Articles

Induktionsmotor

en trefas strömförsörjning ger ett roterande magnetfält i en induktionsmotor

inherent slip-ojämn rotationsfrekvens för statorfältet och rotorn

i både induktions – och synkronmotorer skapar växelströmmen som matas till motorns stator ett magnetfält som roterar i synkronisering med AC-svängningarna. Medan en synkronmotors rotor roterar i samma takt som statorfältet roterar en induktionsmotors rotor med en något långsammare hastighet än statorfältet. Induktionsmotorstatorns magnetfält förändras eller roterar därför relativt rotorn. Detta inducerar en motsatt ström i induktionsmotorns rotor, i själva verket motorns sekundärlindning, när den senare kortsluts eller stängs genom en yttre impedans. Det roterande magnetiska flödet inducerar strömmar i rotorns lindningar, på ett sätt som liknar strömmar inducerade i en transformators sekundära lindning(er).

de inducerade strömmarna i rotorlindningarna skapar i sin tur magnetfält i rotorn som reagerar mot statorfältet. Riktningen för det skapade magnetfältet kommer att vara sådan att motsätta sig strömförändringen genom rotorlindningarna, i överensstämmelse med Lenz lag. Orsaken till inducerad ström i rotorlindningarna är det roterande statormagnetiska fältet, så för att motsätta sig förändringen i rotorlindningsströmmar börjar rotorn rotera i riktning mot det roterande statormagnetiska fältet. Rotorn accelererar tills storleken på inducerad rotorström och vridmoment balanserar den applicerade mekaniska belastningen på rotorns rotation. Eftersom rotation vid synkron hastighet skulle resultera i ingen inducerad rotorström, arbetar en induktionsmotor alltid något långsammare än synkron hastighet. Skillnaden, eller” slip”, mellan faktisk och synkron hastighet varierar från Ca 0,5% till 5,0% för standard Design B momentkurva induktionsmotorer. Induktionsmotorns väsentliga karaktär är att den skapas enbart genom induktion istället för att vara separat upphetsad som i synkrona eller likströmsmaskiner eller att vara självmagnetiserad som i permanentmagnetmotorer.

för att rotorströmmar ska induceras måste den fysiska Rotorns hastighet vara lägre än statorns roterande magnetfält (n s {\displaystyle n_{s}}

n_{s}

); annars skulle magnetfältet inte röra sig relativt rotorledarna och inga strömmar skulle induceras. När Rotorns hastighet sjunker under synkron hastighet ökar rotationshastigheten för magnetfältet i rotorn, vilket inducerar mer ström i lindningarna och skapar mer vridmoment. Förhållandet mellan rotationshastigheten för magnetfältet inducerat i rotorn och rotationshastigheten för statorns roterande fält kallas ”slip”. Under belastning sjunker hastigheten och glidningen ökar tillräckligt för att skapa tillräckligt vridmoment för att vrida lasten. Av denna anledning kallas induktionsmotorer ibland som”asynkronmotorer”.

en induktionsmotor kan användas som en induktionsgenerator, eller den kan rullas upp för att bilda en linjär induktionsmotor som direkt kan generera linjär rörelse. Genereringsläget för induktionsmotorer kompliceras av behovet av att excitera rotorn, som börjar med endast kvarvarande magnetisering. I vissa fall är den återstående magnetiseringen tillräcklig för att själv excitera motorn under belastning. Därför är det nödvändigt att antingen knäppa motorn och ansluta den tillfälligt till ett levande nät eller att tillsätta kondensatorer laddade initialt genom återstående magnetism och tillhandahålla den erforderliga reaktiva effekten under drift. Liknande är induktionsmotorns funktion parallellt med en synkronmotor som fungerar som en effektfaktorkompensator. En funktion i generatorläget parallellt med gallret är att rotorhastigheten är högre än i körläget. Då ges aktiv energi till nätet. En annan nackdel med induktionsmotorgenerator är att den förbrukar en signifikant magnetiseringsström I0 = (20-35)%.

synkron speedEdit

en VÄXELSTRÖMSMOTORS synkron hastighet, f s {\displaystyle f_{s}}

f_{s}

, är rotationshastigheten för statorns magnetfält, f s = 2 f p {\displaystyle f_{s}={2f \över p}}

{\displaystyle F_{s}={2F \over p}}

,

där F {\displaystyle F}

f

är frekvensen för strömförsörjningen, p {\displaystyle p}

p

är antalet magnetiska poler och f s {\displaystyle F_{s}}

f_{s}

är maskinens synkrona hastighet. För f {\displaystyle f}

f

i hertz och n s {\displaystyle n_{s}}

n_{s}

synkron hastighet i RPM blir formeln: n s = 2 f p ci ( 60 s e c o n d s m i n u t e ) = 120 F P ci ( s e c o n d s m i n u t e ) {\displaystyle n_{s}={2f \över p}\cdot \vänster({\frac {60\ \mathrm {sekunder} }{\mathrm {minut} }}\höger)={120f \över {p}}\cdot \vänster({\frac {\mathrm {sekunder} }{\mathrm {minut} }}\höger)}

{\displaystyle n_{s}={2F \över p}\cdot \vänster({\frac {60\ \mathrm {sekunder} }{\mathrm {minut} }}\höger)={120F \över {p}}\cdot \vänster({\frac {\mathrm {sekunder} }{\mathrm {minut} }}\höger) = {120F \ över {p}} \ cdot \ vänster ({\frac {\mathrm {sekunder}} {\mathrm {minut}}} \ höger)}

.

till exempel, för en fyrpolig, trefasmotor, p {\displaystyle P}

p

= 4 och n s = 120 f 4 {\displaystyle n_{s}={120f \över 4}}

{\displaystyle n_{s}={120F \över 4}}

= 1500 rpm (för F {\displaystyle F}

f

= 50 Hz) och 1800 rpm (för F {\displaystyle F}

f

= 60 Hz) synkron hastighet.

antalet magnetiska poler, p {\displaystyle P}

p

, är lika med antalet spolgrupper per fas. För att bestämma antalet spolgrupper per fas i en 3-fasmotor, räkna antalet spolar, dividera med antalet faser, vilket är 3. Spolarna kan sträcka sig över flera slitsar i statorkärnan, vilket gör det tråkigt att räkna dem. För en 3-fasmotor, om du räknar totalt 12 spolgrupper, har den 4 magnetiska poler. För en 12-polig 3-fas maskin kommer det att finnas 36 spolar. Antalet magnetiska poler i rotorn är lika med antalet magnetiska poler i statorn.

de två figurerna till höger och vänster ovanför var och en illustrerar en 2-polig 3-fas maskin bestående av tre Pol-par med varje pol som är 60 ml isär.

SlipEdit

typisk vridmomentkurva som en funktion av slip, representerad som ”g” här

Slip, s {\displaystyle s}

s

, definieras som skillnaden mellan synkron hastighet och driftshastighet, vid samma frekvens, uttryckt i RPM, eller i procent eller Förhållande av synkron hastighet. Således s = n s − n r n s {\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}

s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,

där n s {\displaystyle n_{s}}

n_{s}

är stator elektrisk hastighet, n r {\displaystyle n_{r}}

N_r

är rotor mekanisk hastighet. Slip, som varierar från noll vid synkron hastighet och 1 när rotorn är stoppad, bestämmer motorns vridmoment. Eftersom de kortslutna rotorlindningarna har litet motstånd inducerar även en liten glidning en stor ström i rotorn och ger betydande vridmoment. Vid full märkbelastning varierar glidningen från mer än 5% för små eller speciella motorer till mindre än 1% för stora motorer. Dessa hastighetsvariationer kan orsaka problem med lastdelning när motorer i olika storlekar är mekaniskt anslutna. Olika metoder finns tillgängliga för att minska glidning, VFDs erbjuder ofta den bästa lösningen.

TorqueEdit

se även: Fleming’s left-hand rule for motors

Standard torqueEdit

Speed-torque curves for four induction motor types: A) Single-phase, B) Polyphase cage, C) Polyphase cage deep bar, D) Polyphase double cage

Typical speed-torque curve for NEMA Design B Motor

File:AC Induction motor transient.webm

spela media

övergående lösning för en AC-induktionsmotor från ett fullständigt stopp till dess driftpunkt under varierande belastning.

det typiska förhållandet mellan hastighet och vridmoment för en standard nema Design B polyfasinduktionsmotor är som visas i kurvan till höger. Lämplig för de flesta lågpresterande belastningar som centrifugalpumpar och fläktar, Design B-motorer begränsas av följande typiska vridmomentområden:

  • brytningsmoment (toppmoment), 175-300% av Nominellt vridmoment
  • låst rotormoment (vridmoment vid 100% glidning), 75-275% av Nominellt vridmoment
  • pull-up vridmoment, 65-190% av Nominellt vridmoment.

över en Motors normala belastningsområde är vridmomentets lutning ungefär linjär eller proportionell mot glidning eftersom värdet på rotormotstånd dividerat med glid, r r ’ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

{\displaystyle R_{r}'/s}'/s}

dominerar vridmomentet på ett linjärt sätt. När belastningen ökar över nominell belastning blir stator-och rotorläckagereaktansfaktorer gradvis mer signifikanta i förhållande till R r ’ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

{\displaystyle R_{r}'/s}'/s}

så att vridmomentet gradvis böjer sig mot nedbrytningsmomentet. När belastningsmomentet ökar utöver nedbrytningsmomentet stannar motorn.

StartingEdit

se även: motorstyrenhet

det finns tre grundläggande typer av små induktionsmotorer: delad fas enfas, skuggad polig enfas och polyfas.

i tvåpoliga enfasmotorer går vridmomentet till noll vid 100% glid (nollhastighet), så dessa kräver ändringar av statorn som skuggade poler för att ge Startmoment. En enfas induktionsmotor kräver separata startkretsar för att ge ett roterande fält till motorn. De normala löpande lindningarna inom en sådan enfasmotor kan få rotorn att svänga i båda riktningarna, så startkretsen bestämmer arbetsriktningen.

magnetiskt flöde i skuggad polmotor.

i vissa mindre enfasmotorer görs start med hjälp av en koppartråd vänd runt en del av en stolpe; en sådan stolpe kallas en skuggad stolpe. Strömmen som induceras i denna tur ligger bakom matningsströmmen, vilket skapar ett fördröjt magnetfält runt den skuggade delen av polytan. Detta ger tillräcklig rotationsfältenergi för att starta motorn. Dessa motorer används vanligtvis i applikationer som skrivbordsfläktar och skivspelare, eftersom det erforderliga startmomentet är lågt och den låga effektiviteten är acceptabel i förhållande till den reducerade kostnaden för motorn och startmetoden jämfört med andra AC-motorkonstruktioner.

större enfasmotorer är delfasmotorer och har en andra statorlindning matad med fasström; sådana strömmar kan skapas genom att mata lindningen genom en kondensator eller få den att ta emot olika värden på induktans och motstånd från huvudlindningen. I kondensatorstartsdesigner kopplas den andra lindningen bort när motorn är upp till hastighet, vanligtvis antingen genom en centrifugalbrytare som verkar på vikter på motoraxeln eller en termistor som värms upp och ökar dess motstånd, vilket minskar strömmen genom den andra lindningen till en obetydlig nivå. Kondensatorkörningsdesignerna håller den andra lindningen på när du kör, vilket förbättrar vridmomentet. En motståndsstartsdesign använder en starter som sätts in i serie med startlindningen, vilket skapar reaktans.

självstartande polyfasinduktionsmotorer producerar vridmoment även vid stillastående. Tillgängliga ekorre-bur induktionsmotor startmetoder inkluderar direkt-on-line start, reducerad spänning reaktor eller auto-transformator start, star-delta start eller, alltmer, nya solid-state mjuka enheter och, naturligtvis, variabla frekvensomriktare (VFDs).

Polyfasmotorer har rotorstänger formade för att ge olika hastighetsmomentegenskaper. Strömfördelningen inom rotorstängerna varierar beroende på frekvensen hos den inducerade strömmen. Vid stillastående är rotorströmmen samma frekvens som statorströmmen och tenderar att färdas vid de yttersta delarna av burrotorstängerna (genom hudeffekt). De olika stapelformerna kan med fördel ge olika hastighetsmomentegenskaper samt viss kontroll över startströmmen vid start.

även om polyfasmotorer i sig är självstartande, måste deras start-och dragmomentdesigngränser vara tillräckligt höga för att övervinna de faktiska belastningsförhållandena.

i lindade rotormotorer möjliggör rotorkretsanslutning genom glidringar till yttre motstånd förändring av hastighetsmomentegenskaper för accelerationskontroll och hastighetsreglering.

Speed controlEdit

ResistanceEdit
typiska varvtalsmomentkurvor för olika motorinmatningsfrekvenser som till exempel används med variabla frekvensomriktare

före utvecklingen av halvledarelektronik var det svårt att variera frekvensen, och Burinduktionsmotorer användes huvudsakligen i applikationer med fast hastighet. Applikationer som elektriska luftkranar använde DC-drivenheter eller sårrotormotorer (WRIM) med glidringar för rotorkretsanslutning till variabelt yttre motstånd vilket möjliggör ett stort antal varvtalsreglering. Motståndsförluster i samband med låg hastighet drift av WRIMs är dock en stor kostnad nackdel, särskilt för konstanta belastningar. Stora glidring motordrifter, benämnda slip energiåtervinningssystem, vissa fortfarande i bruk, återvinna energi från rotorkretsen, rätta till den och returnera den till elsystemet med hjälp av en VFD.

CascadeEdit

hastigheten hos ett par slip-Ring motorer kan styras av en kaskad anslutning, eller sammanfogning. Rotorn på en motor är ansluten till statorn på den andra. Om de två motorerna också är mekaniskt anslutna körs de med halv hastighet. Detta system användes en gång i stor utsträckning i trefas AC järnvägslok, såsom FS klass E. 333.

variabel frekvens driveEdit
variabel frekvens enhet

Huvudartikel: Variabel frekvensdrift

i många industriella applikationer med variabel hastighet förskjuts DC-och WRIM-enheter av VFD-matade burinduktionsmotorer. Det vanligaste effektiva sättet att styra asynkron Motorhastighet på många laster är med VFDs. Hinder för antagande av VFDs på grund av kostnads-och tillförlitlighetsöverväganden har minskat avsevärt under de senaste tre decennierna så att det uppskattas att drivteknik antas i så många som 30-40% av alla nyinstallerade motorer.

Variabla frekvensomriktare implementerar skalär eller vektorstyrning av en induktionsmotor.

med skalärstyrning styrs endast matningsspänningens storlek och frekvens utan faskontroll (frånvarande återkoppling med rotorposition). Skalär kontroll är lämplig för applicering där belastningen är konstant.

vektorstyrning möjliggör oberoende styrning av motorens hastighet och vridmoment, vilket gör det möjligt att upprätthålla en konstant rotationshastighet vid varierande belastningsmoment. Men vektorkontroll är dyrare på grund av sensorns kostnad (inte alltid) och kravet på en kraftfullare styrenhet.