Das Gerät und das Funktionsprinzip von Asynchron-Elektromotoren

Elektrische AutosUmwandlung elektrischer Energie von Wechselstrom in mechanische Energie nennt man Wechselstrom-Elektromotoren.

In der Industrie sind asynchrone Drehstrommotoren am weitesten verbreitet. Schauen wir uns das Gerät und das Funktionsprinzip dieser Motoren an.

Das Funktionsprinzip des Induktionsmotors basiert auf der Verwendung eines rotierenden Magnetfelds.

Um die Funktionsweise eines solchen Motors zu verstehen, führen wir das folgende Experiment durch.

Wir werden stärken Hufeisenmagnet auf der Achse, so dass es am Griff gedreht werden kann. Zwischen den Polen des Magneten platzieren wir entlang der Achse einen Kupferzylinder, der sich frei drehen kann.

Abbildung 1. Das einfachste Modell zum Erhalten eines rotierenden Magnetfelds

Beginnen wir damit, den Griffmagneten im Uhrzeigersinn zu drehen. Das Feld des Magneten beginnt ebenfalls zu rotieren und kreuzt dabei mit seinen Kraftlinien den Kupferzylinder. In einem Zylinder nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion, werde haben WirbelströmeWer wird sein eigenes schaffen? Magnetfeld — das Feld des Zylinders. Dieses Feld interagiert mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten und bewirkt, dass sich der Zylinder in die gleiche Richtung wie der Magnet dreht.

Es wurde festgestellt, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders etwas geringer ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds.

Wenn sich der Zylinder tatsächlich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Magnetfeld dreht, dann kreuzen ihn die magnetischen Feldlinien nicht und daher entstehen in ihm keine Wirbelströme, die den Zylinder in Drehung versetzen.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds wird üblicherweise als synchron bezeichnet, da sie gleich der Rotationsgeschwindigkeit des Magneten ist und die Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders asynchron (asynchron) ist. Daher wird der Motor selbst als Induktionsmotor bezeichnet... Die Drehzahl des Zylinders (Rotors) unterscheidet sich von synchrone Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfeldes mit etwas Schlupf.

Bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors durch n1 und die Rotationsgeschwindigkeit des Feldes durch n. Wir können den prozentualen Schlupf nach der Formel berechnen:

s = (n — n1) / n.

Im obigen Experiment haben wir ein rotierendes Magnetfeld und die dadurch verursachte Drehung des Zylinders aufgrund der Drehung eines Permanentmagneten erhalten, daher ist ein solches Gerät noch kein Elektromotor … Es sollte getan werden Elektrizität Erzeugen Sie ein rotierendes Magnetfeld und drehen Sie damit den Rotor. Dieses Problem wurde seinerzeit von M. O. Dolivo-Dobrovolski hervorragend gelöst. Er schlug vor, zu diesem Zweck Drehstrom zu verwenden.

Das Gerät eines asynchronen Elektromotors M. O. Dolivo-Dobrovolski

Abbildung 2. Diagramm des asynchronen Elektromotors Dolivo-Dobrovolsky

Auf den Polen eines ringförmigen Eisenkerns, Motorstator genannt, sind drei Wicklungen, Drehstromnetze 0, angeordnet, die in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind.

Im Inneren des Kerns befindet sich ein Metallzylinder, der sogenannte Rotor des Elektromotors.

Wenn die Spulen wie in der Abbildung gezeigt miteinander verbunden und an ein Drehstromnetz angeschlossen werden, ist der gesamte magnetische Fluss, der von den drei Polen erzeugt wird, rotierend.

Abbildung 3 zeigt das Diagramm der Stromänderungen in den Motorwicklungen und den Entstehungsprozess eines rotierenden Magnetfelds.

Schauen wir uns diesen Prozess genauer an.

Abbildung 3. Erhalten eines rotierenden Magnetfelds

In der Position „A“ des Diagramms ist der Strom in der ersten Phase Null, in der zweiten Phase ist er negativ und in der dritten Phase ist er positiv. Der Strom fließt durch die Polspulen in der durch die Pfeile in der Abbildung angegebenen Richtung.

Nachdem wir gemäß der rechten Regel die Richtung des durch den Strom erzeugten magnetischen Flusses bestimmt haben, stellen wir sicher, dass der Südpol (S) am inneren Polende (dem Rotor zugewandt) der dritten Wicklung entsteht und Am Pol der zweiten Spule entsteht der Nordpol (C). Der gesamte magnetische Fluss wird vom Pol der zweiten Spule durch den Rotor zum Pol der dritten Spule geleitet.

In Position „B“ des Diagramms ist der Strom in der zweiten Phase Null, in der ersten Phase ist er positiv und in der dritten Phase ist er negativ. Der durch die Polwicklungen fließende Strom erzeugt am Ende der ersten Wicklung einen Südpol (S) und am Ende der dritten Wicklung einen Nordpol (C). Der gesamte magnetische Fluss wird nun vom dritten Pol durch den Rotor zum ersten Pol geleitet, d. h. die Pole verschieben sich um 120°.

In der Position „B“ des Diagramms ist der Strom in der dritten Phase Null, in der zweiten Phase ist er positiv und in der ersten Phase ist er negativ.Nun erzeugt der durch die erste und zweite Spule fließende Strom einen Nordpol (C) am Polende der ersten Spule und einen Südpol (S) am Polende der zweiten Spule, d. h. , verschiebt sich die Polarität des Gesamtmagnetfeldes um weitere 120°. An der Position „G“ im Diagramm bewegt sich das Magnetfeld um weitere 120°.

Somit ändert der gesamte magnetische Fluss seine Richtung, wenn sich die Richtung des Stroms in den Statorwicklungen (Polen) ändert.

In diesem Fall macht der magnetische Fluss für eine Periode der Stromänderung in den Spulen eine vollständige Umdrehung. Der rotierende Magnetfluss reißt den Zylinder mit und wir erhalten so einen asynchronen Elektromotor.

Denken Sie daran, dass in Abbildung 3 die Statorwicklungen sternförmig geschaltet sind, bei einer Dreieckschaltung jedoch ein rotierendes Magnetfeld entsteht.

Wenn wir die Wicklungen der zweiten und dritten Phase vertauschen, kehrt der magnetische Fluss seine Drehrichtung um.

Das gleiche Ergebnis kann erreicht werden, ohne die Statorwicklungen zu ändern, sondern den Strom der zweiten Phase des Netzwerks in die dritte Phase des Stators und die dritte Phase des Netzwerks in die zweite Phase des Stators zu leiten.

Daher können Sie die Drehrichtung des Magnetfelds ändern, indem Sie zwei Phasen schalten.

Wir haben ein Gerät mit einem Induktionsmotor mit drei Statorwicklungen in Betracht gezogen... In diesem Fall ist das rotierende Magnetfeld bipolar und die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde entspricht der Anzahl der Perioden der Stromänderung in einer Sekunde.

Wenn sechs Spulen am Umfang des Stators angebracht sind, entsteht ein vierpoliges rotierendes Magnetfeld. Bei neun Spulen ist das Feld sechspolig.

Bei einer Drehstromfrequenz von 50 Perioden pro Sekunde oder 3000 pro Minute beträgt die Anzahl der Umdrehungen n des Drehfeldes pro Minute:

mit bipolarem Stator n = (50 NS 60) / 1 = 3000 U/min,

bei einem vierpoligen Stator n = (50 NS 60) / 2 = 1500 Umdrehungen,

bei einem sechspoligen Stator n = (50 NS 60) / 3 = 1000 Windungen,

mit der Anzahl der Statorpolpaare gleich p: n = (f NS 60) / p,

Wir haben also die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds und ihre Abhängigkeit von der Anzahl der Wicklungen des Stators des Motors ermittelt.

Wie wir wissen, wird der Motorrotor in seiner Drehung etwas nacheilen.

Allerdings ist die Rotorverzögerung sehr gering. Beispielsweise beträgt der Drehzahlunterschied im Leerlauf des Motors nur 3 %, unter Last 5-7 %. Daher ändert sich die Drehzahl des Induktionsmotors bei Laständerungen in sehr kleinen Grenzen, was einer seiner Vorteile ist.

Betrachten Sie nun das Gerät der asynchronen Elektromotoren

Zerlegter Asynchron-Elektromotor: a) Stator; b) Käfigläufer; c) Rotor in der Ausführungsphase (1 – Rahmen; 2 – Kern aus gestanzten Stahlblechen; 3 – Wicklung; 4 – Welle; 5 – Gleitringe)

Der Stator eines modernen Asynchron-Elektromotors hat nicht ausgeprägte Pole, das heißt, die Innenfläche des Stators ist völlig glatt.

Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, besteht der Statorkern aus dünnen gestanzten Stahlblechen. Der zusammengebaute Statorkern ist in einem Stahlgehäuse befestigt.

In den Schlitzen des Stators ist eine Spule aus Kupferdraht verlegt. Die Phasenwicklungen des Stators des Elektromotors sind durch einen „Stern“ oder „Dreieck“ verbunden, bei dem alle Anfänge und Enden der Wicklungen zusammengeführt sind Körper - zu einem speziellen Isolierschild. Ein solches Statorgerät ist sehr praktisch, da es die Möglichkeit bietet, seine Wicklungen auf unterschiedliche Standardspannungen einzustellen.

Der Rotor eines Induktionsmotors wird wie ein Stator aus gestanzten Stahlblechen zusammengesetzt. In den Nuten des Rotors ist eine Spule eingelegt.

Je nach Ausführung des Rotors werden Asynchron-Elektromotoren in Käfigläufer- und Phasenläufermotoren unterteilt.

Die Käfigläuferwicklung besteht aus Kupferstäben, die in die Schlitze des Rotors eingesetzt werden. Die Enden der Stäbe sind mit einem Kupferring verbunden. Dies wird als Käfigläuferrollen bezeichnet. Beachten Sie, dass die Kupferschienen in den Kanälen nicht isoliert sind.

Bei einigen Motoren wird der „Käfigläufer“ durch einen Gussrotor ersetzt.

Asynchronrotormotor (mit Schleifringen) wird im Allgemeinen in Hochleistungselektromotoren verwendet und in diesen Fällen; wenn der Elektromotor beim Anfahren eine große Kraft aufbringen muss. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wicklungen des Phasenmotors verbunden sind Startwiderstand.

Käfigläufer-Induktionsmotoren werden auf zwei Arten in Betrieb genommen:

1) Direkter Anschluss der dreiphasigen Netzspannung an den Motorstator. Diese Methode ist die einfachste und beliebteste.

2) Reduzieren der an die Statorwicklungen angelegten Spannung. Die Spannungsreduzierung erfolgt beispielsweise durch die Umschaltung der Statorwicklungen von Stern auf Dreieck.

Der Motor wird gestartet, wenn die Statorwicklungen im „Stern“ geschaltet sind, und wenn der Rotor die normale Drehzahl erreicht, werden die Statorwicklungen auf „Dreieck“ geschaltet.

Der Strom in den Versorgungsleitungen wird bei dieser Art des Startens des Motors um das Dreifache im Vergleich zu dem Strom reduziert, der beim Starten des Motors durch direkten Anschluss an das Netzwerk mit durch „Dreieck“ verbundenen Statorwicklungen auftreten würde.Diese Methode ist jedoch nur dann geeignet, wenn der Stator für den Normalbetrieb ausgelegt ist und seine Wicklungen in Dreieck geschaltet sind.

Am einfachsten, kostengünstigsten und zuverlässigsten ist ein asynchroner Käfigläufermotor, allerdings hat dieser Motor einige Nachteile – geringer Anlaufaufwand und hoher Anlaufstrom. Diese Nachteile werden durch die Verwendung eines Phasenrotors weitgehend beseitigt, die Verwendung eines solchen Rotors erhöht jedoch die Kosten des Motors erheblich und erfordert einen Rheostatstart.

Arten von Asynchronmotoren

Der Haupttyp einer Asynchronmaschine ist ein dreiphasiger Asynchronmotor... Es verfügt über drei Statorwicklungen, die um 120° zueinander versetzt sind. Die Spulen sind in Stern- oder Dreieckschaltung angeschlossen und werden mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben.

Motoren mit geringer Leistung werden in den meisten Fällen als Zweiphasenmotoren ausgeführt... Im Gegensatz zu Dreiphasenmotoren verfügen sie über zwei Statorwicklungen, deren Ströme um einen Winkel versetzt sein müssen, um ein rotierendes Magnetfeld π/2 zu erzeugen.

Wenn die Ströme in den Wicklungen gleich groß und um 90° phasenverschoben sind, unterscheidet sich der Betrieb eines solchen Motors in keiner Weise vom Betrieb eines Drehstrommotors. Allerdings werden solche Motoren mit zwei Statorwicklungen in den meisten Fällen von einem Einphasennetz gespeist und eine Verschiebung von nahezu 90° wird künstlich erzeugt, meist durch Kondensatoren.

Bei einem Einphasenmotor ist praktisch nur eine Wicklung des Stators inaktiv. Bei stillstehendem Rotor entsteht im Motor nur ein pulsierendes Magnetfeld und das Drehmoment ist Null. Zwar kann der Rotor einer solchen Maschine die Funktionen eines Motors übernehmen, wenn er sich mit einer bestimmten Drehzahl dreht.

Obwohl in diesem Fall nur ein pulsierendes Feld vorhanden ist, besteht es aus zwei symmetrischen Feldern - vorwärts und rückwärts, die ungleiche Drehmomente erzeugen - einen größeren Motor und weniger Bremskräfte, die aufgrund der Rotorströme mit erhöhter Frequenz entstehen (Schlupf gegenüber dem synchronen Rückwärtsgang). Feld ist größer als 1).

In Bezug auf das oben Gesagte werden Einphasenmotoren mit einer zweiten Wicklung geliefert, die als Anlaufwicklung dient. Im Stromkreis dieser Spule sind Kondensatoren enthalten, um eine Phasenverschiebung des Stroms zu erzeugen, deren Kapazität recht groß sein kann (zig Mikrofarad bei einer Motorleistung von weniger als 1 kW).

Steuerungssysteme verwenden Zweiphasenmotoren, manchmal auch genannt Exekutive... Sie haben zwei um 90° räumlich versetzte Statorwicklungen. Eine der Wicklungen, Feldwicklung genannt, ist direkt an ein 50- oder 400-Hz-Netz angeschlossen. Die zweite dient als Steuerspule.

Um ein rotierendes Magnetfeld und das entsprechende Drehmoment zu erzeugen, muss der Strom in der Steuerspule um einen Winkel nahe 90° verschoben werden. Die Regelung der Motorgeschwindigkeit erfolgt, wie weiter unten gezeigt wird, durch Änderung des Werts oder der Phase des Stroms in dieser Spule. Das Gegenteil wird erreicht, indem die Phase des Stroms in der Steuerspule um 180 ° geändert wird (Umschalten der Spule).

Zweiphasenmotoren werden in mehreren Ausführungen hergestellt:

• mit Käfigläufer,

• mit einem hohlen nichtmagnetischen Rotor,

• mit hohlem Magnetrotor.

Linearmotoren

Die Umwandlung der Rotationsbewegung des Motors in die Translationsbewegung der Arbeitsorgane der Maschine ist immer mit der Notwendigkeit verbunden, mechanische Einheiten zu verwenden: Zahnstangen, Schnecken usw.nur bedingt — als bewegliches Organ).

In diesem Fall spricht man von „ausgefahrenem Motor“. Die Statorwicklung eines Linearmotors erfolgt auf die gleiche Weise wie bei einem volumetrischen Motor, sie sollte jedoch nur in den Nuten über die gesamte Länge der maximal möglichen Bewegung des Schieberotors verlegt werden. Der Schieberrotor ist in der Regel kurzgeschlossen, der Arbeitskörper des Mechanismus ist damit angelenkt. An den Enden des Stators müssen selbstverständlich Anschläge vorhanden sein, die verhindern, dass der Rotor die Arbeitsgrenzen der Bahn verlässt.