12.8. Provozní charakteristiky asynchronního motoru

Závislosti otáček rotoru n, statorového proudu I₁, moment na hřídeli M, účinnost. η и cos phi₁ od moci Р₂ na U₁ = konst и f₁ = konst se nazývají provozní charakteristiky asynchronního motoru. Typický tvar provozních charakteristik (v relativních jednotkách) je znázorněn na obr. 12.15.

Provozní charakteristiky motorů s malým výkonem lze konstruovat přímým měřením otáček n, proudu I₁, točivý moment na hřídeli M a výkon Р₂ při různém zatížení motoru, pro které se používá elektromagnetická (nebo jiná) brzda, umožňující změnu brzdného momentu. Tato metoda konstrukce provozních charakteristik však není vždy možná, protože ne vždy poskytuje dostatečně přesné výsledky a v některých případech je obecně obtížně implementovatelná, zejména u motorů s vysokým výkonem. V tomto případě se provozní charakteristiky získávají nepřímo (například pomocí kruhových diagramů) nebo výpočtem (pokud jsou známy parametry stroje, získané z jeho výpočtu nebo ze zkoušek volnoběhu a zkratu).

Závislost otáček motoru na zatížení n = f(P)₂) se zdá být tuhý, protože otáčky motoru n = n(l — s) se mírně mění při změně zatížení. Tuhost charakteristiky je dána malými hodnotami skluzu motoru při jmenovitém zatížení (s_nom = 0,01-0,06), zvoleno při návrhu motoru z důvodu hospodárnosti, protože se snížením prokluzu se snižují ztráty výkonu v rotoru ΔР_э2.

Točivý moment na hřídeli motoru M souvisí s užitečným výkonem Р₂, vyvinutý motorem na hřídeli, převodovým poměrem M = R₂/ ω.

Pokud je úhlová rychlost motoru ω Pokud by byly konstantní, vztah by byl lineární. Otáčky motoru se však s rostoucím zatížením mírně snižují, takže se tento vztah mírně odchyluje směrem nahoru.

Proud statoru I₁ podle (12.27) se rovná součtu redukovaného proudu rotoru a proudu naprázdno. Závislost proudu statoru I₁ = f(P)₂) je určena poměrem mezi magnetizačním (jalovým) proudem a činným proudem motoru při změně zatížení. Jalová složka statorového proudu je určena hlavně proudem naprázdno, který tvoří 20–40 % jmenovitého proudu a mírně se mění se zatížením. Činná složka statorového proudu je úměrná užitečnému výkonu motoru. Proto závislost I₁ = f(P)₂) v rozsahu pracovního zatížení je poměrně blízko lineárnímu.

Obrázek 12.15 ukazuje typický vztah. sosφ₁ od zatížení motoru, s největší hodnotou (0,8 – 0,9) dosaženou při zatížení blízkém nominálnímu. Při volnoběhu asynchronní motor spotřebovává téměř čistě jalový proud, který se používá k vytvoření hlavního magnetického toku, proto je při volnoběhu úhel fázového posunu φ₁ blízko π / 2 и cos₁ je odpovídajícím způsobem velmi malý (obvykle nepřesahuje 0,2). S rostoucím zatížením (zejména na hodnoty blízké jmenovitým hodnotám) se aktivní složka proudu zvyšuje, zatímco jalová složka proudu se mění jen málo, protože hlavní magnetický tok motoru je prakticky konstantní. V důsledku toho se s rostoucím zatížením motoru úhel φ₁ snižuje se a sosφ₁ odpovídajícím způsobem se zvyšuje. Při zatížení nad jmenovitou hodnotou se magnetické rozptylové toky výrazně zvyšují, v důsledku čehož se zvyšuje reaktivní složka proudu, a tím se zvětšuje úhel φ₁ a snížit cos₁.

Protože asynchronní motory jsou nejběžnější a hlavními spotřebiči elektřiny v průmyslu, mohou při nedostatečném zatížení výrazně snížit svůj výkon. cos energetické systémy, proto je nutné, aby byl motor během provozu dostatečně zatížen.

Obecně platí, že asynchronní motory, zejména ty s nízkým výkonem, mají relativně nízký cos₁, což je jedna z jejich nevýhod.

Magnetický tok asynchronního motoru je úměrný napětí přivedenému na vinutí statoru. Magnetizační proud, který v motoru vyvolá danou hodnotu magnetického toku, bude tím menší, čím menší je magnetický odpor dráhy toku. Největší část tohoto magnetického odporu v motorech tvoří vzduchová mezera mezi statorem a rotorem. Čím menší je vzduchová mezera v motoru, tím menší je magnetický odpor vůči průchodu toku a tím menší je magnetizační proud potřebný k vytvoření daného toku. Motory s nejmenší vzduchovou mezerou tedy mají menší magnetizační proud a největší. cosS rostoucím jmenovitým výkonem motorů rostou rozměry jejich vzduchových mezer pomaleji než jejich výkon, proto se s rostoucím výkonem motorů jejich cos.

Závislost účinnosti asynchronního motoru na užitečném výkonu Р₂, znázorněný na obr. 12.15, má stejný charakter jako transformátory nebo většina elektrických strojů. Р₂, který představuje mechanický výkon dodávaný motorem, se liší od výkonu, který je do něj přiváděn P₁ o hodnotě ztrát Δp, které se dělí na trvalé Δp_zveřejnit, nezávisle na zatížení motoru a proměnných Δp_biskupa, které závisí na zatížení:

Trvalé ztráty zahrnují ztráty v oceli v důsledku hystereze a vířivých proudů. Δp_с a mechanické ztráty Δp_т, které zůstávají konstantní při změně zatížení, stejně jako při volnoběhu:

Proměnné ztráty jsou elektrické ztráty. Δp_э ve vinutí statoru a rotoru, elektrické ztráty v kartáčovém kontaktu Δp_щ.э (u motorů s vinutým rotorem), které se mění úměrně proudu, a dodatečné ztráty ΔР_ext, měnící se úměrně druhé mocnině zatěžovacího proudu. Je třeba poznamenat, že dodatečné ztráty vznikají v důsledku změn relativní polohy zubů rotoru a statoru během otáčení rotoru, což vede ke změnám magnetického odporu a pulzacím magnetického toku. Například zkosení drážek rotoru vzhledem ke směru drážek statoru lze použít ke snížení těchto ztrát. Takže,

Účinnost se mění od nuly při volnoběhu s rostoucím zatížením (Р₂ = 0) na maximální hodnotu, kdy se variabilní ztráty rovnají konstantním. S dalším zvýšením zatížení se růst účinnosti zastaví a její hodnota začne klesat.

Maximální účinnost u motorů se středním a vysokým výkonem nastává při přibližně 60–85 % jmenovitého zatížení, což se bere v úvahu při výběru motoru pro pohon aktuátoru. Se zvyšujícím se jmenovitým výkonem motorů se jejich účinnost zvyšuje, protože se snižují relativní celkové ztráty.

Provozní charakteristiky asynchronního motoru jsou závislosti znázorněné na obr. 3.14. Získávají se výpočtem nebo experimentálně při jmenovitých hodnotách napětí a napájecí frekvence, tj. při Ц_н Obr. 3.14. Výkonové charakteristiky asynchronního motoru A /• V experimentu se změna mechanického výkonu na hřídeli Р₂ se provádí změnou momentu zatížení na hřídeli pomocí zatěžovacího (brzdícího) zařízení. V tomto případě se moment měří M, otáčky rotoru Щ proud ve vinutí statoru a výkon spotřebovaný motorem ze sítě

• — regulace frekvence napájecího napětí;
• — změna počtu pólů;
• – dopad na klouzání.

Regulace frekvence. K jeho realizaci je zapotřebí autonomní zdroj energie s proměnnou frekvencí. Může se jednat o synchronní generátor rotující s proměnnou rychlostí nebo statický (tj. nerotující) polovodičový měnič kmitočtu. Ty mohou napájet jeden nebo skupinu asynchronních motorů.

V technice se používají různé typy frekvenčních měničů, jejich společným rysem je však nesinusové výstupní napětí. Vyšší dočasné harmonické složky napětí a proudu způsobují dodatečné ztráty a poněkud snižují energetické ukazatele regulovaného asynchronního motoru.

Pokud zanedbáme relativně malý úbytek napětí na celkovém odporu statorového vinutí, bude platit vzorec (3.28). Ten ukazuje, že pro udržení konstantního toku ve stroji při regulaci frekvence je nutné současně proporcionálně měnit napětí. Tuto dvojí funkci plní frekvenční měnič, který realizuje vztah Ujf = konst. V praxi frekvenčně řízených elektrických pohonů se používají i jiné, složitější regulační zákony.

Mechanické vlastnosti asynchronních motorů s frekvenční regulací jsou znázorněny na obr. 3.15.

Pro regulaci frekvence se často používají konvenční sériové asynchronní motory určené pro provoz s konstantní frekvencí. Takový pohon však nelze považovat za optimální, proto domácí i zahraniční řady poskytují speciální modifikaci strojů pro regulaci frekvence.

Během jeho vývoje se v různé míře zohledňují následující charakteristické rysy motorů s proměnnou frekvencí.

Obr. 3.15. Mechanické vlastnosti asynchronního motoru s frekvenční regulací

• 1. Nevyžadují hluboké drážky rotoru s klecí nakrátko pro zvýšení rozběhového momentu (viz odstavec 3.2.8), protože měnič kmitočtu realizuje tzv. měkký rozběh s postupným zvyšováním frekvence. Řídicí algoritmus měniče zajišťuje takový poměr frekvence a napětí při rozběhu, při kterém motor vyvine maximální možný rozběhový moment a má přijatelnou hodnotu rozběhového proudu.
• 2. Počet pólů frekvenčně řízeného motoru musí být sladěn s rozsahem frekvenční regulace a převodovým poměrem reduktoru. Nalezení optimálního poměru těchto hodnot je složitý technický a ekonomický úkol.
• 3. Měnič kmitočtu je připojen k síti se standardním napětím a jeho nejjednodušší obvody mají na výstupu hodnotu napětí, která se liší od hodnoty uvedené v GOST. Proto lze optimální asynchronní motor pro kompletní frekvenčně řízený pohon při návrhu navrhnout i pro nestandardní jmenovité napětí.
• 4. U pesimoidního napájecího napětí (proudu) není třeba usilovat o harmonické rozložení magnetického pole ve vzduchové mezeře asynchronního motoru. Existují dočasné harmonické řádů Do, prostorové – řády V, jejich kombinace, rotující rychlostmi n_vk = 60k- f/vp. na k = vn_vk=n_i a kombinovaná harmonická se může otáčet ve směru základní složky a přidávat svou složku v užitečném okamžiku.

Z toho vyplývá, že při návrhu vinutí frekvenčně řízených motorů je nutné kriticky přistupovat k metodám boje proti vyšším harmonickým používaným u standardních neřízených strojů.

• 5. Vzhledem k nízké účinnosti vlastních ventilátorů při provozu na nízkých frekvencích musí být frekvenčně řízené motory vybaveny nezávislými hnacími ventilátory s vlastním pohonem.
• 6. Provoz regulovaného motoru při velmi vysokých otáčkách musí být zajištěn jeho ložisky, jejich mazáním, těsněními a vyvážením rotoru.
• 7. Nejlepší moderní frekvenční měniče využívají pulzně šířkovou modulaci (PWM) spínáním výkonových elektronických zařízení. Nízkofrekvenční křivka provozního napětí (proudu) statoru motoru je tvořena prakticky obdélníkovými impulsy s frekvencí asi desítek kilohertzů. Strmé fronty impulsů způsobují vlnové přechodové jevy a přepětí v systému měnič-motor. Pro ochranu před nimi je nutné použít filtry, uzemnění a posílit izolaci závitů statorového vinutí.

Změnou frekvence je možné regulovat rychlost otáčení asynchronního motoru ve velmi širokém rozsahu a zároveň zachovat jeho vysoké energetické ukazatele. Potřeba frekvenčního měniče však zvyšuje náklady a komplikuje údržbu elektrického pohonu.

Obr. 3.16. Schéma změny počtu pólů statorového vinutí přepínáním jeho cívek

Změna počtu pólů. Tato metoda regulace otáček asynchronních motorů se realizuje třemi způsoby.

• 1. Umístěním několika vinutí s různým počtem pólů do statorových drážek. Napájecí napětí se přepíná z jednoho vinutí na druhé v závislosti na požadovaných otáčkách. Modifikace takových vícerychlostních asynchronních motorů pro dvě, tři a dokonce i čtyři otáčky jsou k dispozici v jedné sérii. Používají se například v elektrických pohonech výtahů.
• 2. Změnou vzoru vinutí statoru přepínáním jeho cívek. Například pokud na obr. 2.7 prohodíme začátek a konec jedné z cívek, výsledné magnetické pole vinutí bude mít 2p = 2 (obr. 3.16).
• 3. Pomocí tzv. pólově-amplitudové modulace se při změně vzoru vinutí a v důsledku superpozice polí cívek nebo skupin cívek mění počet pólů výsledného magnetického pole ve vzduchové mezeře. V tomto případě,

objevuje se větší počet vyšších prostorových harmonických.

Řízení otáček změnou počtu pólů má následující nevýhody:

• 1) rychlost se mění pouze diskrétně, skokově, neexistuje možnost plynulé regulace;
• 2) Vícerychlostní motory mají větší rozměry, hmotnost a cenu než jednorychlostní neregulovatelné motory.

Skluz asynchronního motoru lze ovlivnit za účelem řízení otáček rotoru (3.61) regulací napájecího napětí nebo změnou aktivního odporu fázového obvodu rotoru.

Regulace napětí. Točivý moment asynchronního motoru je úměrný druhé mocnině napětí na svorkách statorového vinutí (3.46). Pokud je napětí sníženo nějakým regulátorem, maximální točivý moment prudce klesne (3.49) a kritický skluz zůstává nezměněn (3.48). Pro danou zatěžovací křivku (například M_с(.у) = const) se také změní pracovní skluz a otáčky rotoru. Navíc u konvenčního neregulovaného asynchronního motoru je rozsah změn skluzu malý (obr. 3.17, ). Pro jeho rozšíření je nutné zvýšit , tj. zvýšit aktivní odpor vinutí rotoru. Existuje taková modifikace asynchronních motorů s rotorem veverkovitého typu – motory se zvýšeným skluzem.

Obr. 3.17. Změna skluzu úpravou napětí

v konvenčních (a) a výkonných (b) asynchronních motorech

Provoz asynchronního motoru se zvýšeným skluzem je neekonomický, protože ztráty ve vinutí rotoru jsou vysoké. Proto tato metoda reguluje rychlost otáčení v malém rozsahu a pouze u motorů s nízkým výkonem. A v automatizaci a přístrojové technice se široce používají asynchronní mikromotory s výkonem až 50 W, které mají 5_cr > 1. Mají vysoký aktivní odpor vinutí rotoru díky tomu, že je vyrobeno ze slitiny se zvýšeným odporem ve tvaru klece veverky nebo tenkostěnného kalíšku – dutého rotoru bez magnetického jádra. Další výhodou této konstrukce je nízká setrvačnost, tj. vysoká rychlost. Takové nízkoenergetické motory se nazývají výkonné (nebo servomotory), mají široký rozsah regulace otáček (obr. 3.17, b), i když účinnost je nízká – 20-40%.

Reostatové řízení fázového rotorového motoru. Reostat v obvodu rotoru musí být navržen pro nepřetržitý provoz, a nikoli pouze pro krátkodobý tok rozběhového proudu.

Myšlenku takové regulace rychlosti lze snadno pochopit z obr. 3.10, . Pokud při daném zatěžovacím momentu rovném například jmenovitému M_н, změnou odporu regulačního reostatu se v určitém rozsahu změní i pracovní skluz. Obvykle je malý, protože v reostatu dochází ke ztrátám, tj. tento způsob regulace je také neekonomický.