Synchronní a asynchronní elektromotory – rozdíly

Synchronní a asynchronní elektromotory jsou dva běžné typy elektráren používaných v průmyslu. Navzdory společnému cíli přeměny elektrické energie na mechanickou energii se liší konstrukcí a principem činnosti. Tyto rozdíly určují specifické použití každého typu.

Vlastnosti asynchronního elektromotoru

Asynchronní elektromotor je elektromechanické zařízení, které pracuje na střídavém proudu, jehož princip spočívá v interakci točivého magnetického pole iniciovaného statorem a proudů indukovaných tímto polem v rotoru.

Strukturálně se skládá ze dvou klíčových částí:

• Stator. Je vždy stacionární, vyrobený ve tvaru dutého válce z elektrotechnické ocelové slitiny, sestavený v pouzdrech pro snížení energetických ztrát v důsledku vířivých proudů. V pouzdře je ve speciálních drážkách umístěno vinutí z izolovaného měděného nebo hliníkového drátu. Když se na něj přivede střídavé napětí, vytvoří se rotující magnetické pole. Počet pólů tohoto pole je určen schématem zapojení vinutí statoru.
• Rotor. Otáčí se, je umístěn uvnitř statoru a je také vyroben ze slitiny elektrotechnické oceli. Existují různé typy rotorů: zkratový – nejběžnější díky své jednoduchosti a spolehlivosti, je vyroben ve tvaru válce s drážkami vyplněnými roztaveným hliníkem, které tvoří uzavřené vodivé obvody (tzv. „klec veverky“). Fázový, ve srovnání s první možností, je vybaven vinutím, které připomíná stator, jehož konce jsou vyvedeny na kontaktní kroužky, díky čemuž je možné měnit rychlost otáčení motoru přidáním vnějšího odporu do obvodu rotoru.

Činnost asynchronního elektromotoru je založena na principu interakce magnetických polí. Statorové vinutí, napájené střídavým proudem, vytváří rotující magnetické pole. To, pronikající vodivými prvky rotoru (ať už se jedná o vinutí nebo uzavřené vodivé obvody), v nich vytváří elektromotorické pole podle Faradayova zákona. Elektromotorické pole, které z toho vzniká, vede ke vzniku proudů v rotoru. Interakce rotorových proudů s magnetickým polem statoru generuje elektromagnetický moment, který způsobuje rotaci rotoru.

Provozní a konstrukční vlastnosti synchronního elektromotoru

Synchronní motor plní stejnou funkci jako asynchronní motor. Jeho klíčovou vlastností je striktní soulad otáček rotoru s frekvencí střídavého proudu napájejícího stator. Tato synchronicita je dána specifickou konstrukcí a principy fungování.

Stator jednotky je vybaven vinutími. Protéká jimi střídavý proud, díky kterému vzniká rotující magnetické pole. Otáčí se rychlostí, která závisí na počtu pólů a schématu zapojení statorových vinutí. Rotory takových elektromotorů jsou dvojího typu:

• s jasně definovanými póly;
• s implicitně vyjádřenými (hladkými) póly.

U modelů s rotory s vyčnívajícími póly jsou instalovány permanentní magnety nebo elektromagnety. V druhém případě jsou elektromagnety napájeny stejnosměrným proudem přes kluzné kontakty – kartáče a sběrné kroužky. U druhého typu provedení je budicí vinutí, napájené stejnosměrným proudem, umístěno v drážkách rotoru, čímž se vytváří rozložené magnetické pole bez izolovaných pólů.

Činnost synchronního motoru je založena na interakci rotujícího magnetického pole statoru a rotoru. Magnetické pole rotoru má tendenci „zachytit“ rotující pole statoru a sledovat ho. Když rotor dosáhne synchronní rychlosti, jeho rotace se stává striktně koordinovanou s frekvencí otáčení magnetického pole statoru.

Spouštění synchronního motoru je složitější proces než spouštění asynchronního. Rotor není schopen okamžitě dosáhnout synchronní rychlosti, proto se používají speciální metody spouštění. Mezi ně patří asynchronní spouštění. V takových případech konstrukce zahrnuje zkratované spouštěcí vinutí, připomínající „klec veverek“. Když rotor začne dosahovat rychlosti, je na budicí vinutí přiveden stejnosměrný proud a výkonová jednotka přejde do synchronního režimu. Další metodou je použití pomocného motoru, který rotor zrychlí na požadovanou rychlost.

Kritéria výběru pro průmyslové aplikace

Při výběru mezi synchronním a asynchronním motorem se bere v úvahu několik klíčových faktorů. Je nutné vzít v úvahu požadovaný výkon, otáčky, provozní podmínky a také ekonomické aspekty.

Jedním z parametrů výběru je potřeba udržovat konstantní otáčky během otáčení bez ohledu na zatížení. Synchronní motory tento ukazatel poskytují, takže jsou považovány za vhodnější pro oblasti, kde je důležitá vysoká přesnost polohování. Asynchronní motory se naopak vyznačují malými kolísáními otáček při změně zatížení.

Dalším důležitým aspektem je energetická účinnost. Synchronní modely, zejména ty s permanentními magnety, mají vysoký faktor účinnosti, a to zejména při částečném zatížení. To umožňuje nižší provozní náklady na elektřinu. Účinnost asynchronních motorů je o něco nižší, ale jejich pořízení a údržba jsou obvykle levnější.

Oblasti působení

Synchronní elektromotory jsou součástí výkonných pohonů, například se nacházejí v kompresorových jednotkách, čerpadlech, vysoce výkonných ventilátorech, ale i ve válcovnách a dalších těžkých mechanismech. Schopnost pracovat s vysokou účinností při proměnném zatížení z nich činí atraktivní řešení pro energeticky náročná odvětví. Kromě toho se používají v systémech, které vyžadují přesnou rychlost a polohování, například pro robotiku a CNC stroje.

Asynchronní elektromotory se díky své zjednodušené konstrukci, spolehlivosti a mírným nákladům používají v pohonech dopravníků, nízkoenergetických ventilátorů, čerpadel, obráběcích strojů a v domácích spotřebičích. Jejich použití je opodstatněné v případech, kdy není vyžadováno přísné udržování konstantní rychlosti a jsou přijatelné malé výkyvy rychlosti při změně zatížení.