náhled|Největší motor: třífázový asynchronní motor 750W, (druhý největší 25W, dále synchronní motorky z CD přehrávače a stejnosměrný motorek z dětské hračky) Asynchronní motor (též indukční motor) je v elektrotechnice točivý elektrický stroj na střídavý proud, který slouží jako elektromotor, ale i jako elektrický generátor. Asynchronní motor používá pro vznik točivého momentu točivé magnetické pole vznikající ve statoru pro indukci elektrického napětí a proudu v rotoru (přenos energie elektromagnetickou indukcí u motoru s kotvou nakrátko), a proto musí být rychlost mechanických otáček rotoru o něco (o skluz) nižší, než je rychlost točivého magnetického pole statoru. Asynchronní motor ve funkci generátoru má rychlost mechanických otáček rotoru o skluz vyšší. Odtud název asynchronní (tj. nesynchronní). Díky přenosu elektromagnetickou indukcí je vinutí statoru elektricky odděleno od vinutí rotoru. Rotor asynchronního motoru má většinou vinutí ve tvaru klece (kotva nakrátko), nebo vinutou kotvu vyvedenou na tři rotorové kroužky (kroužková kotva).
Třífázový asynchronní motor je nejrozšířenějším elektromotorem na světě, protože je jednoduchý, ekonomický, bezúdržbový, roztáčí se bez dalších pomůcek (ve variantě s kotvou nakrátko při jejich činnosti nevzniká jiskření, takže se hodí do výbušných prostředí, například doly, plynové přístroje apod.). Jednofázové varianty jsou používány pro nižší výkony. Přestože jsou tradičně využívány pro běh v konstantních otáčkách, jsou v současné době pomocí frekvenčních měničů používány i za různých otáček (typicky kvůli úspoře elektrické energie).
Charakteristika Vzhledem k jednoduché konstrukci, robustnosti a možnosti bezjiskrového provedení je tento druh motoru v praxi nejběžnější, je využíván v mnoha oblastech průmyslu, dopravy i v domácnostech. Výkon asynchronních motorů se pohybuje od několika wattů až do několika megawatt. Díky poklesu ceny výkonových polovodičů a řídicích systémů nahrazuje postupně tento druh motoru sériový elektromotor, užívaný zejména v pohonech určených pro elektrickou trakci (kolejová vozidla a trolejbusy). Nové pohony, určené pro trakci, jsou dnes již výlučně realizovány s asynchronním případně synchronním motorem.
Historie První asynchronní motory postavilo nezávisle na sobě několik vynálezců:
V roce 1887 podal Nikola Tesla patent na asynchronní stroj s kotvou nakrátko, 5. května následujícího roku pět dalších patentů. Ve stejném období publikoval Galileo Ferraris pojednání o točivých strojích, které v roce 1885 experimentálně doložil. V roce 1889 přišel Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij s prvním trojfázovým asynchronním motorem s kotvou nakrátko.
Trojfázový asynchronní motor Konstrukce náhled|vlevo|180px|Konstrukce trojfázového asynchronního motoru náhled|Klecový rotor asynchronního motoru (1 − hřídel, 2 − klec se zkratovacími kroužky, 3 − rotorové plechy, 4 − drážky pro přenos točivého momentu).
Každý trojfázový asynchronní motor je složen ze dvou hlavních částí. Stator (pevná část) – je u většiny typů podobný. Je složen z nosné kostry motoru, ložiskových štítů, příruby, patek, svazku statorových plechů se statorovým vinutím vloženým do drážek. Rotor (otočná část) – hřídel s nalisovanými rotorovými (elektrotechnickými) plechy (tzv. dynamoplechy) s drážkami, do kterých jsou vloženy tyče rotorové klece nebo vodiče rotorového vinutí. Této části asynchronního stroje se říká kotva. Kotva nakrátko nebo kotva klecová – v drážkách rotoru jsou vloženy neizolované měděné, mosazné nebo hliníkové tyče, které jsou na obou koncích spojeny zkratovacími kruhy. Tyče spolu s kruhy mají podobu klece (). Klec je svařena nebo odlita vstřikováním hliníku. Kroužková kotva – v drážkách plechů je uloženo vinutí rotoru z izolovaných vodičů, které je zapojeno do hvězdy, do trojúhelníka nebo do V (dvoufázové). Rotorové vinutí je vyvedeno na tři kroužky. Na kroužky dosedá trojice uhlíkových kartáčů, ke kterým lze připojit regulační rotorový obvod, nejčastěji rezistory. Větší motory mívají odklápěč kartáčů se zkratovačem kroužků.
Princip činnosti náhled|180px|Točivé magnetické pole Základem činnosti asynchronního stroje je vytvoření točivého magnetického pole statoru, které vznikne průchodem střídavého trojfázového proudu vinutím statoru. Toto magnetické pole indukuje ve vinutí rotoru napětí a vzniklý proud vinutím rotoru vyvolává magnetický tok, který je spřažen se statorem. Spřažený magnetický tok vyvolá (na principu vodič protékaný proudem v magnetickém poli) silové působení na rotor a tím způsobí otáčení rotoru. Asynchronní motor je zvláštním případem dvouvinuťového transformátoru (primár – stator; sekundár – rotor). Stator má napětí a kmitočet sítě. Kmitočet a napětí na vinutí kotvy – rotoru je funkcí skluzového kmitočtu.
Otáčky elektrického pole statoru Otáčky točivého pole statoru, tj. synchronní otáčky, jsou dány kmitočtem napájecího napětí a počtem pólů motoru.
kde je kmitočet proudu a je počet pólových dvojic – pólpárů statoru a rotoru (tj. : 1 = dvoupólový, 2 = čtyřpólový, 3 = šestipólový, 4 = osmipólový atd.). Většina evropských a asijských elektrických distribučních sítí má jmenovitý kmitočet = 50 Hz, ve kterých má dvoupólový motor 3000 min−1, viz následující tabulka.
+ Otáčky elektrického pole statoruoznačenípočet pólů2p246810121416…30…počet pólpárůp1234567815synchronní otáčkyns [min−1]300015001000750600500428,6375200úhel mezi póly[deg mechanický]120°60°40°30°24°20°17,2°15°8°úhel mezi póly[deg elektrický]120°120°120°120°120°120°120°120°120°120°120°
Skluz náhled|Otáčky rotoru jsou menší než otáčky točivého magnetického pole tvořeného statorem o skluz udávaný v procentech. Asynchronní stroj může dávat na výstupní hřídeli kroutící moment jen tehdy, pokud rychlost otáčení magnetického pole statoru je rozdílná oproti mechanickým otáčkám rotoru. Jedná se o tzv. skluz. Při nenulovém skluzu se magnetický tok statoru spřažený s tokem rotoru pohybuje vůči rotoru, rotorem protéká proměnný (střídavý) spřažený magnetický tok statoru a rotoru, ve vinutí rotoru se indukuje napětí, teče rotorový proud, rotorová část spřaženého magnetického toku stroje je nenulová a vzniká na ní kroutící moment. Kmitočet vinutí statoru je dán kmitočtem sítě. Kmitočet magnetického toku rotoru a na vinutí rotoru je nenulový, je dán skluzem a je rozdílný od kmitočtu, statorového vinutí. Skluz je udáván v procentech a definována jako:
kde jsou „synchronní“ otáčky magnetického pole statoru, jsou mechanické otáčky rotoru. Jmenovité otáčky motoru jsou otáčky se započtením jmenovitého skluzu motoru (oboje je uvedeno na výrobním štítku motoru).
Podle hodnoty skluzu (v procentech) lze rozdělit oblasti práce asynchronního stroje: – generátory, obvyklé meze – motory, obvyklé pracovní meze u strojů s velkým výkonem a do 10 % u strojů s malým výkonem – brzda obvyklé meze
Při nulovém skluzu, tj. při synchronních otáčkách stroje se spřažený magnetický tok statoru a rotoru nepohybuje vůči rotoru, rotorem protéká jen neproměnný = stejnosměrný spřažený magnetický tok vyvolaný jen statorem, ve vinutí rotoru se neindukuje napětí, neteče rotorový proud a nevzniká kroutící moment. Chod ASM v oblasti synchronizmu je v praxi výjimkou. Většinou se jedná o přechod z motorického do generátorického režimu chodu nebo naopak. Při synchronním chodu jsou mechanické ztráty (ložiska, ventilátor) hrazeny výkonem z vnějšího zdroje nebo z akumulované kinetické energie soustavy.
Moment asynchronního motoru Moment běžného asynchronního motoru s kotvou nakrátko je v ustáleném stavu dán tzv. Klossovým vztahem (tento vztah se v dnešní době začíná nahrazovat). Ustálený stav nastává po odeznění přechodových dějů způsobených rychlými změnami zátěže nebo napájení stroje.
kde je maximální moment stroje = momentu zvratu (neplést se jmenovitým) a je skluz zvratu, tj. skluz při maximálním momentu náhled|337x337pixelů|Momentová charakteristika asynchronního motoru pro konstantní napájecí frekvenci.Na svislé ose je stupnice momentu od nuly do maxima.Na vodorovné ose je stupnice skluzu od nuly do 100 %, to odpovídá otáčkám od sychronní rychlosti k nule.Průsečík charakteristiky při skluzu s=1 představuje záběrný moment motoru. Vpravo od něj pokračuje charakteristika jako brzda protiproudem - otáčky mají záporné znaménko.Oblast charakteristiky od skluzu s=1 až za vrchol charakteristiky představuje oblast rozběhu.Vrchol charakteristiky, při skluzu s=0,1, představuje maximální moment motru, tj. moment zvratu.Střední část levé stoupající části charakteristiky znázorňuje pracovní oblast motoru.Vlevo dole pokračuje charakteristika jako asynghronní generátor - moment má záporné znaménko. V běžných provozních stavech, kdy je skluz malý (několik procent), lze Klossův vztah linearizovat zanedbáním nevýznamných členů:
Maximální moment stroje je úměrný druhé mocnině napájecího napětí.
Provozní otáčky asynchronního motoru musí být větší než otáčky při momentu zvratu. Při chodu v oblasti čela (stoupající části) momentové chrakteristiky dochází vlastně jen k rozběhu motoru a odběru velkého proudu, který při dlouhodobém chodu tepelně poškodí vinutí motoru. Normální provoz motoru je v oblasti jmenovitých otáček, které se nachází v týlu (klesající části) momentové charakteristiky, za momentem zvratu, v oblasti s malým skluzem.
Spouštění náhled|250px|Druhy kotev s dvojitou klecí Při spouštěni asynchronního motoru s kotvou nakrátko je záběrový proud až 7× vyšší než hodnota nominálního proudu. Tím v síti vznikají velké proudové rázy při poměrně malém záběrovém momentu. Proto je přímé spouštění zpravidla používáno jen pro motory s výkonem přibližně do 3 kW.
Motor s kotvou nakrátko Zmenšení velkého rozběhového proudu lze u asynchronního motoru docílit snížením rozběhového napětí statoru, nebo zvětšením impedance rotoru nebo tvarem rotorové klece. Regulace napětí, změna impedance rotoru nebo tvar klece nemění rychlost otáčení magnetického pole motoru (tj. synchronní otáčky), mění skluz motoru. Snížením napětí statoru dosáhneme snížení velikosti proudu ve statoru a tím i v rotoru. Kroutící moment na výstupní hřídeli klesá s obrácenou hodnotou čtverce napětí. Viz přepínač Y/D. Proto je toto spouštění vhodné pro odlehčený motor nebo motor bez zátěže.
Nejčastěji používané metody snížení rozběhového napětí jsou: Statorový spouštěč – Do série se statorovým vinutím jsou zapojeny omezovací impedance (často jen rezistory), které jsou během spouštění postupně vyřazovány. Pro omezení ztrát na rezistorech jsou do spouštěcího obvodu zařazovány předřadné impedance – cívky, které (i když jen krátkodobě) zhoršují účiník odebíraného proudu. Tento způsob je vhodný pro jemný záběr motoru, který je při rozběhu málo zatížen. Rozběhové transformátory – Do série se statorovým vinutím jsou zapojeny spouštěcí transformátory snižující rozběhové napětí a tím i rozběhový proud. Z ekonomických důvodů se nejčastěji používají autotransformátory. Při spouštění lze autotransformátor krátkodobě i přetížit, neboť ihned po rozběhnutí motoru je odpojen ze sítě. Tento způsob rozběhu se používá hlavně pro motory velkých výkonů. náhled|Svorkovnice asynchronního motoru zapojená do hvězdy a do trojúhelníka.Přepínač hvězda–trojúhelník Y/D – Statorové vinutí motoru je při rozběhu spojeno do hvězdy (označované Y), po ukončení rozběhu je vinutí přepojeno do trojúhelníku (označované D). Pro třífázovou soustavu 400/230 V a pro jmenovité napětí cívky statoru 400 V plati: Napětí cívky při rozběhu je zmenšeno na , to odpovídá 230 V. V tomto poměru (0,577) klesne odebíraný proud, ale výkon klesne na . Cívka je po ukončení rozběhu a přepnuta do D, to odpovídá 400 V. Rozběh Y/D se může použít jen pokud je motor při rozběhu odlehčen. Přepínáním Y/D se nemění rychlost otáčení motoru, mění se skluz motoru.