Motor electric asincron (de asemenea, mașină asincronă ) - un motor electric cu curent alternativ , a cărui viteză a rotorului nu este egală (în modul motor mai puțin) cu frecvența de rotație a câmpului magnetic creat de curentul înfășurării statorului .
Într-un număr de țări, motoarele colectoare sunt, de asemenea, clasificate ca motoare asincrone . Al doilea nume al motoarelor asincrone este inducția , acest lucru se datorează faptului că curentul din înfășurarea rotorului este indus de câmpul rotativ al statorului. Mașinile asincrone alcătuiesc astăzi majoritatea mașinilor electrice, fiind folosite în principal ca motoare electrice și sunt principalele convertoare de energie electrică în energie mecanică, marea majoritate a acestora fiind motoare asincrone cu rotor cu colivie de veveriță (ADKZ).
Principiul de funcționare al unui motor cu inducție este că curentul din înfășurările statorului creează un câmp magnetic rotativ . Acest câmp induce un curent în rotor , care începe să interacționeze cu câmpul magnetic în așa fel încât rotorul începe să se rotească în aceeași direcție cu câmpul magnetic, astfel încât câmpurile statorului și rotorului devin reciproc staționare. În modul motor, viteza rotorului este puțin mai mică, iar în modul generator, este mai mare decât viteza câmpului magnetic. Dacă vitezele sunt egale, câmpul încetează să inducă curent în rotor, iar forța Amperi încetează să acționeze asupra rotorului . De aici și numele - un motor asincron (spre deosebire de un motor sincron, a cărui viteză de rotație coincide cu frecvența câmpului magnetic). Diferența relativă dintre viteza de rotație a rotorului și frecvența câmpului magnetic alternativ se numește alunecare . În modul motor constant, alunecarea este mică: 1–8% în funcție de putere [1] [2] [3] .
În 1888, Galileo Ferraris și-a publicat cercetările într-un articol pentru Academia Regală de Științe din Torino (în același an Tesla a primit un brevet american [4] ), în care a schițat bazele teoretice ale unui motor cu inducție [5] . Meritul Ferraris este că, după ce a ajuns la o concluzie eronată despre eficiența scăzută a unui motor cu inducție și utilizarea necorespunzătoare a sistemelor de curent alternativ, a atras atenția multor ingineri asupra problemei îmbunătățirii mașinilor asincrone. Un articol de Galileo Ferraris publicat în revista Atti di Turino a fost retipărit de un jurnal englez și în iulie 1888 a atras atenția unui absolvent al Școlii Tehnice Superioare din Darmstadt , originar din Imperiul Rus , Mihail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky . Deja în 1889, Dolivo-Dobrovolsky a primit un brevet pentru un motor asincron trifazat cu un rotor cu colivie de tip „ roată veveriță ” ( brevet german nr. 20425 și Germania nr. 75361 pentru un rotor bobinat cu inele și dispozitive de pornire . Aceste invenții au deschis era aplicării industriale în masă a mașinilor electrice. În 1903, în Novorossiysk a fost construit un lift cu prima rețea industrială de curent alternativ trifazat din lume, toate instalațiile fiind realizate sub conducerea lui Dolivo-Dobrovolsky. Acest ascensor, de asemenea, pentru prima dată în lume, folosește transformatoare trifazate și motoare asincrone cu rotor de fază. În prezent, motorul asincron Dolivo-Dobrovolsky (cu rotor cu colivie) este cel mai comun motor electric [6] .
Avantajele și dezavantajele unui motor cu inducție cu colivie în comparație cu alte tipuri de mașini:
Avantaje:
Toate avantajele de mai sus sunt o consecință a absenței comutatoarelor mecanice în circuitul rotorului și au condus la faptul că majoritatea motoarelor electrice utilizate în industrie sunt mașini asincrone cu rotor în scurtcircuit.
Dezavantajele unui motor cu inducție se datorează unei caracteristici rigide:
Cea mai perfectă abordare pentru a elimina dezavantajele de mai sus este de a alimenta motorul de la un convertor de frecvență static .
O mașină asincronă are un stator și un rotor separate printr-un spațiu de aer. Părțile sale active sunt înfășurările și un circuit magnetic (miez); toate celelalte părți sunt structurale, oferind rezistența necesară, rigiditatea, răcirea, posibilitatea de rotație etc.
Înfășurarea statorului este o înfășurare trifazată (în general, multifazată), ale cărei conductoare sunt distribuite uniform în jurul circumferinței statorului și sunt așezate fază cu fază în caneluri cu o distanță unghiulară de 120 °. Este cunoscută și o înfășurare combinată care face posibilă creșterea randamentului motorului [7] . Fazele înfășurării statorului sunt conectate conform schemelor standard de „triunghi” sau „stea” și conectate la o rețea de curent trifazat. Circuitul magnetic al statorului este remagnetizat în procesul de schimbare a curentului în înfășurarea statorului, deci este recrutat din plăci electrice de oțel pentru a asigura pierderi magnetice minime. Principala metodă de asamblare a unui circuit magnetic într-un pachet este amestecarea .
În conformitate cu designul rotorului, mașinile asincrone sunt împărțite în două tipuri principale: cu un rotor în cușcă de veveriță și cu un rotor de fază . Ambele tipuri au același design al statorului și diferă doar în designul înfășurării rotorului. Circuitul magnetic al rotorului este realizat în mod similar cu circuitul magnetic al statorului - din plăci electrice de oțel.
Înfășurarea rotorului în scurtcircuit, numită adesea „roata veveriței” („cușcă veveriță”) datorită similitudinii exterioare a designului, este formată din tije din aluminiu (mai rar cupru, alamă), scurtcircuitate la capete cu două inele. . Tijele acestei înfășurări sunt introduse în canelurile miezului rotorului. Miezurile rotorului și statorului au o structură angrenată. La mașinile de putere mică și medie, înfășurarea se face de obicei prin turnarea aliajului de aluminiu topit în canelurile miezului rotorului. Împreună cu tijele „roții veveriței”, sunt turnate inele de scurtcircuit și lamele de capăt, care aerisesc mașina. La mașinile de mare putere, „roata veveriței” este făcută din tije de cupru, ale căror capete sunt conectate la inele de scurtcircuit prin sudare.
Adesea, canelurile rotorului sau statorului sunt teșite pentru a reduce EMF armonică mai mare cauzată de ondulațiile fluxului magnetic datorită prezenței dinților, a căror rezistență magnetică este semnificativ mai mică decât rezistența magnetică a înfășurării, precum și pentru a reduce zgomot cauzat de cauze magnetice.
Pentru a îmbunătăți caracteristicile de pornire ale unui motor electric asincron cu rotor cu colivie, și anume, pentru a crește cuplul de pornire și pentru a reduce curentul de pornire, pe rotor a fost folosită anterior așa-numita „cușcă dublă” de tije cu diferite conductivitati. , mai târziu au început să folosească rotoare cu o formă specială de canelură (rotoare cu caneluri adânci ). În acest caz, partea exterioară a fantei rotorului din axa de rotație are o secțiune transversală mai mică decât partea interioară. Acest lucru vă permite să utilizați efectul deplasării curentului, datorită căruia rezistența activă a înfășurării rotorului crește la alunecări mari (în special, în timpul pornirii).
Motoarele asincrone cu rotor cu pornire directă (fără reglare) au un cuplu mic de pornire și un curent de pornire semnificativ, ceea ce este dezavantajul lor semnificativ. Prin urmare, ele sunt utilizate în acele acționări electrice în care nu sunt necesare cupluri mari de pornire. Odată cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor de putere, convertizoarele de frecvență devin larg răspândite , care vă permit să creșteți fără probleme frecvența curentului care furnizează motorul la pornire și, prin urmare, să obțineți un cuplu de pornire mare. Dintre avantaje, trebuie remarcată ușurința de fabricație și absența contactului electric cu partea dinamică a mașinii, care garantează durabilitatea și reduce costurile de întreținere. Cu un design special al rotorului, atunci când doar un cilindru gol din aluminiu se rotește în spațiul de aer, este posibil să se realizeze o inerție scăzută a motorului.
O varietate de ADKZ, care permite controlul treptat al vitezei, sunt motoare cu mai multe viteze în care controlul vitezei se realizează prin schimbarea numărului de perechi de poli din stator, pentru care au fost dezvoltate tipuri speciale de înfășurări.
Motoarele asincrone cu rotor în cușcă de veveriță, datorită avantajelor lor de mai sus, sunt principalul tip de motoare într-o acționare electrică industrială, utilizarea altor tipuri de motoare este nesemnificativă și de natură foarte specializată.
Motor asincron cu un rotor masivExistă o varietate de mașini asincrone cu un rotor masiv. Un astfel de rotor este realizat în întregime din material feromagnetic, adică este, de fapt, un cilindru de oțel. Rotorul feromagnetic îndeplinește simultan rolul atât de circuit magnetic, cât și de conductor (în loc de înfășurare). Câmpul magnetic rotativ induce curenți turbionari în rotor, care, interacționând cu fluxul magnetic al statorului, creează un cuplu.
Avantaje:
Defecte:
Particularitati:
Există diferite moduri de a îmbunătăți rotoarele masive: lipirea inelelor de cupru la capete, acoperirea rotorului cu un strat de cupru.
O varietate de motoare cu un rotor masiv pot fi considerate motoare cu un rotor tubular. În ele, pentru a reduce masa și momentul de inerție, rotorul este realizat sub forma unui cilindru gol din material feromagnetic. Grosimea peretelui nu trebuie să fie mai mică decât adâncimea de penetrare a câmpului în modurile de funcționare, pentru 50 Hz este de 1-3 mm.
Acest tip de motor electric permite controlul lin al vitezei pe o gamă largă. Rotorul de fază are o înfășurare multifazată (de obicei trifazată), conectată de obicei conform schemei „ stea ” și scoasă la inele colectoare . Cu ajutorul periilor care alunecă de-a lungul acestor inele, în circuitul de înfășurare a rotorului este inclus un circuit de control extern, care vă permite să controlați viteza rotorului. Elementele acestui lanț sunt:
Motor asincron cu comutator trifazat alimentat din partea rotorului .
Motor asincron inversat (alimentat de la rotor), care vă permite să reglați fără probleme viteza de la minim (gama este determinată de datele de înfășurare ale înfășurării suplimentare utilizate pentru obținerea EMF suplimentară, introdusă cu frecvența de alunecare în circuitul secundar al mașină) la maxim, care de obicei se află peste viteza de sincronism. Produs fizic prin schimbarea soluției unui set dublu de perii pentru fiecare „fază” a circuitului secundar al motorului. Astfel, prin rearanjarea traverselor periei cu ajutorul unui dispozitiv mecanic (roată de mână sau alt actuator), s-a putut controla foarte economic turația unui motor cu inducție AC. Ideea de control în general este extrem de simplă și va fi implementată mai târziu în așa-numitele cascade cu supape asincrone, unde în circuitul rotorului de fază a fost inclus un convertor tiristor, care a funcționat ca invertor sau într-un mod redresor. Esența ideii este că un EMF suplimentar de amplitudine și fază variabile cu o frecvență de alunecare este introdus în circuitul secundar al unui motor asincron. Colectorul îndeplinește sarcina de a potrivi frecvența EMF suplimentară cu frecvența de alunecare a rotorului. Dacă EMF suplimentară este opusă celui principal, puterea este scoasă din circuitul secundar al motorului cu o scădere corespunzătoare a vitezei mașinii, limitarea vitezei în jos este dictată numai de condițiile de răcire ale înfășurărilor). În punctul de sincronism al mașinii, frecvența EMF suplimentară este zero, adică un curent continuu este furnizat circuitului secundar de către colector. În cazul însumării EMF-ului suplimentar cu cel principal, puterea suplimentară este inversată în circuitul secundar al mașinii și, în consecință, accelerația peste viteza sincronă. Astfel, rezultatul reglementării a fost o familie de caracteristici destul de rigide cu scăderea momentului critic cu scăderea vitezei, iar cu accelerația peste viteza sincronă, cu creșterea proporțională a acesteia.
Un interes deosebit este funcționarea mașinii cu o soluție asimetrică a traverselor de perie. În acest caz, diagrama vectorială a emf suplimentară. motorul primește așa-numita componentă tangențială, ceea ce face posibilă funcționarea cu un răspuns capacitiv la rețea.
Din punct de vedere structural, motorul este o mașină inversată, în care două înfășurări sunt așezate pe rotor: alimentarea cu inele colectoare și o înfășurare conectată prin intermediul a două perechi de perii pe „fază” la înfășurarea secundară a statorului. De fapt, aceste două părți ale înfășurării secundare, în funcție de poziția traverselor periei, sunt pornite fie una conform cu cealaltă, fie în direcții opuse. Așa funcționează reglementarea.
Astfel de motoare au primit cea mai mare dezvoltare în anii 30 ai secolului XX . În Uniunea Sovietică, mașinile colectoare cu curent alternativ (KMPT) nu au primit nicio distribuție și dezvoltare notabilă din cauza cerințelor crescute pentru fabricarea ansamblului colector-perie și a costului general ridicat. Au pătruns pe teritoriul URSS în principal ca parte a echipamentelor achiziționate în străinătate și, cât mai curând posibil, au fost înlocuite cu mașini de curent continuu mai puțin eficiente, dar mai ieftine, sau cu motoare asincrone cu rotor de fază.
În prezent, motorul Schrage prezintă interes numai din punctul de vedere al istoriei tehnologiei.
Înfășurării statorului este aplicată o tensiune alternativă trifazată, sub influența căreia un sistem trifazat de curenți trece prin aceste înfășurări. Deoarece înfășurările dintr-o mașină cu inducție sunt deplasate geometric cu 120 de grade și deoarece într-un sistem simetric curenții din înfășurări au o defazare de 120 de grade, se creează un câmp magnetic rotativ în astfel de înfășurări. Câmpul magnetic rotativ, care traversează conductoarele înfășurării rotorului, induce în ele o forță electromotoare, sub influența căreia curge un curent în înfășurarea rotorului, care distorsionează câmpul magnetic al statorului, crescând energia acestuia, ceea ce duce la apariția o forță electromagnetică, sub influența căreia rotorul începe să se rotească (pentru o explicație mai simplă, ne putem referi la forța Amperi care acționează asupra conductoarelor înfășurării rotorului, care se află în câmpul magnetic al statorului; totuși, în realitate , magnitudinea inducției magnetice în canalul în care se află conductorul de curent este destul de mică, deoarece fluxul magnetic trece în principal prin dinți) . Pentru ca un EMF să apară în înfășurarea rotorului, este necesar ca viteza de rotație a rotorului să difere de viteza de rotație a câmpului statorului. Prin urmare, rotorul se rotește asincron în raport cu câmpul statorului, iar motorul se numește asincron. Diferența relativă dintre viteza de rotație a rotorului și viteza de rotație a câmpului statorului se numește alunecare (s) . Alunecarea nominală este de obicei de 2-8% [8] .
Când înfășurarea statorului este alimentată cu un curent trifazat (în cazul general, multifazic), se creează un câmp magnetic rotativ, a cărui frecvență de rotație sincronă [rpm] este legată de frecvența tensiunii de alimentare a rețelei [ Hz] prin raportul:
,unde este numărul de perechi de poli magnetici ai înfășurării statorului.
În funcție de numărul de perechi de poli, sunt posibile următoarele valori ale frecvențelor de rotație ale câmpului magnetic al statorului, la o frecvență a tensiunii de alimentare de 50 Hz:
n, rpm | |
---|---|
3000 | unu |
1500 | 2 |
1000 | 3 |
300 | zece |
Majoritatea motoarelor au 1-3 perechi de poli, mai rar 4. Foarte rar se folosește un număr mai mare de poli, astfel de mașini au randament și factor de putere scăzut, dar se pot descurca fără o cutie de viteze unde este nevoie de o turație mică. De exemplu, există chiar și motoare cu 34 de poli 2ACVO710L-34U1 (17 perechi de poli) pentru acționarea ventilatoarelor turnului de răcire (frecvență sincronă 176,5 rpm).
Dacă rotorul este staționar sau frecvența sa de rotație este mai mică decât sincronă, atunci câmpul magnetic rotativ traversează conductoarele înfășurării rotorului și induce în ele un EMF, sub acțiunea căruia apare un curent în înfășurarea rotorului. Forțele electromagnetice acționează asupra conductorilor cu curentul acestei înfășurări (sau mai bine zis, asupra dinților miezului rotorului); forța lor totală formează un cuplu electromagnetic care trage rotorul împreună cu câmpul magnetic. Dacă acest moment este suficient pentru a depăși forțele de frecare, rotorul începe să se rotească, iar viteza sa de rotație constantă [rpm] corespunde egalității cuplului electromagnetic cu cuplul de frânare creat de sarcina pe arbore, forțele de frecare în rulmenți, ventilație etc. Viteza rotorului nu poate atinge frecvența de rotație a câmpului magnetic, deoarece în acest caz viteza unghiulară de rotație a câmpului magnetic în raport cu înfășurarea rotorului va deveni egală cu zero, câmpul magnetic va înceta să mai induce EMF în înfășurarea rotorului și, la rândul său, creează un cuplu; Astfel, pentru modul de funcționare motor al unei mașini asincrone, inegalitatea este adevărată:
.Diferența relativă dintre frecvențele de rotație a câmpului magnetic și rotor se numește alunecare :
.Este evident că în modul motor .
Dacă rotorul este accelerat cu ajutorul unui moment extern (de exemplu, de un tip de motor) la o frecvență mai mare decât frecvența de rotație a câmpului magnetic, atunci direcția EMF în înfășurarea rotorului și componenta activă curentul rotorului se va schimba, adică mașina asincronă va comuta în modul generator . În același timp, se va schimba și direcția cuplului electromagnetic, care va deveni frânare. Alunecare în modul generator .
Pentru a opera o mașină asincronă în modul generator, este necesară o sursă de energie reactivă care creează un câmp magnetic. În absența unui câmp magnetic inițial în înfășurarea statorului, fluxul este creat folosind magneți permanenți, sau cu o sarcină activă datorită inducției reziduale a mașinii și condensatoarelor conectate în paralel cu fazele înfășurării statorului.
Un generator asincron consumă curent reactiv și necesită prezența generatoarelor de putere reactivă în rețea sub formă de mașini sincrone, compensatoare sincrone , bănci de condensatoare statice (BSK). Din acest motiv, în ciuda ușurinței de întreținere, un generator asincron este utilizat relativ rar, în principal ca turbine eoliene de mică putere, surse auxiliare de putere redusă și dispozitive de frânare. Modul generator al unui motor asincron este folosit destul de des în mecanismele cu un moment activ: în acest mod, motoarele scărilor rulante de metrou (când se deplasează în jos), scăderea sarcinii în macarale , motoarele de lift funcționează și în modul generator, în funcție de raportul de greutate în cabină și în contragreutate; în același timp, modul de frânare al mecanismului cerut de tehnologie și recuperarea energiei către rețea sunt combinate cu economiile de energie.
Modul inactiv al unui motor asincron are loc atunci când nu există nicio sarcină pe arbore sub forma unei cutii de viteze și a unui corp de lucru. Din experiența de mers în gol, pot fi determinate valorile curentului de magnetizare și pierderile de putere în circuitul magnetic, în rulmenți și în ventilator. În modul inactiv real s = 0,01-0,08. În modul ideal de repaus, n 2 \ u003d n 1 , prin urmare s \u003d 0 (de fapt, acest mod este de neatins, chiar și în ipoteza că frecarea în rulmenți nu creează propriul moment de sarcină - principiul însuși al funcționării motorului implică faptul că rotorul rămâne în urmă câmpului statorului pentru a crea un câmp La s = 0, câmpul statorului nu traversează înfășurările rotorului și nu poate induce curent în el, ceea ce înseamnă că câmpul magnetic al rotorului nu este creat).
Dacă schimbați direcția de rotație a rotorului sau câmpul magnetic astfel încât acestea să se rotească în direcții opuse, atunci EMF și componenta activă a curentului din înfășurarea rotorului vor fi direcționate în același mod ca în modul motor și aparatul va consuma energie activă din rețea. Totuși, momentul electromagnetic va fi direcționat opus momentului de sarcină, fiind unul de frânare. Următoarele inegalități sunt valabile pentru regim:
.
Acest mod este utilizat pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece în timpul acestuia se generează multă căldură în rotor, pe care motorul nu este capabil să o disipeze, ceea ce îl poate deteriora.
Pentru o frânare mai moale se poate folosi modul generator, dar este eficient doar la rotații apropiate de cele nominale.
Sub controlul unui motor AC asincron se înțelege o modificare a turației rotorului și/sau a cuplului acestuia.
Există următoarele moduri de a controla un motor cu inducție [9] [1] :
Nikola Tesla | ||
---|---|---|
Carieră și invenții |
| |
Alte |
| |
Articole înrudite |
|