Který motor je výkonnější: synchronní nebo asynchronní?

Elektromotor je mechanismus, který přeměňuje energii elektrického proudu na kinetickou energii. Je těžké si představit moderní výrobu a každodenní život bez elektricky poháněných strojů. Používají se v čerpacích zařízeních, ventilačních a klimatizačních systémech, elektrických vozidlech, průmyslových strojích různých typů atd.

Při výběru elektromotoru se musíte řídit několika základními kritérii:

• druh elektrického proudu napájejícího zařízení;
• výkon elektromotoru;
• způsob provozu;
• klimatické podmínky a další vnější faktory.

Obsah

1. Typy motorů
2. DC a AC motory
3. Synchronní elektromotory
4. Asynchronní motory
5. Ventilové motory
6. Výkon elektromotoru
7. Startovací proud motoru
8. Provozní režimy elektromotorů
9. Klimatické verze elektromotorů
10. Energetická účinnost
11. Rozdíl mezi asynchronním motorem a synchronním motorem
12. Nevýhody a výhody motorů
13. Synchronní motory
14. Indukční motor

Typy motorů

DC a AC motory

V závislosti na použitém elektrickém proudu se motory dělí do dvou skupin:

Stejnosměrné motory se dnes nepoužívají tak často jako dříve. Prakticky byly nahrazeny asynchronními motory s rotory nakrátko.

Hlavní nevýhodou stejnosměrných elektromotorů je, že je lze provozovat pouze se stejnosměrným zdrojem nebo měničem střídavého proudu na stejnosměrný proud. V moderní průmyslové výrobě vyžaduje zajištění tohoto stavu dodatečné finanční náklady.

S významnými nevýhodami se však tento typ motoru vyznačuje vysokým rozběhovým momentem a stabilním provozem za podmínek vysokého přetížení. Pohony tohoto typu se nejčastěji používají v metalurgii a konstrukci obráběcích strojů a instalují se na elektromobily.

Princip činnosti střídavých elektromotorů je založen na elektromagnetické indukci, ke které dochází při pohybu vodivého média v magnetickém poli. K vytvoření magnetického pole se používají vinutí obtékající proudy nebo permanentní magnety.

Střídavé elektromotory se dělí na synchronní a asynchronní. Každá podskupina má svůj vlastní design a provozní vlastnosti.

Synchronní elektromotory

Synchronní motory jsou optimálním řešením pro zařízení s konstantními provozními otáčkami: DC generátory, kompresory, čerpadla atd.

Technické vlastnosti synchronních elektromotorů různých modelů se liší. Rychlost otáčení se pohybuje od 125 do 1000 ot./min., výkon může dosáhnout 10 tisíc kW.

Konstrukce pohonů zahrnuje vinutí nakrátko na rotoru. Jeho přítomnost umožňuje asynchronní startování motoru. Mezi výhody zařízení tohoto typu patří vysoká účinnost a malé rozměry. Provoz synchronních elektromotorů umožňuje snížit ztráty elektřiny v síti na minimum.

Asynchronní motory

Asynchronní střídavé motory se nejvíce používají v průmyslové výrobě. Charakteristickým rysem těchto pohonů je vyšší frekvence otáčení magnetického pole ve srovnání s rychlostí otáčení rotoru.

Moderní motory používají k výrobě rotoru hliník. Nízká hmotnost tohoto materiálu umožňuje snížit hmotnost elektromotoru a snížit náklady na jeho výrobu.

Účinnost asynchronního motoru klesá při provozu při nízké zátěži téměř na polovinu – až 30-50 procent jmenovité hodnoty. Další nevýhodou takových elektrických pohonů je, že parametry rozběhového proudu jsou téměř třikrát vyšší než provozní parametry. Pro snížení startovacího proudu asynchronního motoru se používají frekvenční měniče nebo softstartéry.

Asynchronní motory splňují požadavky různých průmyslových aplikací:

• Pro výtahy a další zařízení vyžadující stupňovité změny rychlosti se vyrábí vícerychlostní asynchronní pohony.
• Při obsluze navijáků a kovoobráběcích strojů se používají elektromotory s elektromagnetickým brzdným systémem. To je způsobeno nutností zastavit pohon a opravit hřídel v případě výpadku proudu nebo zmizení.
• V procesech s pulzujícím zatížením nebo v přerušovaných režimech lze použít asynchronní elektromotory se zvýšenými kluznými parametry.

Ventilové motory

Skupina ventilových elektromotorů zahrnuje pohony, u kterých je provozní režim řízen pomocí ventilových měničů.

Mezi výhody tohoto zařízení patří:

• Vysoká životnost.
• Snadná údržba díky bezdotykovému ovládání.
• Vysoká přetížitelnost, která je pětinásobkem rozběhového momentu.
• Široký rozsah regulace otáček, který je téměř dvojnásobný oproti asynchronním elektromotorům.
• Vysoká účinnost při jakémkoli zatížení – více než 90 procent.
• Malá velikost.
• Rychlá návratnost.

Výkon elektromotoru

Velké množství mechanismů pracuje v režimu konstantního nebo mírně se měnícího zatížení: ventilátory, kompresory, čerpadla a další zařízení. Při výběru elektromotoru se musíte zaměřit na výkon spotřebovaný zařízením.

Výkon lze určit výpočtem pomocí níže uvedených vzorců a koeficientů.

Výkon na hřídeli elektromotoru je určen následujícím vzorcem:

kde:
Рм – energie spotřebovaná mechanismem;
ηп – účinnost přenosu.

Jmenovitý výkon elektromotoru je vhodné volit větší, než je vypočtená hodnota.

Vzorec pro výpočet výkonu elektromotoru pro čerpadlo

kde:
K3 – bezpečnostní faktor, je roven 1,1-1,3;
g – zrychlení volného pádu;
Q – výkon čerpadla;
H – výška zdvihu (vypočtená);
Y – hustota kapaliny čerpané čerpadlem;
ηus – účinnost čerpadla;
ηп – účinnost přenosu.

Tlak čerpadla se vypočítá podle vzorce:

Vzorec pro výpočet výkonu elektromotoru pro kompresor

Výkon pístového kompresoru lze snadno vypočítat pomocí následujícího vzorce:

kde:
Q – výkon kompresoru;
ηk – ukazatel účinnosti pístového kompresoru (0,6-0,8);
ηп – účinnost přenosu (0,9-0,95);
K3 – bezpečnostní faktor (1,05 -1,15).

Hodnotu A lze vypočítat pomocí vzorce:

nebo to vezmi ze stolu

p2, 10 Pa	3	4	5	6	7	8	9	10
A, 10-3 J/m³	132	164	190	213	230	245	260	272

Vzorec pro výpočet výkonu motoru pro ventilátory

kde:
K3 – bezpečnostní faktor. Jeho hodnoty závisí na výkonu motoru:

• do 1 kW – koeficient 2;
• od 1 do 2 kW – koeficient 1,5;
• 5 kW a více – koeficient 1,1-1,2.

Q – výkon ventilátoru;
H – výstupní tlak;
ηv – účinnost ventilátoru;
ηп – účinnost přenosu.

Uvedený vzorec se používá pro výpočet výkonu axiálních a radiálních ventilátorů. Účinnost odstředivých modelů je 0,4-0,7 a účinnost axiálních ventilátorů je 0,5-0,85.

Zbývající technické charakteristiky nutné pro výpočet výkonu motoru naleznete v katalozích pro každý typ mechanismu.

POZOR! Při výběru elektromotoru by měla být rezerva chodu, ale měla by být malá. S výraznou výkonovou rezervou klesá účinnost pohonu. U střídavých motorů to také vede ke snížení účiníku.

Startovací proud motoru

Znáte-li typ a jmenovitý výkon elektromotoru, můžete vypočítat jmenovitý proud.

Jmenovitý proud stejnosměrných motorů

Jmenovitý proud třífázových střídavých motorů

kde:
PH – jmenovitý výkon elektromotoru;
UH je jmenovité napětí elektromotoru,
ηH – účinnost elektromotoru;
cosfH je účiník elektromotoru.

Hodnoty jmenovitého výkonu, napětí a účinnosti naleznete v technické dokumentaci konkrétního modelu elektromotoru.

Znáte-li hodnotu jmenovitého proudu, můžete vypočítat startovací proud.

Vzorec pro výpočet rozběhového proudu elektromotorů

kde:
IH – hodnota jmenovitého proudu;
Кп – stejnosměrný proud násobek jmenovité hodnoty.

Startovací proud musí být vypočten pro každý motor v obvodu. Se znalostí této hodnoty je snazší vybrat typ jističe pro ochranu celého obvodu.

Provozní režimy elektromotorů

Provozní režim určuje zatížení elektromotoru. V některých případech zůstává prakticky nezměněn, v jiných se může změnit. Při výběru motoru je třeba vzít v úvahu charakter předpokládaného zatížení. Současné normy umožňují následující provozní režimy:

Režim S1 (kontinuální). V tomto provozním režimu zůstává zátěž konstantní po celou dobu, dokud teplota elektromotoru nedosáhne požadované hodnoty. Výkon pohonu se vypočítá pomocí výše uvedených vzorců.

Režim S2 (krátkodobý). Při provozu v tomto režimu nedosahuje teplota motoru při jeho zapnutí ustálené hodnoty. Během odstávky se elektromotor ochladí na okolní teplotu. Při krátkodobém provozu je nutné kontrolovat přetížitelnost elektropohonu.

Režim S3 (periodicky-krátkodobě). Elektromotor pracuje s periodickým vypínáním. Během doby zapínání a vypínání nestihne jeho teplota dosáhnout nastavené hodnoty nebo se ochladit na okolní teplotu. Při výpočtu výkonu motoru je třeba vzít v úvahu délku přestávek a ztrát v přechodných obdobích. Při výběru elektromotoru je důležitým parametrem přípustný počet startů za jednotku času.

Režimy S4 (periodicky krátkodobě, s častými starty) a S5 (periodicky-krátkodobě s elektrickým brzděním). V obou případech je provoz motoru uvažován podle stejných parametrů jako v provozním režimu S3.

Režim S6 (periodicky-kontinuální s krátkodobou zátěží). Provoz elektromotoru v tomto režimu zahrnuje provoz pod zatížením, střídavě s volnoběhem.

Režim S7 (přerušovaně-kontinuálně s elektrickým brzděním)

Režim S8 (periodicky-kontinuálně se současnými změnami zatížení a rychlosti otáčení)

Režim S9 (režim s neperiodickými změnami zatížení a rychlosti otáčení)

Většina modelů moderních elektrických pohonů, které jsou v provozu již dlouhou dobu, je přizpůsobena měnícím se úrovním zatížení.

Klimatické verze elektromotorů

Při výběru elektromotoru se berou v úvahu nejen jeho technické vlastnosti, ale také podmínky prostředí, ve kterých bude provozován.

Moderní elektrické pohony jsou k dispozici v různých klimatických verzích. Kategorie jsou označeny odpovídajícími písmeny a čísly:

• У – modely pro použití v mírném podnebí;
• HL – elektromotory přizpůsobené chladnému klimatu;
• TC – verze pro suché tropické klima;
• ТВ – verze pro vlhké tropické klima;
• Т – univerzální verze pro tropické klima;
• О – elektromotory pro provoz na zemi;
• М – motory pro provoz v mořském klimatu (studené a mírné);
• В – modely, které lze použít v jakékoli oblasti na souši i na moři.

Čísla v nomenklatuře modelu označují typ jeho umístění:

• 1 – možnost provozu na otevřených prostranstvích;
• 2 – instalace v místnostech s volným přístupem vzduchu;
• 3 – provoz v uzavřených dílnách a prostorách;
• 4 – použití v průmyslových a jiných prostorách se schopností regulace klimatických podmínek (dostupnost větrání, vytápění);
• 5 – verze určené pro provoz v prostorách s vysokou vlhkostí, s vysokou tvorbou kondenzátu.

Energetická účinnost

Efektivní spotřeba energie při zachování vysokého výkonu snižuje průběžné provozní náklady a zároveň zvyšuje výkon motoru. Při výběru pohonu je proto třeba zohlednit třídu energetické účinnosti.

Technická dokumentace a katalogy musí uvádět třídu energetické účinnosti motoru. Záleží na ukazateli účinnosti.

Experimentální studie provedené v testovacích a provozních režimech ukazují, že 55 kW elektromotor třídy vysoké energetické účinnosti snižuje spotřebu elektřiny o 8-10 tisíc kW ročně.

Hlavním úkolem elektromotoru je přeměna elektrické energie na mechanickou energii. Elektromotory se dnes vyrábějí jak na stejnosměrný, tak na střídavý proud. Mezi střídavými motory jsou v čele asynchronní a synchronní motory. Asynchronní motory malého a středního výkonu patří do skupiny nejčastěji používaných elektromotorů. Jsou široce používány jak v průmyslu, tak v domácích spotřebičích.

V průmyslu se nejčastěji používají třífázové asynchronní motory. Používají se např. v energetice – jako pohony pro pomocné potřeby elektráren, ve stavebnictví, v dopravě, ve veřejných službách – jako pohony vodárenských čerpadel apod.

Rozdíl mezi asynchronním motorem a synchronním motorem

Vzhledově jsou si vzhledově podobné, někdy ani specialista vnějšími znaky nerozezná synchronní elektromotor od asynchronního. Oba elektromotory mají pevný stator, sestávající z vinutí (cívek), které jsou uloženy v drážkách jádra z plechů z elektrooceli, a pohyblivého rotoru. Funkce těchto typů elektromotorů je navíc stejná – vytváření točivého magnetického pole statoru.

Rotor synchronního motoru má nezávisle napájené budicí vinutí. Stator synchronního a asynchronního motoru jsou uspořádány stejně, funkce je v každém případě stejná – vytvoření točivého magnetického pole statoru.

Otáčky indukčního motoru při zatížení vždy zaostávají za rotací magnetického pole statoru o velikost skluzu, zatímco otáčky synchronního motoru se frekvenčně rovnají “otáčkám” magnetického pole statoru. A proto má asynchronní motor takový parametr – jako KLUZOVÝ – rozdíl mezi rychlostmi otáčení rotoru a rotujícím magnetickým polem ve statoru. U synchronního elektromotoru je rychlost rotoru vždy rovna frekvenci otáčení elektromagnetického pole.

Tyto dva typy motorů mají různé aplikace: synchronní motory mají mnohem větší výkon a užitečné zatížení, ale jsou dražší a složitější. A proto jsou asynchronní motory žádané tam, kde jsou jejich charakteristiky dostatečné, protože jsou levnější a jednodušší na výrobu.

Nevýhody a výhody motorů

Synchronní motory

Synchronní motory mají poměrně složitou konstrukci kvůli přítomnosti sestavy kartáčů. Kromě toho vyžadují k provozu další stejnosměrný zdroj. Další nevýhodou je nemožnost jejich provozu v podmínkách častých startů a zastavení. To vše je však kompenzováno vysokým výkonem, vysokou účinností, odolností proti poklesům napětí v napájecí síti a stabilními otáčkami hřídele bez ohledu na jeho zatížení.

Synchronní elektrické stroje jsou cenově výhodné při výkonech nad 100 kW a používají se především pro otáčení výkonných ventilátorů, v různých hutních odvětvích, pro pohon čerpadel, která mají nejen značný výkon, ale i dlouhý provozní režim atd.

Indukční motor

Asynchronní motor je na rozdíl od synchronních strojů citlivější na kolísání napětí a při zvýšení zátěže nedokáže udržet jmenovité otáčky. Ve většině případů jsou nedostatky kompenzovány použitím frekvenčních měničů a jiných startérů. Ale jednoduchost konstrukce, dlouhá životnost, všestrannost použití, schopnost pracovat v režimu častého zapínání a zastavování činí tyto stroje nejrozšířenějšími v průmyslovém a domácím sektoru.