Principiul de funcționare a motorului cu inducție

Motorul cu inducție este o mașină electrică de curent alternativ care transformă energia electrică în energie mecanică. Motorul cu inducție este utilizat pe scară largă în diverse aplicații, de la aparate de uz casnic de bază la industrii grele. Mașina are atât de multe aplicații greu de numărat și vă puteți imagina scara știind că aproape 30% din puterea electrică generată la nivel global este consumată chiar de motoarele cu inducție. Această uimitoare mașină este inventată de marele om de știință Nikola Tesla și această invenție a modificat permanent cursul civilizației umane.

Iată câteva aplicații ale motoarelor cu inducție monofazate și trifazate pe care le putem găsi în viața de zi cu zi.

Aplicații ale motoarelor cu inducție monofazate:

• Ventilatoare electrice în casă
• Mașini de găurit
• Pompe
• Macinatoare
• Jucării
• Aspirator
• Guri de aerisire
• Compresoare și aparate de ras electrice

Aplicații ale motoarelor cu inducție trifazată:

• Industrii la scară mică, la scară medie și la scară largă.
• Ascensoare
• Macarale
• Conducerea mașinilor de strung
• Mori de extracție a uleiului
• Brațe robotice
• Sistem de benzi transportoare
• Concasoare grele

La motoarele cu inducție vin in multe marimi si forme cu caracteristici relative și evaluările electrice. Acestea variază de la câțiva centimetri la câțiva metri și au o putere nominală de la 0,5 CP la 10000 CP. Utilizatorul îl poate alege pe cel mai potrivit din oceanul de modele pentru a-și satisface cererea.

Am discutat deja elementele fundamentale ale motoarelor și funcționarea acesteia în articolul anterior. Aici vom discuta în detaliu despre construcția și lucrul motorului de inducție.

Principiul de lucru al motorului cu inducție

Pentru a înțelege principiul de funcționare al unui motor cu inducție, să luăm în considerare mai întâi o configurare simplă așa cum se arată în figură.

Aici,

• Se iau două miezuri de fier sau ferită de dimensiuni egale și sunt suspendate în aer la distanță.
• Un fir de cupru emailat este înfășurat pe miezul superior urmat de cel inferior și două capete sunt duse într-o parte așa cum se arată în figură.
• Miezul acționează aici ca un mediu pentru transportarea și concentrarea fluxului magnetic generat de bobină în timpul funcționării.

Acum, dacă conectăm o sursă de tensiune alternativă la cele două capete ale cuprului, vom avea ceva ca mai jos.

În timpul ciclului pozitiv al AC:

Aici, în timpul primei jumătăți de ciclu, tensiunea pozitivă la punctul 'A' va trece treptat de la zero la maxim și apoi revine la zero. În această perioadă fluxul curent în înfășurare poate fi reprezentat ca.

Aici,

• În timpul ciclului pozitiv al sursei de curent alternativ, curentul din ambele înfășurări crește treptat de la zero la maxim și apoi revine treptat de la maxim la zero. Acest lucru se datorează faptului că, conform legii lui Ohms, curentul într-un conductor este direct proporțional cu tensiunea terminală și am discutat-o ​​de multe ori în articolele anterioare.
• Înfășurările sunt înfășurate într-un mod în care curentul din ambele înfășurări curge în aceeași direcție și putem vedea același lucru reprezentat în diagramă.

Acum să ne amintim de o lege numită legea lui Lenz pe care am studiat-o mai devreme înainte de a merge mai departe. Conform legii lui Lenz, „ Un conductor care transportă un curent va genera un magnet umplut în jurul suprafeței sale”,

și dacă aplicăm această lege în exemplul de mai sus, atunci un câmp magnetic va fi generat de fiecare buclă în ambele bobine. Dacă adăugăm flux magnetic generat de întreaga bobină, atunci va obține o valoare considerabilă. Întregul flux va apărea pe miezul de fier pe măsură ce bobina a fost înfășurată pe corpul miezului.

Pentru comoditate, dacă trasăm liniile de flux magnetic concentrate pe miezul de fier la ambele capete, atunci vom avea ceva de genul mai jos.

Aici puteți vedea liniile magnetice concentrându-se pe miezurile de fier și mișcarea acestuia prin golul de aer.

Această intensitate a fluxului este direct proporțională cu curentul care curge în bobine înfășurate pe ambele corpuri de fier. Deci, în timpul semiciclului pozitiv, fluxul merge de la zero la maxim și apoi se reduce de la maxim la zero. Odată ce ciclul pozitiv s-a finalizat, intensitatea câmpului la golul de aer ajunge și ea la zero și după aceasta, vom avea un ciclu negativ.

În timpul ciclului negativ al AC:

În timpul acestui ciclu negativ al tensiunii sinusoidale, tensiunea pozitivă din punctul „B” va trece treptat de la zero la maxim și apoi revine la zero. Ca de obicei, din cauza acestei tensiuni, va exista un curent și putem vedea direcția acestui curent în înfășurări în figura de mai jos.

Deoarece curentul este liniar proporțional cu tensiunea, magnitudinea acestuia în ambele înfășurări crește treptat de la zero la maxim și apoi coboară de la maxim la zero.

Dacă luăm în considerare legea lui Lenz, atunci un câmp magnetic va apărea în jurul bobinelor din cauza fluxului de curent similar cu cazul studiat în ciclul pozitiv. Acest câmp se va concentra în centrul miezurilor de ferită așa cum se arată în figură. Deoarece intensitatea fluxului este direct proporțională cu curentul care curge în bobine înfășurate pe ambele corpuri de fier, acest flux va merge, de asemenea, de la zero la maxim și apoi redus de la maxim la zero, după magnitudinea curentului. Deși acest lucru este similar cu un ciclu pozitiv, există o diferență și aceasta este direcția liniilor câmpului magnetic. Puteți observa această diferență în direcția fluxului pe diagrame.

După ciclul său negativ vine un ciclu pozitiv urmat de un alt ciclu negativ și continuă astfel până când tensiunea sinusoidală de curent alternativ este eliminată. Și datorită acestui ciclu de tensiune interschimbabilă, câmpul magnetic din centru pe miezurile de fier continuă să se schimbe atât în ​​mărime cât și în direcție.

În concluzie, folosind această configurație,

• Am dezvoltat o zonă concentrată a câmpului magnetic în centrul miezurilor de fier.
• Intensitatea câmpului magnetic la golul de aer se schimbă atât în ​​mărime cât și în direcție.
• Câmpul urmează forma de undă de tensiune sinusoidală AC.

Legea de astăzi a inducției electromagnetice

Această configurație pe care am discutat-o ​​până acum este cea mai potrivită pentru a realiza legea de astăzi a inducției electromagnetice. Acest lucru se datorează faptului că un câmp magnetic în continuă schimbare este cea mai importantă și mai importantă cerință pentru inducția electromagnetică.

Studiem această lege aici, deoarece motorul de inducție funcționează pe principiul legii Faraday a inducției electromagnetice.

Acum, pentru a studia fenomenul inducției electromagnetice, să luăm în considerare configurarea de mai jos.

• Un conductor este luat și modelat într-un pătrat cu ambele capete scurtcircuitate.
• O tijă metalică este fixată în centrul pătratului conductorului, care acționează ca axa configurării.
• Acum pătratul conductor se poate roti liber de-a lungul axei și se numește rotor.
• Rotorul este plasat în centrul golului de aer, astfel încât bucla conductorului să poată experimenta câmpul maxim generat de bobinele rotorului.

Știm în conformitate cu legea inducției electromagnetice a lui Faraday, „ atunci când un câmp magnetic variază un conductor metalic, atunci un conductor electric sau electromagnetic este indus în conductor” .

Acum, să aplicăm această lege pentru a înțelege funcționarea unui motor cu inducție:

• Conform acestei legi a inducției electromagnetice, un EMF ar trebui să fie indus în conductorul rotor plasat în centru din cauza câmpului magnetic în schimbare experimentat de acesta.
• Datorită faptului că acest circuit electromagnetic și conductorul induse sunt scurtcircuitate, un curent curge în întreaga buclă așa cum se arată în figură.
• Aici vine cheia funcționării motorului cu inducție. Știm, potrivit legii lui Lenz, un conductor care transportă curent generează în jurul său un câmp magnetic a cărui intensitate este proporțională cu magnitudinea curentului.
• Deoarece legea este universală, atunci bucla conductorului rotorului trebuie să genereze și un câmp magnetic, deoarece curentul curge prin el din cauza inducției electromagnetice.
• Dacă numim câmpul magnetic generat de înfășurările statorice și configurarea miezului de fier ca flux principal sau flux statoric. Atunci putem numi câmpul magnetic generat de bucla conductorului rotorului ca flux de rotor.
• Datorită interacțiunii dintre fluxul principal și fluxul rotorului, o forță este experimentată de rotor. Această forță încearcă să se opună inducției EMF în rotor ajustând poziția rotorului. Prin urmare, vom experimenta o mișcare în poziția arborelui în acest moment.
• Acum câmpul magnetic continuă să se schimbe din cauza tensiunii alternative, forța continuă să regleze continuu poziția rotorului fără oprire.
• Deci, rotorul continuă să se rotească din cauza tensiunii alternative și astfel avem o ieșire mecanică la arborele sau axa rotorului.

Cu aceasta, am văzut cum datorită inducției electromagnetice în rotor avem o ieșire mecanică la arbore. Deci, numele dat pentru această configurare se numește Motor de inducție.

Până acum, ceea ce am discutat este principiul de funcționare al motorului de inducție, dar nu uitați că atât teoria, cât și practica sunt diferite. Și pentru funcționarea motorului cu inducție este necesară o configurare suplimentară pe care o vom discuta mai jos.

Motor cu inducție monofazat

Motorul cu inducție care funcționează pe o tensiune alternativă monofazată se numește motor cu inducție monofazat.

Linia electrică disponibilă pentru noi la domiciliu este linia electrică monofazată de 240V / 50Hz AC, iar motoarele cu inducție pe care le folosim în viața de zi cu zi în casele noastre se numesc motoare cu inducție monofazate.

Pentru o mai bună înțelegere a principiului de funcționare al motorului cu inducție monofazată, să analizăm construcția motorului cu inducție monofazat.

Aici,

• Vom lua mai multe conductoare și le vom monta pe arborele care se rotește liber așa cum se arată în figură.
• De asemenea, vom scurta capetele tuturor conductoarelor cu un inel metalic, creând astfel bucle de conductori multiple pe care le-am studiat mai devreme.
• Această configurație a rotorului arată ca o cușcă de veveriță la o privire mai atentă și, prin urmare, se numește motor cu inducție pentru cușcă de veveriță. Aici să aruncăm o privire asupra structurii 3D a rotorului cuștii veveriței.

• Statorul considerat a fi o piesă completă de fier este de fapt un grup de foi subțiri de fier stivuite împreună. Sunt atât de strâns legați, încât literalmente nu va exista aer între ei. Folosim un teanc de foi de fier în loc de o singură bucată de fier din același motiv pentru care folosim foi laminate de fier în cazul unui transformator de putere care este de a reduce pierderile de fier. Prin utilizarea metodei de stivuire vom reduce considerabil pierderile de energie, păstrând în același timp performanța.

Funcționarea acestei configurări este similară cu configurarea utilizată pentru a explica principiul de funcționare al motorului cu inducție.

• În primul rând, vom furniza tensiunea de curent alternativ și datorită acestei tensiuni, curentul curge prin înfășurarea statorului pe ambele segmente de sus și de jos.
• Din cauza curentului, un câmp magnetic se generează atât pe înfășurările superioare, cât și pe cele inferioare.
• Cea mai mare parte a foilor de fier acționează ca un mediu central pentru transportarea câmpului magnetic generat de bobine.
• Acest câmp magnetic alternativ transportat de miezul de fier se concentrează la golul central de aer datorită designului structural intenționat.
• Acum, deoarece rotorul este plasat în acest spațiu de aer, conductorii scurtcircuitați fixați pe rotor experimentează și acest câmp alternativ.
• Din cauza câmpului, un curent este indus în conductorii rotorului.
• Deoarece curentul trece prin conductorii rotorului, un câmp magnetic va fi generat și în jurul rotorului.
• La interacțiunea dintre câmpul magnetic al rotorului generat și câmpul magnetic al statorului, o forță devine experimentată de rotor.
• Această forță mișcă rotorul de-a lungul axei și astfel vom avea mișcare de rotație.
• Deoarece tensiunea se modifică continuu tensiunea sinusoidală, rotorul continuă să se rotească continuu de-a lungul axei sale. Astfel vom avea o ieșire mecanică continuă pentru o tensiune de intrare monofazică dată.

Deși am presupus că rotorul se va roti automat după ce puterea este dată motorului monofazat, ceea ce nu este cazul. Deoarece câmpul generat de un motor cu inducție monofazat este un câmp magnetic alternativ și nu un câmp magnetic rotativ. Deci, la pornirea motorului, rotorul se blochează în poziția sa, deoarece forța experimentată de acesta din cauza bobinei inferioare și a bobinei superioare va fi de aceeași magnitudine și opusă în direcție. Deci, la început, forța netă experimentată de rotor este zero. Pentru a evita acest lucru, vom folosi înfășurarea auxiliară pentru motorul cu inducție pentru a-l face un motor cu pornire automată. Această înfășurare auxiliară va oferi câmpul necesar pentru a face rotorul să se miște la început. Exemplul pentru acest caz este ventilatorul electric pe care îl vedem în viața noastră de zi cu zi,care este un start condensator și rulează un motor cu inducție cu înfășurare auxiliară conectat în serie cu condensatorul.

Motor cu inducție trifazat

Motorul cu inducție care funcționează cu energie electrică trifazată CA se numește motor cu inducție trifazat. De obicei, motoarele cu inducție trifazate sunt utilizate în industrii și nu sunt potrivite pentru aplicații la domiciliu.

Linia de alimentare disponibilă pentru industrii este 400V / 50Hz Trifazică cu patru linii de curent alternativ, iar motoarele cu inducție care funcționează la această alimentare în industrii se numesc motoare cu inducție trifazate.

Pentru o mai bună înțelegere a principiului de funcționare al motorului cu inducție trifazată, să analizăm construcția motorului cu inducție trifazat.

Aici,

• Înfășurarea fazei A începe de la segmentul superior urmat de segmentul inferior așa cum se arată în figură.
• În ceea ce privește cele două capete ale fazei, una înfășurată este conectată la linia de alimentare a fazei A cu sursă de alimentare trifazată, în timp ce celălalt capăt este conectat la neutrul aceleiași surse de alimentare cu patru linii din aceleași trei faze. Acest lucru este posibil deoarece într-o sursă de alimentare trifazată cu patru linii avem primele trei linii care transportă trei tensiuni de linie, în timp ce a patra linie este neutră.
• Celelalte înfășurări în două faze urmează același model ca în faza A. În cele două capete ale înfășurării fazei B, unul este conectat la linia de alimentare a fazei B a sursei de alimentare trifazată, în timp ce celălalt capăt este conectat la neutrul acelorași trei faze. alimentare cu patru linii.
• Structura rotorului este similară cu o cușcă de veveriță și este același tip de rotor care este utilizat într-un motor cu inducție monofazat.

Acum, dacă furnizăm energie electrică înfășurărilor trifazate ale statorului, atunci curentul începe să curgă în toate cele trei înfășurări. Datorită acestui flux de curent, un câmp magnetic va fi generat de bobine și acest câmp va curge printr-o cale de rezistivitate magnetică mai mică oferită de miezul laminat. Aici structura motorului este atât de proiectată încât câmpul magnetic purtat de miez se concentrează pe spațiul de aer din centrul în care este plasat rotorul. Deci câmpul magnetic concentrat de miez la intersecția centrală influențează conductorii din rotor inducând astfel un curent în ei.

În prezența curentului conductorului, rotorul generează, de asemenea, un câmp magnetic care interacționează cu câmpul statoric la un moment dat. Și datorită acestei interacțiuni, rotorul experimentează o forță care duce la rotația motorului.

Aici câmpul magnetic generat de stator este de tip rotativ datorită puterii trifazate, spre deosebire de tipul alternativ pe care l-am discutat într-un motor monofazat. Și datorită acestui câmp magnetic rotativ, rotorul începe să se rotească singur chiar și în absența unei apăsări inițiale. Acest lucru face ca motorul trifazat să fie un tip de pornire automată și nu avem nevoie de nicio înfășurare auxiliară pentru acest tip de motor.