Synchronní a asynchronní motor: rozdíly, princip činnosti, použití

Nejběžnější elektromotory jsou třífázové stroje na střídavý proud. Existují dva typy – asynchronní a synchronní. Tento článek vysvětluje podobnosti a rozdíly mezi oběma typy strojů a rozsah jejich použití.

Princip činnosti a konstrukce různých typů elektrických strojů

Asynchronní a synchronní elektromotory jsou podobné konstrukce, ale existují také rozdíly.

Konstrukce a princip činnosti asynchronních elektromotorů

• Skříň s ložiskovými štíty a patkami nebo přírubou.
• Pouzdro obsahuje magnetický obvod z železných plátů s vinutím. Tento magnetický obvod se nazývá stator.
• Hřídel s ložisky a magnetickým jádrem. Tato struktura se nazývá rotor. U elektromotorů s rotorem nakrátko obsahuje magnetický obvod vzájemně propojené hliníkové tyče; U strojů s vinutým rotorem se místo tyčí navíjejí vinutí.

Ve statorových štěrbinách jsou navinuta tři vinutí s přesazením 120°. Při zapojení do třífázové sítě se ve statoru indukuje točivé magnetické pole. Rychlost otáčení se nazývá „synchronní rychlost“.

Odkaz! U jednofázových elektromotorů je točivé pole vytvářeno přídavným vinutím nebo konstrukčními prvky statoru.

Toto pole indukuje EMF v rotoru a výsledný proud vytváří své vlastní pole, interaguje s polem statoru a uvádí jej do pohybu. Otáčky rotoru jsou menší než synchronní otáčky. Tento rozdíl se nazývá skluz.

Skluz se vypočítá pomocí vzorce S=(n1-n2)/n1*100 %, kde: · n1 – synchronní rychlost; · n2 — rychlost otáčení rotoru.

míra prokluzu u konvenčních elektromotorů je 1-8%. Se zvyšujícím se zatížením hřídele motoru se zvyšuje skluz a kroutící moment na kritickou hodnotu, po jejímž dosažení se motor zastaví.

U elektromotorů s vinutým rotorem jsou ve štěrbinách rotoru navinuta místo klece nakrátko tři vinutí. Jsou připojeny k přídavným odporům prostřednictvím sběracích kroužků a kartáčů. Tyto odpory omezují proud a magnetické pole v rotoru. To zvyšuje prokluz a snižuje otáčky motoru.

Taková zařízení se používají pro těžké startování a v zařízeních s proměnnou regulací rychlosti, například v mostových jeřábech.

Princip činnosti synchronních elektromotorů

Tyto motory jsou složitější a dražší než asynchronní stroje. Jejich výhodou je konstantní rychlost otáčení, která se nemění se zatížením.

Stator synchronního stroje se neliší od asynchronního. Rozdíl je v rotoru. Na rozdíl od asynchronního motoru se rotace provádí v důsledku interakce rotujícího magnetického pole statoru a konstantního pole rotoru. Pro jeho vytvoření jsou v rotoru elektromagnety. Napětí je do cívek přiváděno pomocí sběracích kroužků a grafitových kartáčů.

Odkaz! V rotoru synchronních strojů s nízkým výkonem jsou místo elektromagnetů instalovány permanentní magnety nebo má magnetický obvod jednoduše výrazné póly. Nedochází k prokluzu jako u asynchronních strojů a rychlost otáčení je dána pouze frekvencí napájecího napětí.

Startování elektromotorů

Asynchronní elektrické stroje o výkonu do 30-50 kW jsou spouštěny přímým přívodem elektrické energie. U vysoce výkonných motorů a synchronních strojů je situace složitější.

Spouštění vysokovýkonných asynchronních motorů

Ke spuštění takových strojů se používají různé metody:

• Zahrnutí dalších odporů do obvodu statoru. Omezují rozběhový proud a po zrychlení jsou zkratovány startérem.
• V zařízeních určených pro provoz v síti s fázovým napětím 660 voltů jsou vinutí v síti 380 voltů zapojena do trojúhelníku. Během startu se přepnou na hvězdu.
• U elektrických strojů s vinutým rotorem jsou v obvodu rotoru zahrnuty dodatečné odpory pro rozběh. Po zrychlení se zkratují.
• Pokud existuje regulace otáček, přepínáním vinutí nebo změnou frekvence se motor zapne na minimální otáčky. Po spuštění rotace se rychlost zvýší.

Spouštění synchronních elektrických strojů

Na rozdíl od asynchronních strojů, které jsou spouštěny interakcí statorového pole a vinutí nebo klece rotoru, musí být synchronní stroj nejprve urychlen na otáčky blízké synchronním.

• Použití přídavného asynchronního motoru. Takto se startují stroje s permanentními magnety v rotoru. Když se otáčky blíží synchronním, asynchronní stroj se vypne a napětí je přivedeno na stator synchronního motoru.
• Asynchronní start. Kromě elektromagnetu obsahuje rotor „klec na veverku“. S jeho pomocí se zařízení zrychlí, načež se na vinutí přivede konstantní napětí a motor začne pracovat jako synchronní.
• Vinutí rotoru se zkratuje přímo nebo přes přídavný odpor. Po zrychlení je jim přiváděno konstantní napětí.
• Pomocí TFC (tyristorového frekvenčního měniče) frekvence napájecího napětí a otáčky plynule stoupají na jmenovitou. Tato metoda se používá u mechanismů s proměnnou regulací otáček.

Vlastnosti a použití různých typů elektromotorů

Každý typ motoru má oproti ostatním výhody a nevýhody. To určuje rozsah jejich použití. Použití různých typů elektrických strojů závisí na jejich konstrukčních vlastnostech a principu činnosti.

Výhody a použití asynchronních elektromotorů

Tyto stroje mají oproti synchronním strojům výhody:

• jednoduchost designu a nízká cena; zařízení s navinutým rotorem umožňují nastavit rychlost otáčení a provádět měkký start bez použití frekvenčních měničů;
• širokou škálu výkonů – od několika wattů až po desítky kilowattů.

Kromě výhod existují nevýhody:

• pokles rychlosti otáčení se zvyšujícím se zatížením;
• nižší účinnost a větší rozměry než u synchronních zařízení stejného výkonu;
• Kromě činného výkonu spotřebovávají taková zařízení jalový (indukční) výkon, což vede k nutnosti instalovat kompenzátory nebo dodatečně platit za jalovou elektřinu.

Takové stroje se používají téměř všude tam, kde je potřeba pohánět mechanismus a je zde třífázové napětí 380 voltů.

Aplikace synchronních strojů

• Úprava změnou budícího proudu cos φ. To umožňuje snížit spotřebu proudu, rozměry a průřez přívodního kabelu a také zvýšit účinnost. Kromě toho se taková zařízení používají jako kompenzátory jalového výkonu.
• Méně citlivé na kolísání napětí a mají větší přetížitelnost, zejména na rázové zatížení. Schopnost překročit výkon je zvýšena přebuzením vinutí rotoru. Díky tomu se takové motory používají v bagrech, gilotinových nůžkách a dalších podobných mechanismech.
• Rychlost otáčení se při změně zatížení nemění. Proto se synchronní stroje používají v přesných obráběcích strojích v metalurgii, strojírenství a dřevozpracujícím průmyslu.

Klasikou jsou atmosférické spalovací motory. Existují ale jednotky s přeplňováním turbodmychadlem, přímým, nepřímým a nepřímým vstřikováním. Benzín a nafta jsou dalším velkým předělem. Takovou klasifikaci lze rozvíjet velmi dlouho, ale o tom teď ve skutečnosti nemluvíme. Elektromobily totiž také využívají širokou škálu motorů, což si ne každý uvědomuje. Důvod jeho výskytu je velmi jednoduchý – ideální jednotka ještě nebyla vynalezena. Každá možnost má své silné a slabé stránky, na které se výrobci zaměřují. Pouze oni rozhodují, který z nich si vyberou a vyvinou ho podle inženýrských schopností.

Telegramový kanál tvůrce Trashboxu o technologii

Obecná struktura elektrické dopravy

Moderní elektromobily používají různé typy střídavých motorů. Než však přejdeme k jejich rozdílům, je důležité porozumět obecné struktuře výbavy – na příkladu BMW i3. Prostřednictvím zásuvky (1) se elektrické vozidlo nabíjí střídavým proudem. Protože baterie (6) ukládá energii ve formě konstantního napětí, proud je usměrněn (2) a vstupuje do něj až poté. Trakční elektromotor (3) je však napájen střídavým proudem, takže mezi ním a silovými prvky je střídač a také řídicí systém (4). V závislosti na modelu se používá také pomocná zařízení – v tomto případě: elektrický kompresor pro chladicí systém (5) a systém ohřevu baterie (7). To vše dohromady se nazývá elektrický pohonný systém.

Zjednodušené schéma fungování elektromobilu na příkladu BMW i3

Klasický asynchronní elektromotor

Asynchronní elektromotor není novinkou. Vynalezli jej téměř současně dva nezávislí výzkumníci: Nikola Tesla a Galileo Ferrari. Zdá se, že první byl ve skutečnosti Ital, který jej vynalezl v roce 1885. Ale v právním smyslu se Tesla stal vítězem tohoto nevysloveného závodu – patentoval vynález v roce 1888. Takový úspěch se ukázal být jednou z nejvýznamnějších událostí své doby – ovlivňuje životy každého z nás dodnes. Je obecně velmi obtížné si představit každodenní život bez asynchronních elektromotorů. Používají se v mnoha domácích spotřebičích a aktivně se používají i v průmyslu.

Všechny elektromotory se skládají ze dvou základních částí. Statický se nazývá stator, rotační rotor. U asynchronního motoru je stator magnetický obvod vyrobený z plechů z elektrooceli, s drážkami, ve kterých jsou uložena měděná vinutí. Jsou napájeny třífázovým střídavým proudem, který se přeměňuje ze stejnosměrného proudu uloženého v baterii. Obecně může být rotor klecový nebo fázový. V každém případě rotující magnetické pole vytvořené ve statoru indukuje elektromotorickou sílu v rotoru a v důsledku toho další magnetické pole.

Magnetické pole v rotoru zaostává za magnetickým polem ve statoru. Mezi nimi vzniká síla, která roztáčí pohyblivou část elektromotoru. Říká se tomu Lorentzova síla. Pohyb rotoru se přenáší na systém redukce síly (obdoba převodovky u aut se spalovacím motorem) a dopadá na kola elektromobilu.

Tento typ elektromotoru se nazývá asynchronní právě kvůli rozdílu v rychlosti magnetických polí, která se tvoří na statoru a rotoru. Když řidič sešlápne pedál plynu, magnetické pole rotoru zaostává za statorem. Jinými slovy, magnetický krtek rotující na statoru táhne za sebou rotor, ve kterém je indukováno magnetické pole. Když vozidlo zpomalí, motor funguje jako generátor – v tomto případě rotující magnetické pole rotoru předběhne podobnou sílu ve statoru. Tento rozdíl mezi rychlostí otáčení magnetického pole a rotoru se nazývá skluz. Díky ní dostal asynchronní motor své jméno.

Asynchronní elektromotor Mercedes-Benz EQC 400 | AutoMoto příběh

Typická účinnost třífázového indukčního motoru používaného v automobilovém průmyslu dosahuje 90 %. Vzhledem k maximální pevnosti, extrémní jednoduchosti, neuvěřitelné odolnosti a nízkým nárokům na materiály se asynchronní motory používají výhradně v průmyslu. Asynchronní motory mají relativně nízký rozběhový moment. Kvůli snadnému startování a regulaci se však takové elektrárny často používají k pohonu předních kol elektromobilů s pohonem všech kol.

⊗ Modely:

• Mercedes-Benz EQC;
• SUV Audi e-Tron;
• mnoho modelů koncernu VW (na přední nápravě);
• Tesla Model S, 3, X a Y (na přední nápravě).

⊕ Pro:

• poměrně slušná účinnost;
• nízké výrobní náklady;
• není potřeba materiálů vzácných zemin.

⊖ Nevýhody:

• vysoká potřeba chlazení;
• nízký výkon na velikost;
• co do účinnosti zaostává za ostatními elektromotory.

Synchronní motor s permanentním magnetem

Zásadní rozdíl mezi asynchronními a synchronními motory vyplývá již z názvu – magnetická pole se v synchronním motoru točí vždy stejnou frekvencí. Synchronní motory se dodávají s různými rotory. V případě motoru s permanentními magnety jsou to právě ony, kdo vytváří magnetické pole v rotoru. Synchronní elektromotory s permanentními magnety mají vlastní točivé magnetické pole, které je vytvářeno právě těmito magnety (jsou umístěny v rotoru). Vlastně odtud název tohoto typu pohonných jednotek. Rotující magnetická pole rotoru a statoru u takových elektromotorů jsou synchronizována a notoricky známý skluz, který je vlastní asynchronním jednotkám, zde není přítomen.

Permanentní magnety v rotoru jsou klíčovým prvkem, který umožňuje zmenšit velikost elektromotoru z hlediska výkonu. Tím se výrazně zvyšuje účinnost celé elektrárny jako celku. Vysoký výkon s minimálními rozměry umožňuje použití synchronních elektromotorů v hybridních vozidlech, které jsou extrémně omezené ve volném prostoru kvůli použití spalovacích motorů, převodovek a dalších souvisejících komponent. Mimochodem, v tomto případě je v převodovce obvykle instalována přídavná pohonná jednotka.

Synchronní elektrárna Hyundai Ioniq 5 | Modely aut Chevy

Každý synchronní motor má však vlastnosti, které vyplývají z principu činnosti. Pro rozběh takového motoru je nutné přivádět do rotoru střídavý proud s rostoucí frekvencí, od 1 Hz do jmenovité hodnoty (frekvenční spouštění). To vyžaduje další vybavení, naštěstí s rozvojem výkonové polovodičové technologie s tím nejsou žádné problémy. Také elektrický motor s permanentními magnety je obtížnější regulovat, protože je nemožné snížit nebo zvýšit pole z permanentních magnetů.

Permanentní magnety pro synchronní elektromotory jsou vyráběny z materiálů vzácných zemin, jejichž těžbu kontroluje především Čína. Globální komunita má otázky ohledně etických aspektů tohoto procesu, takže mnoho předních výrobců vozidel se snaží minimalizovat používání takových komponent ve svých vozidlech. To však nesnižuje účinnost synchronních motorů s permanentními magnety. Podle tohoto ukazatele dosahuje 94–95 %. Pokud je elektrické vozidlo navrženo pro použití s ​​jedním hnacím ústrojím, obvykle se volí synchronní varianta.

⊗ Modely:

• Hyundai Ioniq 5;
• Kia EV6;
• Porsche Taycan;
• Jaguar i-pace;
• sportovní vůz Audi e-tron GT;
• mnoho modelů koncernu VW (na zadní nápravě);
• Tesla Model S, 3, X a Y (na zadní nápravě).

⊕ Pro:

• maximální účinnost;
• nízký požadavek na chlazení;
• vysoký výkon na velikost.

⊖ Nevýhody:

• vysoké výrobní náklady;
• teoretické nebezpečí demagnetizace.

Synchronní elektromotor s budícím vinutím

Synchronní motory s permanentními magnety poskytují nejvyšší účinnost. Je však důležité pochopit, že jejich výroba vyžaduje materiály vzácných zemin. To na jedné straně výrazně zvyšuje konečné náklady na samotnou elektrárnu. Na druhou stranu vyvolává nechtěné etické otázky, které jsou pro mnohé špičkové výrobce elektromobilů nepřijatelné. K odstranění materiálů vzácných zemin používají někteří prodejci, včetně BMW, Renault a Smart, synchronní elektromotory s budícím vinutím.

Komponenty hnacího ústrojí BMW iX3 | Zcela EV

Rotor takového synchronního stroje neobsahuje permanentní magnety, ale ocelové magnetické jádro a měděné vinutí. Je na ně aplikováno konstantní napětí, jehož výsledkem je magnetické pole. K napájení napětí se používají kartáče, které kloužou po kroužcích. Účinnost takových motorů dosahuje 93 %. Zvláštnost spojená s frekvenčním spouštěním zůstává. Elektromotor s budicím vinutím se však oproti motoru s permanentním magnetem mnohem snáze reguluje, a to i změnou magnetického pole na rotoru. Takové elektromotory se zdají být nejslibnější, ale použití kartáčů jasně naznačuje potřebu další výměny. Nevyhnutelně se opotřebovávají, takže v jednom „báječném“ okamžiku budete muset nainstalovat nové. Kdy se tak stane, je nezodpovězená otázka. Vše závisí na spolehlivosti, kterou značky regulují.

⊗ Modely:

• BMW iX3, iX, i4;
• Renault Megane E-TECH;
• SMART EQ.

⊕ Pro:

• nejvyšší účinnost;
• relativně nízké náklady;
• žádné riziko demagnetizace;

⊖ Nevýhody:

• přítomnost kartáčů a kroužků, které se časem opotřebovávají.