motora s napájanými oboma vinutiami. Preto je pomocné vinutie v tejto oblasti nepotrebné a odpája sa, aby jeho napájaním nevznikali zbytočné straty.

4 Odstredivý vypínač > Obr. 3. a) Zapojenie 1f asynchrónneho motora s hlavným a pomocným vinutím s rozdielnymi parametrami, b) fázorový diagram motora. Prúdy hlavného a pomocného vinutia majú odlišnú amplitúdu a ich fázové posunutie nedosahuje 90 (Obr. 3. b a Obr. 4. a). To znamená, že výsledný vektor magnetického poľa sa bude síce otáčať, ale po elipse a nie po kružnici. To znamená, že amplitúda magnetického poľa nebude konštantná. [%] + vypínač Obr. 4. a) Priebeh napájacieho napätia a prúdov hlavného a pomocného vinutia, b) momentová charakteristika motora s napájaným hlavným aj pomocným vinutím a momentová charakteristika s napájaním iba hlavného vinutia (M je v percentách nominálneho momentu). 1.5 Motor s kondenzátorom Druhou možnosťou ako vylepšiť momentovú charakteristiku tohto typu motora je pridanie kondenzátora do série s pomocným vinutím (Obr. 5. a). Podobne ako v predchádzajúcom prípade, je vetva s pomocným vinutím odpojená pri určitých otáčkach odstredivým vypínačom z rovnakých dôvodov.

5 Odstredivý vypínač Obr. 5. ) Zapojenie 1f asynchrónneho motora s hlavným a pomocným vinutím s rozbehovým kondenzátorom, b) fázorový diagram motora. Prúdy hlavného a pomocného vinutia sú v tomto prípade viac fázovo posunuté (Obr. 5. b) ako v predchádzajúcom prípade (Obr. 3. b). To má za následok otáčavé magnetické pole, ktorého vektor sa pohybuje po elipse približujúcej sa viac kružnici. To sa prejaví aj v momentovej charakteristika motora (Obr. 6), ktorá ma niekoľkonásobne vyšší záberový moment ako motor v predchádzajúcom prípade (Obr. 4. b). [%] + vypínač Obr. 6. Momentová charakteristika motora s rozbehovým kondenzátorom (M je v percentách nominálneho momentu). Motor s prídavným kondenzátorom je drahší ako motor s hlavným a pomocným vinutím. Preto sa využíva len v prípadoch, kedy je potrebný vysoký záberový moment alebo ak sa motor rozbieha už so zaťažením. V praxi sa často používajú ďalšie dve zapojenia motora s kondenzátormi: - motor s trvale zapojeným kondenzátorom (Obr. 7). Kondenzátor tohto motora má menšiu kapacitu, ale väčšiu prúdovú zaťažiteľnosť, pretože nim preteká prúd, ak je motor pripojený k sieti. - Motor so štartovacím aj s trvale zapojeným kondenzátorom (Obr. 8). Takéto zapojenie sa používa ak motor je v aplikácii, ktorá si vyžaduje ako vysoký záberový moment tak aj vysokú účinnosť v pracovnom bode.

6 [% Obr. 7. a) 1f asynchrónny motor s trvale zapojeným kondenzátorom, b) momentová charakteristika (M je v percentách nominálneho momentu). Odstredivý vypínač % vypínač Obr. 8. a) 1f asynchrónny motor s rozbehovým a s pracovným kondenzátorom, b) momentová charakteristika (M je v percentách nominálneho momentu). 1.6 Motor s tienenými pólmi Tento motor nemá pomocné vinutie, ktoré sa pripája na napájacie napätie. Namiesto toho využíva vinutie nakrátko, tzv. tieniace vinutie, ktoré pokrýva časť hlavného pólu tak, aby bolo umiestnené mimo osi symetrie hlavného pólu (Obr. 9. a). Tieniace vinutie teda nie je posunuté o 90. Prúd tieniacim vinutím sa snaží pôsobiť proti zmene hlavného magnetického toku a tým časovo oneskoruje magnetický tok v jeho oblasti. Takáto konštrukcia však neposkytuje 90 posun vinutí v priestore a ani prúdu v čase. Preto tento motor vyvíja najnižší moment zo všetkých 1f asynchrónnych motorov (Obr. 9. b). % Obr. 9. a)1f asynchrónny motor s tienenými pólmi, b) momentová charakteristika (M je v percentách nominálneho momentu).

7 1.7 Porovnanie Spomenuté 1f asynchrónne motory môžeme zoradiť podľa ich záberových vlastností a pracovných charakteristík od najlepšieho po najhorší a zároveň od najdrahšieho po najlacnejší: 1. motor so štartovacím a s trvale zapojeným kondenzátorom, 2. motor s rozbehovým kondenzátorom, 3. motor s trvale zapojeným kondenzátorom, 4. motor s hlavným a pomocným vinutím s rozdielnymi parametrami, 5. motor s tienenými pólmi. 1.8 Pulzujúce magnetické pole a príslušné momentové charakteristiky Teraz, keď už poznáme princíp fungovania 1f asynchrónneho motora, môžeme predstaviť spôsoby jeho analytického opisu. Ako sme spomenuli v podkapitole 1.1, pulzujúce magnetické pole vzniká v motore ak napájame striedavým napätím len hlavné vinutie. Toto pulzujúce pole môžeme rozložiť na dve magnetické polia rotujúce v opačnom smere (Obr. 10) Obr. 10. Rozloženie pulzujúceho magnetického poľa B S na dve proti sebe rotujúce polia B + a B -. Môžeme si všimnúť, že v každom okamžiku je výsledné pole stále vo vertikálnom smere = sin = 1 2 cos 1 2 sin = 1 2 cos 1 2 sin =

8 Kde a sú jednotkové vektory v horizontálnom a vertikálnom smere. Rozloženie pulzujúceho magnetického poľa na dve proti sebe rotujúce polia nám umožní jednoduchým spôsobom využiť poznatky momentovej charakteristiky 3f asynchrónneho motora. Ak uvažujeme len jedno z rotujúcich polí (povedzme v smere hodinových ručičiek), môžeme nakresliť klasický tvar momentovej krivky M + (Obr. 11). Ak druhé pole sa otáča proti smeru hodinových ručičiek, tak jeho synchrónna rýchlosť bude v bode s + =2 a motorický moment bude záporný. Ak uplatnime princíp superpozície a sčítame M + a M - tak dostaneme výslednú momentovú charakteristiku M pulzujúceho poľa. 0 =2 =0 =1 =1 =0 =2 Obr. 11. Momentové charakteristiky odpovedajúce magnetickému poľu otáčajúceho sa v smere hodinových ručičiek M +, proti smeru hodinových ručičiek M - a výsledná momentová charakteristika pulzujúceho poľa M. Momentová charakteristika pulzujúceho poľa ma teda nulový záberový moment a prechádza do generátorickej časti pri otáčkach nižších ako sú synchrónne. 1.9 Náhradná schéma jednofázového asynchrónneho motora Pri zostavovaní náhradnej schémy jednofázového asynchrónneho motora môžeme vychádzať z náhradnej schémy jednej fázy 3f asynchrónneho motora. Náhradná schéma 1f motora sa však líši od náhradnej schémy jednej fázy 3f motora v priečnej vetve a rotorových parametroch. Náhradná schéma s uvažovaním už spomenutých dvoch proti sebe otáčajúcich sa polí, má rozdelenú priečnu vetvu na impedanciu poľa otáčajúceho sa v smere hodinových ručičiek a v smere otáčajúcom sa proti smeru hodinových ručičiek (Obr. 12). Ako vieme z náhradnej schémy 3f stroja, rotorový odpor stroja je funkciou sklzu. Ak uvažujeme, že magnetické pole B + aj rotor sa otáčajú v smere hodinových ručičiek, tak rotorový odpor súvisiaci s týmto poľom bude kde 0.5

9 = Keďže magnetické pole B - sa otáča proti smeru hodinových ručičiek jeho synchrónna rýchlosť je -n s. Preto rozdiel v otáčkach B + a B - je dvojnásobný. Avšak rotor sa otáča o sklz pomalšie ako n s, preto sa rotor bude otáčať (2-s) rýchlosťou vzhľadom na B - a rotorový odpor bude rovný Táto náhradná schéma zohľadňuje pripojenie len hlavného vinutia k striedavému zdroju napätia. 0,5 0,5 0, ,5 0, Obr. 12. Náhradná schéma 1f asynchrónneho motora pre napájanie len hlavného vinutia Zmena smeru otáčania 1f asynchrónneho motora. Smer otáčania motora je závislý od smeru otáčania magnetického poľa. Keďže vieme, že magnetické pole statora je úmerné statorovému prúdu, pre zmenu smeru otáčania motora je potrebné zmeniť smer prúdu v jednom z vinutí, v hlavnom alebo v pomocnom. Túto zmenu dosiahneme pre pólovaním vinutia, napr. prepólovaním pomocneho vinutia (Obr. 13). Obr. 13. a) Zapojenie 1f asynchrónneho motora pre otáčanie v smere hodinových ručičiek, b) pre otáčanie proti smeru hodinových ručičiek Pripojenie 3f asynchrónneho motora na 1f sieť Keďže 3f asynchrónny motor ma dostatok vinutí, aj keď posunutých v priestore o 120, je možné tento motor pripojiť na jednofázové napätie (Obr. 14).

10 Obr. 14. a) Zapojenie 3f asynchrónneho motora na 1f napätie pre otáčanie v smere hodinových ručičiek, b) pre otáčanie proti smeru hodinových ručičiek. Aj keď je možné 3f asynchrónny motor pripojiť na 1f napätie, je jeho prevádzka pri rovnakej záťaži ako pri pripojení na 3f napätie rizikom. Rizikom je prehriatie vinutia, pretože jednou fázou bude pretekať skoro trojnásobný prúd v porovnaní s 3f napájaním. Tento prúd bude spôsobovať straty vo vinutí približujúce sa deväť násobku strát vo vinutí pri napájaní 3f napätím Regulácia otáčok motora Reguláciu otáčok motora je možné dosiahnuť zmenou amplitúdy vstupného napätia. Ak znížime amplitúdu statorového napätia, spôsobí to zníženie momentu motora (Obr. 15). Ak je moment záťaže konštantný, otáčky motora sa ustália na nižšej hodnote. %] > > Obr. 15. Momentové charakteristiky 1f asynchrónneho motora pri rôznych hodnotách statorového napätia. Amplitúdu vstupného napätia môžeme znížiť autotransformátorom, ktorým budeme motor napájať. Druhá možnosť je použitie statorového vinutia motora ako autotransformator. V takomto prípade môže byť statorové vinutie rozdelené na viac častí - odbočiek zapojených do série. Potom je možné pripájať napájacie napätie na rôzne odbočky a tým meniť jeho otáčky. Tu je podstatné si uvedomiť, že ide o prípad autotransformátora vo zvyšujúcom zapojení. Takže, ak pripojíme napájacie napätie na polovicu vinutia, rovnaké napätie sa bude indukovať vo zvyšnej polovici vinutia. To znamená, že celkove napätia na statorovom vinutí bude dvojnásobné Referencie [1] S. J. Chapman: Electric machinery Fundamentals, McGraw-Hill 1991 [2] R. Mravec: Elektrické stroje a prístroje I, Alfa 1975