Střídavé elektromotory: Díly, typy, zapojení a jak fungují

Jak Střídavý motor funguje

Střídavý motor přeměňuje elektrickou energii střídavého proudu na mechanickou rotační energii na principu elektromagnetické indukce. Když se na vinutí statoru přivede střídavé napájecí napětí, generuje rotující magnetické pole (RMF). Rychlost, kterou se toto pole otáčí, se nazývá synchronní rychlost , určeno napájecí frekvencí a počtem párů magnetických pólů ve statoru: Ns = 120f / P , kde f je frekvence napájení v Hz a P je počet pólů.

U indukčního motoru – nejběžnějšího typu motoru na střídavý proud – rotující magnetické pole protíná vodiče rotoru a indukuje v nich proud podle Faradayova zákona. Tento indukovaný proud vytváří své vlastní magnetické pole a interakce mezi polem rotoru a točivým polem statoru vytváří točivý moment, který pohání rotor k otáčení. Rotor vždy běží o něco pomaleji, než je synchronní rychlost; tento rozdíl rychlostí se nazývá uklouznout , typicky 2–8 % u standardních indukčních motorů. Bez skluzu neexistuje žádný relativní pohyb mezi vodičem pole a rotoru, neindukuje se žádný proud a nevytváří se žádný krouticí moment.

U synchronních střídavých motorů je rotor místo toho buzen stejnosměrným polem nebo používá permanentní magnety, které jej zablokují, aby se otáčel přesně synchronní rychlostí s nulovým skluzem. Díky tomu jsou synchronní motory preferovanou volbou tam, kde je kritický přesný provoz s konstantní rychlostí, jako například v hodinových mechanismech, některých textilních strojích a vysoce účinných pohonech s proměnnou rychlostí.

Části AC motoru

Pochopení vnitřní architektury střídavého motoru pomáhá při specifikaci správné jednotky, diagnostice poruch a plánování intervalů údržby. Hlavní komponenty jsou:

• Stator: Stacionární vnější sestava, která obsahuje vrstvené železné jádro a měděné vinutí. Jádro statoru je vyrobeno z tenkých plechů z křemíkové oceli naskládaných na sebe, aby se minimalizovaly ztráty vířivými proudy. Vinutí jsou navinuta do drážek v jádře a připojena ke střídavému napájení.
• Rotor: Otočná vnitřní sestava namontovaná na výstupním hřídeli. U indukčních motorů s kotvou nakrátko se rotor skládá z hliníkových nebo měděných vodičových tyčí, které jsou na každém konci zkratovány koncovými kroužky. U motorů s vinutým rotorem nese rotor třífázová vinutí připojená k externím odporům přes sběrací kroužky.
• Výstupní hřídel: Pevná ocelová hřídel, která přenáší mechanický točivý moment na hnanou zátěž. Průměr hřídele a rozměry klínové drážky jsou standardizovány podle specifikací velikosti rámu IEC nebo NEMA.
• Ložiska: Typicky kuličková ložiska s hlubokou drážkou na hnacím (DE) a nehnaném konci (NDE). Ložiska nesou radiální a axiální zatížení rotoru a hnaného zatížení a jsou nejběžnějším náhradním dílem při údržbě.
• Koncové štíty (koncové zvony): Litinová nebo hliníková pouzdra, která zakrývají každý konec rámu motoru, drží ložiska na místě a uzavírají vnitřní sestavu.
• Ventilátor a kryt ventilátoru: Většina střídavých motorů má konstrukci TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled) s externím chladicím ventilátorem namontovaným na nástavci koncového hřídele bez pohonu, který je uzavřený krytem ventilátoru z lisované oceli. Ventilátor nasává okolní vzduch přes žebra rámu motoru, aby odváděl teplo.
• Svorkovnice (spojovací skříňka): Kryt odolný proti povětrnostním vlivům na rámu motoru, který obsahuje připojovací svorky vinutí (obvykle označené U1, V1, W1, U2, V2, W2 podle konvence IEC). Zde se připojují napájecí kabely a jakékoli konfigurační spoje hvězda/trojúhelník.
• Rám: Vnější konstrukční tělo, obvykle žebrovaná litina nebo hliníková slitina, které poskytuje mechanickou podporu, funguje jako chladič a nese montážní patky nebo přírubu pro instalaci.

Mezi další součásti přítomné ve specifických typech motorů patří uklouznout rings and brushes (indukční motory s vinutým rotorem), odstředivé startovací spínače (jednofázové kondenzátorové spouštěcí motory), a kondenzátory (provedení jednofázový běh-kondenzátor a kondenzátor-start/běh).

Typy střídavých elektromotorů

Střídavé motory se dělí na dvě primární rodiny – indukční (asynchronní) a synchronní – každá s několika podtypy optimalizovanými pro různé provozní požadavky.

Pro většinu průmyslových aplikací je třífázový indukční motor s kotvou nakrátko zůstává výchozí volbou. Nevyžaduje žádné kartáče, sběrací kroužky ani externí buzení, což z něj činí nejméně údržbu a nákladově nejefektivnější variantu pro zatížení konstantní rychlostí. Pohony s proměnnou frekvencí (VFD) rozšířily svou použitelnost na aplikace s proměnnou rychlostí, které dříve vyžadovaly stejnosměrné motory nebo motory s vinutým rotorem.

Základy schématu zapojení AC motoru

Správné zapojení střídavého motoru je nezbytné pro bezpečný provoz a dosažení správné charakteristiky točivého momentu a otáček. Konfigurace svorkovnice se liší podle typu motoru a napájecího napětí, ale následující pokrývá nejběžnější scénáře.

Třífázové dvounapěťové motory (hvězda / trojúhelník)

Většina třífázových indukčních motorů je vinutá pro dvě napěťové úrovně — běžně 230V/400V nebo 400V/690V — a svorkovnice obsahuje šest vodičů označených U1, V1, W1 (začátek vinutí) a U2, V2, W2 (konce vinutí). Napájecí napětí určuje připojení:

• Zapojení do hvězdy (Y) – vyšší napětí: Spojte U2, V2 a W2 dohromady a vytvořte neutrální hvězdný bod. Připojte třífázové napájení na U1, V1, W1. Každé vinutí vidí napětí mezi fází a nulou. Používá se, když napájecí napětí odpovídá vyššímu jmenovitému napětí motoru (např. napájení 400 V u motoru 230/400 V).
• Zapojení delta (Δ) – nižší napětí: Spojení U1 až W2, V1 až U2, W1 až V2, tvořící uzavřenou smyčku. Připojte třífázové napájení přes každý pár spojených svorek. Každé vinutí vidí plné napětí mezi dvěma linkami. Používá se, když napájecí napětí odpovídá nižšímu jmenovitému napětí motoru (např. napájení 230 V u motoru 230/400 V).

Startování hvězda-trojúhelník je běžná metoda měkkého rozběhu u velkých motorů: motor se rozběhne do hvězdy (snížené napětí na každém vinutí = nižší spouštěcí proud, obvykle 1/3 přímého zapnutí), poté se přepne na trojúhelník, jakmile se přiblíží k plné rychlosti. To snižuje poruchu napájení, ale také snižuje rozběhový moment o stejný 1/3 faktor, takže je vhodný pouze pro aplikace s nízkým zatížením spouštění.

Zapojení jednofázového motoru

Jednofázové střídavé motory vyžadují pomocný spouštěcí obvod, protože jednofázové napájení samo o sobě nemůže vytvářet točivé magnetické pole. Uspořádání terminálu obvykle zahrnuje:

• Svorky hlavního vinutí (M): Připojeno přímo přes vedení a neutrál.
• Spouštěcí svorky vinutí (S): Zapojeno paralelně s hlavním vinutím, ale sériově se startovacím kondenzátorem. Kondenzátor vytváří fázový posun (přibližně 90°) mezi proudem hlavního a pomocného vinutí a vytváří točivé pole dostatečně silné na vyvinutí rozběhového momentu.
• Odstředivý spínač nebo relé PTC: Odpojí startovací vinutí, jakmile motor dosáhne přibližně 75–80 % synchronních otáček. Porucha tohoto spínače — buď zůstane rozpojený (motor se nespustí) nebo zůstane sepnutý (přehřeje se a spálí startovací vinutí) — je jednou z nejčastějších závad jednofázového motoru.

Reverzace otáčení motoru

Změna směru otáčení třífázového motoru vyžaduje prohození jakýchkoli dvou ze tří napájecích fází na svorkách motoru – například výměnu připojení na U1 a V1. Tím se obrátí směr rotujícího magnetického pole a následně i rotoru. U jednofázových motorů se reverzace dosáhne výměnou spojů spouštěcího vinutí vzhledem k hlavnímu vinutí; některé motory mají vyhrazené označení svorek pro tento účel, zatímco jiné vyžadují vnitřní opětovné připojení.

Uzemnění a ochrana proti přetížení

Každá instalace střídavého motoru musí obsahovat a připojení ochranného uzemnění (PE). připojeno k rámu motoru, připojeno k napájecímu uzemnění na svorkovnici. Navíc řádně ohodnocený relé tepelného přetížení nebo elektronické relé ochrany motoru by mělo být instalováno v napájecím obvodu, nastavené na jmenovitý proud motoru při plném zatížení (FLC). Ochrana proti přetížení je primární obranou proti nejběžnějšímu režimu selhání motoru: prodloužený nadproud z mechanického přetížení, jednofázové nebo omezené větrání, které zvyšuje teplotu vinutí nad limit třídy izolace.