Il dispositivo e il principio di funzionamento dei motori elettrici asincroni

Auto elettricaconversione di energia elettrica da corrente alternata a energia meccanica sono chiamati motori elettrici AC.

Nell'industria i motori asincroni trifase sono i più diffusi. Diamo un'occhiata al dispositivo e al principio di funzionamento di questi motori.

Il principio di funzionamento del motore a induzione si basa sull'utilizzo di un campo magnetico rotante.

Per comprendere il funzionamento di un tale motore, eseguiremo il seguente esperimento.

Rafforzeremo magnete a ferro di cavallo sull'asse in modo che possa essere ruotato dalla maniglia. Tra i poli del magnete posizioniamo lungo l'asse un cilindro di rame, che può ruotare liberamente.

Figura 1. Il modello più semplice per ottenere un campo magnetico rotante

Iniziamo a girare il magnete della maniglia in senso orario. Anche il campo del magnete inizierà a ruotare e, ruotando, attraverserà il cilindro di rame con le sue linee di forza. In un cilindro secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, avrà correnti parassitechi creerà il proprio campo magnetico — il campo del cilindro. Questo campo interagirà con il campo magnetico del magnete permanente, facendo ruotare il cilindro nella stessa direzione del magnete.

È stato riscontrato che la velocità di rotazione del cilindro è leggermente inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico.

Infatti, se il cilindro ruota alla stessa velocità del campo magnetico, allora le linee del campo magnetico non lo attraversano e quindi in esso non si generano correnti parassite che provocano la rotazione del cilindro.

La velocità di rotazione del campo magnetico è solitamente chiamata sincrona, poiché è uguale alla velocità di rotazione del magnete e la velocità di rotazione del cilindro è asincrona (asincrona). Pertanto, il motore stesso è chiamato motore a induzione... La velocità di rotazione del cilindro (rotore) è diversa da velocità sincrona di rotazione del campo magnetico con una piccola quantità di slittamento.

Denota la velocità di rotazione del rotore attraverso n1 e la velocità di rotazione del campo attraverso n possiamo calcolare lo scorrimento percentuale con la formula:

s = (n — n1) / n.

Nell'esperimento di cui sopra abbiamo ottenuto un campo magnetico rotante e la rotazione del cilindro causata da esso a causa della rotazione di un magnete permanente, quindi un tale dispositivo non è ancora un motore elettrico... Dovrebbe essere fatto elettricità crea un campo magnetico rotante e usalo per far girare il rotore. Questo problema è stato brillantemente risolto a suo tempo da M. O. Dolivo-Dobrovolski. Ha proposto di utilizzare la corrente trifase per questo scopo.

Il dispositivo di un motore elettrico asincrono M. O. Dolivo-Dobrovolski

Figura 2. Schema del motore elettrico asincrono Dolivo-Dobrovolsky

Sui poli di un nucleo di ferro a forma di anello, chiamato statore del motore, sono posti tre avvolgimenti, reti di corrente trifase 0 poste l'una rispetto all'altra ad un angolo di 120 °.

All'interno del nucleo, un cilindro metallico, il cosiddetto rotore del motore elettrico.

Se le bobine sono interconnesse come mostrato nella figura e collegate a una rete di corrente trifase, il flusso magnetico totale creato dai tre poli risulterà rotante.

La figura 3 mostra il grafico delle variazioni delle correnti negli avvolgimenti del motore e il processo di comparsa di un campo magnetico rotante.

Diamo un'occhiata a questo processo in modo più dettagliato.

Figura 3. Ottenere un campo magnetico rotante

Nella posizione «A» del grafico la corrente nella prima fase è nulla, nella seconda fase è negativa e nella terza è positiva. La corrente scorre attraverso le bobine polari nella direzione indicata dalle frecce in figura.

Dopo aver determinato, secondo la regola della mano destra, la direzione del flusso magnetico creato dalla corrente, faremo in modo che il polo sud (S) venga creato all'estremità interna del polo (rivolto verso il rotore) del terzo avvolgimento e il polo nord (C ) verrà creato al polo della seconda spira. Il flusso magnetico totale sarà diretto dal polo della seconda bobina attraverso il rotore al polo della terza bobina.

Nella posizione «B» del grafico, la corrente nella seconda fase è nulla, nella prima fase è positiva e nella terza è negativa. La corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti polari crea un polo sud (S) all'estremità del primo avvolgimento e un polo nord (C) all'estremità del terzo avvolgimento. Il flusso magnetico totale sarà ora diretto dal terzo polo attraverso il rotore al primo polo, ovvero i poli si sposteranno di 120 °.

Nella posizione «B» del grafico la corrente nella terza fase è zero, nella seconda fase è positiva e nella prima fase è negativa.Ora la corrente che scorre attraverso la prima e la seconda bobina creerà un polo nord (C) all'estremità polare della prima bobina e un polo sud (S) all'estremità polare della seconda bobina, cioè , la polarità del campo magnetico totale si sposterà di altri 120°. Alla posizione «G» sul grafico, il campo magnetico si sposterà di altri 120°.

Pertanto, il flusso magnetico totale cambierà direzione con un cambiamento nella direzione della corrente negli avvolgimenti dello statore (poli).

In questo caso, per un periodo di variazione di corrente nelle bobine, il flusso magnetico farà un giro completo. Il flusso magnetico rotante trascinerà con sé il cilindro e quindi otterremo un motore elettrico asincrono.

Ricordiamo che nella Figura 3 gli avvolgimenti dello statore sono collegati a stella, ma quando sono collegati a triangolo si forma un campo magnetico rotante.

Se invertiamo gli avvolgimenti della seconda e della terza fase, il flusso magnetico invertirà il suo senso di rotazione.

Lo stesso risultato può essere ottenuto senza modificare gli avvolgimenti dello statore, ma dirigendo la corrente della seconda fase della rete nella terza fase dello statore e la terza fase della rete nella seconda fase dello statore.

Pertanto, è possibile modificare la direzione di rotazione del campo magnetico scambiando due fasi.

Abbiamo considerato un dispositivo con un motore a induzione con tre avvolgimenti di statore... In questo caso, il campo magnetico rotante è bipolare e il numero di giri al secondo è uguale al numero di periodi di variazione di corrente in un secondo.

Se sei bobine sono posizionate sullo statore attorno alla circonferenza, quindi un campo magnetico rotante a quattro poli... Con nove bobine, il campo sarà a sei poli.

Ad una frequenza di corrente trifase pari a 50 periodi al secondo o 3000 al minuto, il numero di giri n del campo rotante al minuto sarà:

con statore bipolare n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

con statore quadripolare n = (50 NS 60) / 2 = 1500 giri,

con statore a sei poli n = (50 NS 60) / 3 = 1000 giri,

con il numero di coppie di poli dello statore pari a p: n = (f NS 60) / p,

Quindi, abbiamo stabilito la velocità di rotazione del campo magnetico e la sua dipendenza dal numero di avvolgimenti dello statore del motore.

Come sappiamo, il rotore del motore ritarderà leggermente nella sua rotazione.

Tuttavia, il ritardo del rotore è molto ridotto. Ad esempio, quando il motore è al minimo, la differenza di velocità è solo del 3% e sotto carico del 5-7%. Pertanto, la velocità del motore a induzione cambia entro limiti molto piccoli quando cambia il carico, il che è uno dei suoi vantaggi.

Consideriamo ora il dispositivo dei motori elettrici asincroni

Motore elettrico asincrono smontato: a) statore; b) rotore a gabbia di scoiattolo; c) rotore in fase di esecuzione (1 - telaio; 2 - anima in lamiera d'acciaio stampata; 3 - avvolgimento; 4 - albero; 5 - anelli scorrevoli)

Lo statore di un moderno motore elettrico asincrono ha poli non pronunciati, cioè la superficie interna dello statore è resa completamente liscia.

Per ridurre le perdite di correnti parassite, il nucleo dello statore è formato da sottili lamiere di acciaio stampato. Il nucleo dello statore assemblato è fissato in un involucro di acciaio.

Nelle fessure dello statore è posata una bobina di filo di rame, gli avvolgimenti di fase dello statore del motore elettrico sono collegati da una «stella» o «triangolo», per cui tutti gli inizi e le estremità degli avvolgimenti sono portati al corpo - a uno speciale scudo isolante. Un tale dispositivo statore è molto conveniente, in quanto consente di accendere i suoi avvolgimenti a diverse tensioni standard.

Un rotore del motore a induzione, come uno statore, è assemblato da lamiere di acciaio stampate. Una bobina è posta nelle scanalature del rotore.

A seconda del design del rotore, i motori elettrici asincroni sono suddivisi in motori a rotore a gabbia di scoiattolo e motori a rotore di fase.

L'avvolgimento del rotore a gabbia di scoiattolo è costituito da barre di rame inserite nelle fessure del rotore. Le estremità delle aste sono collegate con un anello di rame. Questo si chiama rotolamento della gabbia di scoiattolo. Si noti che le barre di rame nei canali non sono isolate.

In alcuni motori, la "gabbia di scoiattolo" è sostituita da un rotore fuso.

Motore a rotore asincrono (con collettori rotanti) è generalmente utilizzato nei motori elettrici di grande potenza e in questi casi; quando è necessario che il motore elettrico crei una grande forza all'avvio. Ciò è ottenuto dal fatto che gli avvolgimenti del motore di fase sono collegati reostato di avviamento.

I motori asincroni a gabbia di scoiattolo vengono messi in servizio in due modi:

1) Collegamento diretto della tensione di rete trifase allo statore del motore. Questo metodo è il più semplice e popolare.

2) Riduzione della tensione applicata agli avvolgimenti dello statore. La tensione viene ridotta, ad esempio, commutando gli avvolgimenti dello statore da stella a triangolo.

Il motore viene avviato quando gli avvolgimenti dello statore sono collegati in "stella" e quando il rotore raggiunge la velocità normale, gli avvolgimenti dello statore vengono commutati in connessione "triangolo".

La corrente nei cavi di alimentazione in questo metodo di avviamento del motore è ridotta di 3 volte rispetto alla corrente che si verificherebbe all'avvio del motore mediante collegamento diretto alla rete con avvolgimenti dello statore collegati da «triangolo».Tuttavia, questo metodo è adatto solo se lo statore è progettato per il normale funzionamento quando i suoi avvolgimenti sono collegati a triangolo.

Il più semplice, economico e affidabile è un motore asincrono a gabbia di scoiattolo, ma questo motore presenta alcuni svantaggi: basso sforzo di avviamento e alta corrente di avviamento. Questi svantaggi sono ampiamente eliminati dall'uso di un rotore di fase, ma l'uso di un tale rotore aumenta notevolmente il costo del motore e richiede l'avviamento del reostato.

Tipi di motori asincroni

Il tipo principale di macchina asincrona è un motore asincrono trifase. Ha tre avvolgimenti di statore situati a 120 ° l'uno dall'altro. Le bobine sono collegate a stella oa triangolo e sono alimentate da corrente alternata trifase.

I motori a bassa potenza sono nella maggior parte dei casi implementati come bifase... A differenza dei motori trifase, hanno due avvolgimenti dello statore, le cui correnti devono essere sfalsate ad angolo per creare un campo magnetico rotante π/2.

Se le correnti negli avvolgimenti sono uguali in grandezza e sfasate di 90 °, il funzionamento di un tale motore non differirà in alcun modo dal funzionamento di un trifase. Tuttavia, tali motori con due avvolgimenti di statore sono nella maggior parte dei casi alimentati da una rete monofase e uno spostamento che si avvicina a 90 ° viene creato artificialmente, solitamente a causa dei condensatori.

Motore monofase solo un avvolgimento dello statore è praticamente inattivo.Quando il rotore è fermo, nel motore si crea solo un campo magnetico pulsante e la coppia è nulla. È vero che se il rotore di una macchina del genere ruota a una certa velocità, può svolgere le funzioni di un motore.

In questo caso, sebbene ci sarà solo un campo pulsante, è costituito da due simmetrici - avanti e indietro, che creano coppie disuguali - un motore più grande e meno frenata, derivante dalle correnti del rotore di maggiore frequenza (scorrimento contro il sincrono inverso campo è maggiore di 1).

In relazione a quanto sopra, i motori monofase vengono forniti con un secondo avvolgimento che funge da avvolgimento di avviamento. I condensatori sono inclusi nel circuito di questa bobina per creare uno sfasamento della corrente, la cui capacità può essere piuttosto grande (decine di microfarad con una potenza del motore inferiore a 1 kW).

I sistemi di controllo utilizzano motori bifase, a volte chiamati esecutivi... Hanno due avvolgimenti dello statore sfalsati nello spazio di 90 °. Uno degli avvolgimenti, chiamato avvolgimento di campo, è direttamente collegato a una rete da 50 o 400 Hz. Il secondo è utilizzato come bobina di controllo.

Per creare un campo magnetico rotante e la coppia corrispondente, la corrente nella bobina di controllo deve essere spostata di un angolo vicino a 90°. La regolazione della velocità del motore, come verrà mostrato di seguito, viene effettuata modificando il valore o la fase della corrente in questa bobina. Il contrario è fornito cambiando la fase della corrente nella bobina di controllo di 180 ° (commutazione della bobina).

I motori bifase sono prodotti in diverse versioni:

• con rotore a gabbia di scoiattolo,

• con un rotore cavo non magnetico,

• con un rotore magnetico cavo.

Motori lineari

La trasformazione del movimento rotatorio del motore nel movimento traslatorio degli organi della macchina operatrice è sempre associata alla necessità di utilizzare qualsiasi unità meccanica: cremagliere, vite, ecc.solo condizionatamente - come un organo in movimento).

In questo caso, si dice che il motore è schierato. L'avvolgimento dello statore di un motore lineare viene eseguito come per un motore volumetrico, ma deve essere posato solo nelle scanalature lungo l'intera lunghezza del massimo movimento possibile del rotore scorrevole. Il rotore del cursore è solitamente cortocircuitato, il corpo di lavoro del meccanismo è articolato con esso. Naturalmente alle estremità dello statore devono essere presenti degli arresti per evitare che il rotore esca dai limiti di lavoro del percorso.