Het apparaat en het werkingsprincipe van asynchrone elektromotoren

Elektrische auto'somzetting van elektrische energie van wisselstroom naar mechanische energie worden AC-elektromotoren genoemd.

In de industrie zijn asynchrone draaistroommotoren het meest verspreid. Laten we eens kijken naar het apparaat en het werkingsprincipe van deze motoren.

Het werkingsprincipe van de inductiemotor is gebaseerd op het gebruik van een roterend magnetisch veld.

Om de werking van zo'n motor te begrijpen, zullen we het volgende experiment uitvoeren.

We zullen versterken hoefijzer magneet op de as zodat deze door de hendel kan worden gedraaid. Tussen de polen van de magneet plaatsen we een koperen cilinder langs de as, die vrij kan draaien.

Figuur 1. Het eenvoudigste model voor het verkrijgen van een roterend magnetisch veld

Laten we beginnen met het rechtsom draaien van de handgreepmagneet. Het veld van de magneet zal ook beginnen te roteren en zal tijdens het roteren de koperen cilinder met zijn krachtlijnen kruisen. In een cilinder volgens de wet van elektromagnetische inductie, zal hebben wervelstromenwie gaat er zelf een maken magnetisch veld — het veld van de cilinder. Dit veld zal interageren met het magnetische veld van de permanente magneet, waardoor de cilinder in dezelfde richting als de magneet draait.

Het bleek dat de rotatiesnelheid van de cilinder iets lager is dan de rotatiesnelheid van het magnetische veld.

Sterker nog, als de cilinder met dezelfde snelheid draait als het magnetische veld, dan kruisen de magnetische veldlijnen deze niet en ontstaan ​​er dus geen wervelstromen die de cilinder laten draaien.

De rotatiesnelheid van het magnetische veld wordt meestal synchroon genoemd, omdat deze gelijk is aan de rotatiesnelheid van de magneet en de rotatiesnelheid van de cilinder asynchroon (asynchroon). Daarom wordt de motor zelf een inductiemotor genoemd. De rotatiesnelheid van de cilinder (rotor) verschilt van synchrone rotatiesnelheid van het magnetische veld met een kleine hoeveelheid slip.

Geeft de rotatiesnelheid van de rotor door n1 en de rotatiesnelheid van het veld door n aan, we kunnen het slippercentage berekenen met de formule:

s = (n — n1) / n.

In het bovenstaande experiment hebben we een roterend magnetisch veld en de daardoor veroorzaakte rotatie van de cilinder verkregen door de rotatie van een permanente magneet, daarom is zo'n apparaat nog geen elektromotor ... Het zou moeten gebeuren elektriciteit creëer een roterend magnetisch veld en gebruik het om de rotor te laten draaien. Dit probleem werd in zijn tijd briljant opgelost door M. O. Dolivo-Dobrovolski. Hij stelde voor om hiervoor driefasige stroom te gebruiken.

Het apparaat van een asynchrone elektromotor M. O. Dolivo-Dobrovolski

Figuur 2. Schema van Dolivo-Dobrovolsky asynchrone elektromotor

Op de polen van een ringvormige ijzeren kern, een motorstator genoemd, zijn drie wikkelingen geplaatst, driefasige stroomnetwerken 0 ten opzichte van elkaar geplaatst onder een hoek van 120 °.

In de kern bevindt zich een metalen cilinder, de zogenaamde rotor van de elektromotor.

Als de spoelen met elkaar zijn verbonden zoals weergegeven in de afbeelding en zijn aangesloten op een driefasig stroomnetwerk, dan zal de totale magnetische flux die door de drie polen wordt gecreëerd, blijken te roteren.

Figuur 3 toont de grafiek van de veranderingen in de stromen in de motorwikkelingen en het proces van het verschijnen van een roterend magnetisch veld.

Laten we dit proces in meer detail bekijken.

Figuur 3. Het verkrijgen van een roterend magnetisch veld

In positie «A» van de grafiek is de stroom in de eerste fase nul, in de tweede fase is deze negatief en in de derde fase positief. Stroom vloeit door de poolspoelen in de richting aangegeven door de pijlen in de figuur.

Nadat we volgens de rechterhandregel de richting van de magnetische flux hebben bepaald die door de stroom wordt gecreëerd, zullen we ervoor zorgen dat de zuidpool (S) wordt gecreëerd aan het binnenste pooluiteinde (naar de rotor gericht) van de derde wikkeling en de noordpool (C ) ontstaat aan de pool van de tweede spoel. De totale magnetische flux wordt van de pool van de tweede spoel door de rotor naar de pool van de derde spoel geleid.

In positie «B» van de grafiek is de stroom in de tweede fase nul, in de eerste fase is deze positief en in de derde fase negatief. De stroom die door de poolwikkelingen vloeit, creëert een zuidpool (S) aan het einde van de eerste wikkeling en een noordpool (C) aan het einde van de derde wikkeling. De totale magnetische flux zal nu van de derde pool door de rotor naar de eerste pool worden geleid, dat wil zeggen dat de polen 120 ° zullen bewegen.

In positie «B» van de grafiek is de stroom in de derde fase nul, in de tweede fase is deze positief en in de eerste fase is deze negatief.Nu zal de stroom die door de eerste en tweede spoel vloeit een noordpool (C) creëren aan het pooluiteinde van de eerste spoel en een zuidpool (S) aan het pooluiteinde van de tweede spoel, d.w.z. , zal de polariteit van het totale magnetische veld nog eens 120° verschuiven. Op positie «G» op de grafiek zal het magnetisch veld nog eens 120° verschuiven.

De totale magnetische flux zal dus van richting veranderen met een verandering in de richting van de stroom in de statorwikkelingen (polen).

In dit geval zal de magnetische flux gedurende één periode van stroomverandering in de spoelen een volledige omwenteling maken. De roterende magnetische flux sleept de cilinder mee en zo krijgen we een asynchrone elektromotor.

Bedenk dat in figuur 3 de statorwikkelingen in ster zijn geschakeld, maar dat er een roterend magnetisch veld wordt gevormd wanneer ze in driehoek zijn geschakeld.

Als we de wikkelingen van de tweede en derde fase verwisselen, zal de magnetische flux zijn draairichting omkeren.

Hetzelfde resultaat kan worden bereikt zonder de statorwikkelingen te veranderen, maar de stroom van de tweede fase van het netwerk naar de derde fase van de stator te leiden en de derde fase van het netwerk naar de tweede fase van de stator.

Daarom kun je de draairichting van het magnetische veld veranderen door twee fasen te verwisselen.

We hebben een apparaat overwogen met een inductiemotor met drie statorwikkelingen. In dit geval is het roterende magnetische veld bipolair en is het aantal omwentelingen per seconde gelijk aan het aantal perioden van stroomverandering in één seconde.

Als zes spoelen rond de omtrek op de stator worden geplaatst, dan is er een vierpolig roterend magnetisch veld... Met negen spoelen wordt het veld zespolig.

Bij een frequentie van driefasige stroom gelijk aan 50 perioden per seconde of 3000 per minuut, zal het aantal omwentelingen n van het roterende veld per minuut zijn:

met bipolaire stator n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

met een vierpolige stator n = (50 NS 60) / 2 = 1500 omwentelingen,

met een zespolige stator n = (50 NS 60) / 3 = 1000 windingen,

met het aantal paren statorpolen gelijk aan p: n = (f NS 60) / p,

Dus hebben we de rotatiesnelheid van het magnetische veld vastgesteld en de afhankelijkheid ervan van het aantal wikkelingen van de stator van de motor.

Zoals we weten, zal de motorrotor een beetje achterblijven in zijn rotatie.

De rotorvertraging is echter erg klein. Bij stationair draaiende motor is het toerentalverschil bijvoorbeeld slechts 3% en onder belasting 5-7%. Daarom verandert de snelheid van de inductiemotor binnen zeer kleine grenzen wanneer de belasting verandert, wat een van de voordelen is.

Beschouw nu het apparaat van asynchrone elektromotoren

Gedemonteerde asynchrone elektromotor: a) stator; b) rotor met eekhoornkooi; c) rotor in de uitvoeringsfase (1 — frame; 2 — kern van gestanste staalplaten; 3 — wikkeling; 4 — as; 5 — glijringen)

De stator van een moderne asynchrone elektromotor heeft onuitgesproken polen, dat wil zeggen dat het binnenoppervlak van de stator volledig glad is gemaakt.

Om wervelstroomverliezen te verminderen, is de statorkern gevormd uit dunne gestempelde staalplaten. De geassembleerde statorkern is gefixeerd in een stalen behuizing.

In de sleuven van de stator wordt een spoel van koperdraad gelegd.De fasewikkelingen van de stator van de elektromotor zijn verbonden door een «ster» of «delta», waarbij alle begin- en eindpunten van de wikkelingen naar de lichaam - naar een speciaal isolerend schild. Zo'n statorapparaat is erg handig, omdat je hiermee de wikkelingen op verschillende standaardspanningen kunt zetten.

Een inductiemotorrotor is, net als een stator, samengesteld uit gestempelde staalplaten. In de groeven van de rotor wordt een spoel gelegd.

Afhankelijk van het ontwerp van de rotor worden asynchrone elektromotoren onderverdeeld in kooirotor- en faserotormotoren.

De rotorwikkeling van de eekhoornkooi is gemaakt van koperen staven die in de sleuven van de rotor zijn gestoken. De uiteinden van de staven zijn verbonden met een koperen ring. Dit wordt het rollen van eekhoornkooien genoemd. Merk op dat de koperen staven in de kanalen niet geïsoleerd zijn.

Bij sommige motoren wordt de "eekhoornkooi" vervangen door een gegoten rotor.

Asynchrone rotormotor (met sleepringen) wordt over het algemeen gebruikt in elektromotoren met hoog vermogen en in deze gevallen; wanneer het nodig is dat de elektromotor een grote kracht uitoefent bij het starten. Dit wordt bereikt doordat de wikkelingen van de fasemotor zijn aangesloten startende reostaat.

Inductiemotoren met kooiankers worden op twee manieren in gebruik genomen:

1) Directe aansluiting van de driefasige netspanning op de motorstator. Deze methode is de eenvoudigste en meest populaire.

2) Verlaging van de spanning op de statorwikkelingen. De spanning wordt bijvoorbeeld verlaagd door de statorwikkelingen van ster naar driehoek te schakelen.

De motor wordt gestart wanneer de statorwikkelingen in "ster" zijn aangesloten en wanneer de rotor de normale snelheid bereikt, worden de statorwikkelingen in "delta"-verbinding geschakeld.

De stroom in de voedingsdraden bij deze manier van starten van de motor wordt 3 keer verminderd in vergelijking met de stroom die zou optreden bij het starten van de motor door directe aansluiting op het netwerk met statorwikkelingen verbonden door «delta».Deze methode is echter alleen geschikt als de stator is ontworpen voor normaal bedrijf wanneer de wikkelingen delta-verbonden zijn.

De eenvoudigste, goedkoopste en meest betrouwbare is een asynchrone kooiankermotor, maar deze motor heeft enkele nadelen: lage startkracht en hoge startstroom. Deze nadelen worden grotendeels geëlimineerd door het gebruik van een faserotor, maar het gebruik van een dergelijke rotor verhoogt de kosten van de motor aanzienlijk en vereist een reostaatstart.

Soorten asynchrone motoren

Het belangrijkste type asynchrone machine is een driefasige asynchrone motor. Het heeft drie statorwikkelingen die zich op 120 ° van elkaar bevinden. De spoelen zijn ster- of driehoekschakeling en worden gevoed door driefasige wisselstroom.

Motoren met een laag vermogen zijn in de meeste gevallen geïmplementeerd als tweefasig... In tegenstelling tot driefasige motoren hebben ze twee statorwikkelingen, waarin de stromen onder een hoek moeten worden verschoven om een ​​roterend magnetisch veld π/2 te creëren.

Als de stromen in de wikkelingen even groot zijn en 90 ° in fase verschoven, dan zal de werking van een dergelijke motor op geen enkele manier verschillen van de werking van een driefasige motor. Dergelijke motoren met twee statorwikkelingen worden echter in de meeste gevallen aangedreven door een enkelfasig netwerk en een verplaatsing van bijna 90 ° wordt kunstmatig gecreëerd, meestal als gevolg van condensatoren.

Eenfasemotor slechts één wikkeling van de stator is praktisch inactief.Wanneer de rotor stilstaat, wordt alleen een pulserend magnetisch veld in de motor gecreëerd en is het koppel nul. Het is waar dat als de rotor van zo'n machine met een bepaalde snelheid draait, deze de functies van een motor kan vervullen.

In dit geval, hoewel er alleen een pulserend veld zal zijn, bestaat het uit twee symmetrische - voorwaartse en achterwaartse, die ongelijke koppels creëren - een grotere motor en minder remmen, veroorzaakt door de rotorstromen met verhoogde frequentie (slip tegen de omgekeerde synchrone veld is groter dan 1).

Met betrekking tot het bovenstaande worden enkelfasige motoren geleverd met een tweede wikkeling die wordt gebruikt als startwikkeling. In het circuit van deze spoel zijn condensatoren opgenomen om een ​​faseverschuiving van de stroom te creëren, waarvan de capaciteit behoorlijk groot kan zijn (tientallen microfarads bij een motorvermogen van minder dan 1 kW).

Besturingssystemen gebruiken tweefasige motoren, ook wel uitvoerend genoemd. Ze hebben twee statorwikkelingen die 90 ° in de ruimte zijn verschoven. Een van de wikkelingen, de veldwikkeling genoemd, is direct verbonden met een 50 of 400 Hz netwerk. De tweede wordt gebruikt als stuurspoel.

Om een ​​roterend magnetisch veld en het bijbehorende koppel te creëren, moet de stroom in de stuurspoel worden verplaatst over een hoek van bijna 90 °. Regeling van de motorsnelheid, zoals hieronder wordt getoond, wordt gedaan door de waarde of fase van de stroom in deze spoel te veranderen. Het tegenovergestelde wordt bereikt door de fase van de stroom in de stuurspoel met 180° te veranderen (spoelen schakelen).

Tweefasige motoren worden in verschillende uitvoeringen geproduceerd:

• met eekhoornkooirotor,

• met een holle niet-magnetische rotor,

• met een holle magnetische rotor.

Lineaire motoren

De transformatie van de roterende beweging van de motor in de translatiebeweging van de werkende machine-organen gaat altijd gepaard met de noodzaak om mechanische eenheden te gebruiken: tandheugels, schroeven, enz.alleen voorwaardelijk - als een bewegend orgaan).

In dit geval wordt gezegd dat de motor wordt ingezet. De statorwikkeling van een lineaire motor wordt op dezelfde manier uitgevoerd als voor een volumetrische motor, maar deze mag alleen in de groeven over de gehele lengte van de maximaal mogelijke beweging van de glijdende rotor worden gelegd. De schuifrotor is meestal kortgesloten, het werklichaam van het mechanisme is ermee gearticuleerd. Aan de uiteinden van de stator moeten er natuurlijk aanslagen zijn om te voorkomen dat de rotor de werkgrenzen van het pad verlaat.