Asynchrónny motor riadený frekvenčným meničom

Asynchrónny motor s prevodovkou riadený frekvenčným meničom je dnes jeden z najpoužívanejších pohonov. Kým v minulosti s ohľadom na jednoduchosť regulácie dominovali v technike riadených pohonov jednosmerné motory, dnes jednoznačne vedú motory asynchrónne. Ich hlavnou výhodou je cena, jednoduchá konštrukcia a hlavne to, že sú bezúdržbové.

Asynchrónny motor riadený frekvenčným meničom

 Asynchrónny motor s prevodovkou riadený frekvenčným meničom je dnes jeden z najpoužívanejších pohonov. Kým v minulosti s ohľadom na jednoduchosť regulácie dominovali v technike riadených pohonov jednosmerné motory, dnes jednoznačne vedú motory asynchrónne. Ich hlavnou výhodou je cena, jednoduchá konštrukcia a hlavne to, že sú bezúdržbové.

Ako funguje asynchrónny motor s kotvou nakrátko ?

 Asynchrónny motor tvoria dve základné čast - stator a rotor.  Kotva asynchrónneho motora s kotvou nakrátko je tvorená spravidla hliníkovou klietkou. Tá je zložená z vodivých tyčí, ktoré sú na koncoch vodivo spojené.

 Stator je sústava elektromagnetov, ktorá po pripojení na sieť vytvorí rotačné magnetické pole.

Pole statora indukuje v tyčiach rotora elektrický prúd, ktorý vytvára  elektromagnetické pole rotora.Elektromagnetické pole rotora unáša rotujúce pole statora. Pole rotora je priťahované poľom statora a snaží sa ho dobehnúť.

Keď sa otáčky rotora približujú k otáčkam rotačného poľa statora, znižuje sa indukovaný prúd rotora a klesá veľkosť jeho magnetického poľa.

Preto musí byť rotor asynchrónneho motora sústavne v sklze za rotačným poľom statora. Z toho vyplýva aj názov - asynchrónny motor.  Nikdy sa neotáča rovnakými otáčkami ako rotačné pole statora, na rozdiel od synchrónneho motora, ktorého rotor sa otáča rovnakými ( synchrónnymi ) otáčkami ako pole statora.

Je nejaká závislosť medzi výkonom, otáčkami a momentom pohonu ?

Závislosť momentu, otáčok a výkonu  vyjadruje vzorec 

kde   P = je výkon motora v kW

 M = je krútiaci moment v Nm

n = sú otáčky rotora za minútu

9550 je prepočítavacia konštan

Toto je základný vzorec riadených pohonov, z ktorého je zrejmé, že moment, výkon a otáčky pohonu, sú vzájomne viazané.

V akom rozsahu pracuje asynchrónny motor riadený frekvenčným meničom?

Regulačný rozsah otáčok asynchrónneho motora riadeného frekvenčným meničom je zvyčajne lepší ako 1 : 10. To znamená, že asynchrónny motor môžeme riadiť bežným frekvenčným meničom od 5 do 50 Hz. Ak to prepočítame pre názornosť na otáčky štvorpólového asynchrónneho motora , pohybujú sa otáčky motora riadeného meničom od 140 ot. / min ( pri 5 Hz ) do 1400 ot. / min ( pri 50 Hz ). Krútiaci moment je v tomto rozsahu otáčok konštantný.

 Vzťah medzi momentom, výkonom a otáčkami vyjadruje vzorec: 

Veľmi často sa stáva, že si konštruktéri projektanti neuvedomujú vzťah medzi momentom a výkonom. Je to zrejme tým, že sa ešte stále vyučuje klasická teória pohonov , kde otáčky nie sú konštantné a riadeným pohonom sa nevenuje dostatočná pozornosť.

Preto uvediem jednoduchý príklad, ako sa mení výkon motora s otáčkami pri štvorpólovom motore výkonu 1,1 kW.

Štítkové parametre motora sú:

nominálny výkon    P = 1,1 kW

nominálny moment M = 7,7 Nm

nominálne otáčky   n = 1 380 ot./ min.

Otáčky motora budú nasledovné:

 pri 5 Hz:         

 pri 25 Hz:       

pri 50 Hz: 

Výkon motora bude nasledovný:

pri 5 Hz:         

pri 25 Hz:       

pri 50 Hz:   

Z hore uvedeného príkladu je vidieť, že výkon sa mení lineárne s otáčkami. Pri návrhu riadeného pohonu preto nie je dôležitý výkon motora, ale krútiaci moment. Riadený pohon vždy navrhujeme na požadovaný krútiaci moment.

Ako vypočítame krútiaci moment ?

Z fyziky vieme, že moment  vypočítame ako súčin sily a ramena, na ktorom pôsobí:

M = F * r,

kde

M         je moment v Nm

F         je sila ( napríklad tiažová v N )

r           je rameno, na ktorom pôsobí sila  v m

Ako je to s momentom asynchrónneho motora pri frekvenciách nižších ako 5 Hz ?

Krútiaci moment motora riadeného frekvenčným meničom je pri frekvenciách nižších  ako 5 Hz závislý od kvality frekvenčného meniča. Pri riadení U/ f  ( skalárnom ) moment pod 5 Hz nebýva garantovaný. Motory riadené frekvenčným meničom s vektorovým riadením v otvorenej regulačnej slučke dosahujú nominálny moment už pri frekvencii okolo 1 Hz a regulačný rozsah je 1 : 100. Vektorové riadenie v uzavretej slučke ( so spätnou väzbou od inkrementálneho snímača otáčok motora ) môže regulačný rozsah zvýšiť až na  1 : 10 000.

Ako je to s krútiacim momentom motora nad 50 Hz ?

Z princípu asynchrónneho motora vyplýva, že rotor na základe  elektromagnetickej indukcie vytvára elektromagnetické pole. Pri skalárnom riadení motora frekvenčným meničom je výstupné napätie meniča závislé od frekvencie. Vyššej frekvencii zodpovedá vyššie napätie. Najlepšie je to vidieť z U/ f charakteristiky meniča.

Zvyšovanie napätia kompenzuje vzájomné pôsobenie elektromagnetického poľa rotora a statora. Pri frekvencii 50 Hz ( pri štandardnom nastavení meniča ) dosiahne frekvenčný menič na výstupe nominálne napätie ( 230 V alebo 400 V ). Ďalšie zvyšovanie napätia už nie je možné. S rastúcou frekvenciou nad 50 Hz sa motor odbudzuje, čo spôsobí znižovanie krútiaceho momentu motora. Motor už nemá konštantný moment, ale  konštantný výkon.