Asynkron elektrisk motor (også Asynkron maskine ) - en elektrisk vekselstrømsmotor , hvis rotorhastighed ikke er lig (i motortilstand mindre) med rotationsfrekvensen af det magnetiske felt skabt af strømmen af statorviklingen .
I en række lande er kollektormotorer også klassificeret som asynkronmotorer . Det andet navn på asynkronmotorer er induktion , dette skyldes det faktum, at strømmen i rotorviklingen induceres af det roterende statorfelt. Asynkrone maskiner udgør i dag størstedelen af elektriske maskiner, der hovedsageligt bruges som elektriske motorer og er de vigtigste omdannere af elektrisk energi til mekanisk energi, langt de fleste af disse er asynkronmotorer med en egern-burrotor (ADKZ).
Funktionsprincippet for en induktionsmotor er, at strømmen i statorviklingerne skaber et roterende magnetfelt . Dette felt inducerer en strøm i rotoren , som begynder at interagere med magnetfeltet på en sådan måde, at rotoren begynder at rotere i samme retning som magnetfeltet, så stator- og rotorfelterne bliver gensidigt stationære. I motortilstand er rotorhastigheden lidt lavere, og i generatortilstand er den højere end magnetfelthastigheden. Hvis hastighederne er ens, holder feltet op med at inducere strøm i rotoren, og Ampere-kraften ophører med at virke på rotoren . Deraf navnet - en asynkronmotor (i modsætning til en synkronmotor, hvis rotationshastighed falder sammen med frekvensen af det magnetiske felt). Den relative forskel mellem rotorens rotationshastighed og frekvensen af det vekslende magnetfelt kaldes slip . I den konstante motortilstand er slipningen lille: 1–8 % afhængig af effekten [1] [2] [3] .
I 1888 publicerede Galileo Ferraris sin forskning i en artikel for Royal Academy of Sciences i Torino (samme år som Tesla modtog et amerikansk patent [4] ), hvori han skitserede det teoretiske grundlag for en induktionsmotor [5] . Fordelen ved Ferraris er, at han efter at have lavet en fejlagtig konklusion om den lave effektivitet af en induktionsmotor og den uhensigtsmæssige brug af vekselstrømssystemer henledte mange ingeniørers opmærksomhed på problemet med at forbedre asynkrone maskiner. En artikel af Galileo Ferraris publiceret i tidsskriftet Atti di Turino blev genoptrykt af et engelsk tidsskrift og i juli 1888 fangede Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky en kandidat fra Darmstadt Higher Technical School , indfødt af det russiske imperium , øjnene . Allerede i 1889 modtog Dolivo-Dobrovolsky patent på en trefaset asynkronmotor med en egern- burrotor af typen " egernhjul " ( tysk patent nr. 20425 og Tyskland nr. 75361 for en viklet rotor med ringe og startanordninger . Disse opfindelser åbnede æraen med masseindustriel anvendelse af elektriske maskiner. I 1903 blev der bygget en elevator i Novorossiysk med verdens første trefasede industrielle vekselstrømsnetværk, hvoraf alle installationer blev lavet under ledelse af Dolivo-Dobrovolsky. Denne elevator, også for første gang i verden, bruger trefasede transformatorer og asynkronmotorer med en faserotor. I øjeblikket er Dolivo-Dobrovolsky asynkronmotoren (med en egern-burrotor) den mest almindelige elektriske motor [6] .
Fordele og ulemper ved en egern-bur induktionsmotor sammenlignet med andre typer maskiner:
Fordele:
Alle ovenstående fordele er en konsekvens af fraværet af mekaniske kommutatorer i rotorkredsløbet og har ført til, at de fleste af de elektriske motorer, der anvendes i industrien, er asynkrone maskiner med en kortslutningsrotor.
Ulemperne ved en induktionsmotor skyldes en stiv karakteristik:
Den mest perfekte metode til at eliminere ovennævnte ulemper er at drive motoren fra en statisk frekvensomformer .
En asynkron maskine har en stator og en rotor adskilt af en luftspalte. Dens aktive dele er viklinger og et magnetisk kredsløb (kerne); alle andre dele er strukturelle, hvilket giver den nødvendige styrke, stivhed, køling, mulighed for rotation osv.
Statorviklingen er en trefaset (generelt flerfaset) vikling, hvis ledere er jævnt fordelt rundt om statorens omkreds og lagt fase for fase i riller med en vinkelafstand på 120 °. Der kendes også en kombineret vikling, som gør det muligt at øge motorens effektivitet [7] . Faserne af statorviklingen er forbundet i henhold til standard "trekant" eller "stjerne" skemaer og forbundet til et trefaset strømnetværk. Det magnetiske statorkredsløb remagnetiseres i processen med at ændre strømmen i statorviklingen, så det rekrutteres fra elektriske stålplader for at sikre minimale magnetiske tab. Den vigtigste metode til at samle et magnetisk kredsløb til en pakke er blanding .
I henhold til rotorens design er asynkrone maskiner opdelt i to hovedtyper: med en egern - burrotor og med en faserotor . Begge typer har samme statordesign og adskiller sig kun i designet af rotorviklingen. Det magnetiske rotorkredsløb er lavet på samme måde som det magnetiske statorkredsløb - af elektriske stålplader.
Den kortsluttede rotorvikling, ofte kaldet "egernhjulet" ("egernbur") på grund af den ydre lighed i designet, består af aluminium (mindre ofte kobber, messing) stænger, kortsluttet i enderne med to ringe . Stængerne i denne vikling er indsat i rillerne i rotorkernen. Rotor- og statorkerner har en gearstruktur. I maskiner med små og mellemstore kræfter fremstilles viklingen normalt ved at hælde smeltet aluminiumslegering i rillerne i rotorkernen. Sammen med "egernhjulets stænger" støbes kortslutningsringe og endeblade, som ventilerer maskinen. I højeffektmaskiner er "egernhjulet" lavet af kobberstænger, hvis ender er forbundet med kortslutningsringe ved svejsning.
Ofte er rotorens eller statorens riller lavet affasede for at reducere højere harmonisk EMF forårsaget af magnetiske flux krusninger på grund af tilstedeværelsen af tænder, hvis magnetiske modstand er væsentligt lavere end viklingens magnetiske modstand, samt for at reducere støj forårsaget af magnetiske årsager.
For at forbedre startegenskaberne for en asynkron elektrisk motor med en egern-burrotor, nemlig at øge startmomentet og reducere startstrømmen, blev det såkaldte "dobbelt egernbur" af stænger med forskellige ledningsevner tidligere brugt på rotoren , senere begyndte de at bruge rotorer med en speciel rilleform (dybe rille rotorer ). I dette tilfælde har den ydre del af rotorslidsen fra rotationsaksen et mindre tværsnit end den indre del. Dette giver dig mulighed for at bruge effekten af strømforskydning, på grund af hvilken den aktive modstand af rotorviklingen øges ved store slip (især under opstart).
Asynkronmotorer med en egern-burrotor med direkte start (uden regulering) har et lille startmoment og en betydelig startstrøm, hvilket er deres betydelige ulempe. Derfor bruges de i de elektriske drev, hvor der ikke kræves store startmomenter. Med udviklingen af effekthalvlederteknologi bliver frekvensomformere udbredt , hvilket giver dig mulighed for jævnt at øge frekvensen af strømmen, der forsyner motoren, når den starter, og derfor opnå et stort startmoment. Af fordelene skal det bemærkes let fremstilling og fraværet af elektrisk kontakt med den dynamiske del af maskinen, hvilket garanterer holdbarhed og reducerer vedligeholdelsesomkostningerne. Med et specielt design af rotoren, når kun en hul aluminiumscylinder roterer i luftspalten, er det muligt at opnå en lav inerti af motoren.
En række forskellige ADKZ, som tillader trinvis hastighedskontrol, er multi-speed motorer, hvor hastighedsstyring udføres ved at ændre antallet af polpar i statoren, for hvilke der er udviklet specielle typer viklinger.
Det er asynkronmotorer med egern-burrotor, på grund af deres ovennævnte fordele, der er hovedtypen af motorer i et industrielt elektrisk drev, brugen af andre typer motorer er ubetydelig og er af meget specialiseret karakter.
Asynkron motor med en massiv rotorDer er en række forskellige asynkrone maskiner med en massiv rotor. En sådan rotor er udelukkende lavet af ferromagnetisk materiale, det vil sige, at det faktisk er en stålcylinder. Den ferromagnetiske rotor udfører samtidigt rollen som både et magnetisk kredsløb og en leder (i stedet for en vikling). Det roterende magnetfelt inducerer hvirvelstrømme i rotoren, som i samspil med statorens magnetiske flux skaber et drejningsmoment.
Fordele:
Fejl:
Ejendommeligheder:
Der er forskellige måder at forbedre massive rotorer på: lodning af kobberringe på enderne, belægning af rotoren med et lag kobber.
En række motorer med en massiv rotor kan betragtes som motorer med en hul rotor. I dem, for at reducere massen og inertimomentet, er rotoren lavet i form af en hul cylinder af ferromagnetisk materiale. Vægtykkelsen bør ikke være mindre end indtrængningsdybden af feltet i driftstilstande, for 50 Hz er det 1-3 mm.
Denne type elektrisk motor tillader jævn hastighedskontrol over et bredt område. Faserotoren har en flerfaset (normalt trefaset) vikling, normalt forbundet i henhold til " stjerne "-skemaet og bragt ud til slæberinge . Ved hjælp af børster, der glider langs disse ringe, er et eksternt styrekredsløb inkluderet i rotorviklingskredsløbet, som giver dig mulighed for at styre rotorens hastighed. Elementerne i denne kæde er:
3-faset kommutator asynkron motor tilført fra rotorsiden .
Inverteret (drevet fra rotoren) asynkronmotor, som giver dig mulighed for jævnt at justere hastigheden fra minimum (området bestemmes af viklingsdataene for den ekstra vikling, der bruges til at opnå yderligere EMF, introduceret med slipfrekvensen i det sekundære kredsløb af maskinen) til det maksimale, som normalt ligger over synkroniseringshastigheden. Fysisk fremstillet ved at ændre opløsningen af et dobbelt sæt børster for hver "fase" af motorens sekundære kredsløb. Ved at omarrangere børstens traverser ved hjælp af en mekanisk anordning (håndhjul eller anden aktuator) var det således muligt at styre hastigheden på en AC-induktionsmotor meget økonomisk. Ideen om styring generelt er ekstremt enkel og vil blive implementeret senere i de såkaldte asynkronventilkaskader, hvor en tyristorkonverter blev inkluderet i faserotorkredsløbet, som fungerede som en inverter eller i en ensrettertilstand. Essensen af ideen er, at en ekstra EMF med variabel amplitude og fase med en slipfrekvens indføres i det sekundære kredsløb af en asynkron motor. Kollektoren udfører opgaven med at matche frekvensen af den ekstra EMF med rotorens slipfrekvens. Hvis den ekstra EMF er modsat den vigtigste, udsendes effekten fra motorens sekundære kredsløb med et tilsvarende fald i maskinens hastighed, hastighedsbegrænsningen dikteres kun af viklingernes køleforhold). Ved maskinens synkroniseringspunkt er frekvensen af den ekstra EMF nul, det vil sige, at en jævnstrøm leveres til det sekundære kredsløb af kollektoren. I tilfælde af at summere den ekstra EMF med den vigtigste, vendes den ekstra effekt ind i maskinens sekundære kredsløb og følgelig acceleration over den synkrone hastighed. Således var resultatet af reguleringen en familie af ret stive egenskaber med et fald i det kritiske moment med et fald i hastigheden og med acceleration over den synkrone hastighed med dens proportionale stigning.
Af særlig interesse er betjeningen af maskinen med en asymmetrisk løsning af børstetraverser. I dette tilfælde er vektordiagrammet for den ekstra emf. motoren modtager den såkaldte tangentielle komponent, som gør det muligt at arbejde med en kapacitiv respons på netværket.
Strukturelt er motoren en omvendt maskine, hvor to viklinger er lagt på rotoren: strømforsyning fra slæberinge og en vikling forbundet ved hjælp af to par børster pr. "fase" til statorens sekundære vikling. Faktisk er disse to dele af sekundærviklingen, afhængigt af positionen af børstens traverser, tændt enten i forhold til hinanden eller i modsatte retninger. Sådan fungerer regulering.
Sådanne motorer modtog den største udvikling i 30'erne af det XX århundrede . I Sovjetunionen modtog vekselstrømskollektormaskiner (KMPT) ingen mærkbar distribution og udvikling på grund af øgede krav til fremstilling af samlerbørstesamlingen og de samlede høje omkostninger. De trængte ind i Sovjetunionens territorium hovedsageligt som en del af udstyr købt i udlandet og blev så hurtigt som muligt erstattet af mindre effektive, men billigere jævnstrømsmaskiner eller asynkrone motorer med en faserotor.
På nuværende tidspunkt er Schrage-motoren udelukkende af interesse ud fra et teknologihistorisk synspunkt.
En trefaset vekselspænding påføres statorviklingen, under påvirkning af hvilken et trefaset system af strømme strømmer gennem disse viklinger. Da viklingerne i en induktionsmaskine er geometrisk forskudt med 120 grader, og da strømmene i viklingerne i et symmetrisk system har en faseforskydning på 120 grader, skabes et roterende magnetfelt i sådanne viklinger. Det roterende magnetfelt, der krydser rotorviklingens ledere, inducerer en elektromotorisk kraft i dem, under påvirkning af hvilken der løber en strøm i rotorviklingen, hvilket forvrænger statormagnetfeltet, hvilket øger dets energi, hvilket fører til fremkomsten af en elektromagnetisk kraft, under hvilken rotorens indflydelse begynder at rotere (for mere simpel forklaring kan vi henvise til Ampere-kraften, der virker på lederne af rotorviklingen, som er i statorens magnetfelt; dog i virkeligheden , størrelsen af den magnetiske induktion i rillen, hvor strømlederen er placeret, er ret lille, da den magnetiske flux hovedsageligt passerer gennem tænderne). For at der kan opstå en EMF i rotorviklingen, er det nødvendigt, at rotorens rotationshastighed adskiller sig fra statorfeltets rotationshastighed. Derfor roterer rotoren asynkront i forhold til statorfeltet, og motoren kaldes asynkron. Den relative forskel mellem rotorens rotationshastighed og statorfeltets rotationshastighed kaldes slip (s) . Den nominelle slip er normalt 2-8 % [8] .
Når statorviklingen forsynes med en trefaset (i det almindelige tilfælde flerfaset) strøm, dannes et roterende magnetfelt, hvis synkrone rotationsfrekvens [rpm] er relateret til frekvensen af netforsyningsspændingen [ Hz] ved forholdet:
,hvor er antallet af par magnetiske poler i statorviklingen.
Afhængigt af antallet af polpar er følgende værdier af rotationsfrekvenserne for statormagnetfeltet mulige ved en forsyningsspændingsfrekvens på 50 Hz:
n, rpm | |
---|---|
3000 | en |
1500 | 2 |
1000 | 3 |
300 | ti |
De fleste motorer har 1-3 par poler, sjældnere 4. Et større antal poler bruges meget sjældent, sådanne maskiner har lav effektivitet og effektfaktor, men de kan undvære en gearkasse, hvor der er behov for lav hastighed. For eksempel er der endda 34-polede motorer 2ACVO710L-34U1 (17 par poler) til at drive køletårnsventilatorer (synkron frekvens 176,5 rpm).
Hvis rotoren er stationær, eller dens rotationsfrekvens er mindre end synkron, så krydser det roterende magnetfelt rotorviklingens ledere og inducerer en EMF i dem, under hvilken virkning der opstår en strøm i rotorviklingen. Elektromagnetiske kræfter virker på lederne med strømmen af denne vikling (eller rettere, på rotorkernens tænder); deres samlede kraft danner et elektromagnetisk drejningsmoment, der trækker rotoren sammen med magnetfeltet. Hvis dette moment er tilstrækkeligt til at overvinde friktionskræfter, begynder rotoren at rotere, og dens konstante omdrejningshastighed [rpm] svarer til ligheden mellem det elektromagnetiske drejningsmoment og det bremsemoment, der skabes af belastningen på akslen, friktionskræfter i lejerne, ventilation osv. Rotorhastigheden kan ikke nå magnetfeltets rotationsfrekvens, da i dette tilfælde magnetfeltets rotationsvinkelhastighed i forhold til rotorviklingen bliver lig med nul, magnetfeltet vil ophøre med at inducere EMF i rotorviklingen og til gengæld skabe et drejningsmoment; For motordriftsmåden for en asynkron maskine er uligheden således sand:
.Den relative forskel mellem rotationsfrekvenserne af magnetfeltet og rotoren kaldes slip :
.Det er indlysende, at i motortilstand .
Hvis rotoren accelereres ved hjælp af et eksternt moment (for eksempel af en eller anden form for motor) til en frekvens, der er større end rotationsfrekvensen af magnetfeltet, så er retningen af EMF i rotorviklingen og den aktive komponent af rotorstrømmen vil ændre sig, det vil sige, at den asynkrone maskine skifter til generatortilstand . Samtidig vil retningen af det elektromagnetiske drejningsmoment også ændre sig, hvilket bliver til bremsning. Slip i generatortilstand .
For at betjene en asynkron maskine i generatortilstand kræves en reaktiv strømkilde, der skaber et magnetfelt. I mangel af et indledende magnetfelt i statorviklingen skabes fluxen ved hjælp af permanente magneter eller med en aktiv belastning på grund af den resterende induktion af maskinen og kondensatorer forbundet parallelt med faserne af statorviklingen.
En asynkron generator forbruger reaktiv strøm og kræver tilstedeværelsen af reaktive strømgeneratorer i netværket i form af synkrone maskiner, synkrone kompensatorer , statiske kondensatorbanker (BSK). På grund af dette, på trods af den lette vedligeholdelse, bruges en asynkron generator relativt sjældent, hovedsageligt som vindmøller med lav effekt , hjælpekilder med lav effekt og bremseanordninger. Generatortilstanden for en asynkronmotor bruges ret ofte i mekanismer med et aktivt moment: i denne tilstand fungerer motorerne i metro-rulletrapper (når de bevæger sig ned), sænker belastningen i kraner , elevatormotorer fungerer også i generatortilstand, afhængigt af vægtforhold i kabinen og i modvægt; samtidig kombineres bremsetilstanden for den mekanisme, der kræves af teknologien, og energigenvinding til netværket med energibesparelser.
Tomgangstilstanden for en asynkronmotor opstår, når der ikke er nogen belastning på akslen i form af en gearkasse og et arbejdslegeme. Ud fra erfaringerne med tomgang kan værdierne af magnetiseringsstrømmen og effekttabene i det magnetiske kredsløb, i lejerne og i ventilatoren bestemmes. I reel inaktiv tilstand s = 0,01-0,08. I den ideelle tomgangstilstand, n 2 \ u003d n 1 , derfor s \u003d 0 (faktisk er denne tilstand uopnåelig, selv under den antagelse, at friktion i lejerne ikke skaber sit eget belastningsmoment - selve princippet om motordrift indebærer, at rotoren halter efter statorfeltet for at skabe et felt. Ved s = 0 krydser statorfeltet ikke rotorviklingerne og kan ikke inducere strøm i det, hvilket betyder, at rotormagnetfeltet ikke skabes).
Hvis du ændrer rotationsretningen for rotoren eller magnetfeltet, så de roterer i modsatte retninger, vil EMF og den aktive komponent af strømmen i rotorviklingen blive rettet på samme måde som i motortilstand, og maskinen vil bruge aktiv strøm fra netværket. Det elektromagnetiske moment vil dog være rettet modsat belastningsmomentet, idet det er et bremsemoment. Følgende uligheder gælder for regimet:
.
Denne tilstand bruges i kort tid, da der under den genereres meget varme i rotoren, som motoren ikke er i stand til at sprede, hvilket kan beskadige den.
Til blødere bremsning kan generatortilstanden bruges, men den er kun effektiv ved omdrejninger tæt på de nominelle.
Under styring af en asynkron AC-motor menes en ændring i rotorhastigheden og/eller dens drejningsmoment.
Der er følgende måder at styre en induktionsmotor på [9] [1] :
Motorer | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
se også evighedsmaskine Gearmotor gummi motor |
Nikola Tesla | ||
---|---|---|
Karriere og opfindelser |
| |
Andet |
| |
Relaterede artikler |
|