Asynchronní stroje

lY
M
n
M
D
Obr.15. Momentové charakteristiky pro spouštění AM přepínáním Y – D
d) polovodičovým řízeným měničem napětí - elektronický rozběhový člen ( softstartér )
(obr.16)
Jako polovodičový rozběhový člen se používá fázově řízený měnič střídavého napětí tzv.
softstartér, který umožní řízený pozvolný rozběh AM, při kterém dochází k výraznému snížení
záběrného proudu a momentu. Řízení rozběhu se provádí buď nastavením čas.sklonu (tzv.
rampy) nárůstu výstupního napětí, tzv.skokovým napětím (obr.17a), nebo nastavením
konstantního proudu motoru (proudovým omezením) během rozběhu (obr.17b). Některá
provedení softstartérů umožňují na počátku rozběhu krátkodobé dosažení vyššího momentu
motoru (obr.17a).

U1
W1
L1
L2
L3
V1
KM1
softstartér
FU1
U
Ř
Obr.16. Spouštění motoru polovodičovým řízeným měničem napětí
I
I
omez
chod rozběh rozběh chod
U
N
U
0
t
U
t
a, b,
Obr.17.a) rozběh motoru se skokovým napětím, b) rozběh s proudovým omezením
Motory se speciálně upravenou rotorovou klecí
Zvětšením odporu v obvodu rotoru AM se záběrný moment zvětší a záběrný proud
naopak zmenší. Vhodnou konstrukcí rotorové klece se dosáhne impedance rotorového obvodu
v okamžiku rozběhu několikrát větší než v chodu tj. po ukončení rozběhu, což se projeví
změnou tvaru momentové charakteristiky. Používají se motory s dvojitou klecí a motory
s kotvou vírovou.
a, motory s dvojitou klecí (obr.18)

RRR
R
B
BB
Obr.18. Možné varianty provedení rotorové dvojité klece
Horní klec, tzv. rozběhová (R) je vyrobena z materiálu s větší rezistivitou (např. mosazi)
Spodní klec, tzv. běhová (B) je uložena hluboko v magnetickém obvodu rotoru, má podstatně
větší průřez a je vyrobena z materiálu s menší rezistivitou (měď, hliník). Drážky obou klecí
jsou spojeny úzkou vzduchovou mezerou. Momentová charakteristika motoru s dvojitou klecí
je dána součtem momentových charakteristik obou klecí, jak je vidět na obrázku 19.

M
M
R
M
B
M
R

+ B
n
Obr.19. Momentová charakteristika AM s dvojitou klecí
b, motory s kotvou vírovou (obr.20)

Obr.20. Tvary drážek vírové kotvy
Motory mají v rotoru úzké a hluboké drážky , do nichž jsou uloženy tyče vinutí rotoru
spojené kruhy nakrátko.
Problematika motorů se speciálně upravenou rotorovou klecí je podrobněji popsána v:
Doc.Ing. Jan Smejkal : Elektrotechnika, str.83-84 .
5. Řízení otáček asynchronních motorů
Z rovnice pro skluz AM vyplývá následující vztah pro otáčky motoru :
() ()( )( )snspfs
p
f
snn ,f,,f
S1S1
==−⋅
⋅
=−⋅= 1
60
1
1
Ze vztahu je zřejmé, že otáčky AM lze řídit buď změnou synchronních otáček
(energeticky výhodné) nebo změnou skluzu (energeticky nevýhodné). Příkon motoru je vždy
úměrný těmto otáčkám.
1) řízení otáček změnou skluzu
Je možná u motorů s kotvou kroužkovou a to buď zařazením regulačního rezistoru do
každé fáze vinutí rotoru, což je ovšem nehospodárný způsob řízení otáček a nebo tzv.
podsynchronní kaskádou, která je hospodárným způsobem řízení (viz. např. Doc.Ing. Jan
Smejkal : Elektrotechnika, str.85-86).
2) řízení otáček změnou velikosti napájecího napětí
Změnou velikosti napájecího napětí motoru se mění moment motoru kvadraticky:








+








+⋅⋅
⋅⋅⋅
=
2
2
/
2
11
/
2
2
1
2
3
σ
π X
s
R
Rf
p
s
R
U
M
Tím se mění momentová charakteristika AM a při daném zatěžovacím momentu i otáčky
motoru.Řízení lze realizovat principiálně stejně jako spouštění AM s kotvou nakrátko při
sníženém napětí, je však nevhodné právě pro motory s kotvou nakrátko kde je rozsah řízení
otáček velmi nízký a proto se tento způsob řízení u těchto typů AM používá jen zřídka (např.
pro pohony pracovních mechanismů s ventilátorovou charakteristikou). V širším rozsahu lze
takto regulovat otáčky AM s kotvou kroužkovou se zařazenými přídavnými rezistory do
obvodu rotoru jako tomu je u spouštění těchto motorů.
3) řízení otáček změnou kmitočtu - f
Používá se u motorů s kotvou nakrátko, jedná se o hospodárný způsob řízení otáček.
Schéma je na obr.21.

FU1
~
~
M
3~
3
3
3
KM1
měnič kmitočtu
Obr.21. Řízení otáček asynchronního motoru změnou kmitočtu
Mezi řízený AM a napájecí siť je zapojen trojfázový měnič kmitočtu, který může být
v provedení:
- přímého měniče kmitočtu (cyklokonvertoru)
- nepřímého měniče kmitočtu, který se skládá z usměrňovače (nejčastěji šestipulsního
diodového můstku), stejnosměrného meziobvodu a střídače osazeného bipolárními
tranzistory s izolovaným hradlem ( IGBT ).
Měniče kmitočtu umožňují plynulou změnu výstupního kmitočtu v širokém rozsahu a
tomu odpovídající rychlost AM. Měniče kmitočtu lze řídit dvěma základními způsoby :
a) skalární U ⁄ f řízení, tj. řízení při konstantním poměru napětí a kmitočtu na vstupu AM,
tj. při konstantním magnetickém toku motoru pro kmitočty v rozmezí 0 – 50 Hz. Tvar
momentových charakteristik tím zůstává zachován s tím, že jednotlivé charakteristiky pro
různě velké kmitočty jsou posunuty, jak je vidět na obr.22. Velikost maximálního momentu je
konstantní. V oblasti malých kmitočtů již nelze zajistit konstantní magnetický tok a proto zde
dochází k poklesu momentu. V oblasti kmitočtů vyšších než 50 Hz nelze již dodržet
konstantní poměr U / f , řízení se provádí při konstantním napájecím napětí a proto zde rovněž
dochází k poklesu momentu.
200V/25Hz
100V/12,5Hz
150%
300V/37,5Hz
25% 50% 75% 100%
n
M
400V/50Hz
125%
400V/62,5Hz
400V/75Hz
Obr.22. Průběh momentových charakteristik při skalárním řízení motoru
b) vektorově orientované řízení , tj. s vektorovým řízením magnetického toku, popř. i
momentu, které navíc umožňuje provoz s plným momentem i při nulových otáčkách.
4) řízení otáček změnou počtu pólových dvojic -p
Provádí se buď přepojením statorového vinutí, nebo připojením dalšího vinutí s jiným
počtem pólů. Tím lze dosáhnout pouze skokové změny otáček, protože počet pólů stroje a tím
i pólových dvojic může být pouze celé číslo. Motory musí mít na statoru takové vinutí, jehož
počet pólů lze měnit.
6. Brzdění asynchronních motorů
Brzdění AM se provádí buď proto, aby se dosáhlo rychlého zabrzdění tj. zkrátila doba
doběhu motoru nebo aby se motor brzdil v případech, kdy je poháněn zátěží od poháněného
mechanismu (např. u jeřábů, výtahů, odvíječek, apod.).
Asynchronní motory lze brzdit těmito způsoby :
1) brzdění protiproudem (obr.23) – u motoru běžícího jedním směrem (na obr.23 např.
I.kvadrant, kde M >0 a n>0) se přepojí dvě přívodní fáze (tím se změní směr otáčení točivého
magnetického pole statoru a tím i směr působení momentu tímto polem vyvolaným, obr.23
II.kvadrant, ve kterém M0), motor se začne brzdit a při nulových otáčkách se musí
odpojit od sítě. V opačném případě by se motor roztočil v opačném směru.
Obr.23. Brzdění AM – brzdění protiproudem
2) brzdění dynamické (obr.24) – stator motoru se odpojí od napájecí střídavé sítě a připojí
se na stejnosměrný zdroj, který vytváří stacionární (pevné) magnetické pole, které indukuje do
otáčejícího se rotoru napětí. Rotorovým obvodem začne procházet proud. Magnetickým
polem statoru dochází současně také k silovému působení na obvod rotoru proti směru jeho
otáčení, dochází tedy ke vzniku momentu působícího proti směru otáčení rotoru a motor se tak
brzdí. Na obr.24 jsou momentové charakteristiky pro různě velké brzdné proudy.
Obr.24. Brzdění AM – brzdění dynamické (stejnosměrným proudem)
1 0 1
1000
0
1000
0
M
-M
n
-n
n
S1
-n
S1
1 0 1
0
500
1000
0
M
-M
n
n
S1
I
B1
I
B2
I
B3
I
B1
> I
B2
> I
B3
3) brzdění generátorické (obr.25) – nastává tehdy, jestliže AM pracuje jako generátor, tj.
jestliže jeho mechanické otáčky jsou větší než otáčky synchronní, např. při řízení otáček
motoru změnou počtu pólů přepnutím statorového vinutí ze dvou na čtyři póly, tj. přepnutím
na vyšší počet pólů. Odpovídající momentové charakteristiky jsou na obr. 25, ve kterém
generátorickému brzdění odpovídá část momentové charakteristiky ve druhém kvadrantu
( M< 0, n>0, vyznačeno plnou čarou). Dalšími způsoby docílení generátorického brzdění je
snížení kmitočtu napájecího napětí nebo zvýšení rychlosti AM v důsledku působení aktivního
momentu zátěže.
Tento způsob brzdění nelze použít pro zastavení motoru.
Obr.25. Brzdění AM – brzdění generátorické
7. Jednofázový asynchronní motor
Jednofázové asynchronní motory se používají pro pohony zařízení malých výkonů,
přibližně do výkonu 500 W. Mezi takovéto spotřebiče patří ventilátory, pračky, ledničky,
drobné stroje a ruční nářadí jako malé soustruhy, vrtačky, brusky, atd.
Jestliže připojíme jednofázové střídavé napětí k jednofázovému vinutí statoru vytvoří se
pouze střídavé pulsující magnetické pole, které se však neotáčí a nevzniká tak točivý moment,
který je nutný pro rozběh motoru. Jednofázový AM lze roztočit buď mechanicky a nebo
vytvořením točivého magnetického pole statoru. Pro jeho vytvoření je nutný systém alespoň
dvou fází nebo-li vinutí vzájemně posunutých o 90
0
, kterými musí procházet proudy
vzájemně časově posunuté.
1 0 1
0
500
1000
0
M
-M
n
n
S11
n
S12
2p=2
2p=4
Provedení jednofázových motorů
Jednofázový asynchronní motor s kotvou nakrátko se liší od téhož motoru trojfázového
především v provedení statorového vinutí. Konstrukčně je vinutí statoru provedeno tak, že ve
dvou třetinách drážek statoru je uloženo pracovní vinutí (hlavní fáze) a ve zbývající třetině
vinutí rozběhové (pomocná fáze), které je obvykle paralelně připojeno k vinutí hlavní fáze.
Nezbytný fázový posun se získá buď zapojením kondenzátoru do série s vinutím pomocné
fáze, nebo zvětšením odporu pomocné fáze.
1) jednofázové motory s kondenzátorem v pomocné fázi
Mohou být v následujícím provedení :
- motor s kondenzátorem zapojeným jen při rozběhu (obr. 26a), motor vykazuje velký
záběrný moment, proto jej lze použít pro těžší rozběhy, např.kompresorové
chladničky. Vinutí pomocné fáze se využívá pouze pro vlastní rozběh, po jeho
ukončení se odpojí od napájecí sítě např. odstředivým vypínačem.
- motor s trvale připojeným kondenzátorem (obr.26b), vzhledem k menšímu
záběrnému momentu motoru jej lze použít pro lehčí rozběhy, tj. pro pohony s malým
záběrným momentem zatížení a malými setrvačnými hmotami. Vinutí pomocné fáze
se využívá i při chodu motoru a motor pracuje trvale jako dvojfázový. Výhodou takto
provedeného motoru je jeho klidnější chod, kompenzace (tj.zlepšení) jeho účiníku a
vyšší jmenovitý výkon ve srovnání se stejně velkým motorem s kondenzátorem
zapojeným jen při rozběhu.

C
S
PF
HF
N
L 1
C
PF
HF
N
L 1
a) b)
Obr.26. Schéma zapojení jednofázového motoru s kondenzátorem
a) zapojeným jen při rozběhu, b) trvale připojeným
2) jednofázové motory s odporovou pomocnou fází (obr.27)
K vinutí pomocné fáze se do série zapojí odpor a nebo se vinutí pomocné fáze navine
z mosazi nebo z odporového drátu. Po rozběhu se pomocná fáze odpojí a motor běží pouze na
hlavní fázi. Nevýhodou tohoto zapojení je zhoršení účiníku a účinnosti motoru.Vzhledem
k menšímu záběrnému momentu se používají pro lehké rozběhy, např. ventilátory, odstředivá
čerpadla apod.
Změnu směru otáčení jednofázového AM lze provést přehozením konců vinutí pomocné
nebo hlavní fáze. Otáčky motoru jsou podobně jako u trojfázového AM závislé na kmitočtu
napájecího napětí a na počtu pólů.
Momentová charakteristika jednofázového AM je na obrázku 23, kde jsou srovnány
momentové charakteristiky motoru bez pomocné fáze, s odporovou pomocnou fází a
s rozběhovým kondenzátorem.

M
M
n
M
C
M
R
Obr.27. Momentové charakteristiky jednofázových AM ( M – bez pomocné fáze,
M
R
– s odporovou pomocnou fází, M
C
– s rozběhovým kondenzátorem )