Enheten och principen för drift av asynkrona elektriska motorer

Elbilaromvandling av elektrisk energi från växelström till mekanisk energi kallas AC-elektriska motorer.

Inom industrin är asynkrona trefasmotorer de mest utbredda. Låt oss titta på enheten och funktionsprincipen för dessa motorer.

Funktionsprincipen för induktionsmotorn är baserad på användningen av ett roterande magnetfält.

För att förstå hur en sådan motor fungerar kommer vi att utföra följande experiment.

Vi kommer att stärka hästskomagnet på axeln så att den kan vridas med handtaget. Mellan magnetens poler placerar vi en kopparcylinder längs axeln, som kan rotera fritt.

Figur 1. Den enklaste modellen för att erhålla ett roterande magnetfält

Låt oss börja vrida handtagsmagneten medurs. Magnetens fält kommer också att börja rotera och när den roterar kommer den att korsa kopparcylindern med dess kraftlinjer. I en cylinder enligt lagen om elektromagnetisk induktion, kommer att ha virvelströmmarsom kommer att skapa sina egna magnetiskt fält — cylinderns fält. Detta fält kommer att interagera med permanentmagnetens magnetfält, vilket gör att cylindern roterar i samma riktning som magneten.

Det visade sig att cylinderns rotationshastighet är något mindre än magnetfältets rotationshastighet.

Faktum är att om cylindern roterar med samma hastighet som magnetfältet så korsar inte magnetfältslinjerna det och därför uppstår inga virvelströmmar i den, vilket får cylindern att rotera.

Rotationshastigheten för magnetfältet kallas vanligtvis synkron, eftersom den är lika med magnetens rotationshastighet, och cylinderns rotationshastighet är asynkron (asynkron). Därför kallas själva motorn för en induktionsmotor... Cylinderns (rotorns) rotationshastighet skiljer sig från synkron rotationshastighet för magnetfältet med en liten mängd glidning.

Betecknar rotorns rotationshastighet genom n1 och fältets rotationshastighet genom n. Vi kan beräkna procentuell glidning med formeln:

s = (n — n1) / n.

I experimentet ovan erhöll vi ett roterande magnetfält och cylinderns rotation orsakad av det på grund av rotationen av en permanent magnet, därför är en sådan anordning ännu inte en elektrisk motor... Det bör göras elektricitet skapa ett roterande magnetfält och använd det för att vrida rotorn. Detta problem löstes briljant på sin tid av M. O. Dolivo-Dobrovolski. Han föreslog att använda trefasström för detta ändamål.

Enheten för en asynkron elektrisk motor M. O. Dolivo-Dobrovolski

Figur 2. Diagram av Dolivo-Dobrovolsky asynkron elektrisk motor

På polerna av en ringformad järnkärna, kallad motorstator, placeras tre lindningar, trefasströmnätverk 0 placerade i förhållande till varandra i en vinkel på 120 °.

Inuti kärnan finns en metallcylinder, elmotorns så kallade rotor.

Om spolarna är sammankopplade som visas i figuren och anslutna till ett trefasströmnät, kommer det totala magnetiska flödet som skapas av de tre polerna att visa sig rotera.

Figur 3 visar grafen över förändringarna i strömmarna i motorlindningarna och processen för uppkomsten av ett roterande magnetfält.

Låt oss titta på denna process mer i detalj.

Figur 3. Erhållande av ett roterande magnetfält

I position «A» i grafen är strömmen i den första fasen noll, i den andra fasen är den negativ och i den tredje är den positiv. Ström flyter genom polspolarna i den riktning som anges av pilarna i figuren.

Efter att ha bestämt, enligt den högra regeln, riktningen för det magnetiska flödet som skapas av strömmen, kommer vi att säkerställa att sydpolen (S) kommer att skapas vid den inre poländen (vänd mot rotorn) av den tredje lindningen och nordpolen (C) kommer att skapas vid den andra spolens pol. Det totala magnetiska flödet kommer att riktas från den andra spolens pol genom rotorn till den tredje spolens pol.

I position «B» i grafen är strömmen i den andra fasen noll, i den första fasen är den positiv och i den tredje är den negativ. Strömmen som flyter genom pollindningarna skapar en sydpol (S) i slutet av den första lindningen och en nordpol (C) i slutet av den tredje lindningen. Det totala magnetiska flödet kommer nu att riktas från den tredje polen genom rotorn till den första polen, det vill säga att polerna kommer att röra sig med 120°.

I position «B» i grafen är strömmen i den tredje fasen noll, i den andra fasen är den positiv och i den första fasen är den negativ.Nu kommer strömmen som flyter genom den första och andra spolen att skapa en nordpol (C) vid poländen av den första spolen, och en sydpol (S) vid poländen av den andra spolen, dvs. , kommer polariteten för det totala magnetfältet att förskjutas ytterligare 120 °. Vid position «G» på grafen kommer magnetfältet att röra sig ytterligare 120°.

Således kommer det totala magnetiska flödet att ändra sin riktning med en förändring av strömriktningen i statorlindningarna (polerna).

I det här fallet, under en period av strömändring i spolarna, kommer det magnetiska flödet att göra ett fullständigt varv. Det roterande magnetiska flödet kommer att dra cylindern med sig och därmed får vi en asynkron elmotor.

Kom ihåg att i figur 3 är statorlindningarna stjärnkopplade, men ett roterande magnetfält bildas när de är deltaanslutna.

Om vi ​​byter lindningarna i den andra och tredje fasen, kommer det magnetiska flödet att vända sin rotationsriktning.

Samma resultat kan uppnås utan att ändra statorlindningarna, utan att rikta strömmen från den andra fasen av nätverket till den tredje fasen av statorn och den tredje fasen av nätverket till den andra fasen av statorn.

Därför kan du ändra magnetfältets rotationsriktning genom att byta två faser.

Vi övervägde en enhet med en induktionsmotor med tre statorlindningar... I det här fallet är det roterande magnetfältet bipolärt, och antalet varv per sekund är lika med antalet perioder av strömändring på en sekund.

Om sex spolar placeras på statorn runt omkretsen så blir ett fyrpoligt roterande magnetfält... Med nio spolar blir fältet sexpoligt.

Vid en frekvens av trefasström lika med 50 perioder per sekund eller 3000 per minut kommer antalet varv n av det roterande fältet per minut att vara:

med bipolär stator n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

med en fyrpolig stator n = (50 NS 60) / 2 = 1500 varv,

med en sexpolig stator n = (50 NS 60) / 3 = 1000 varv,

med antalet par statorpoler lika med p: n = (f NS 60) / p,

Så vi fastställde magnetfältets rotationshastighet och dess beroende av antalet lindningar på motorns stator.

Som vi vet kommer motorrotorn att släpa lite i sin rotation.

Rotorfördröjningen är dock mycket liten. Till exempel, när motorn går på tomgång är skillnaden i varvtal endast 3% och under belastning 5-7%. Därför ändras hastigheten på induktionsmotorn inom mycket små gränser när belastningen ändras, vilket är en av dess fördelar.

Tänk nu på enheten för asynkrona elmotorer

Demonterad asynkron elmotor: a) stator; b) ekorrburrotor; c) rotor i utförandefasen (1 — ram; 2 — kärna av stansade stålplåtar; 3 — lindning; 4 — axel; 5 — glidringar)

Statorn i en modern asynkron elektrisk motor har opåverkade poler, det vill säga statorns inre yta är helt slät.

För att minska virvelströmsförlusterna är statorkärnan gjord av tunna stansade stålplåtar. Den sammansatta statorkärnan är fixerad i ett stålhölje.

En spole av koppartråd läggs i statorns slitsar. Faslindningarna på elmotorns stator är förbundna med en «stjärna» eller «delta», för vilken alla början och ändar av lindningarna förs till kropp - till en speciell isolerande sköld. En sådan statorenhet är mycket bekväm, eftersom den låter dig slå på dess lindningar till olika standardspänningar.

En induktionsmotorrotor, som en stator, är sammansatt av stansade stålplåtar. En spole läggs i rotorns spår.

Beroende på rotorns design är asynkrona elmotorer uppdelade i squirrel-cage-rotor och fasrotormotorer.

Ekorrburens rotorlindning är gjord av kopparstänger som är införda i rotorns slitsar. Stängernas ändar är förbundna med en kopparring. Detta kallas ekorrburrullning. Observera att kopparstängerna i kanalerna inte är isolerade.

I vissa motorer ersätts "ekorrburen" av en gjuten rotor.

Asynkron rotormotor (med släpringar) används i allmänhet i elmotorer med hög effekt och i dessa fall; när det är nödvändigt att elmotorn skapar en stor kraft vid start. Detta uppnås genom att fasmotorns lindningar är anslutna startreostat.

Squirrel cage induktionsmotorer driftsätts på två sätt:

1) Direkt anslutning av trefas nätspänning till motorstatorn. Denna metod är den enklaste och mest populära.

2) Minska spänningen på statorlindningarna. Spänningen reduceras till exempel genom att växla statorlindningarna från stjärna till delta.

Motorn startas när statorlindningarna är anslutna i "stjärna", och när rotorn når normal hastighet växlas statorlindningarna till "trekantanslutning".

Strömmen i matningsledningarna i denna metod för att starta motorn minskas med 3 gånger jämfört med strömmen som skulle uppstå vid start av motorn genom direkt anslutning till nätverket med statorlindningar anslutna med «delta».Denna metod är dock endast lämplig om statorn är konstruerad för normal drift när dess lindningar är deltakopplade.

Den enklaste, billigaste och mest pålitliga är en asynkron ekorrburmotor, men denna motor har några nackdelar - låg startansträngning och hög startström. Dessa nackdelar elimineras till stor del genom användningen av en fasrotor, men användningen av en sådan rötor ökar kraftigt kostnaden för motorn och kräver reostatstart.

Typer av asynkronmotorer

Den huvudsakliga typen av asynkronmaskin är en trefas asynkronmotor... Den har tre statorlindningar placerade på 120 ° från varandra. Spolarna är stjärn- eller deltakopplade och drivs av trefas växelström.

Lågeffektmotorer är i de flesta fall implementerade som tvåfas... Till skillnad från trefasmotorer har de två statorlindningar, strömmarna i vilka måste förskjutas i en vinkel för att skapa ett roterande magnetfält π/2.

Om strömmarna i lindningarna är lika stora och skiftade i fas med 90 °, kommer driften av en sådan motor inte att skilja sig på något sätt från driften av en trefas. Sådana motorer med två statorlindningar drivs dock i de flesta fall av ett enfasnätverk och en förskjutning som närmar sig 90 ° skapas artificiellt, vanligtvis på grund av kondensatorer.

Enfasmotor endast en lindning av statorn är praktiskt taget inaktiv.När rotorn står stilla skapas endast ett pulserande magnetfält i motorn och vridmomentet är noll. Det är sant att om rotorn på en sådan maskin roterar till en viss hastighet, kan den utföra funktionerna hos en motor.

I det här fallet, även om det bara kommer att finnas ett pulserande fält, består det av två symmetriska - framåt och bakåt, som skapar ojämna vridmoment - en större motor och mindre bromsning, som uppstår på grund av rotorströmmarna med ökad frekvens (slir mot den omvända synkrona fältet är större än 1).

I förhållande till ovanstående är enfasmotorer försedda med en andra lindning som används som startlindning. Kondensatorer ingår i kretsen för denna spole för att skapa en fasförskjutning av strömmen, vars kapacitet kan vara ganska stor (tiotals mikrofarader med en motoreffekt på mindre än 1 kW).

Styrsystem använder tvåfasmotorer, ibland kallade executive... De har två statorlindningar förskjutna i rymden med 90 °. En av lindningarna, kallad fältlindningen, är direkt ansluten till ett 50 eller 400 Hz nätverk. Den andra används som en kontrollspole.

För att skapa ett roterande magnetfält och motsvarande vridmoment måste strömmen i styrspolen förskjutas med en vinkel nära 90°. Reglering av motorhastigheten, som kommer att visas nedan, görs genom att ändra värdet eller fasen för strömmen i denna spole. Motsatsen tillhandahålls genom att ändra strömfasen i styrspolen med 180 ° (byte av spolen).

Tvåfasmotorer tillverkas i flera versioner:

• med ekorrburrotor,

• med en ihålig icke-magnetisk rötor,

• med en ihålig magnetrotor.

Linjära motorer

Omvandlingen av motorns rotationsrörelse till translationsrörelsen hos arbetsmaskinens organ är alltid förknippad med behovet av att använda alla mekaniska enheter: kuggstänger, skruv etc.endast villkorligt — som rörligt organ).

I det här fallet sägs motorn vara utplacerad. Statorlindningen av en linjär motor utförs på samma sätt som för en volymetrisk motor, men den bör endast läggas i spåren längs hela längden av den maximala möjliga rörelsen av glidrotorn. Glidrotorn är vanligtvis kortsluten, mekanismens arbetskropp är ledad med den. I ändarna av statorn måste det naturligtvis finnas stopp för att förhindra att rotorn lämnar banans arbetsgränser.