a podle rotorového vinutí a) nakrátko b) kroužkový

Mechatronické systémy – El. stroje – asynchronní motory

ASYNCHRONNÍ (INDUKČNÍ) STROJE (MOTORY) Indukční (asynchronní) stroj je točivý elektrický stroj, jehož magnetický obvod je malou mezerou rozdělen na dvě části: stator a rotor. Obě části jsou opatřeny vinutím. Jedno vinutí (obvykle statorové) je připojeno na zdroj střídavého proudu a druhé (obvykle rotorové) je spojeno nakrátko a proud v něm vzniká elektromagnetickou indukcí, podobně jako u transformátoru. Odtud název indukční stroj. Nejčastějším druhem indukčního stroje je trojfázový indukční motor, který využívá silového působení statorového proudu (ze sítě) a rotorového proudu (indukovaného ve vinutí spojeném nakrátko). Trojfázový indukční motor je jednoduchý, v provozu spolehlivý a nevyžaduje žádnou zvláštní obsluhu a údržbu. Vyrábí se v širokém rozsahu výkonů: od několika wattů až do 20 MW s velmi širokým rozsahem otáček od desítek otáček za minutu až po 100 000 ot/min Asynchronní motor nakrátko je díky své konstrukční jednoduchosti nejužívanějším motorem. Ve srovnání se stejnosměrnými stroji vyniká jednoduchá konstrukce a prakticky bezúdržbový provoz asynchronních strojů. Jejich rozšíření je spojeno s rozvojem střídavých distribučních a napájecích sítí. Především v neregulovaných pohonech se využívá možnost jednoduchého spouštění přímým připnutím na síť, i když problémy může činit vzniklý proudový náraz (pěti až sedminásobek jmenovitého proudu) a velký odběr jalového výkonu. Snaha o omezení záběrového (spouštěcího) proudu a splnění požadavků na regulaci vedla ke konstrukci speciálních strojů buď s vinutým (kroužkovým) rotorem, čímž však zanikla hlavní výhoda jednoduchých asynchronních strojů s klecovým rotorem, případně strojů vícerychlostních, umožňujících za cenu větší složitosti statorového vinutí stupňovou regulaci otáčivé rychlosti. Teprve nové poznatky v oblasti výkonové elektroniky a regulace zcela vyřešily problémy s kmitočtovým řízením rychlosti asynchronních strojů, které tak dnes získaly dominantní postavení i v oblasti regulovaných pohonů všeobecného použití. Indukční motor může být podle statorového vinutí a) trojfázový, b) jednofázový (pro malé výkony), a podle rotorového vinutí a) nakrátko b) kroužkový. Motor nakrátko má rotorové vinutí spojeno trvale nakrátko. Vinutí je zhotoveno z masivních tyčí, spojených po obou stranách vodivými kruhy. Kroužkový motor má na rotoru trojfázové vinutí. Začátky vinutí jsou vyvedeny na tři kroužky umístěné na hřídeli. Na kroužky dosedají uhlíkové sběrací kartáče, jejichž pomocí můžeme do rotorového vinutí zařadit vhodný odpor a tím zmenšit záběrný proud motoru nebo jeho otáčky a zvětšit záběrný moment. Princip činnosti motoru Vznik točivého magnetického pole

Tažná síla indukčního motoru vzniká vzájemným působením točivého magnetického pole, které je výsledkem vzájemného působení dvou nebo několika střídavých magnetických polí vzájemně prostorově i časově posunutých, a magnetického pole rotoru. Točivé magnetické pole můžeme vytvořit např. třemi stejnými válcovými cívkami, pootočenými navzájem o 120°, jestliže jsou napájeny trojfázovým proudem (obr. 1.).

1


Výsledek: velikost výsledného magnetického pole vybuzené třemi cívkami pootočenými o 120°, napájenými trojfázovým proudem, se s časem nemění, ale jeho fázor se otáčí ve směru postupu fází stálým úhlovým kmitočtem ωs, který závisí na kmitočtu napájecího proudu. Koncový bod fázoru výsledného magnetického toku opisuje kružnici a proto se nazývá točivé kruhové magnetické pole. Otáčky točivého magnetického pole se nazývají synchronní otáčky, neboť přímo (synchronně) závisejí na kmitočtu napájecího proudu. Výsledná amplituda první harmonické magnetomotorického napětí (mmn) je v každém okamžiku dána vektorovým součtem okamžitých hodnot mmn všech tří fází, jak je naznačeno na obr. 2. pro tři okamžiky, časově navzájem vzdálené o 120°. Vzniká tedy ve vzduchové mezeře elektromagnetické pole, které je charakterizováno průběhem magnetické indukce, mající v ideálním případě tvar sinusové vlny, postupující po obvodě vzduchové mezery. Změnu směru otáčení tohoto pole, a tedy asynchronního motoru, docílíme přehozením libovolných dvou fází. Při napájení z polovodičového měniče (střídače) dosáhneme stejný efekt způsobem řízení.

Obr. 1. Uspořádání cívek pro vznik točivého pole a) schematické uspořádání tří válcových cívek, b) fázorový diagram napájecího proudu, c) zásadní uspořádání tří kotoučových cívek, d) skutečné uspořádání tří cívek na obvodu statoru

Obr. 2. Vznik točivého pole

2

Mechatronické systémy – El. stroje – asynchronní motory Vznik tažné síly

Nejjednodušší rotor indukčního motoru je tvořen jedním závitem spojeným nakrátko, který je vložen do točivého magnetického pole. Velikost magnetického toku procházejícího plochou stojícího závitu se během otáčení točivého magnetického pole mění. Změnou magnetického toku se v závitu indukuje napětí, které jím protlačuje značný proud. Tento proud vybudí své magnetické pole, které spolu s točivým polem statoru vytvoří točivý moment. Indukční motor se takto sám roztočí, což je jeho velkou výhodou. Budeme-li uvažovat ideální indukční motor bez jakýchkoli mechanických ztrát, roztočí se jeho rotor po rozběhu na synchronní otáčky a bude se otáčet souhlasně s točivým magnetickým polem. Jeho vodiče neprotínají žádné indukční čáry a neindukuje se v nich proud. Točivý moment by byl nulový a rotor by se dál otáčel jen setrvačností. Jestliže se však rotor mechanicky zatíží, musí se zpomalit, takže indukční čáry protínají vodiče, ve kterých se indukuje proud potřebný pro vznik tažné síly. Čím více se motor zatíží, tím větší musí být rotorový proud, a tedy tím pomaleji se musí rotor otáčet. S rostoucím zatížením se otáčky indukčního motoru zmenšují. Poměrný pokles otáček rotoru n vzhledem k otáčkám točivého magnetického pole n0 se nazývá skluz s = (n0 - n) / n0 a udává se obvykle v procentech s = (n0 - n) / n0 100

[%]

Skluz bývá podle odporu rotorového vinutí v rozmezí 1 až 10 %, průměrně asi 5 %. Malé motory mají skluz větší než velké motory. Protože se rotor indukčního motoru neotáčí synchronními otáčkami, nazývá se také asynchronní motor.

Provedení asynchronních strojů Rozšíření asynchronních strojů napomohla jejich konstrukce, vhodná pro sériovou výrobu. Vzhledem ke střídavému magnetování je celý magnetický obvod složen z plechů. V nejčastějším provedení je na rotoru klecové vinutí (obr. 3.), vyrobené jako hliníkový odlitek, umístěný v neizolovaných drážkách. Součástí odlitku bývají i rotorové ventilační lopatky.

Obr. 3. Klec nakrátko 3


Popis trojfázového indukčního motoru s kotvou nakrátko Řez moderním motorem s povrchovým chlazením je na obr. 4. Hlavní části motoru s kotvou nakrátko jsou: statorový svazek, statorové vinutí, kostra, rotor s klecí, ložiska, ložiskové štíty, ventilátor a statorová svorkovnice. Statorový svazek 1 tvoři mezikruží, složené z dynamových plechů tloušťky 0,5 mm. Jeho vnitřní obvod má drážky, ve kterých je uloženo trojfázové statorové vinutí 2, které po připojení na trojfázovou síť vybudí tzv. točivé magnetické pole. Toto pole vytváří točivý moment motoru. Statorový svazek je zalisován v litinové kostře 3, která dává motoru vnější tvar a umožňuje jeho připevnění k základu. Popisovaný motor má nejčastěji vodorovný patkový tvar. Kromě patek může mít motor i přírubu, která umožňuje jeho přímé spojení s poháněným strojem. Rotor 4 tvoří válec, složený také z dynamových plechů. Ty jsou u menších motorů nalisovány přímo na hřídel, u větších strojů jsou upevněny na rotorové nosné hvězdě. Rotor má na vnějším obvodu drážky vyplněné vodivými tyčemi 5. Tyče jsou po obou stranách spojeny vodivými kruhy 6 a tvoří dohromady tzv. rotorovou klec. Tyče i kruhy jsou nejčastěji z hliníku, který se nastříká do drážek a do zvláštních přiložených forem, ve kterých se vytvoří kruhy. Rotor je od statoru oddělen malou vzduchovou mezerou a otáčí se působením točivého magnetického pole. Točivý moment se na poháněný stroj přenáší pomocí hřídele, který vyčnívá ze zadního ložiskového štítu. Hřídel je upraven tak, že se na něj může nasadit řemenice nebo jeden kotouč spojky. Zadní štít motoru se nazývá ten štít, ze kterého vyčnívá hřídel. Tato strana se nazývá strana pohonu motoru. Přední ložiskový štít je na opačné straně pohonu. Hřídel je uložen ve dvou obvykle valivých ložiskách, která jsou upevněna v ložiskových štítech. Ložiskové štíty jsou svým tvarem přizpůsobeny tvaru statorové kostry a tvoří s ní jednotný celek. Přívod proudu k vinutí umožňuje statorová svorkovnice 10, zakrytá lisovaným plechovým krytem. Chlazení obstarává ventilátor 9, který je u zavřených motorů nasazen zvenku a upraven tak, že ofukuje proudem vzduchu její žebrovaný povrch.

Obr. 4. Řez trojfázovým zavřeným motorem s povrchovým chlazením, 1 — statorový svazek, 2 — statorové vinutí, 3 — žebrovaná kostra, 4 — rotor s klecí, 5 — tyče klece, 6 — kruhy klece, 7 — přední ložiskový štít, 8 — zadní ložiskový štít, 9 — vnější ventilátor, 10 — statorová svorkovnice

4


Obr. 5. Řez asynchronním strojem

Obr. 6. Řez moderním asynchronním strojem (uzavřený stroj s vnějším ventilátorem)

5


Obr. 7. Patkový trojfázový zavřený asynchronní motor s povrchovým chlazením,

Obr. 8. Složení trojfázového asynchronního motoru s vlastním chlazením, Stroje s vinutým (kroužkovým) rotorem ztrácejí hlavní výhodu, spočívající v konstrukční jednoduchosti strojů nakrátko. Uplatňují se dnes již převážně v rekonstruovaných zařízeních, kde byly často původně navrženy pro použití s rotorovým odporovým spouštěčem.

6


MECHANICKÁ CHARAKTERISTIKA ASYNCHRONNÍHO MOTORU Normální průběh momentové charakteristiky motoru s kotvou nakrátko je na obr. 9a. V motorické oblasti je v rozsahu s = (0 až 1), což odpovídá rozsahu otáček n = (n0 až 0). Zvlášť se vyznačí jmenovitý moment Mn, odpovídající jmenovitým otáčkám, a moment maximální nazývaný také tzv. momentu zvratu Mmax.

Obr. 9. Normální průběh momentové charakteristiky, typické průběhy momentových charakteristik v závislosti na druhu klece (rotoru) U motorů kroužkových lze zařazením vnějšího odporníku na kroužky rotoru zvětšovat skluz zvratu a tedy posunovat mechanickou charakteristiku dle obr. 10.

Obr. 10. a) Momentové charakteristiky pro různý odpor rotoru, b) změna otáček při změně zatížení Pro praktické použití se dá charakteristika vypočítat pomocí tzv. zjednodušeného Klosova vztahu: M=

2 M max s sk + sk s

kde skluz s =

a synchronní otáčky (tj. naprázdno)

n0 =

kde f1 je napájecí kmitočet a p počet polpárů

7

n0 − n n0

 f  60 f1 = n0 n  1  p  f1n 


moment zvratu

a jemu odpovídající skluz

získáme položením dM/ds = 0. Význam parametrů v Klosově vztahu Mmax (maximální moment) a sk (skluz zvratu) plynou z grafického vyjádření na obr. 11. a dají se vypočítat ze šťítkových údajů. Pro praktické výpočty používáme následující vztahy platné pro jmenovité hodnoty napájecího napětí a kmitočtu: Maximální moment M max n = M n ⋅ qM 2 Skluz zvratu určíme z Klosova vztahu: skn = sn  qM + qM − 1    kde jmenovitý skluz n −n sn = 0 n n n0 n

Maximální moment a skluz zvratu pro aktuální hodnotu napětí a kmitočtu určíme z rovnic

M max

U  = M max n ⋅  1   U1n 

2

f  ⋅  1n   f1 

2

f  sk = skn ⋅  1n   f1 

Z rovnice vyplývá, že moment asynchronního motoru je úměrný čtverci napětí, takže asynchronní motor je citlivý na kolísání sítového napětí. Na obr. 11 je graficky je vynesen Klosův vztah, tak jak je vynášen ve většině případech, tj. na vodorovnou osu je vynesen moment a na osu kolmou otáčky. Navíc graf obsahuje i brzdné kvadranty. Na dalším obrázku 12. je pro dokreslení situace vynesen průběh proudů statoru a rotoru na otáčkách, resp. skluzu.

8


Obr. 12. Průběhy I1, I2 = f(s)

Obr. 11. Mech. charakteristika AM

Z rovnice mechanické charakteristiky vyplývají možnosti řízení rychlosti asynchronního motoru: Napájecím kmitočtem f1 měníme synchronní rychlost, čímž dostaneme síť charakteristik posunutých vzhledem k rychlosti. Tato možnost je nejideálnější, protože spojená s nejmenšími ztrátami. Donedávna tento způsob ale narážel na absenci dostupných měničů kmitočtu. To se ovšem s rozvojem výkonové a řídicí elektroniky v posledních letech změnilo a dnes jsou běžně na trhu poměrně levné tranzistorové měniče kmitočtu (viz kap. měniče). Ostatní způsoby regulace otáček u as. motorů nakrátko, které se pro své výhody dnes převážně používají, prakticky nepřipadají v úvahu (teoretická možnost regulace otáček pouze velikostí napájecího napětí je použitelná pouze ve velmi úzkém rozsahu otáček. Jiná je situace u motorů kroužkových, kde můžeme měnit sklon (tvrdost) mechanické charakteristiky zařazeným vnějším rotorovým odporníkem, což je zase ovšem ztrátové.

Vlastnosti pohonů s frekvenčním řízením asynchronních motorů Frekvenčním řízením střídavých motorů lze v současné době docílit téměř vlastností stejnosměrných regulačních pohonů a lze očekávat ještě další rozmach v tomto směru s ohledem na výhody střídavých motorů vůči stejnosměrným, které spočívají především v tom, že tyto stroje nemají komutátor. U motorů nakrátko (a bezkroužkových synchronních motorů) odpadají i sběrací kroužky. Mechanická robustnost a jednoduchost konstrukce ve srovnání se stejnosměrnými motory klade menší požadavky na údržbu, (což je na příklad základní požadavek pro pohony v jaderné energetice), umožňuje vyšší mezní výkony, vyšší otáčky, použitelnost pro prostory s nebezpečím výbuchu v hornictví a v chemii a vyznačuje se malým momentem setrvačnosti. Zatímco stejnosměrné motory dovolují maximální obvodovou rychlost rotoru 110 m/s, synchronní motory s hladkou kotvou 130 m/s, asynchronní motory 200 m/s a homopolární stroje s masivním rotorem až 400 m/s. Relativně malé setrvačné rotující hmoty umožňují realizovat i dynamicky náročné pohony. Střídavé motory ve spojení s

9


tranzistorovými střídači umožňují dnes realizovat otáčky do 90 000 ot/min a pro malé výkony s tranzistorovými střídači o frekvencí 4 kHz a rychlosti 240 000 ot/min. Vysokootáčkové stroje se vyžadují ve zkušebnách spalovacích motorů, u obráběcích strojů, brusek, pro odstředivky, atd. Malá měrná hmotnost na jednotku výkonu a malé rozměry zvyšují v současné době přitažlivost střídavých motorů i pro trakci. Konstantní synchronní otáčky umožňují splnit požadavky na synchronní chod mnohamotorových pohonů v textilním průmyslu. Hlavní dosud uváděná nevýhoda, tj. obtížná regulace rychlosti, je při současném stavu moderní výkonové elektroniky a výpočetní mikroelektroniky ve světě téměř odstraněna. S vyjimkou ventilových kaskád byly zatím všechny probrané způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů spojeny se značnými ztrátami. Nejperspektivnější způsob řízení rychlosti je současné řízení frekvence a napětí nebo proudu, které se s rozvojem tranzistorových střídačů rychle rozšiřuje. Řízením frekvence f se mění synchronní rychlost motoru ω0 = 2πf/pp. Indukované napětí statoru je úměrné frekvenci a toku. Ui1 = 4.44 N1 Φm. f = konst. Φm. f V prvém přiblížení zanedbáme úbytky napětí na statorové impedanci.

Zmenšení frekvence f vede při konstantním napětí U1 k vzrůstu toku Φm , k nasycení stroje a zvětšení magnetizačního proudu Iµ, tedy ke zhoršení energetických ukazatelů, příp. k nadměrnému oteplení. Zvětšení frekvence f při konstantním napětí U, vede ke zmenšení magnetického toku a při stálém momentu na hřídeli motoru M=K Φm I2 cosϕ2 způsobí vzrůst rotorového proudu, nadměrné oteplení vinutí a nedostatečné využití magnetického obvodu. Sníží se rovněž maximální moment Mmax. Z uvedeného rozboru vyplývá nutnost současné regulace frekvence a napětí nebo proudu v závislosti na zatížení. Rozsah řízení bývá 1 : 15 až 1 : 20 pod základní rychlost ω0 a 1 ; 2 až 1:4 nad ω0. U speciálně konstruovaných strojů se horní hranice rychlosti může mnohonásobně zvýšit proti uvedeným údajům, spodní hranici můžeme snížit automatickou regulací rychlosti. Frekvenční a napěťové řízení M max

U  = M max n ⋅  1   U1n 

2

2

Φ  f  ⋅  1n  = M max n ⋅  m   f1   Φn 

2

Z výše uvedené rovnice vyplývá, že moment asynchronního motoru je úměrný čtverci napětí, takže asynchronní motor je citlivý na kolísání síťového napětí –viz obr. 13.

Obr. 13. Mechanická charakteristika AM při změně napětí

10


Při stálém momentu na hřídeli M = konst je nutné udržet konstantní magnetický tok Φm , což vede k současnému řízení napětí U a frekvence f tak, aby platilo U / f = konst. Při jmenovité frekvenci je frekvenční poměr ν = f1 / f1n = 1, v náhradním schématu na obr. 14. platí, že magnetizační reaktance Xµ» |R1 + jX1σ | a také | j Xµ Iµ | > |R1 + jX1σ | I1, takže úbytek napětí na vinutí statoru lze zanedbat. Při podstatně snížené frekvenci f (ν < 0,1) se však zmenšuje νXµ. a začne se uplatňovat úbytek napětí na odporu statorového vinutí R1. Poměr R1/(2π f1 Lµ) bude narůstat, takže je nutno řídit statorové napětí dle vztahu:

U1 f = 1 .K f = ν .K f U1n f1n kde korekční faktor

Kf =

λ=

f1n + j (X µ + X 1σ ) f1 = R1 + j ( X µ + X 1σ )

R1

λ2 +

1

ν2

λ2 + 1

X µ + X 1σ R1

U1

I1ν

I µν

I 2´ν

Obr. 14. Náhradní schéma AM Obr. 15. Závislost Kf = f (ν) při frekvenčním řízení Závislost korekčního faktoru Kf na frekvenčním poměru ν = f1 / f1n pro různá λ je vynesena na obr. 15. V náhradním schématu asynchronního motoru se tedy při frekvenčním řízení všechny reaktance násobí ν. Mechanické charakteristiky jsou znázorněny na obr. 16.a) za předpokladu, že napětí je řízeno dle výše uvedeného vztahu U1 f = 1 .K f = ν .K f U1n f1n

11


V případě, že řídíme napětí U1, úměrné frekvenci f1 i pro nízké rychlosti, je vyznačená mechanická charakteristika čárkovaně. Při řízení rychlosti nad základní rychlost (ν>1 ) by při řízení napětí dle výše uvedeného vztahu rostl s napětím také typový výkon a proto se častěji v této oblasti užívá zeslabení magnetického pole podobně jako u stejnosměrného motoru. Toto zeslabení však nemá vliv na rychlost naprázdno (jako u ss motoru) nýbrž pouze na průběh momentu. Zpravidla se při rychlostech nad ω0 udržuje konstantní jmenovité napětí U1= U1n. V tom případě moment motoru klesá dle vztahu M=Mn/ν2. Tomuto řízení v obou rozsazích odpovídají mechanická charakteristiky znázorněné na obr. 16.b).

Obr. 16. Mechanické charakteristiky AM při frekvenčním řízení

12


Brzdění asynchronních motorů Stejně jako u stejnosměrných cize buzených motorů existují tři základní způsoby brzdění: generátorické (rekuperační), protiproudé a stejnosměrné (dynamické).

Generátorické brzdění AM Při zvýšení rychlosti nad ω0 (obr. 1.7) se dostává motor do oblasti generátorického, tj. rekuperačního brzdění, ve které je skluz s < 0 . Jiná možnost jak dosáhnout tohoto režimu je snížení rychlosti ω0=60f/pp , ( pp je počet pólpárů), což lze dosáhnout snížením frekvence napájecího napětí f (tohoto způsobu se používá právě u – dnes by se dalo říci již hromadně používaných - měničů kmitočtu) anebo přepnutím vinutí na vyšší počet pólpárů pp (výtahové motory). Pracovní bod se při tom pohybuje z bodu P1 do P2 anebo při brzdném spouštění břemene do P3 (obr. 17.). Pro mechanickou charakteristiku platí Klosův vztah.

Obr. 17. Mechanické charakteristiky AM při generátorickém brzdění

Brzdění protiproudem Obrácením sledu fází napájecího napětí (obr. 18) dojde ke změně smyslu točivého pole, takže rotor se otáčí proti smyslu pole, (křivka a na obr. 18., skluz s >1 . Indukované napěti sU20 i rotorová frekvence f2 = s f1 vzrostou v okamžiku přepnutí téměř na dvojnásobek (s=2). Proto u kroužkového motoru je zapotřebí zařadit do každé fáze rotoru odpor dvojnásobné hodnoty nežli je odpor pro spouštění (křivka b na obr. 18.). K zabránění rozběhu v protisměru je nutno motor při dosaženi nulové rychlosti odpojit od sítě, např. odstředivým vypínačem. Při brzdném spouštění břemene je pracovní bod P2 ve IV. kvadrantu. U motorů nakrátko je při přepnutí náraz statorového proudu asi o 20 % větší než při přímém připojení na síť, navíc

13


všechno teplo se vyvíjí v rotoru. Tyto skutečnosti omezují rozsah výkonů, kde lze použít protisměrného brzdění u motorů nakrátko. Pro mechanickou charakteristiku platí Klosův vztah.

Obr. 18. Schéma zapojení a mechanické charakteristiky protiproudého brzdění AM

Stejnosměrné brzdění Při stejnosměrném brzdění se odpojí stator od střídavé sítě a připojí se na zdroj stejnosměrného napětí. Nejčastější zapojení statoru jsou znázorněny na obr. 19. včetně celkového odporu Rc a činitele magnetizačního proudu Kµ = Iµ / Iss . Při dynamickém brždění se stroj chová jako střídavý generátor. Energie se maří ve formě tepla v rotorových odporech. Stejnosměrný proud statoru Iss vytvoří stojící magnetické pole, v němž se otáčí kotva motoru. Tvar mechanických charakteristik je na obr. 20., kde vystupuje poměrná rychlost ν. Na vlastní charakteristice je ν velmi malé, což vede k malému brzdnému momentu při vyšších rychlostech. Proto u větších motorů se zařazuje do rotoru přídavný odpor Rp , který se může postupně vyřazovat – pouze u kroužkových motorů. V kombinaci s řízením budícího proudu Iss lze splnit libovolné požadavky na tvar charakteristik (obr. 20).

Obr. 19. Zapojení statoru u stejnosměrného brzdění AM

14


Obr. 20. Mechanické charakteristiky stejnosměrného brzdění AM

Rozběh asynchronního motoru nakrátko, softstart Rozběh nečiní problémy u motorů malého výkonu do několika kW, ty se připojují přímo k síti a velké záběrné proudy obvykle neohrožují síť a k ní připojené další spotřebiče. Přímé připojení k síti motorů větších výkonů není přípustné a proto se velké záběrné proudy při rozběhu zmenší tím, že se při spouštění zmenší na motor přiložené napětí. Používají se tyto způsoby: •

Přepínání vinutí – velmi užívaný je způsob přepínání Y/D.

•

Mezi síť a motor se zařadí předřadná impedance, nejčastěji reaktor.

•

Napětí sítě se sníží pomocí transformátoru (autotransformátoru) – tento způsob se používá vyjímečně, je nákladný.

•

Napětí sítě se sníží polovodičovým měničem střídavého napětí, tzv. softstart (někdy se používá českého názvu měkké startování). Polovodičový měnič napětí umožňuje spojitě řídit velikost napětí na motoru. Tento způsob je předmětem dalšího výkladu.

Výhodou softstartu je možnost nastavení libovolného rozběhového proudu a možnost jeho řízení během rozběhu. Jeho nastavení je kompromisem mezi momentem motoru (ten klesá s kvadrátem napětí) a velikostí rozběhového proudu, (který klesá lineárně s napětím).

Obr. 21 Proud a moment motoru jako funkce otáček při různých druzích spouštění

15


Softstartery přispívají k ekonomičtějšímu průběhu výrobního procesu odstraněním mechanických a elektrických rázů na zařízení. Plynulé zvyšování a snižování rychlosti redukuje zatížení na hřídeli motoru a zabraňuje rázům u poháněného stroje. V případě čerpadel eliminují softstartery tlakové rázy v potrubí a na ventilech při zastavování čerpadel. Pozvolný nárůst napájecího proudu motoru také zamezuje nežádoucím proudovým špičkám, nechtěnému odepnutí zařízení a přehřívání motoru. Tato opatření omezují opotřebení stroje a prodlužují životnost zařízení. Typické průběhy proudu a točivého momentu motoru jsou zobrazeny v grafech na obr. 21, na kterých je vidět srovnání provozu asynchronního motoru se softstarterem bez proudového omezení, s přímým startem na síť, startem s autotransformátorem a startem pomocí přepínače hvězda trojúhelník.

Obr. 22 Schéma softstartu

Obr. 23 Pracovní diagram pro L zátěž

Obr. 24 Časový průběh sdruženého napětí a proudu při softstartu

Řízení rozběhu Všechny způsoby omezení rozběhového proudu svým způsobem snižují napětí na svorkách motoru. U zařízení měkkého startování se užívají dva druhy řízení: a) Programové zvyšování napětí. Nejjednodušší způsob je na obr. 25. Nastaví se počáteční napětí Uo a doba rozběhu Tr. Napětí Uo se volí z požadavku na záběrný proud (je přímo úměrný napětí). Rozběh je popsán pohybovou rovnicí: M − MP = J

dω dt

(1)

16


kde M moment motoru, který má velikost  U (t )  M (ω , t ) = M m (ω ) r   UN 

2

(2)

kde Mm(ω) je velikost momentu na přirozené charakteristice při rychlosti ω (viz obr. 26). Například v bodě A je moment motoru U  M A = M mA  rA   UN 

2

(3)

Je to hodnota momentu v okamžiku, kdy bylo dosaženo rychlosti ωA (moment motoru na přirozené charakteristice MmA=Mm(ωA)) v okamžiku tA při napětí UrA=Ur(tA). Moment M je tedy funkcí dvou proměnných, rychlosti ω a času t. Mp je moment poháněcího stroje a bývá nejčastěji funkcí rychlosti (ω). Průběh veličin při rozběhu lze zjistit řešením soustavy rovnic (1) a (2), pro které je dán průběh Ur(t) a přirozená charakteristika ω(M). Tuto soustavu lze řešit na počítači některým standardním programem pro řešení diferenciálních rovnic. Přitom průběhy napětí a přirozené momentové charakteristiky mohou být dány tabulkou nebo rovnicí. Postačuje často i přibližné řešení volbou hrubých časových úseků ∆t a v nich odhad momentů Mm a Mp a středního napětí Ur (chybný odhad momentů můžeme opravit) pro daný úsek ∆t se určí přírůstek ∆ω.

Obr. 25 Volitelný průběh napětí při rozběhu Je třeba zjistit, zda se při rozběhu nepřekročil přípustný proud. Pro tento účel se využije přirozená charakteristika ω(Ism), obr. 26. Každé rychlosti ω odpovídá snížené napětí Ur a proud Ism na přirozené charakteristice. Pro libovolnou rychlost můžeme určit proud I s (ω , t ) = I sm (ω )

U r (t ) UN

(4)

Například v bodě A je proud motoru I sA = I smA

U rA UN

(5)

Je to hodnota proudu v okamžiku, kdy bylo dosaženo rychlosti ωA (proud motoru na přirozené charakteristice IsmA=Ism(ωA)) v okamžiku tA při napětí UrA=Ur(tA). Pro začátek rozběhu bývá třeba větší, tzv. moment na „utržení". Proto se někdy průběh napětí Ur(t) upravuje podle obr. 25b).

17


Obr. 26 Přirozené charakteristiky momentová Mm (ω), proudová Ism(ω) a zatěžovací Mp(ω) b) Při rozběhu se reguluje velikost rozběhového proudu. Rozběhový měnič střídavého napětí je opatřen čidlem proudu a programem řídicího počítače je realizován regulátor proudu. Jde tedy o zařízení dokonalejší, rozsáhlejší a nákladnější. Kromě tohoto základního použití – omezení velkých rozběhových proudů – mohou mít softstartéry ještě další možná využití, např. měkký doběh motoru. Jde o pohon, u kterého by došlo po odpojení od sítě k příliš razantnímu snižování rychlosti. Odpojení od sítě je nahrazeno časovým snižováním napětí pomocí měniče. Příliš silný účinek pasivních momentů se zmenšuje motorickým momentem stroje. Doba snižování napětí bývá nastavitelná.

18

a podle rotorového vinutí a) nakrátko b) kroužkový

Recommend Documents