T11 Elektrické stroje ( Základy elektrotechniky II., strany 225 352) Zostavil: Peter Wiesenganger 1. DEFINÍCIA Elektrické stroje sú zariadenia, ktoré uskutočňujú premenu mechanickej energie na elektrickú, premenu elektrickej energie na mechanickú a tiež menia formu elektrických prúdov a napätí na inú formu. K definícii patrí, že elektrický stroj musí mať primárny elektrický obvod, magnetický obvod a sekundárny elektrický obvod. 2. ROZDELENIE Základné rozdelenie elektrických strojov je na netočivé a točivé. Netočivé elektrické stroje sa delia na transformátory a meniče, točivé elektrické stroje sa delia na motory a generátory. Generátory sa delia na jednosmerné nazývané dynamá a na striedavé nazývané alternátory. Motory sa delia na synchrónne, asynchrónne, jednosmerné a skupinu špeciálnych motorov. 3. TRANSFORMÁTORY Transformátory sa v elektrických schémach označujú symbolom: Pripojenie transformátora na zdroj striedavého napätia ukazuje obrázok: 3.1 Funkcia zaťaženého transformátora Obr. 1 Primárne vinutie je navinuté izolovaným vodičom na jadre transformátora, ktoré sa skladá z plechových výliskov z magneticky mäkkého materiálu (ľahko sa magnetujúceho). Plechy sú mechanicky stlačené na sebe tak, aby sa vytvorili požadovaný prierez jadra. Na tomto jadre je potom izolovane navinuté aj sekundárne vinutie. Ak pripojíme na primárne vinutie zdroj striedavého napätia, tak striedavý prúd vyvolá v jadre striedavý magnetický tok a tento indukuje v sekundárnom vinutí striedavý elektrický prúd. Na vstupe transformátora je napätie U1 dané napätím zdroja a do primárneho vinutia vteká vstupný prúd I1. Na výstupe transformátora je naindukované napätie U2 a zaťaženým sekundárnym vinutím preteká výstupný prúd I2. Primárne vinutie N1 musí mať taký počet závitov, aby sa vybudil potrebný 1
magnetický tok. Počet závitov sekundárneho vinutia N2 je daný požiadavkou na transformačný pomer transformátora N, ktorý je daný vzťahom: N1 U1 I2 N = = = N2 U2 I1 Vzťah nám hovorí, že výstupné napätie bude dané počtom závitov sekundárneho vinutia v pomere k závitom primárneho vinutia. Primárne vinutie má indukčnosť L1, sekundárne vinutie indukčnosť L2. Vzájomná indukčnosť oboch cievok je daná vzťahom: L = L1 x L2 Pretože transformátor nie je perpetum mobile, ale prenáša výkon z primárneho vinutia na sekundárne s nejakou stratou, tak prúdy sa nám transformujú v opačnom pomere ako napätie. Napätie U1 a prúd I1 predstavujú výkon na primáre P1 (tzv. príkon) a napätie U2 a prúd I2 výkon na sekundáre P2. Veľkosť straty pri transformácii nám udáva účinnosť transformátora označená η podľa vzťahu: P2 U2 x I2 η = = x 100 (%) P1 U1 x I1 Straty, ktoré pri transformácii vznikajú zapríčiňuje ohrev vodičov vinutí a prúdy indukované v jadre transformátora. Straty sa prejavujú ohrievaním vinutí aj jadra transformátora. Pre zmenšenie strát sú plechové výlisky v jadre transformátora navzájom izolované, čo zaisťuje ich povrchová úprava. 3.2 Tvary transformátorov Transformátory sa zhotovujú podľa potreby v rôznych vyhotoveniach, transformátorové plechové výlisky môžu mať tvar EI, EE, M, LL a UI. Jadrá môžu byť realizované aj feritovými materiálmi a materiálmi z lisovaného práškového železa a môžu mať aj tvar toroidu. Existuje aj jadro CC, realizované z užšieho pásu transformátorového plechu navinutého na obdĺžnikový hranol a následne prerezané cez stred. Primárne aj sekundárne vinutia sa vinú obvykle na kostričku z nevodivého materiálu a vkladajú sa po navinutí do jadra. Výnimkou sú toroidné jadrá, do ktorého sa závity vodiča tzv. šijú (prevliekajú). Obr. 2 2
3.3 Návrh transformátora Pre návrh transformátora existujú počítačové programy dostupné na internete, ale pre názornosť ho uvádzame. Predpokladajme, že transformátor bude napájaný sieťou 230 V. 1. Určíme si požadované výstupné napätie U2 a požadovaný výstupný prúd I2. 2. Vypočítame výstupný výkon P2 = U2 x I2 (VA) 3. Odhadneme účinnosť η (napr. 0,8) a vypočítame výkon na vstupe (príkon) P1 = P2 / η 4. Vypočítame prúd I1 = P1 / U1 (A) 5. Vypočítame prierez jadra S = P1 (cm 2 ) a určíme typ a veľkosť plechových výliskov 6. Vypočítame počet závitov na 1 Volt: N = 45 / S (N / V) 7. Vypočítame počet závitov primárneho a sekundárneho vinutia: N1 = N x U1 a N2 = N x U2 3.4 Transformátor naprázdno Ak pripojíme primárne vinutie transformátor na zdroj striedavého napätia a jeho výstup nie je ničím zaťažený, tak hovoríme, že transformátor je zapojený naprázdno. Vstupné vinutie transformátora predstavuje v tomto prípade pre zdroj veľmi nízku impedanciu a pri pripojení nabehne do primárneho vinutia zo zdroja vysoký prúdový impulz, ktorý má hodnotu až 15 násobku nominálnej hodnoty prúdu. Prúd sa po vybudení magnetického toku v jadre (po niekoľkých periódach) ustáli na hodnote 3-10% jeho nominálnej hodnoty. Takýto transformátor predstavuje pre zdroj takmer úplnú indukčnú záťaž a fázorový diagram by ukázal, že napätie predbieha prúd o takmer 90 o. Prúd primárnym vinutím má dve zložky, jedna zložka kryje straty na vinutí a v jadre a nazývame ju činný prúd, druhá zložka zaisťuje magnetizáciu jadra a nazýva sa magnetizačný prúd. Sekundárnym vinutím prúd netečie. Napätia na primárnom a sekundárnom vinutí sú dané transformačným pomerom N. Poznámka: Nominálna hodnota prúdu primárneho vinutia je taká hodnota prúdu, ktorá je udaná na jeho štítku alebo v katalógu výrobcu. Na túto hodnotu je transformátor navrhnutý a táto hodnota by nemala byť trvale prekročená. 3.5 Transformátor nakrátko. Transformátor nakrátko je zapojený vtedy, ak je po pripojení na zdroj jeho sekundárne vinutie skratované bezodporovou spojkou a jeho výstupné napätie je teda nulové. Po pripojení začne tiecť primárnym aj sekundárnym vinutím ustálený prúd, ktorému hovoríme prúd nakrátko. Ustálený prúd nakrátko môže v primárnom aj sekundárnom vinutí dosahovať až 50 násobok nominálnej hodnoty a spôsobí rýchle zahrievanie vinutí s nebezpečenstvom poškodenia celého transformátora. Preto pri experimentálnom stanovení vlastností transformátora v stave nakrátko znižujeme vstupné napätie transformátora na hodnotu, pri ktorej tečú vinutiami nominálne prúdy. Takémuto napätiu hovoríme napätie nakrátko UK. V prípade, ak napätie nakrátko udávame v pomere k nominálnemu napätiu UN, nazývame ho percentuálne napätie nakrátko a počítame ho zo vzťahu: UK UKP = x 100 [ % ] UN Percentuálne napätie nakrátko býva u veľkých transformátorov uvedené na ich štítkoch a je dôležité pre paralelné spájanie transformátorov. Prúd nakrátko a fázový posun vieme stanoviť pomocou fázorového diagramu a počítame ich zo vzťahov: 3
U1 IK = = U1 / Z R 2 + X 2 cos φ = R / Z Je treba ešte dodať, že prúd nakrátko je iný prúd, ako tzv. skratový prúd, ktorý prebehne v okamžiku skratu sekundárneho obvodu pri bežnej prevádzke a trvá do okamžiku kým zaberie ochrana obvodu a rozpojí ho. Poznámka: Dva predchádzajúce stavy transformátora sa využívajú iba v laboratóriách, prevažne pri vývoji transformátorov. V praxi využívame zostavu, keď je transformátor zaťažený záťažou napájanou sekundárnym vinutím transformátora. 3.6 Trojfázový transformátor Trojfázový transformátor sa používa v trojfázovej sieti. Má tri samostatné jadrá, na každom je navinuté primárne a sekundárne vinutie. Konce všetkých vinutí sú vyvedené na svorkovnicu transformátora a umožňujú vzájomné zapojenie primárnych i sekundárnych vinutí do hviezdy alebo trojuholníka. Schému transformátora a spôsoby zapojenia vinutí ukazuje obrázok: Obr. 3 Pri zapojení do hviezdy máme k dispozícii nulový vodič a tri fázové výstupy, pričom každý výstup UF má voči nulovému vodiču napätie 230 V. V zapojení do trojuholníka sú vyvedené len tri fázové výstupy, medzi ktorými je združené napätie UZ 400 V. Z hľadiska výkonu platí, že medzi PT (výkon pre trojuholník) a PH (výkon pre hviezdu) je vzťah: PT = 3 x PH 4
Chladenie trojfázových transformátorov. Chladenie vzduchom. Pri chladení vzduchom je transformátor umiestnený v skrini, do spodnej časti ktorej sa vháňa vzduch ventilátormi a po obtečení transformátora odchádza vetracím otvormi v hornej časti skrine. Chladenie olejom. Transformátor je umiestnený v oceľovej nádobe uzatvorenej vekom. Nádoba je celá naplnená transformátorovým olejom, ktorý sa ohrieva od transformátora a odovzdáva teplo stenám nádoby. Pre výkony do 50 kva môžu byť steny nádoby hladké, pre výkony do 500 kva bývajú vlnité. Pre ešte väčšie výkony sa na vonkajšie steny nádoby privárajú rúrky. Ďalšou možnosťou je olejové chladenie s núteným obehom oleja. Teplý olej sa odoberá z hornej časti nádoby a cez vzduchový alebo vodný chladič sa vtláča do jej spodnej časti. U týchto výkonov sa už používa aj dilatačná nádoba valcovitého tvaru spojená s hornou časťou nádoby, do ktorej sa olej rozťahuje po jeho zohriatí. Medzi nádobou transformátora a dilatačnou nádobou je umiestnené tzv. plynové relé, ktoré odpojí transformátor od siete ak nastalo také prehriatie oleja, pri ktorom sa začne v oleji tvoriť plyn, alebo vznikla netesnosť nádoby a nastal úbytok oleja a vniknutie vzduchu. Chladenie syntetickými kvapalinami. Tieto syntetické kvapaliny sa nazývajú askarely a sú nehorľavé a nevýbušné. Doba ich výdrže je až 25 rokov a viac. Ich nevýhodou je, že sú jedovaté a v prípade vzniku oblúka sa vytvárajú jedovaté plyny(napr. chlorovodík). Chladenie plynom. Na chladenie je možné použiť aj plyn, napr. fluorid sírový, je ľahší ako kvapalina a chladí 3 x lepšie ako vzduch. Používa sa v obmedzených priestoroch, napr. na lodiach a v lokomotívach. Paralelný chod transformátorov. Ak nestačí na požadovanú dodávku elektrickej energie 1 transformátor, pridáva sa k nemu ďalší a spoja sa paralelne. Pre takéto spájanie platia podmienky: oba transformátory musia mať rovnaké nominálne napätia, rovnaké percentuálne napätia nakrátko, musia mať rovnaký sled fáz a tiež rovnaký fázový posun vyššieho napätia voči nižšiemu napätiu. 3.7 Špeciálne transformátory Oddelovací transformátor je transformátor s prevodným pomerom 1:1, slúži a na galvanické oddelenie zariadení od striedavej napájacej siete. Merací transformátor je transformátor s presným transformačným pomerom (napr. 100 : 1) a slúži pre meracie účely. Často býva riešený s viacerými odbočkami. Signálny transformátor slúži pre impedančné prispôsobenie nf aj vf zariadení použitých v ceste signálu ( napr. impedančný transformátor medzi mikrofónom a nf zosilňovačom). 5
3.8 Autotransformátor Autotransformátor nie je elektrický stroj, lebo nespĺňa podmienku dvoch elektrických obvodov. Jeho schéma je na obrázku: Obr. 4 Je to vlastne len cievka navinutá na toroide s bežcom, ktorý sníma pri kruhovom pohybe napätie od nuly po maximálne. Je to zariadenie, ktoré galvanicky neoddeľuje záťaž od siete. Z toho dôvodu sa môže používať iba v laboratóriách a v praxi tam, kde ho obsluhuje znalá alebo poučená obsluha. 3.9 Tlmivka Tlmivka taktiež nie je elektrický stroj a je podobná transformátoru, ktorý bol realizovaný s transformátorovými výliskami. Má však iba jedno vinutie s veľkou indukčnosťou a slúži pre obmedzenie veľkých nábehových prúdov v zariadeniach, u ktorých takéto prúdy po pripojení na sieť nabiehajú, alebo kde z nejakého dôvodu potrebujeme veľkú indukčnosť. Vo vysokofrekvenčnej technike sa tlmivky s malou indukčnosťou používajú ako filtre vysokofrekvenčných signálov. 3.10 Transduktor Transduktor tiež nie elektrický stroj, lebo jeho primárny obvod je jednosmerný a zobrazuje ho obrázok: Obr. 5 Transduktor slúžil na reguláciu prúdu I2 tým, že pomocou zmeny jednosmerného prúdu v primárnom obvode s veľkým počtom závitov sa mení sýtenie tzv. presytky, čo je feromagnetické jadro bez vzduchovej medzery a tým sa mení aj impedancia sekundárneho vinutia a teda aj prúd I2. Často sa používal transduktor s vlastným budením, keď sa jednosmerné napätie U1 získavalo usmernením striedavého prúdu sekundárneho vinutia. V súčasnej dobe sa už transduktory nazývané aj transformátorové zosilňovače nepoužívajú, sú nahradzované tyristorovými zosilňovačmi. 6
Príklady na transformátory: 1. Príklad: Primárnou cievku transformátora prechádza pri napätí 230 V prúd 0,2A. Sekundárnou cievkou prechádza prúd 6A a napätie na svorkách cievky je 6,3V. Určite účinnosť transformátora. Riešenie: U1 = 230 V, I1 = 0,2 A, U2 = 6,3 V, I2 = 6 A, η =? U2 x I2 6,3 x 6 η = x 100 = = 0,82 % U1 x I1 230 x 0,2 2. Príklad Aké bude výstupné napätie U2 a výstupný prúd I2 transformátora a aké budú tepelné straty Q1 a Q2 jeho cievok, ak: N1 = 2400 záv. N2 = 120 R1 = 120 Ω R2 = 0,05 Ω U1 = 2200 V P1 = 2000 W η = 90 % Riešenie: N2 120 P1 2000 U2 = U1 x = 2200 x = 110 V I1 = = = 0,9 A N1 2400 U1 2200 U2 x I2 η x P1 0,9 x 2000 Ak η =, potom I2 = = = 16,4 A P1 U2 110 Q1 = R1 x I1 2 x t = 120 x 0,81 x 1 = 97,2 J Q2 = R2 x I2 2 x t = 0,05 x 16,4 2 x 1 = 13,4 J Q = Q1 + Q2 = 110,6 J 3. Príklad: Indukčnú pec tvorí transformátor, ktorého sekundárnu cievku tvorí jeden uzavretý závit v tvare žľabu, do ktorého sa ukladá materiál, ktorý chceme roztopiť. Vypočítajte aký prúd preteká v sekundárnom obvode, ktorý má odpor 0,01Ω a primárna cievka je pripojená ku zdroju striedavého prúdu o napätí 240V a má 60 závitov. Aké Jouleovo teplo sa uvoľní v sekundárnej cievke za 1 minútu? 7
Riešenie: U1 = 240 V, N1 = 60, t = 60 s, R2 = 0,01 Ω, N2 = 1, I2 =?, Q =? N2 1 U2 = U1 = 240 = 4 V N1 60 U2 4 I2 = = = 400 A R2 0,01 Q = U2 x I2 x t = 4 x 400 x 60 = 96 000 J = 96 kj 4. Príklad: Aký bude výstupný prúd I2 transformátora a výkon elektromotora P s cos φ = 0,82 zapojeného v jeho sekundáre, ak je U1 = 2 kv, I1 = 2 A, U2 = 230 V. Riešenie: U2 I1 U1 x I1 2000 x 2 = z toho I2 = = = 17,39 A U1 I2 U2 230 P2 = U2 x I2 x cos φ = 230 x 17,39 x 0,82 = 3,28 kw 8
4. SYNCHRÓNNE STROJE Synchrónne stroje delíme na generátory a motory. 4.1 Trojfázový synchrónny generátor - alternátor V téme T6 Striedavý prúd bol ukázaný spôsob generovania striedavého prúdu točením cievky v statickom magnetickom poli. Ak budeme v statickom magnetickom poli točiť trojicu cievok, ktoré budú mechanicky zostavené tak, aby boli medzi nimi uhly 120 o, dostaneme na výstupoch z troch cievok tri sínusové priebehy posunuté voči sebe tiež o 120 o. Toto je základný princíp vzniku trojfázového striedavého prúdu, založený na magnetickej indukcii. V praxi vytvárame trojfázový striedavý generátor tak, že zložitú a hmotnú konštrukciu troch cievok posunutých voči sebe fázovo o 120 o realizujeme ako stator a v priestore cievok statoru otáčame elektromagnet s viacerými pólmi, ktorý vytvorí točivé magnetické pole. Takto sme zaistili, že cievky statora pretínajú magnetické siločiary a generuje sa v nich striedavý prúd. Magnetizáciu cievky elektromagnetu rotora a jej točenie zaisťuje tzv. budič, môže ním byť napr. dynamo na jednej osi s točiacim motorom. Schému takéhoto stroja ukazuje obrázok: Obr. 6 K obrázku je treba ešte dodať jedno vysvetlenie. Trojfázový prúd s tromi sínusovkami posunutými voči sebe fázovo o 120 o má jednu ohromnú vlastnosť. Ak spočítame v ľubovolnom čase periódy napätia všetkých troch sínusoviek, výsledok bude vždy rovný 0 V. Táto vlastnosť nám umožňuje spojiť začiatky všetkých troch vinutí statora do jedného bodu, tento bod uzemniť a vyviesť ho spolu s koncami vinutí. Tým sme vytvorili trojfázovú striedavú sieť obsahujúcu tri fázové a jeden nulový vodič. Každý fázový vodič má voči nulovému vodiču napätie 230 V a každý fázový vodič voči inému fázovému vodiču 400 V. Generátor sa nazýva synchrónny preto, že generuje sínusovky synchrónne s pohybom pólov elektromagnetu rotora a teda synchrónne s pohybom točivého magnetického poľa. Ak má rotor iba jeden pár pólov, musia sa jeho otáčky rovnať počtu požadovaných sínusoviek za jednotku času (napr. 50 otáčok 50 Hz). Pri viacpólovom rotore môžeme otáčky znížiť, pričom platí vzťah: n ( otáčky za sekundu) = f (Hz) / p (počet párových dvojíc) Príklad: Pri štvorpólovom rotore a požadovanej frekvencii 50 Hz budú otáčky 50 / 2 = 25 otáčok za sekundu, čo je 1500 otáčok za minútu. Paralelný chod alternátorov. 9
V reálnej praxi dodáva elektrickú energiu do distribučnej siete viac elektrární a ich alternátory sú teda zapojené paralelne. Pri pripájaní ďalšieho alternátora musí mať tento rovnaké napätie, rovnakú frekvenciu, rovnaký sled fáz a musí byť vo fáze so sieťou. V súčasnosti sa pre pripájanie používajú v elektrárňach samočinné fázovacie stroje. 4.2 Trojfázový synchrónny motor Pre získanie rotačného pohybu synchrónneho motora potrebujeme vytvoriť v statore točivé magnetické pole, do ktorého potom vložíme rotor tvorený elektromagnetom. Točivé magnetické pole vytvoríme pomocou troch cievok statora, ktoré sú voči sebe mechanicky posunuté o 120 o úplne zhodne so statorom generátora. Do takto usporiadaných cievok privedieme trojfázový striedavý prúd a točivé magnetické pole je vytvorené. Spôsob vzniku točivého magnetického poľa ukazuje nasledovný obrázok: Obr. 7 Do troch cievok statora vchádza striedavý prúd, ktorý v ich okolí vytvára striedavé magnetické pole so striedajúcimi sa magnetickými pólmi. Obrázok ukazuje postupnosť týchto pólov a následný pohyb rotora počas jeho prvých 180 o. Rotor je postupne priťahovaný k magnetickým pólom statora vždy o 60 o striedavo svojimi pólmi. P ohyb rotora je trvalo synchronizovaný točivým magnetickým poľom statora, takže točivé pole a rotor majú zhodnú frekvenciu. Toto zrejmé, ak rotor nie je zaťažený. Ak rotor postupne zaťažujeme, frekvencia rotora sa nemení, ale dochádza k oneskorovaniu rotora za točivým poľom o tzv. záťažový uhol φ. Tento uhol sa zvyšovaním záťaže zväčšuje, ale otáčky rotora sa nemenia. Ak však záťaž dosiahne hraničnú hodnotu, uhol φ sa zväčší natoľko, že magnetický kontakt rotora s točivým poľom (synchronizácia) sa rozpadne a rotor sa zastaví. Stabilita otáčok v širokom rozsahu záťaže je význačná vlastnosť synchrónneho motora. Nevýhodou synchrónneho motora je, že sa nedajú riadiť jeho otáčky, ale zato sa dá zvýšiť jeho výkon zvýšením budiaceho prúdu rotora. Synchrónne motory sa používajú hlavne v energetike a ich výkon sa pohybuje v hodnotách nad 1 MW. Majú vysokú účinnosť 0,95 0,98 %. Zvláštnym použitím nezaťaženého synchrónneho motora vo väčších rozvodniach je jeho použitie ako tzv. synchrónny kompenzátor. Prebudený synchrónny motor sa totiž správa ako kondenzátor a dokáže zlepšiť účinník siete zaťaženej indukčnou záťažou. 10
Poznámka: Môžeme teda konštatovať, že trojfázový synchrónny generátor a trojfázový synchrónny motor môže byť vlastne to isté zariadenie, len v prvom prípade roztočíme rotor a výstupom je trojfázová striedavá sieť a v druhom prípade napájame stator trojfázovým striedavým prúdom a tým roztočíme rotor. 5. ASYNCHRÓNNE MOTORY Asynchrónne motory delíme na motory s kotvou nakrátko a krúžkové. Rotory motorov s kotvou nakrátko delíme na: rotory s klietkou, odporové rotory, rotory s hlbokou drážkou a rotory s dvojitou klietkou. Stator asynchrónnych motorov je tvorený klasicky tromi cievkami v kruhu s rozostupom120 o na ktoré je privedený trojfázový prúd a generuje sa v ňom točivé magnetické. Je teda zhodný so statorom synchrónnych strojov. 5.1 Motor s klietkovým rotorom Motor s klietkovým rotorom má rotor tvorený medenými tyčami upevnenými v čelných kruhoch po ich obvode. Táto zostava je umiestnená v elektroplechovom obale s drážkami, do ktorých tyče rotora zapadajú. Zostava rotora sa umiestňuje do dutiny statora a jej upevnenie v osi umožňuje rotačný pohyb. Medzi statorom a rotorom je vzduchová medzera 0,3 1 mm. Tvar rotora ukazuje obrázok: Obr. 8 Princíp činnosti asynchrónneho motora s klietkou je nasledovný: Po pripojení trojfázovej siete na vinutia statoru sa vytvorí točivé magnetické pole, ktoré pôsobí na medené tyče zatiaľ nepohybujúceho sa rotoru a indukuje v nich elektrický prúd. Tento prúd tečúci tyčami vytvorí okolo každej tyče magnetické pole. Točivé magnetické pole statora a magnetické polia okolo tyčí spolu reagujú a vytvoria na základe Lorenzovho zákona sily kolmé na tyče (vytvoria točivý moment) a tým zaistia rotačný pohyb rotora v smere točenia točivého poľa statoru. Lorenzov zákon hovorí, že ak je vodič ktorým prechádza elektrický prúd umiestnený v magnetickom poli, pôsobí naň bočná sila F úmerná sile magnetického poľa B, veľkosti prúdu vo vodiči I a dĺžke vodiča v magnetickom poli l podľa vzťahu: F = B x I x l Smer sily na vodič určuje Flemingovo pravidlo ľavej ruky: ak položíme ľavú ruku na vodič tak, aby prsty boli v smere prúdu a siločiary magnetického poľa smerovali od severu k juhu do dlane, tak odtiahnutý palec ukazuje smer sily na vodič. 11
Lorenzova sila na rotor je pri stojacom rotore maximálna, so zvyšujúcimi sa otáčkami rotora postupne klesá, lebo tyče rotora pretína čím ďalej tým menej magnetických siločiar. Keby sa rotor roztočil až na otáčky točivého poľa statoru, žiadna siločiara by tyče nepretínala a Lorenzova sila by bola nulová. K tomuto samozrejme nedôjde, lebo pri otáčkach zaťaženého rotora menších o 3 5 % ako otáčky točivého poľa statoru sa celý systém ustáli na týchto otáčkach. Ak rotor viac zaťažíme, otáčky rotora klesnú, tyče bude pretínať viac siločiar, Lorenzova sila vzrastie a spôsobí zvýšenie otáčok. Takto sa nám darí udržiavať otáčky rotora o tých 3 5 % menších ako točivé pole statora v širokom rozsahu zaťaženia. Rozdielne otáčky točivého poľa statoru ns a rotoru n sú základným princípom činnosti asynchrónneho motora. Rozdiel v otáčkach sa nazýva sklz a vyjadruje sa v % vo vzťahu k otáčkam točivého poľa podľa vzťahu: ns - n S = x 100 [ % ] Príklad: ns Štvorpólový trojfázový asynchrónny motor má uvedené na štítku menovité otáčky 1 440 otáčok za minútu a je napájaný frekvenciou 50 Hz. Aký bude sklz? Riešenie: ns = f / p = 50 / 2 = 25 otáčok za sekundu = 1500 otáčok za minútu 1500-1440 S = x 100 = 4 % 1500 5.2 Krúžkový motor Krúžkový motor je asynchrónny motor, ktorý má klasický stator s tromi cievkami napájaný striedavým trojfázovým prúdom a vytvoreným točivým poľom. Princíp činnosti krúžkového motora je zhodný s princípom motora s klietkou vrátane pôsobenia Lorenzovej sily, ale na rozdiel od klietkového motora je jeho rotor tvorený tromi nenapájanými cievkami v zapojení do hviezdy, konce ktorých sú vyvedené na tri zberné krúžky umiestnené na hriadeli rotora. Schému krúžkového motora ukazuje obrázok: Obr. 9 12
Na zberné krúžky priliehajú grafitové kefky, ktoré sú napojené na rotorovú svorkovnicu. Na túto svorkovnicu sa pripája spúšťač, ktorý zväčšuje odpor rotorového vinutia a znižuje tým veľkosť nábehového prúdu. Menšie krúžkové motory majú kefky trvalo pripojené, u väčších motorov sa kefky odklopia. Krúžkové motory sa používajú tam, kde sa vyžaduje veľký záberový moment pre dlhotrvajúci rozbeh s veľkým zotrvačným momentom a pre pohon vyžadujúci prechodnú zmenu otáčok. Často sa používa v žeriavoch. 5.3 Jednofázový asynchrónny motor Pre vznik točivého efektu len pomocou 1 fáze sa používa stator motora, ktorý obsahuje okrem hlavného vinutia ešte jedno pomocné rozbehové vinutie, pričom osi oboch vinutí zvierajú uhol 90 o. Toto odpovedá teórii, že točivé magnetické pole sa dá získať pomocou 2 fáz posunutých voči sebe o 90 o. Po rozbehu je možné pomocné vinutie odpojiť, lebo jeho magnetické účinky sú nahradené účinkami otáčajúceho sa rotora. Zmena smeru otáčania sa dosiahne zámenou prívodov hlavného alebo pomocného vinutia. Pre zlepšenie účinku rozbehového vinutia sa k nemu pripája rezistor alebo kondenzátor. Rezistor je pripojený k pomocnému vinutiu sériovo a táto kombinácia je pripojená k hlavnému vinutiu paralelne. Rovnaký efekt sa dá dosiahnuť aj tak, že pomocné vinutie sa navinie odporovým vodičom. Po rozbehu, po dosiahnutí 65-75% otáčok sa pomocné vinutie s rezistorom odpoja od hlavného vinutia odstredivým vypínačom. Kondenzátor resp. 2 kondenzátory je možné použiť tromi spôsobmi: - kondenzátor je trvale sériovo pripojený k pomocnému vinutiu, - kondenzátor je sériovo pripojený len počas rozbehu, - jeden kondenzátor slúži len pre rozbeh a odpája sa, druhý kondenzátor ostane pripojený. Uvedené kombinácie majú vplyv na charakteristiky jednofázového motora. 5.4 Vlastnosti asynchrónnych motorov Spúšťanie Pri spúšťaní asynchrónneho motora jeho rotor stojí a preto nabehne v statore veľký prúdový impulz, ktorý môže spôsobiť krátkodobý pokles napätia v napájacej sieti. Pri spúšťaní menších motorov do výkonu 3 kw sa obvykle nepoužívajú žiadne opatrenia a motor sa pripája priamo na napájaciu sieť. Pri spúšťaní väčších motorov sa používajú nasledovné spôsoby: 1. Použitie prepínača hviezda trojuholník. Pri spúšťaní je motor pripojený k napájacej sieti do hviezdy, po rozbehu a dosiahnutí cca 80% menovitých otáčok sa prepínačom prepne na pripojenie do trojuholníka. Nevýhodou je, že pri rozbehu je záberový prúd len 30 percentný voči prúdu pri zapojení do trojuholníka a tým je obdobne menší aj záberový moment motora. Z toho dôvodu sa tento spôsob obvykle používa u motorov s výkonom 3-15 kw, ktoré majú menšiu záťaž. Ďalšou nevýhodou je, že počas spúšťania vzniknú až dva prúdové nárazy (pripojenie a prepnutie). 2. Použitie autotransformátora. Tento spôsob pripájania zobrazuje nasledovný obrázok: 13
Obr. 10 Prepínačom vradíme do pripojovacej cesty autotransformátor, ktorý je nastavený na nižšie napätie. Napätie postupne zvyšujeme až na menovité a potom autotransformátor prepínačom odpojíme. Takáto metóda sa používa pri pripájaní veľkých a výkonných motorov. 3. Použitie rozbehovej spojky. Prúdový náraz nezaťaženého aj zaťaženého motora ja rovnako veľký (je závislý len na impedancii motora), ale pri odpojenej záťaži je podstatne kratší, zmenší sa na zlomok sekundy, čo je pre napájaciu sieť bezvýznamné. Z toho dôvodu sa pri pripájaní motorov ako jednej z metód používajú rozbehové spojky umiestnené medzi motorom a jeho záťažou. Používajú sa trecie, elektromagnetické, elektrodynamické alebo odstredivé spojky, ktoré pripoja záťaž až po rozbehu. 4. Použitie frekvenčného meniča Keďže otáčky motora sú závislé na frekvencii napájacej siete, môže sa motor napájať z frekvenčného meniča a spúšťať nízkou frekvenciou, ktorá sa postupne zvyšuje až na menovité otáčky. Ak sa chce zachovať rozbehový moment, musí sa so zmenou frekvencie meniť aj napájacie napätie. Ako frekvenčné meniče sa v súčasnej dobe používajú tzv. priame meniče cyklokonvertory, ktoré majú rozsah otáčok od nuly po otáčky odpovedajúce frekvencii napájacej siete (50 Hz) a sú použiteľné pre veľké výkony. Chod naprázdno Ak statorové vinutie pripojíme na trojfázovú sieť a rotor nebude mechanicky zaťažený, hovoríme že asynchrónny motor je v chode naprázdno. Sklz bude minimálny, daný iba stratami trením v ložiskách, odporom vzduchu a stratami v magnetickom obvode. Prúd v statore sa nazýva prúd naprázdno a dosahuje približne 20-40% svojej nominálnej hodnoty. Motor v chode naprázdno predstavuje pre napájaciu sieť veľkú indukčnú záťaž a zhoršuje jej účinník. Chod nakrátko Asynchrónny motor je v chode nakrátko vtedy keď jeho rotor stojí, teda na začiatku každého rozbehu a vtedy, keď sa zastavil vplyvom nadmerného zaťaženia. V chode nakrátko sa indukuje v statorovom vinutí pomerne veľký skratový prúd, ale v porovnaní s transformátorom (až 15 násobok nominálneho prúdu) je pomerne menší, iba (3,5 7 násobok). 14
Skratový prúd sa určuje z merania nakrátko, keď je motor zabrzdený a napájacie napätie statora sa znižuje až na takú hodnotu, aby vinutím prechádzal nominálny prúd. Je to zhodný postup ako pri meraní transformátora nakrátko. Asynchrónny motor vytvorí počas chodu nakrátko určitý záberový moment, ktorý zabezpečí samočinný rozbeh motora. Regulácia otáčok Otáčky asynchrónneho motora sa dajú meniť v zásade štyrmi spôsobmi. 1. Zmena napájacieho napätia. Regulácia otáčok zmenou napájacieho napätia sa používa len u motorov s dostatočne veľkým odporom rotoru. Na zmenu napätia sa používajú tyristorové meniče striedavého prúdu. Táto metóda je vhodná pre malé a stredné motory s výkonom do 100 kw, ktoré sa používajú na pohon ventilátorov, čerpadiel a žeriavov. 2. Zmena frekvencie napájacieho napätia. Je to najdokonalejší spôsob regulácie otáčok a používa sa pre pohony u ktorých sa požaduje veľká dynamika a široký regulačný rozsah. Pre zmenu frekvencie napájacieho napätia sa v súčasnej dobe používajú už zmienené statické frekvenčné meniče cyklokonvertory, tvorené dvomi skupinami meničov zapojených antiparalelne. V týchto meničoch sú použité ako bázové prvky tyristory, uhol riadenia ktorých sa plynule mení výstupné napätie súčasne s frekvenciou. 3. Zmena počtu pólov. Pri konštantnej frekvencii napájacieho napätia sa dajú v hrubých stupňoch meniť otáčky zmenou počtu pólov statora. Takáto metóda sa používa väčšinou len ako dvojstupňová pri pohone výťahov a čerpadiel. V statore sú umiestnené dve samostatné vinutia, napr. štvorpólové a šesťpólové, ktoré pripájame obvykle mechanickým prepínačom. 4. Zmena sklzu Táto metóda je použiteľná iba pre krúžkové motory a to zmenou odporu rotora. Na plynulú reguláciu odporu rotora sa používajú impulzné meniče jednosmerného prúdu. Tento spôsob je síce jednoduchý, ale je nehospodárny, pretože výkon sa stráca v regulačnom odpore. Preto sa táto metóda používa len pre menej náročné pohony s malým regulačným rozsahom. Brzdenie Brzdiť rotor asynchrónneho motora sa dá mechanicky alebo elektricky. Pri elektrickom brzdení sa dajú použiť dva vhodné spôsoby: 1. Použitie protiprúdu. Protiprúdom sa brzdí tak, že sa v statore zamenia ľubovoľné dve fázy a tým sa zmení smer otáčania točivého magnetického poľa statoru. V prvej fáze sa rotor brzdí a zastane, ale následne sa začne otáčať opačným smerom. To je nevýhoda tejto metódy. Nevýhodou je aj veľké prúdové zaťaženie motora a jeho prehrievanie. 15
2. Dynamické brzdenie. Dynamické brzdenie sa javí až na špeciálne prípady ako najvýhodnejšie. Dosahuje sa tým, že stator sa odpojí od striedavej napájacej siete a jeho dve fáze sa pripoja k zdroju jednosmerného napätia. Toto napätie vytvorí jednosmerný prúd rotorom a následne aj stojace magnetické pole. V rotore, ktorý sa ešte zotrvačnosťou točí v tomto poli sa indukuje prúd a teda motor sa zmenil na generátor. Prúd rotora prechádza jeho impedanciami a vznikajú straty. Stratový výkon v obvodoch rotora je vlastne brzdný výkon, ktorý zaisťuje brzdenie. Poznámka: Motory sa pripájajú k napájacej sieti podľa štítku do hviezdy alebo trojuholníka. Ak je motor určený pre zapojenie do trojuholníka, môžeme ho zapojiť aj do hviezdy, bude mať však len tretinový výkon. Motor určený pre zapojenie do hviezdy nesmieme pripojiť do trojuholníka, lebo na vinutia určené pre 230 V by sme priložili 400 V a mohli by zhorieť. Prehodením ľubovoľných dvoch fáz medzi sebou meníme smer točenia motora. Záver Asynchrónny motor s klietkovým rotorom je najrozšírenejším elektromotorom, je funkčne aj konštrukčne jednoduchý, spoľahlivý, má veľkú preťažiteľnosť, pri premennej záťaži udržuje svoje otáčky, má jednoduchú obsluhu, je dobre servisovateľný a má dlhú životnosť. Jeho nevýhodou je veľký nábehový prúd pri spúšťaní (až sedemnásobok nominálneho prúdu) a obmedzenie pri potrebe meniť otáčky. 16