•
11/96
© Stýskala, 2002
L e k c e
z
e l e k t r o t e c h n i k y Vítězslav Stýskala TÉMA
2
Oddíl 1 až 6 •
1
•
2
Sylabus tématu 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
3/7/2007
Definice elektrických strojů (ES) Zařazení a rozdělení AC strojů dle ČSN EN Konstrukční uspořádání 3f AM, popis, hlavní části Klecové a kroužkové AM Vytvoření kruhového točivého EM pole, princip činnosti AM Vznik tažné síly Příklad Určení parametrů naprázdno a nakrátko z měření Výkonová analýza – diagram výkonové bilance 3f AM Mechanické charakteristiky – výkony, momenty, proudy Mechanické charakteristiky při změně kmitočtu Jednofázové AM, konstrukce, charakteristiky, vlastnosti, použití Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
1
•
Přednáška
3/7/2007
1
Téma 1-6 ... Indukční stroje
DEF.
11/96
•
3
•
4
Elektrické stroje
jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická.
•
2
•
11/96
Rozdělení elektrických strojů
ELEKTRICKÉ STROJE
NETOČIVÉ
T O Č I V É
• • • •
• • • •
cizím buzením derivační kompaudní sériové
TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové)
Komutátorové
Střídavé
MOTORY Stejnosměrné
Střídavé (Alternátory)
Stejnosměrné
GENERÁTORY
• síťové (výkonové)
• usměrňovače
• pecní
• střídavé měniče napětí
• svařovací (rozptylové) • měřící (MTP, MTN) • speciální (autotransformátory,
cizím buzením derivační kompaudní sériové
MĚNIČE
bezpečnostní, izolační, atd.)
• střídače • pulzní měniče • měniče kmitočtu
• asynchronní • synchronní
• synchronní • asynchronní
•
5
Střídavé (AC) motory Dělí se na
asynchronní (AM)
synchronní (SM)
komutátorové
3 fázové AM - používají se k pohonu mechanických zařízení se stálou nebo proměnnou rychlostí. Jejich otáčky, resp. úhlová rychlost závisí jen na mechanickém zatížení, kmitočtu a počtu pólů motoru. Rotor je válcové těleso a je buď vinutý „kroužkový AM“, nebo nejčastěji s klecovým vinutím, tzv. „motor klecový -
nakrátko“
V rotorovém vinutí protéká indukovaný proud jako důsledek točivého EM pole ve statoru (je základní podmínkou činnosti 3f AM). Vzájemné působení vlastního EM pole rotoru a točivého EM pole statoru vytváří točivý moment M na hřídeli. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
6
•
3
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ STROJE - OBECNĚ Asynchronní stroj (AS) je používán jako 1f a 3f motor (AM) a také jako generátor. Nejčastěji však jako 3f motor. Je nazýván “ tažným koněm” průmyslu. • Většina 3f AM používaných v průmyslu je s klecovým rotorovým vinutím, tzv. “ 3f AM nakrátko”. • Oba motory třífázový i jednofázový mají velmi široké použití. • AS jako asynchronní generátor má ojedinělé použití, typické je použití v hobby malých větrných a vodních elektrárnách. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
7
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Řez statorovým vinutím
• Stator - konstrukce
Jádro
– Jádro (paket) z izolovaných Statorová dynamoplechů s drážkami drážka – Vinutí z izolovaných Cu vodičů, zpravidla tří nebo jednofázové, je vytvarováno a uloženo oddělené drážkovou izolací v drážkách jádra
• Rotor klecového AM - konstrukce – Paket z izolovaných dynamolechů s drážkami na vnějším obvodu – Kovové tyče vinutí zalisovány v drážkách, zpravidla slitiny na bázi Al – Dva kruhy spojující tyče nakrátko – Drážky a tyče jsou zešikmeny z důvodů snížení hlučnosti vlivu harmonických 3/7/2007
Řez tyčí rotorového vinutí
Téma 1-6 ... Indukční stroje
a) Spojovací kruhy
Rotorové tyče mírné zešikmení
b)
•
8
•
4
•
11/96
Hlavní části 3f asynchronního motoru
Stator
Rotor 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
9
© Stýskala, 2002
KLECOVÉ ASYNCHRONNÍ MOTORY Konstrukce •
• •
•
Koncepce 3f klecového AM
Statorový paket je tvořen mezikružími z izolovaných elektrotechnických plechů s drážkami na vnitřním obvodu
Statorové jádro - paket z izolovaných dynamoplechů
Ve statorových drážkách je uloženo třífázové vinutí vyvedené na svorkovnici Na hřídeli je nalisován rotorový paket také z izolovaných elektrotechnických plechů s drážkami po vnějším obvodu
Klecový rotor: Tyče z vodivého materiálu jsou na obou koncích spojeny nakrátko vodivými kruhy (časté u montáže AM středních a větších výkonů) 3/7/2007
Kruhy nakrátko tvořící s tyčemi rotorové klecové vinutí - klec
Fáze
Fáze
W
U Vzduchová mezera
VU+
Paket z rotorových plechů
Statorové drážky s vinutím
W+
W-
UV+
Fáze
V
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
10
•
5
•
11/96
© Stýskala, 2002
KROUŽKOVÉ ASYNCHRONNÍ MOTORY Rozdílnost konstruce • • • • •
Vinutý rotor: Trojfázové rotorové vinutí je uloženo v rotorových drážkách. Je zapojen zpravidla do hvězdy (Y), zřídka do trojúhelníka (D) Konce fází rotoru jsou vyvedeny na kroužky, začátky do uzlu (Y) Tři uhlíkové kartáče dosedají na tři kroužky Rotorové vinutí může být spojeno s externími variabilními rezistory nebo se samostaným zdrojem (měničem)
Koncepce 3f AM s vinutým rotorem Statorové jádro - paket z izolovaných dynamoplechů
Rotorový paket z izolovaných dynamoplechů
Fáze
Statorové drážky s vinutím
Třífázové statorové vinutí Vzduchová mezera 3f rotorové vinutí uložené v rotorových drážkách vyvedené na kroužky
Fáze
Fáze
W
U VU+
W+
W-
UV+
V hřídel motoru
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
11
Zapojení statorové svorkovnice 3f klecového AM
•
12
•
6
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Konstrukce statoru
• • • • •
Konstrukce jádra
Obrázky a) a b) ukazují řez typickým jádrem statoru - paketem. Paket je zalisován do kostry motoru - u menších motorů ze slitiny Al, u větších z šedé litiny Cívky vinutí jsou uloženy v podélných drážkách, izolovány, bandážovány a zaklínovány Konce cívek jsou tvarovány podle jádra a svázány dohromady nití nebo tkanicí Vinutí vysokonapěťových motorů je impregnováno. a)
3/7/2007
b)
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
13
•
14
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Konstrukce vinutí statoru konec cívky
• Na obrázku je typická statorová cívka • Jednotlivé závity cívek jsou tvarovány z
strany cívky
lakovaných izolovaných měděných vodičů Tape-wound navinutý pásek • Cívky jsou navzájem izolovány izolační coil insulation
páskou
• Vůči statorovému paketu jsou cívky izolovány drážkovou izolací v drážkách
závitové izolace cívky
konec cívky
• Obě strany cívky jsou vůči sobě natočeny přibližně o 180°elektrických
3/7/2007
vývody cívky
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
7
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Klecový rotor
• • •
• •
Konstrukce rotorů
Obrázky ukazují rotor motoru malého (a)) a velkého (b)) výkonu Oba typy rotorů tvoří rotorový paket z izolovaných dynamových plechů s drážkami pro vinutí Zešikmení hliníkových tyčí a drážek rotoru je jen u malých a středních motorů. Snižuje to hlučnost a vliv harmonických a zlepšuje výkon Lopatky z Al jsou vyrobeny současně s odlitím kruhů a tyčí, pracují jako ventilátor a zlepšují chlazení Velké AM mají také lopatky, kruhy a tyč, ale tyče nejsou zešikmeny.
Hliníkové vodiče ení ikm Zeš
Hliníkové lopatky chladícího ventilátoru
žek drá
Hliníkové spojovací kruhy
a)
Jádro z dynamoplechů Spojovací kruhy Rotorové tyče Lopatky ventilátoru
b)
Téma Téma 1-66-...Indukční Indukčnístroje stroje
3/7/2007
•
15
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Vinutý rotor
•
• •
Konstrukce vinutého rotoru
Na obrázku je vinutý rotor kroužkového motoru velkého výkonu
Konce všech fází vyvedeny na kroužky
RadU RadV
jsou
RadW Uhlíkové kartáče
Pomocí tří sběracích kartáčů dosedajících na kroužky bývá k rotorovému vinutí připojena trojice vnějších rezistorů Rad spojených do Y
Kroužky
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
16
•
8
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Princip činnosti 3f AM
•
Statorové vinutí je napájeno třífázovým napětím, které v něm vyvolá souměrný střídavý proud.
• •
Protékající třífázový proud generuje ve statoru točivé EM pole. Toto EM pole rotuje (obíhá, otáčí se) synchronní úhlovou rychlostí ω1 = π·n1/30. Synchronní rychlost je úměrná synchronním otáčkám n1, ty závisí na frekvenci napájecího napětí AM a počtu pólových dvojic (pólpárů) p:
n1 = 60 ·f / p
(min-1)
•
Rotující EM pole indukuje indukované napětí do vodičů rotorového vinutí nakrátko.
•
Indukované napětí vyvolá v klecovém vinutí rotoru el. proud.
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
17
Točivé EM pole TOČIVÉ ELEKTROMAGNETICKÉ POLE m - FÁZOVÉ
Napájíme-li systém m stejných cívek, rozložených po obvodu stroje o elektrický úhel souměrným m -fázovým proudem, vznikne kruhové točivé elektromagnetické pole. Při 3-fázovém napájení je el. úhel roven 120° !
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
18
•
9
•
11/96
Točivé EM pole – vznik tažné síly
IU
- max.
Iv
- max.
Iw
- max.
Extrémní případ kruhového pole je kruhové točivé elektromagnetické pole o nulové rychlosti, tj. pole stejnosměrné. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
19
Toč Točivé ivé EM pole Při nedodržení některé podmínky, vznikne místo kruhového točivého pole, pole eliptické :
Extrémní případ eliptického pole je pulzující elektromagnetické pole (jednofázové). Při napájení cívek neharmonickým proudem, nebo postupným připínáním cívek na zdroj stejnosměrného proudu (obdélníkový průběh), vznikne skákající elektromagnetické pole o prostorový úhel 360°/m. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
20
•
10
•
11/96
Točivé EM pole Princip točivého elektromagnetického pole udává vztah časovou závislostí elektrického proudu I (fázorem proudu) a prostorovou závislostí magnetického toku (prostorovým vektorem toku) Φ. TOČIVÉ ELEKTROMAGNETICKÉ POLE JE ZÁKLADNÍ UNIFIKAČNÍ PRVEK PRINCIPU VŠECH ELEKTRICKÝCH STROJŮ TOČIVÝCH. Statorové m1 - fázové vinutí, protékané m1- fázovým symetrickým proudem o kmitočtu f1, vytvoří kruhové točivé magnetické pole statoru o úhlové rychlosti Ω1 (synchronní úhlová rychlost).
Ω1 = 2 · π · f1
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
21
© Stýskala, 2002
Princip vzniku kruhového točivého magnetického pole ve statoru 3f AM
napájení z 3f střídavého zdroje harmonického napětí
fáze statorového vinutí
Uu
∼ n1 ….. synchronní otáčky točivého
mag. pole ve statorovém vinutí, resp. ve statorovém paketu
Uv
∼
Uv
∼ •
22
•
11
•
11/96
© Stýskala, 2002
Vznik točivého magnetického pole ve statorovém vinutí 3f AM vlivem trojfázového napájecího napětí Symetrické 3 fázové napětí (harmonické)
3 fázové statorové vinutí, vznik a pohyb fázoru magnetického toku
350
N a p ě t í
1
250
2
L1
3
L1
50 -50 -150
= proud vtékající do vinutí
U1
150
L2 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
L3
-250
W1
-350
V1
= proud vytékající z vinutí
L2 L3
Fázový úhel
•
23
© Stýskala, 2002
Vyvolání rotorového mag. pole AM Klecový rotor:
Φs Magnetický obvod (Fe)
Hliníkové (Al), nebo měděné (Cu) tyče
ΦR Osa motoru
Kruhy
•
24
•
12
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Princip činnosti 3f AM - pokračování Interakce mezi rotorovým proudem a statorovým EM polem vyvolá tažnou sílu AM:
F = B · I · l · sin ϕ
Velikost indukovaného napětí je závislá na rozdílu rychlostí mezi točivým EM polem statoru a rotorem Největší rozdíl rychlostí je při rozběhu (spuštění - rotor byl v klidu) a vyvolá nárůst záběrného proudu. Kmitočet indukovaného proudu v rotoru f2 je při nepohybujícím se rotoru roven f2 = f1 = 50 Hz Když se rotor roztáčí, rozdíl rychlostí klesá a to znamená, že: – klesá hodnota kmitočtu indukovaného napětí (proudu) rotoru – klesá velikost rotorového proudu (a také statorového) a indukovaného napětí
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
25
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Tyče rotorového vinutí
Vznik tažné síly AM
• Točivé EM pole indukuje proud v tyčích rot. vinutí
BIndukce rotatingB I2
• Vzájemné působení
tohoto proudu a EM točivého pole vyvolá hybnou sílu přenášenou na hřídel
F = B · I2 · l • l
točivého EM pole
Síla F Force
n, Ω
l
je délka rotoru
PRAVIDLO LEVÉ RUKY 3/7/2007
Ring
Rotorové kruhy Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
26
•
13
•
11/96
Vznik sí síly a momentu EM pole vytvoří moment (točivý) úměrný tangenciální síle Fx v místě x:
Fx = Bx · ix· l kde Bx je elektromagnetická indukce výsledného pole v místě x
a l je délka vodiče v elektromag. poli a rotor motoru se začne otáčet.
Při synchronní rychlosti otáčení rotoru Ω = Ω1 je skluz s = 0, kmitočet f2 = 0, zanikne rotorový proud i moment stroje ! …. motor naprázdno. Stroj nemůže při synchronní rychlosti otáčení rotoru pracovat jako motor (ideální chod naprázdno), proto se nazývá asynchronním. Při stojícím rotoru, kdy 3/7/2007
Ω=0
je s = 1 a f2 = f1 … motor nakrátko.
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
27
•
28
Působení kruhového točivého magnetického pole ve statoru 3f AM na rotor, znázornění vzniku točivého momentu
n1 … synchronní otáčky
Statorové vinutí
Stator
n …. otáčky (aktuální) rotoru 3 fázový zdroj
Rotor (rotorové vinutí není nakresleno)
•
14
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Význam skluzu
• Když se rotor otáčí stejnou úhlovou rychlostí (resp.
otáčkami) jakou má točivé EM pole statoru, je jím indukované napětí, proud a moment roven nule. Proto k vytvoření momentu musí mít rotor AM rychlost menší než je rychlost synchronní (Ω < Ω1 , resp. n < n1).
• Motor ke své činnosti potřebuje stále určitý rozdíl rychlosti (otáček) rotoru vůči rychlosti (otáčkám) synchronní, vytvořené EM polem statoru. poměrný pokles otáček se nazýván skluz s a je dán vztahem:
Tento
s = (n1 - n)/n1 • Frekvence indukovaného napětí a proudu v rotoru je:
f2 = s⋅ f1
• Jmenovitý skluz sn (při jmenovitém zatížení) AM bývá od 0,5 do 5%, u velmi malých motorů až 10%.
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
29
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Skluz - Příklad výpočtu Třífázový AM 14,7 kW, 3 x 230V, 50Hz, šestipólový, zapojený do Y, má skluz 5%. Vypočtěte: a) Synchronní otáčky a synchronní rychlost b) Otáčky rotoru c) Frekvenci rotorového proudu Řešení n1 = 60 ⋅ f /p = 60 ⋅ 50 / 3 = 1 000 ot./min., tj. 16,667 ot./s. Ω 1 = 2 ⋅ π ⋅ n1 = 104,669 rad./s. n = (1 - s ) ⋅ n1 = (1 - 0,05) ⋅ 1 000 = 995 ot./min.
a) Synchronní otáčky :
synchronní úhlová rychlost :
b) Otáčky rotoru:
c) Frekvenci rotorového proudu:
3/7/2007
f2 = s ⋅ f1 = 0,05 ⋅ 50 = 2,5 Hz
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
30
•
15
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Sestrojení náhradního (elektrického) obvodu 3f AM, aby bylo možno popsat AM jen elektrickými obvodovými veličinami
•
Toto je úplné náhradní schéma AM: δ
1
I1 j Xσ1 R1 IFe
U1
j Xσ21 R21/s
a
RFe
I0 Ui1
2
Iμ jXμ
Ui
I21 = I2 /K
1´
2´
Náhrada statorového obvodu
Náhrada magnetického obvodu AM
3/7/2007
Náhrada rotorového obvodu
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
31
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY POSTUP PŘI VÝPOČTECH ☺ Nákres a určení náhradního obvodu AM ☺ Výpočet impedance motoru na skluzu s ☺ Výpočet statorového a rotorového proudu na skluzu s ☺ Výpočet příkonu, výkonu, momentu a účinnosti na skluzu s
(grafické znázornění)
☺ Výpočet úhlové rychlosti, resp. otáček motoru a grafické znázornění
průběhu točivého momentu na úhlové rychlosti, resp. otáčkách motoru
☺ Určení maximálních hodnot momentu, účinnosti ☺ Výpočet velikosti záběrného momentu a záběrného proudu
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
32
•
16
•
Přednáška
3/7/2007
11/96
2
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
33
•
34
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY TÉMA PŘEDNÁŠKY:
“ 3f AM - Určení parametrů podle zkoušek - měření ” Parametry AM se určují na základě třech zkoušek: Měření naprázdno (nezatížený AM) - Poskytne údaje o ztrátovém odporu jádra RFe a hlavní magnetizační reaktanci Xμ Zkouška nakrátko (při zabržděném rotoru) - Poskytne hodnoty ( R1 + R21 ) a ( X1σ + X 21σ) Měření odporu statorového vinutí stejnosměrnou Ohmovou metodou - Umožní určit velikost odporu R1. Měření při zatížení – poskytne hodnoty pro určení účinnosti
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
17
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Určení parametrů 3f AM podle zkoušek Měření odporu statorového vinutí stejnosměrnou Ohmovou metodou – Zdroj DC napětí ! se připojí mezi dvě fáze (např. U a W jako na obr.) – Změří se hodnoty ss napětí a proudu – Hodnotu rezistoru určíme následně:
+
U Id
jXσ1
Ud R1
Ud R1 = 2 ⋅ Id
R1
jXσ1
R1
-
W 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
35
•
36
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Určení parametrů 3f AM podle zkoušek Měření naprázdno – AM (Y) se napájí sdruženou hodnotou střídavého napětí U1N(S) , měří se proud naprázdno I0 a el. příkon naprázdno P10
– Příkon naprázdno P10 tvoří především výkonové ztráty hysterezní ΔPh a vířivými proudy Δ Pv ve statorovém paketu. Další, podstatně menší (vlivem malého I0), jsou ztráty Jouleovy ve statorovém vinutí Δ Pj1 a mechanické ztráty Δ Pmec
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
18
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Určení parametrů podle zkoušek Měření naprázdno - pokračování • Mechanické výkonové ztráty Δ Pmec ( způsobené třením otáčejícího se rotoru v úzké vzduchové mezeře, ventilační ztráty, apod.)
• Při chodu naprázdno je skluz velmi malý (s → min.), proto Jouleovy ztráty v rotorovém vinutí na něm přímo závislé zanedbáváme
•
Příkon naprázdno P10 se tedy zmaří především ve ztrátách v rotorovém paketu Δ Pj1 a v mechanických ztrátách Δ Pmec
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
37
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Určení parametrů podle zkoušek Zkouška nakrátko (při zabrzděném rotoru) – AM je napájen sníženým napětím U1k (sdružená hodnota) a někdy i se sníženou frekvencí, jejíž hodnota se určí: f 1(mes) = 0,3 ·f 1 = 15 Hz. Sníženou frekvencí se simuluje stav, kdy rotorová frekvence proudu je při normálním chodu malá. – Měří se hodnoty napětí U1k , proudu nakrátko I1k a el. příkonu P1k – Při zabržděném rotoru (n = 0) je hodnota skluzu s = 1. Hlavní magnetizační reaktance Xμ a ztrátový rezistor RFe se v celkové velikosti impedance nakrátko neprojeví, ta je velmi malá, proto musíme AM napájet sníženým napětím. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
38
•
19
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY •
3f AM - Určení parametrů měřením 1. Měřením nakrátko I1k≈ I1N
Při tomto stavu je náhradní obvod následující:
•
R1
U1k
jXσ21
R21
RFe a Xμ se neuplatní!
Hodnota rezistoru nakrátko se určí:
Rk = •
jXσ1
P1k 3 ⋅Ik2
A hodnota impedance nakrátko se určí:
Uk 3 Ik
Zk = 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
39
•
40
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Určení parametrů měřením 1. Měřením nakrátko
# Reaktance nakrátko při redukované frekvenci f1(mes) je: 2
Xk (mes) = Zk − Rk
2
# A skutečná reaktance nakrátko se přepočte frekvencí:
Xk = Xk(mes) ⋅ (f1N/f1(mes)) # Parametry náhradního obvodu jsou dány:
Rk = R1 + R21
a
Xk = X1 + X21
# kde R1 je určen měřením, viz. str. 27
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
20
•
Přednáška
3/7/2007
11/96
3
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
41
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY TÉMA PŘEDNÁŠKY:
“ 3f AM - Výkonová analýza - bilance výkonů a výkonových ztrát ” •
Výkony a ztráty jsou u AM vyjádřeny s použitím jeho náhradního schématu.
•
Diagram toku výkonů při jmenovitém zatížení ukazuje následující obrázek:
I22
Rotor
Dodatečné ztráty
Ztráty v rotorovém vinutí ΔPj2= 3 ⋅ I2 2 ⋅ R21
ΔPj1 = 3 ⋅ I1 2 ⋅ R1
Ztráty ve vinutí statoru
ΔPFe
Pmec = Mmec ⋅ Ω N
Pδ = Mem ⋅ Ω1
Pδ = 3 ⋅ 3/7/2007
Výkon elektromagnetického pole (vnitřní)
Mechanické ztráty ΔPmec
Stator
Ztráty v železe
P1N = Re {3 ⋅ U1 ⋅ I1*} = =√3 ⋅U1NS ⋅I1S⋅cosϕ1N
Výkon přenášený EM točivým polem ze statoru do rotoru přes vzduchovou mezeru δ
ΔPtoč
P2N = MN ⋅ ΩN P2N = Pmec- ΔPtoč
= ΔPmec+ ΔPd
Pmec= 3 ⋅ I22 ⋅ R21 ⋅ (1- s)/s ⋅ (R21/s)
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
42
•
21
•
11/96
Názorný řez 3f AM v patkovém provedení motorový přívod elektrické energie
statorová svorkovnice
příkon P1
výkonový štítek ventilátor
kryt ventilátoru proud chladícího vzduchu
ložiska 3f statorové vinutí hřídel
výkon P2
ztráty ΔP
přední a zadní ložiskový štít patka
litinová nebo hliníková kostra s chladícími žebry
•
43
•
44
© Stýskala, 2002
SAMOKONTROLA:
Doplň Doplňte ná názvy označ označených konstrukč konstrukčních části tohoto 3f klecové klecového asynchronní asynchronního motoru ! Pokrač ch částí Pokračujte i u další dalších stí !
?
?
?
?
? ?
?
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
22
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Mechanická charakteristika - odvození •
Charakteristika se určí pomocí náhradního obvodu.
Vzduchová mezera
jXσ1
jXσ21
R1 IFe1
I1
Iμ
R21
I21= I2/K
náhradní zatěžovací rezistor závislý na skluzu
Fázová hodnota
RFe
U1
jXμ
R21(1-s)/s
rotor
stator
Elektrický výstup nebo AM vyvinutý výkon na hřídeli je: 2
P2 = 3 ⋅ I 2 ⋅ ( 3/7/2007
1− s ) ⋅ R21 s
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
45
•
46
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY
3f AM - Mechanická charakteristika - vznik momentu
• Výkon ve vzduchové mezeře je:
Pδ = 3 I2
2
R21 s
• Při synchronní rychlosti, která je:
Ω1 = 2⋅π⋅n1 = 2⋅π⋅ f1/p
• Elektromagnetický (vnitřní) točivý moment vyvinutý rotorem je:
Me =
3/7/2007
Pδ
Ω1
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
23
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Mechanická (momentová) charakteristika 3f AM- průběh a důležité hodnoty Momentová charakteristika, tzn. n = f (M) závislost rychlosti, resp. otáček AM, či skluzu na zatěžovacím momentu se dá sestrojit např. pomocí programu MathCad. • Obrázek ukazuje důležité body a hodnoty, včetně nominálního bodu A. •
AM pracuje jako motor v rozsahu skluzu od 1 do 0. M0
n1
n = f (M)
A
0,0 0,05
n0
0,1
nN
0,2
nb
MN
0,3 0,4 0,5
n , resp. Ω
0,6
s
Mb
0,7 0,8
Ml
0,9
M
s = 1,0 1,0
0,0
3/7/2007
2,0
3,0
4,0
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
47
•
48
© Stýskala, 2002
M0
n1
n = f (M)
s =0,00
A
0,05
n0
0,1
nN 0,2
nb
MN
0,3
0,4
0,5
n , resp. Ω
s
0,6
Mb 0,7
0,8
Ml 0,9
M s=1 3/7/2007
0,0
1,0
2,0 Téma 1-6 ... Indukční stroje 3,0
4,0
•
24
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Záběrný moment Při spouštění AM je hodnota skluzu s = 1! Motor přitom vyvine při nulových otáčkách záběrný moment MZ (viz. str. 38). • Na obrázku je náhradní schéma situace při zpouštění. Vzduchová mezera
jXσ1
Fázová hodnota
jXσ21
R1 IFe1
I1k
U1
RFe
Iμ
R21
I21k
jXμ
R21(1-s)/s = 0 Neuplatní se
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
49
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY
3f AM - Elektromagnetický moment a záběrový proud • Moment AM je tvořen elektromagnetickým momentem vzniklým vlivem výkonu ve vzduchové mezeře Pδ . (viz. str. 35 a 38)
• Záběrový (při spouštění) proud I1l je při jmenovité hodnotě napájecího napětí U1N vlivem minimální impedance (Z(s=1)) zpravidla 5 až 7 krát větší než jmenovitý ⇒ problémy při spouštění AM. • Elektromagnetický moment AM při spouštění je: Me =
Pδ (s=1)
Ω1
Pozn. Tento dispontabilní moment vznikající mezi rotorem a statorem však nemůžeme využít celý!
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
(viz. str. 35 a 39)
•
50
•
25
•
11/96
Závislost mechanických charakteristik n = f(M) na kmitočtu napájecího statorového vinutí, jmenovitý pracovní bod, jmenovité hodnoty
M / MN 2.5 M o m e n t
f1 = 12.5 Hz f1 = 25 Hz f1 = 37.5 Hz
n1 = k . f1
f1= 50 Hz
2.0 Jmenovitý pracovní bod
1.5 1.0 0.5 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 otáčky
nN
n / n1 •
51
Pracovní Pracovní rež režimy asynchronní asynchronního elektrické elektrického stroje grafy spojitých přechodů charakteristik jednotlivých pracovních stavů
n = f(M)
I = f(n)
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
52
•
26
•
11/96
Provozní Provozní charakteristiky klecových 3f AM velkých výkonů výkonů udávají závislosti důležitých veličin – statorového proudu, účinnosti, účiníku a skluzu na zatížení
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
53
© Stýskala, 2002
Jednofázový AM Rozběhový kondenzátor
Ložiskový štít - zadní Ložiskové pouzdro Hřídel
Výkonový štítek motoru
Svorkovnice
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
54
•
27
•
11/96
Jednofá Jednofázový AM – řez motorem statorové vinutí ložiskový štít ložiska
hřídel
klecový rotor
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
55
Jednofá Jednofázový AM - princip Pro vytvoření záběrového momentu jednofázového motoru je třeba vytvořit alespoň eliptické elektromagnetické pole. Pulzující jednofázové elektromagnetické pole lze rozložit na dvě kruhová pole protitočivá. Záběrový moment obou polí je stejný, ale opačného smyslu, takže výsledný záběrový moment je nulový. Při impulsu otáčení jakýmkoliv směrem moment v tomto směru narůstá proti brzdnému momentu a motor se rozběhne. Konstrukce Stator - je složen ze statorových plechů a dvojího vinutí. Hlavní vinutí je ve 2/3 drážek a pomocné vinutí je ve zbývající 1/3. Rotor - je vždy klecového provedení.
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
56
•
28
•
11/96
Princip činnosti jednofázového AM Při jednofázovém napájení se musí proudy v hlavním a pomocném vinutí fázově posunout, aby vzniklo eliptické elektromagnetické pole. To se dociluje zapojením kondenzátoru, příp. činného odporu nebo zvýšenou indukčností pomocného vinutí. Fázový posun mezi proudy bývá 90°. Působení pomocného vinutí není pro samotný běh motoru již nutné, a tak se po rozběhu odpojuje. Nejčastější způsob odpínání pomocného vinutí je odstředivým spínačem. Použití Používá se pro pohony malých výkonů, zpravidla do 500 W, neboť ve veřejných sítí není dovoleno velké jednofázové zatížení. Užití tedy najde především v pračkách, ledničkách, ručním hobby nářadí apod. 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
57
•
58
Příklady použ použití ití jednofá jednofázových AM
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
29
•
11/96
Příklady provedení provedení převodových 3f AM – jsou kombinací kombinací převodové evodového ústrojí strojí a motoru
brzdný kotouč s elektromagnetem
Brzdový 3f AM 3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
59
•
60
Provedení Provedení 3f AM pro speciá speciální lní prostř prostředí edí a použ použití ití
vodotě vodotěsný 3f AM
3f AM pro výbuš výbušné prostř prostředí edí 3/7/2007
prachu a vodě vodě odolný a vodotě vodotěsný 3f AM
3f AM pro chemické chemické prostř prostředí edí Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
30
•
11/96
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ MOTORY Otázky k závěrečné úvaze k tématům
?
Který typ AC motoru použijete v domácím elektrickém grilu ? Trojfázový nebo jednofázový?
?
Dá se reverzovat směr otáčení u 3f AM? Jakým způsobem?
?
Proč má málo zatížený AM nízký účiník (cosϕ)?
?
Jaké jsou moderní možnosti řízení rychlosti u3f AM?
?
Kde se používají 3f AM?
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
61
© Stýskala, 2002
Použitá a doporučená literatura Mravec, R.: Elektrické stroje a přístroje, SNTL,Praha,1983 Fetter, F.: Obecná elektrotechnika pro strojní inženýry, SNTL/SVTL, Praha, 1967 Keppert, S.: Indukční motory, skriptum VŠB Ostrava, 1980 Sylaby katedry 452-obecné elektrotechniky, http://fei.vsb.cz/kat452/ Vladař, J., Zelenka, J.: Elektrotechnika a silnoproudá elektronika, SNTL/ALFA, Praha, 1986 A další vhodné učebnice, skripta a informační zdroje.
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje
•
62
•
31
•
11/96
© Stýskala, 2002
V případě potřeby konzultací se obraťte na pedagogy katedry 452 - obecné elektrotechniky - budova N, 7. patro - č. kanc. 715 až 721
3/7/2007
Téma 1-6 ... Indukční stroje http://fei.vsb.cz/kat452/
•
63
•
32
