Třífázové motory, asynchronní motory

Skupina strojů s točivým polem zahrnuje elektrické stroje, jejichž princip fungování je založen na magnetickém poli obíhajícím v mezeře mezi statorem a rotorem. Nejdůležitějším a nejčastěji používaným pracovním strojem této skupiny je asynchronní třífázový indukční motor v provedení jako kotva nakrátko. Vyznačuje se těmito vlastnostmi:

• jednoduchá a robustní konstrukce
• vysoká provozní spolehlivost
• provoz nenáročný na údržbu
• nízká cena

V elektrické pohonné technice se zpravidla používají tyto elektromotory:

• asynchronní třífázové motory (kotva nakrátko, kroužková kotva, momentový motor)
• asynchronní jednofázové střídavé motory
• asynchronní nebo synchronní servomotory
• Stejnosměrné motory

Protože lze otáčky pomocí třífázových motorů s frekvenčním měničem ovládat lépe, jednodušeji a s menší údržbou, ztrácejí stejnosměrné motory a třífázové motory s kroužkovou kotvou stále více na významu. Jiné konstrukční typy třífázového asynchronního motoru mají v pohonné technice pouze nízkou prioritu. Proto se zde nebudeme bližšímu popisu věnovat.

Jestliže zkombinujeme elektromotor, jako například třífázový motor, s převodovkou, získáme takzvaný převodový motor. Nezávisle na elektrickém principu daného motoru připadá způsobu jeho montáže na převodovku velký význam pro mechanickou konstrukci motoru. Společnost SEW-EURODRIVE k tomu používá speciálně uzpůsobené motory.

Rotor

Na drážkách plechového svazku rotoru se nachází vstříknuté nebo vložené vinutí (např. z hliníku a/nebo mědi). To je na obou koncích pomocí kruhů ze stejného materiálu spojeno nakrátko. Tyče s kruhy nakrátko připomínají klec. Odsud pochází druhý obvyklý název pro třífázové motory: „motor s klecovým rotorem“.

Stator

Vinutí zalité umělou pryskyřicí je vloženo do polouzavřených drážek plechového svazku statoru. Počet a krok cívky se liší, aby se dosáhly různé počty pólů (= otáčky). Společně se skříní motoru tvoří svazek plechů takzvaný stator.

Ložiskové štíty

Ložiskové štíty z oceli, šedé litiny nebo hliníkového tlakového odlitku uzavírají vnitřek motoru ze strany A a B. Konstrukční provedení v přechodu ke statoru určuje krytí motoru.

Hřídel rotoru

Svazek plechů na straně rotoru se nanese na ocelový hřídel. Oba konce hřídele sahají na straně A a B skrz ložiskové štíty. Na straně A je upevněn konec hnacího hřídele (u převodového motoru vytvořen jako pastorkový čep); na straně B je namontován ventilátor se svými lopatkami k vlastní ventilaci a/nebo doplňkové systémy, jako mechanické brzdy a snímače atd.

Skříň motoru

Motorové skříně mohou být u malého až středního výkonu vyrobeny z hliníkového tlakového odlitku. Skříně všech výkonnostních tříd jsou ale kromě toho vyráběny i z šedé litiny. Na skříň je namontována svorková skříň, v níž jsou konce vinutí statoru napojeny na blok svorek pro elektrické zapojení u zákazníka. Chladicí žebra zvětšují povrch skříně, a navíc zvyšují předávání ztrátového tepla do okolí.

Ventilátor, kryt ventilátoru

Ventilátor na konci hřídele na straně B je zakryt krytem. Ten usměrňuje proud vzduchu, který vzniká při točivém pohybu, nezávisle na směru otáčení rotoru přes žebra skříně. Volitelná ochranná stříška zabraňuje tomu, aby (malé) části padaly u svislých typů konstrukce mřížkou krytu ventilátoru.

Ložiska

Ložiska v ložiskových štítech na straně A a B mechanicky spojují otáčivé části s nepohyblivými částmi. Většinou se používají radiální kuličková ložiska, méně často cylindrická válečková ložiska. Velikost ložisek závisí na silách a otáčkách, které musí dané ložisko zachycovat. Různé těsnicí systémy zajišťují, aby byly v ložisku zachovány potřebné mazací vlastnosti, a aby oleje a/nebo tuky neunikaly.

Symetrický, trojitý systém vinutí statoru je napojen síť třífázového proudu příslušného napětí a frekvence. V každé ze tří větví vinutí protékají sinusové proudy o stejné amplitudě, které jsou časově vzájemně přesazeny o 120°. Díky rovněž prostorově o 120° přesazených větvím vytváří stator magnetické pole, které obíhá s frekvencí přiloženého napětí.

Toto obíhající magnetické pole - stručně nazývané točivé pole - indukuje ve vinutí rotoru, resp. v tyčích rotoru elektrické napětí. Protože je vinutí prostřednictvím kruhu zapojeno nakrátko, protékají zkratové proudy. Společně s točivým polem generují síly a vytvářejí přes poloměr rotoru točivý moment, který rotor urychluje směrem k točivému poli z hlediska otáček. S rostoucími otáčkami rotoru klesá frekvence generovaného napětí v rotoru, neboť rozdíl mezi otáčkami točivého pole a otáčkami rotoru se zmenšuje.

Díky tomu nižší indukovaná napětí nyní způsobují nižší proudy v rotorové kleci, a tím menší síly a menší točivé momenty. Pokud by rotor dosáhl stejné otáčky jako točivé pole, obíhal by synchronně a nebylo by indukováno žádné napětí - motor by nemohl následně vytvářet točivý moment. Zátěžový moment a třecí momenty v ložiscích ale způsobují rozdíl mezi otáčkami rotoru a točivého pole a tím výslednou rovnováhu mezi urychlujícím momentem a zátěžovým momentem. Motor běží asynchronně.

V závislosti na zatížení motoru je tento rozdíl větší nebo menší, ale nikdy nulový, neboť i v chodu naprázdno je vždy ve hře tření. Jestliže zátěžový moment překročí urychlující moment maximálně vyprodukovatelný motorem, „překlopí“ se motor do nepřípustného provozního stavu, který se případně projeví tepelně ničivým účinkem.

Tento relativní pohyb mezi otáčkami točivého pole a mechanickými otáčkami , který je nutný pro fungování, je definován jako skluz s a udává se jako procentuální hodnota otáček točivého pole. U motorů malého výkonu může skluz činit 10 až 15 procent, třífázové motory většího výkonu mají skluz cca 2 až 5 procent.

Třífázový motor s kotvou nakrátko přijímá elektrický výkon z napěťové sítě a přeměňuje ho na mechanický výkon - to znamená na otáčky a točivý moment. Pokud by motor pracoval bez ztrát, odpovídal by odevzdaný mechanický výkon P_od. přijatému elektrickému výkonu P_př..

Jak je nevyhnutelné u jakékoli přeměny energie, dochází i v třífázovém motoru s kotvou nakrátko ke ztrátám: Ztráty v mědi P_Cu a ztráty v tyči P_Z vznikají zahříváním, které probíhá ve vodiči pod proudem. Ztráty v železe P_Fe vznikají zahříváním při přemagnetování plechového svazku se síťovou frekvencí. Ztráty třením P^_Rb vznikají třením v ložiscích; a ztráty větráním vznikají používáním vzduchu k chlazení. Poměr mezi odevzdaným a přijatým výkonem je definován jako účinnost stroje.

Kvůli legislativním požadavkům se v posledních letech stále více dbá na používání motorů s vyššími účinnostmi. Příslušná normativní ustanovení definují třídy účinnosti, které byly výrobci převzaty do technických údajů. Aby se hlavní ztráty závislé na stroji snížily, znamená to pro konstrukci elektromotoru:

• zvýšené použití mědi ve vinutí motoru (P_Cu)
• lepší materiál plechu (P_Fe)
• optimalizovanou geometrii ventilátoru (P_Rb)
• energeticky optimální uložení

Nakreslíme-li točivé momenty a proud nad otáčkami, obdržíme charakteristickou křivku točivý moment-otáčky třífázového motoru s kotvou nakrátko. Až do dosažení stabilního pracovního bodu motor po každém zapnutí proběhne tuto charakteristiku. Počet pólů, konstrukční provedení a materiál vinutí rotoru ovlivňují průběh charakteristik. Znalost těchto charakteristik je obzvlášť důležitá u pohonů, které jsou provozovány se zátěžnými momenty (např. zdvihací ústrojí).

Jestliže je zátěžný moment pracovního stroje vyšší než sedlový moment, uváznou otáčky rotoru „v sedle“. Motor již nedosáhne svůj jmenovitý provozní bod, tedy stabilní, tepelně bezpečný pracovní bod. Jestliže je zátěžný moment dokonce vyšší než rozběhový moment, zůstane motor stát. Jestliže se běžící pohon přetíží (např. nadměrně naložený dopravník), klesají otáčky s rostoucím zatížením. Jestliže zátěžný moment překročí moment zvratu, motor se „překlopí“ a otáčky klesnou na otáčky sedla nebo dokonce na nulu. Všechny scénáře vedou k velmi vysokým proudům v rotoru a statoru, takže se oba velmi rychle zahřejí. Nejsou-li k dispozici žádná vhodná ochranná zařízení, může toto přivodit tepelné zničení motoru - motor se „spálí“.

Teplo vznikající v elektrickém vodiči, jímž protéká proud, je závislé na odporu vodiče a velikosti proudu, který jím protéká. Časté zapínání a rozbíhání se zátěžným momentem velmi silně tepelně zatěžuje třífázový motor s kotvou nakrátko. Přípustné zahřátí motoru závisí na teplotě chladicího média (např. vzduchu), které ho obklopuje, a na tepelné odolnosti izolačního materiálu vinutí.

Maximálně přípustné oteplení motorů je upraveno rozdělením na tepelné třídy (dříve nazývané rovněž „třídy izolace“) (IEC 60034). Motor musí být možné v tepelné třídě, v níž byl vyroben, provozovat s trvalým nadměrným oteplením podmíněným svým jmenovitým výkonem, aniž by při tom utrpěl škodu. Při teplotě chladiva maximálně 40 °C platí jako přípustné mezní oteplení například v tepelné třídě 180(H)³= 125 °C.

• Nejjednodušším druhem provozu je zatížení konstantním zátěžovým momentem. Trvalým zatížením ve jmenovitém bodu motor dosáhne tepelný ustálený stav po určité době. Tento provozní režim se nazývá trvalý provoz S1.
• V krátkodobém provozu S2 je motor během určitého časového intervalu (tB) v provozu s konstantním zatížením. V tomto časovém intervalu motor ještě nedosáhne tepelný ustálený stav. Následuje doba klidu, kterou je nutné navrhnout dlouhou tak, aby motor opět dosáhl teplotu chladiva.
• V přerušovaném provozu S3 je motor během určitého času (tB) v provozu s konstantním zatížením. Při tom nesmí mít rozběh vliv na zahřátí motoru. Potom následuje určitá doba klidu (tSt). Při tomto provozním režimu se udává relativní doba zapnutí (ED), která podle IEC 60034-1 exemplárně uvádí poměr provozní doby k době cyklu (= provozní doba + doba klidu) 10 minut.

Příklad: Provozní režim S3/40% je tehdy, když motor je střídavě 4 minuty zapnutý a 6 minut vypnutý.

Přípustná četnost spínání uvádí, jak často je možné motor bez tepelného přetížení za jednu hodinu zapnout. Závisí na:

• zrychlujících hmotnostních momentech setrvačnosti
• době rozběhu
• teplotě prostředí
• době zapnutí

Přípustnou četnost spínání motoru lze zvýšit pomocí těchto opatření:

• zvýšení tepelné třídy
• volba následujícího většího motoru
• montáž externího ventilátoru
• změna redukce převodovky a tím poměrů hmotnostní setrvačnosti

Třífázové motory s kotvou nakrátko lze díky přepínání pólů provozovat s různými otáčkami . Vložením více vinutí do drážek statoru nebo obrácením směru průtoku proudu v jednotlivých částech vinutí dosáhneme různé počty pólů. U samostatných vinutí činí výkon na počet pólů méně než polovinu výkonu jednootáčkového motoru stejné konstrukční velikosti.

Třífázové převodové motory s přepínáním pólů se používají jako pohony pojezdu. Rychlost pojezdu je při provozu s nízkým počtem pólů vysoká. Za účelem polohování se přepne na vysokopólové vinutí s malými otáčkami. Při přepnutí si motor díky setrvačnosti hmoty nejprve zachová své vysoké otáčky. Třífázový motor v této fázi pracuje jako generátor a zpomaluje. Kinetická energie se přeměňuje na elektrickou energii a je přiváděna zpět do sítě. Nevýhodou je velký momentový ráz při přepínání, který lze ale snížit vhodným zapojením.

Aktuální vývoj cenově výhodných měničů napomáhá nahrazování motorů s přepínáním pólů jednootáčkovými, frekvenčně řízenými motory pro mnoho aplikací.

Jednofázový motor je dobrou volbou, pokud aplikace nevyžadují vysoký rozběhový, resp. startovací moment, jsou napojeny na jednofázovou střídavou síť a používá se spíše malý výkon (<= 2,2 kW). K typickým příkladům použití patří ventilátory, čerpadla a kompresory. Dva zásadní konstrukční rozdíly, se kterými se zde setkáváme:

Jednak se klasický asynchronní třífázový motor připojuje pouze k fázi a nulovému vodiči. Třetí fáze se nastaví přes fázový posun pomocí kondenzátoru . Protože kondenzátor nemůže vytvořit fázový posuv 120°, ale pouze 90°, navrhuje se tento druh jednofázového motoru zpravidla pouze se dvěma třetinami výkonu srovnatelného třífázového motoru.

Druhý způsob, jak zkonstruovat jednofázový motor, spočívá v přizpůsobení techniky vinutí. Místo třífázového vinutí jsou realizovány pouze dvě fáze, a ty navíc odlišně než hlavní a pomocná fáze. Cívky prostorově nyní přesazené o 90° jsou pomocí kondenzátoru i časově napájeny proudem s přesazením o 90°, čímž vzniká točivé pole. Nestejné proudové poměry hlavního a pomocného vinutí zpravidla rovněž umožňují pouze dvě třetiny výkonu třífázového motoru stejné konstrukční velikosti. Typické motory pro jednofázový provoz jsou kondenzátorový motor, motor se stíněnými póly a rozbíhací motor, který si vystačí bez kondenzátorů.

Společnost SEW-EURODRIVE má v sortimentu oba konstrukční typy jednofázových motorů – motory DRK... Oba jsou dodávány s integrovaným provozním kondenzátorem. Protože je umístěn přímo ve svorkové skříni, zabrání se narušení kontur. S provozním kondenzátorem je pro rozběh k dispozici cca 45 až 50 procent jmenovitého momentu.

Momentové motory jsou speciální provedení třífázových motorů s klecovým rotorem. Jsou dimenzovány tak, aby i při nulových otáčkách měly pouze tak vysoký odběr proudu, aby se nemohly samy tepelně zničit. To je vhodné například při otevírání dveří, nastavování výhybek nebo u tvářecích nástrojů , když je nutné dosáhnout polohu a elektromotoricky ji bezpečně držet.

Další běžný druh provozu je takzvaný provoz s protiproudou brzdou: Vnější zátěž je schopna rotor protáčet proti směru otáčení točivého pole. Točivé pole „brzdí“ otáčky a odebírá systému generátorickou energii, která je přiváděna zpět do sítě - jakési točivé brzdění bez mechanické brzdné práce.

Společnost SEW-EURODRIVE nabízí prostřednictvím řady DRM.. 12pólové momentové motory, které jsou termicky dimenzovány pro trvalé použití s návrhovým točivým momentem v klidu. Momentové motory SEW-EURODRIVE jsou vhodné pro různé požadavky a rychlosti a jsou nabízeny v závislosti na provozním režimu až se třemi návrhovými točivými momenty.

Jestliže se elektromotory používají v prostředí ohroženém výbuchem (podle směrnice EU 2014/34/EU; ATEX), je nutné u pohonů provést určitá ochranná opatření. Společnost SEW-EURODRIVE k tomu nabízí podle oblasti použití a regionu různá provedení.

Pro aplikace, které jsou provozovány přímo na síti a musí mít navíc synchronní otáčky, nabízí společnost SEW-EURODRIVE takzvané motory LSPM . LSPM znamená Line Start Permanent Magnet. Motor LSPM je třífázový asynchronní motor s dodatečnými permanentními magnety. Rozbíhá se asynchronně, následně se synchronizuje na napájecí frekvenci a pak již běží v synchronním provozu. Technologie motorů, která otevírá nové, flexibilní možnosti použití v pohonné technice .

Tyto kompaktní hybridní motory v provozu nevykazují žádné rotorové ztráty a imponují vysokou účinností. Konstrukční velikost motoru DR..J s technologií LSPM je oproti sériovému motoru se stejným výkonem a při stejné třídě účinnosti o dva stupně menší.