Jednofázový asynchronní elektromotor: zařízení, princip činnosti, zapojení
Po mnoho let jsou asynchronní motory lídrem ve využívání elektromotorů. Mezi nimi jsou široce používány jednofázové motory, které se aktivně používají v průmyslu a v domácích spotřebičích. Mají relativně jednoduchý design, snadno se používají a jsou levné na výrobu a provoz. Moderní jednofázové motory vás mohou překvapit svou funkčností. Jsou horší než třífázové modely ve výkonu, ale lepší než ve stabilitě a účinnosti. Takové motory mívají výkon do 3 kW, což je dostačující pro většinu domácích spotřebičů a elektrického nářadí, ale může dosahovat až desítek kW.
Konstrukce a typy jednofázových motorů
Asynchronní motor se skládá ze tří hlavních částí, které jsou odděleny vzduchovou mezerou a během provozu se nedotýkají.
| Корпус | Kombinuje stator a rotor, chrání pracovní mechanismus před poškozením. Obvykle se vyrábí z litiny. |
|---|---|
| Stator (pevný prvek) | Je to induktor, který se skládá z rámu a jádra z měkkých ocelových plechů. Uvnitř je generován proud. Desky jádra jsou od sebe odděleny izolací o tloušťce přibližně 0,5 mm. To umožňuje snížit množství vířivých proudů v elektromagnetickém poli. |
| Rotor (rotující část) | Stejně jako stator má jádro z tenkých feromagnetických plechů a podobných vinutí, ale bez izolačního laku. Některé konce vinutí jsou připojeny ke společnému bodu, zatímco ostatní konce jsou připojeny ke sběracím kroužkům na hřídeli rotoru. Na vnější straně jsou drážky s hliníkovými nebo měděnými tyčemi. |
U jednofázových motorů mají stator a rotor každý jedno vinutí, umístěné na různých stranách jader: vnitřní (u statoru) a vnější (u rotoru). Statorové vinutí je vyrobeno z izolovaného drátu a je pevně upevněno, aby se snížila pravděpodobnost poškození mechanickými vibracemi.
Existují čtyři typy jednofázových elektromotorů:
| CSIR | Indukční motor s kondenzátorovým startem a provozem vinutí. Má sériové zapojení kondenzátoru s rozběhovým vinutím a poměrně vysokým rozběhovým momentem (50–250 % točivého momentu při maximální zátěži). Mírné zpoždění mezi proudy ve spouštěcím a hlavním vinutí vytváří rotující magnetické pole, které spouští rotor. Když elektromotor dosáhne rychlosti otáčení blízké provozní rychlosti, startér se otevře a motor pokračuje v činnosti jako obvykle. Motory CSIR jsou optimální pro zařízení s vysokým startovacím zatížením: dopravníkové linky, ventilátory, kompresory. |
|---|---|
| CSCR | Indukce s rozběhem a provozem přes kondenzátor. Takové elektromotory poskytují vysoký rozběhový moment a snadno si poradí s přetížením. Jsou určeny pro použití ve ztížených podmínkách a produkují menší teplotní výkyvy v provozním režimu. CSCR jsou nejvýkonnější jednofázové motory. Instalují se do vývěv nebo zařízení pracujících pod vysokým tlakem. |
| RSIR | Indukce s reostatickým startem a provozem přes vinutí. Startovací zařízení má kromě hlavního ještě pomocné vinutí statoru, které funguje pouze pro rozběh a vypíná se při dosažení otáček rotoru 75 % jmenovitých. Elektromotory RSIR pracují v úzkém rozsahu napětí a maximální točivý moment nepřesahuje 250 % vypočteného. Navíc kvůli vysokým zapínacím proudům vyžadují ochranu proti přehřátí. Proto jsou takové motory instalovány v zařízeních s nízkým výstupním výkonem: do 0,25 kW. |
| PSC | Jsou to motory s trvalým dělením výkonu. Jsou vybaveny trvale běžícím kondenzátorem, který je zapojen do série se startovacím vinutím. Když motor dosáhne provozních otáček, stane se pomocným. V PSC je nízký rozběhový moment (30–90 % jmenovité zátěže) kompenzován nízkými rozběhovými proudy (méně než 200 % vypočtených), díky čemuž je zařízení nejspolehlivější mezi jednofázovými analogy. Tento typ motoru je nejvhodnější pro zařízení s dlouhými pracovními cykly. Jeho provozní parametry, frekvenci a směr otáčení lze měnit pro různé úkoly. |
V závislosti na typu motoru a jeho použití může konstrukce jednofázového motoru zahrnovat další součásti, jako jsou:
- kondenzátory,
- pouzdra,
- spojovací materiál,
- fanoušci,
- senzory atd.
Všechny tyto komponenty jsou navrženy tak, aby zajistily správný chod pohonu, dlouhou životnost a bezpečný provoz. Ložiska jsou tedy nezbytná pro zajištění hladkého pohybu rotoru a snížení tření a mechanického opotřebení. Štíty chrání před náhodným přístupem k rotoru a jiným nebezpečným částem motoru. Upevňovací prvky slouží k zajištění motoru ve správné poloze. Ventilátor stabilizuje teplotní spád.
Princip činnosti jednofázových asynchronních motorů
Asynchronní elektromotor patří k indukčním elektrickým strojům, což jsou také stroje na střídavý proud. Přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii.
Střídavý proud v symetrickém vícefázovém vinutí statoru vytváří pulzující magnetické pole. Zvlnění vzniká v důsledku vícesměrného pohybu elektrického proudu a závisí na frekvenci elektrické sítě. Při standardu 50 Hz mění elektrický proud směr 50krát za sekundu. Díky tomu dochází k elektromagnetické indukci, která generuje elektromotorické síly ve vinutí rotoru. Magnetické pole statoru se nepohybuje, ale mění kladné a záporné póly s každým sinusovým napěťovým rázem. Podobné póly magnetických polí statoru a rotoru se navzájem odpuzují a opačné póly se přitahují, což uvádí rotor do pohybu. Pod vlivem elektrodynamické síly se otáčí, nejprve zvyšuje rychlost a poté ji stabilizuje na konstantní úrovni. Rozdíl mezi otáčkami rotoru a magnetickým polem statoru se zvětšuje s rostoucím zatížením motoru.
Mechanická síla elektromotoru je výsledkem točivého momentu a rychlosti otáčení, takže vysokorychlostní jednotky jsou menší a lehčí než nízkorychlostní modely. Takové motory se obvykle používají tam, kde je důležitá stabilita, malá velikost a vysoká účinnost.
Funkce kondenzátoru v jednofázových motorech
Tyto motory vyžadují pomoc při startování kvůli jejich nízkému účiníku. Rychlost rotoru striktně závisí na frekvenci změn v poli statoru. Otáčení rotoru je rozděleno do šesti fází, ve kterých se spíná výkon následných vinutí tak, že pole v magnetickém obvodu statoru mění svou polohu o určitý konstantní úhel, určený počtem pólů. Magnetomotorická síla obou vinutí by měla být stejná a optimální úhel mezi nimi je 90°. Nedodržení těchto podmínek vede k vytvoření eliptického pole a snížení výkonu motoru vlivem brzdění.
U jednofázových elektromotorů se používá elektrolytický kondenzátor, který je připojen k pomocnému vinutí a posouvá fázi napětí vůči proudu, což způsobuje rotaci rotoru. Poloha magnetického pole se určuje na základě signálů přicházejících z magnetických snímačů, které jsou vůči sobě posunuty.
Kondenzátor lze použít ke spuštění elektrického spotřebiče. V tomto případě se vypne, jakmile otáčky motoru dosáhnou určité prahové hodnoty. K hlavnímu vinutí lze připojit i kondenzátor, pokud je potřeba udržovat konstantní rotaci rotoru během provozu. Kombinovaný kondenzátor kombinuje obě funkce. Vytváří vysoký startovací moment a minimalizuje pulzující točivý moment při maximálním zatížení motoru.
Schéma zapojení
Jednofázový motor je napájen 220V jednofázovým střídavým proudem. Používá se tam, kde je energetická náročnost relativně nízká, protože zajišťuje stabilní a efektivní provoz bez zbytečných přerušení. Hlavní nevýhodou asynchronních motorů jsou však velké rozběhové proudy s nízkým rozběhovým momentem. To vede k zahřívání vinutí, zvýšené spotřebě proudu a kolísání napětí v síti. Pro hladší rozběh je proto k dispozici schéma zapojení hvězda-trojúhelník. Během spouštění po určitou dobu motor pracuje s menším točivým momentem a napětí na každém z vinutí se rovná fázovému napětí. Po částečném zrychlení motoru přepínač hvězda-trojúhelník změní zapojení vinutí na takové, ve kterém je začátek jednoho vinutí spojen s koncem druhého, neutrální vodič se nepoužívá a motor začne pracovat na jmenovitý výkon .
Shrnutí
Jednofázové asynchronní motory jsou hlavní součástí mnoha elektrických spotřebičů a strojů. Jsou široce používány v různých oblastech díky své jednoduchosti, nízké ceně a možnosti připojení k elektrické síti v domácnosti. Existují však určitá omezení pro jejich použití. Jednofázové motory by neměly být provozovány naprázdno kvůli riziku přehřátí a při méně než 25 % plného zatížení.
Nabízíme širokou škálu modelů:
- pro domácí spotřebiče (ledničky, pračky, ventilátory);
- ruční elektrické nářadí (vrtačky, pily, vrtačky, úhlové brusky);
- stroje (frézovací, soustružnické);
- čerpadla (cirkulační, pro hlubinné studny a bazény).
Jednofázové motory jsou považovány za spolehlivé a odolné, protože mají relativně málo pohyblivých částí a na rozdíl od spalovacích motorů nevyžadují častou údržbu. Takový elektromotor může fungovat mnoho let bez větších oprav nebo výměn.