Zasada działania silnika indukcyjnego

Silnik indukcyjny to maszyna elektryczna prądu przemiennego, która przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Silnik indukcyjny jest szeroko stosowany w różnych zastosowaniach, od podstawowych urządzeń gospodarstwa domowego po przemysł ciężki. Maszyna ma tak wiele zastosowań, które są trudne do policzenia i możesz sobie wyobrazić skalę, wiedząc, że prawie 30% energii elektrycznej generowanej na świecie jest zużywane przez same silniki indukcyjne. Ta niesamowita maszyna została wynaleziona przez wielkiego naukowca Nikolę Teslę i ten wynalazek na stałe zmienił bieg cywilizacji ludzkiej.

Oto kilka zastosowań jednofazowych i trójfazowych silników indukcyjnych, które możemy znaleźć w życiu codziennym.

Zastosowania jednofazowych silników indukcyjnych:

• Wentylatory elektryczne w domu
• Wiertarki
• Lakierki
• Szlifierki
• Zabawki
• Odkurzacz
• Wentylatory
• Kompresory i golarki elektryczne

Zastosowania trójfazowych silników indukcyjnych:

• Przemysł na małą, średnią i dużą skalę.
• Windy
• Żurawi
• Prowadzenie maszyn tokarskich
• Młyny do ekstrakcji oleju
• Ramiona robotów
• System przenośników taśmowych
• Ciężkie kruszarki

Te silniki indukcyjne są w wielu rozmiarach i kształtach mających cechy i względnych ocen elektrycznych. Różnią się od kilku centymetrów do kilku metrów i mają moc znamionową od 0,5 KM do 10000 KM. Użytkownik może wybrać najbardziej odpowiedni z oceanu modeli, aby spełnić jego wymagania.

Omówiliśmy już Podstawy silników i ich działanie w poprzednim artykule. Tutaj omówimy szczegółowo budowę i działanie silnika indukcyjnego.

Zasada działania silnika indukcyjnego

Aby zrozumieć zasadę działania silnika indukcyjnego, rozważmy najpierw prostą konfigurację, jak pokazano na rysunku.

Tutaj,

• Dwa rdzenie żelazne lub ferrytowe o równych rozmiarach są pobierane i zawieszane w powietrzu w pewnej odległości.
• Emaliowany drut miedziany jest nawinięty na górnym rdzeniu, a następnie na dolnym, a dwa końce są ułożone w jedną stronę, jak pokazano na rysunku.
• Rdzeń działa tutaj jako medium przenoszące i koncentrujące strumień magnetyczny generowany przez cewkę podczas pracy.

Teraz, jeśli podłączymy zmienne źródło napięcia na dwóch końcach miedzi, będziemy mieli coś takiego jak poniżej.

Podczas dodatniego cyklu AC:

Tutaj, podczas pierwszej połowy cyklu, dodatnie napięcie w punkcie „A” będzie stopniowo wzrastać od zera do maksimum, a następnie powróci do zera. W tym okresie przepływ prądu w uzwojeniu można przedstawić jako.

Tutaj,

• Podczas dodatniego cyklu źródła prądu przemiennego prąd w obu uzwojeniach stopniowo rośnie od zera do maksimum, a następnie stopniowo powraca od maksimum do zera. Dzieje się tak, ponieważ zgodnie z prawem Ohma prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do napięcia na zaciskach, o czym mówiliśmy wielokrotnie w poprzednich artykułach.
• Uzwojenia są nawinięte w taki sposób, że prąd w obu uzwojeniach płynie w tym samym kierunku, co widać na schemacie.

Przypomnijmy sobie teraz prawo zwane prawem Lenza, które studiowaliśmy wcześniej, zanim przejdziemy dalej. Zgodnie z prawem Lenza: „ Przewodnik przewodzący prąd wytworzy pole magnetyczne wypełnione wokół jego powierzchni”,

a jeśli zastosujemy to prawo w powyższym przykładzie, wówczas pole magnetyczne będzie generowane przez każdą pętlę w obu cewkach. Jeśli dodamy strumień magnetyczny generowany przez całą cewkę, to uzyska on znaczną wartość. Cały ten strumień pojawi się na żelaznym rdzeniu, gdy cewka zostanie nawinięta na korpus rdzenia.

Dla wygody, jeśli narysujemy linie strumienia magnetycznego skoncentrowane na żelaznym rdzeniu na obu końcach, otrzymamy coś takiego jak poniżej.

Tutaj możesz zobaczyć linie magnetyczne koncentrujące się na żelaznych rdzeniach i ich ruch przez szczelinę powietrzną.

Ta intensywność strumienia jest wprost proporcjonalna do prądu płynącego w cewkach nawiniętych na oba ciała żelazne. Tak więc podczas dodatniego półcyklu strumień przechodzi od zera do maksimum, a następnie zmniejsza się od maksimum do zera. Gdy pozytywny cykl zakończy się, natężenie pola przy szczelinie powietrznej również osiągnie zero, a po tym będziemy mieli cykl ujemny.

Podczas ujemnego cyklu AC:

Podczas tego ujemnego cyklu napięcia sinusoidalnego dodatnie napięcie w punkcie „B” będzie stopniowo wzrastać od zera do maksimum, a następnie powróci do zera. Jak zwykle z powodu tego napięcia nastąpi przepływ prądu, a kierunek przepływu tego prądu w uzwojeniach możemy zobaczyć na poniższym rysunku.

Ponieważ prąd jest liniowo proporcjonalny do napięcia, jego wielkość w obu uzwojeniach rośnie stopniowo od zera do maksimum, a następnie spada od maksimum do zera.

Jeśli weźmiemy pod uwagę prawo Lenza, wówczas wokół cewek pojawi się pole magnetyczne z powodu przepływu prądu podobnego do przypadku badanego w dodatnim cyklu. To pole będzie się koncentrować w środku rdzeni ferrytowych, jak pokazano na rysunku. Ponieważ natężenie strumienia jest wprost proporcjonalne do prądu płynącego w cewkach nawiniętych na obu żelaznych ciałach, strumień ten również przejdzie od zera do maksimum, a następnie zostanie zmniejszony od maksimum do zera zgodnie z wielkością prądu. Chociaż jest to podobne do cyklu dodatniego, istnieje różnica i taki jest kierunek linii pola magnetycznego. Tę różnicę w kierunku strumienia można zaobserwować na wykresach.

Po jego ujemnym cyklu następuje dodatni cykl, po którym następuje kolejny ujemny cykl, który trwa tak długo, aż sinusoidalne napięcie przemienne zostanie usunięte. Z powodu tego zmieniającego się cyklu napięcia, pole magnetyczne w centrum żelaznych rdzeni ciągle się zmienia zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku.

Podsumowując, korzystając z tej konfiguracji,

• Opracowaliśmy obszar skoncentrowanego pola magnetycznego w środku żelaznych rdzeni.
• Natężenie pola magnetycznego w szczelinie powietrznej zmienia się zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku.
• Pole podąża za sinusoidalnym przebiegiem napięcia AC.

Prawo Faradaya indukcji elektromagnetycznej

Ta konfiguracja, którą omawialiśmy do tej pory, najlepiej nadaje się do realizacji prawa Faradaysa indukcji elektromagnetycznej. Dzieje się tak, ponieważ stale zmieniające się pole magnetyczne jest najbardziej podstawowym i najważniejszym wymogiem dla indukcji elektromagnetycznej.

Badamy to prawo tutaj, ponieważ silnik indukcyjny działa na zasadzie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Teraz, aby zbadać zjawisko indukcji elektromagnetycznej, rozważmy poniższą konfigurację.

• Przewód jest pobierany i kształtowany w kwadrat ze zwartymi obydwoma końcami.
• Metalowy pręt jest zamocowany w środku kwadratu przewodnika, który działa jako oś zestawu.
• Teraz kwadrat przewodnika może się swobodnie obracać wzdłuż osi i nazywany jest wirnikiem.
• Wirnik jest umieszczony w środku szczeliny powietrznej, dzięki czemu pętla przewodnika może doświadczyć maksymalnego pola wytwarzanego przez cewki wirnika.

Wiemy, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, „ kiedy zmieniające się pole magnetyczne przecina metalowy przewodnik, wówczas w przewodniku indukowane jest pole elektromagnetyczne lub napięcie” .

Teraz zastosujmy to prawo, aby zrozumieć działanie silnika indukcyjnego:

• Zgodnie z tym prawem indukcji elektromagnetycznej, pole elektromagnetyczne powinno być indukowane w przewodniku wirnika umieszczonym w centrum z powodu zmieniającego się pola magnetycznego, którego doświadcza.
• Z powodu tego indukowanego pola elektromagnetycznego i zwarcia przewodu, prąd przepływa przez całą pętlę, jak pokazano na rysunku.
• Oto klucz do działania silnika indukcyjnego. Wiemy, że zgodnie z prawem Lenza przewodnik przewodzący prąd wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, którego natężenie jest proporcjonalne do wielkości prądu.
• Ponieważ prawo jest uniwersalne, pętla przewodnika wirnika musi również generować pole magnetyczne, ponieważ prąd przez nią przepływa z powodu indukcji elektromagnetycznej.
• Jeśli nazwiemy pole magnetyczne generowane przez uzwojenia stojana i konfigurację rdzenia żelaznego jako strumień główny lub strumień stojana. Wtedy możemy nazwać pole magnetyczne generowane przez pętlę przewodnika wirnika jako strumień wirnika.
• Ze względu na interakcję między strumieniem głównym a strumieniem wirnika, na wirnik działa siła. Siła ta próbuje przeciwdziałać indukcji pola elektromagnetycznego do wirnika, dostosowując położenie wirnika. W związku z tym w tym czasie odczujemy ruch w położeniu wału.
• Teraz pole magnetyczne ciągle się zmienia z powodu napięcia przemiennego, siła również reguluje położenie wirnika w sposób ciągły bez zatrzymywania.
• Tak więc wirnik obraca się z powodu napięcia przemiennego, a tym samym mamy moc mechaniczną na wale lub osi wirnika.

Dzięki temu widzieliśmy, jak dzięki indukcji elektromagnetycznej w wirniku uzyskujemy moc mechaniczną na wale. Tak więc nazwa nadana tej konfiguracji to Silnik indukcyjny.

Do tej pory omawialiśmy zasadę działania silnika indukcyjnego, ale pamiętajmy, że teoria i praktyka są różne. A do pracy silnika indukcyjnego potrzebna jest dodatkowa konfiguracja, którą omówimy poniżej.

Jednofazowy silnik indukcyjny

Silnik indukcyjny pracujący na jednofazowym zasilaniu prądem przemiennym nazywany jest jednofazowym silnikiem indukcyjnym.

Linia zasilania dostępna dla nas w domach to jednofazowa linia zasilająca 240 V / 50 Hz AC, a silniki indukcyjne, których używamy w naszym codziennym życiu w naszych domach, nazywane są silnikami jednofazowymi indukcyjnymi.

Aby lepiej zrozumieć zasadę działania jednofazowego silnika indukcyjnego, przyjrzyjmy się konstrukcji jednofazowego silnika indukcyjnego.

Tutaj,

• Weźmiemy wiele przewodów i zamontujemy je na swobodnie obracającym się wale, jak pokazano na rysunku.
• Ponadto zewrzemy końce wszystkich przewodników metalowym pierścieniem, tworząc w ten sposób wiele pętli przewodników, które badaliśmy wcześniej.
• Ta konfiguracja wirnika wygląda jak klatka wiewiórki po bliższym przyjrzeniu się i dlatego nazywa się ją silnikiem indukcyjnym klatkowym. Rzućmy teraz okiem na trójwymiarową strukturę wirnika klatkowego.

• Stojan, który był uważany za kompletny kawałek żelaza, jest w rzeczywistości grupą cienkich blach żelaznych ułożonych razem. Są tak blisko siebie, że dosłownie nie ma między nimi powietrza. Używamy stosu blach żelaznych zamiast jednego kawałka żelaza z tego samego powodu używamy blach walcowanych w przypadku transformatora mocy, który ma zmniejszyć straty żelaza. Stosując metodę układania w stos, znacznie zmniejszymy straty mocy, zachowując przy tym tę samą wydajność.

Działanie tej konfiguracji jest podobne do konfiguracji używanej do wyjaśnienia zasady działania silnika indukcyjnego.

• Najpierw zapewnimy napięcie przemienne iz powodu tego napięcia prąd przepływa przez uzwojenie stojana nawinięte na segmenty górne i dolne.
• Z powodu prądu pole magnetyczne jest generowane zarówno na górnym, jak i dolnym uzwojeniu.
• Większość blach żelaznych działa jak rdzeń przenoszący pole magnetyczne wytwarzane przez cewki.
• To zmienne pole magnetyczne przenoszone przez żelazny rdzeń koncentruje się w centralnej szczelinie powietrznej ze względu na zamierzoną konstrukcję.
• Teraz, ponieważ wirnik jest umieszczony w tej szczelinie powietrznej, zwarte przewody zamocowane na wirniku również doświadczają tego zmiennego pola.
• Z powodu pola w przewodach wirnika indukowany jest prąd.
• Ponieważ prąd przepływa przez przewodniki wirnika, pole magnetyczne będzie również wytwarzane wokół wirnika.
• W wyniku interakcji między generowanym polem magnetycznym wirnika i polem magnetycznym stojana, na wirnik działa siła.
• Siła ta porusza wirnik wzdłuż osi, dzięki czemu będziemy mieli ruch obrotowy.
• Ponieważ napięcie w sposób ciągły zmienia się sinusoidalnie, wirnik również obraca się w sposób ciągły wzdłuż swojej osi. Dzięki temu będziemy mieli ciągłe wyjście mechaniczne dla danego jednofazowego napięcia wejściowego.

Chociaż założyliśmy, że wirnik będzie się obracał automatycznie po podaniu mocy do silnika jednofazowego, tak nie jest. Ponieważ pole generowane przez jednofazowy silnik indukcyjny jest zmiennym polem magnetycznym, a nie wirującym polem magnetycznym. Tak więc na początku silnika wirnik zostaje zablokowany w swoim położeniu, ponieważ siła doznana przez dolną cewkę i górną cewkę będzie tej samej wielkości i przeciwnie w kierunku. Tak więc na początku, siła wypadkowa, której doświadcza wirnik, wynosi zero. Aby tego uniknąć, użyjemy uzwojenia pomocniczego dla silnika indukcyjnego, aby uczynić go silnikiem samorozruchowym. To pomocnicze uzwojenie zapewni pole niezbędne do poruszania wirnika na początku. Przykładem tego przypadku jest wentylator elektryczny, który widzimy w naszym codziennym życiu,który jest starterem kondensatora i napędza silnik indukcyjny z uzwojeniem pomocniczym połączonym szeregowo z kondensatorem.

Trójfazowy silnik indukcyjny

Silnik indukcyjny pracujący na trójfazowym zasilaniu prądem przemiennym nazywany jest trójfazowym silnikiem indukcyjnym. Zazwyczaj trójfazowe silniki indukcyjne są używane w przemyśle i nie nadają się do zastosowań domowych.

Linia zasilania dostępna dla przemysłu to 400 V / 50 Hz Trójfazowe czteroliniowe zasilanie prądem przemiennym, a silniki indukcyjne, które pracują na tym zasilaniu w przemyśle, nazywane są trójfazowymi silnikami indukcyjnymi.

Aby lepiej zrozumieć zasadę działania trójfazowego silnika indukcyjnego, przyjrzyjmy się budowie trójfazowego silnika indukcyjnego.

Tutaj,

• Faza A uzwojenia rozpoczyna się od górnego segmentu, po którym następuje dolny segment, jak pokazano na rysunku.
• Jeśli chodzi o dwa końce fazy, jedno uzwojenie jest podłączone do linii zasilania fazy A trójfazowego zasilania, podczas gdy drugi koniec jest podłączony do przewodu zerowego tego samego trójfazowego czteroliniowego zasilania. Jest to możliwe, ponieważ w trójfazowym czteroliniowym zasilaniu mamy pierwsze trzy linie z trzema napięciami, a czwarta linia jest neutralna.
• Pozostałe dwufazowe uzwojenia działają według tego samego wzoru, co w fazie A. Na dwóch końcach uzwojenia fazy B jedno jest podłączone do linii zasilania fazy B trójfazowego zasilania, podczas gdy drugi koniec jest podłączony do przewodu neutralnego tych samych trzech faz czteroliniowy zasilacz.
• Konstrukcja wirnika jest podobna do klatki wiewiórkowej i jest to ten sam typ wirnika, który jest używany w jednofazowym silniku indukcyjnym.

Jeśli teraz doprowadzimy energię elektryczną do trójfazowych uzwojeń stojana, wówczas prąd zacznie płynąć we wszystkich trzech uzwojeniach. Z powodu tego przepływu prądu, pole magnetyczne będzie generowane przez cewki i będzie przepływać przez ścieżkę o mniejszej rezystywności magnetycznej zapewnianą przez laminowany rdzeń. Tutaj konstrukcja silnika jest tak zaprojektowana, że ​​pole magnetyczne przenoszone przez rdzeń koncentruje się w szczelinie powietrznej w środku, w którym umieszczony jest wirnik. Zatem pole magnetyczne skupione przez rdzeń w środkowej szczelinie wpływa na przewodniki w wirniku, indukując w ten sposób prąd w nich.

W obecności prądu przewodnika wirnik generuje również pole magnetyczne, które w dowolnym momencie oddziałuje z polem stojana. W wyniku tej interakcji na wirnik działa siła, która prowadzi do obrotu silnika.

Tutaj pole magnetyczne generowane przez stojan jest typu wirującego z powodu mocy trójfazowej, w przeciwieństwie do typu przemiennego, o którym mówiliśmy w silniku jednofazowym. A z powodu tego wirującego pola magnetycznego wirnik zaczyna się samoczynnie obracać, nawet przy braku początkowego pchnięcia. To sprawia, że ​​silnik trójfazowy jest typem samorozruchowym i nie potrzebujemy żadnego dodatkowego uzwojenia dla tego typu silnika.