Che cos'è un motore a induzione e come funziona
Il motore a induzione è semplice e affidabile ed è per questo che molto spesso viene utilizzato nella produzione e negli elettrodomestici, dall'azionamento della valvola alla rotazione del cestello nella lavatrice. In questo articolo, in parole semplici, parleremo di cosa sono i motori elettrici asincroni, di cosa si tratta e come funziona questo tipo di macchina elettrica.
tipi
I motori a induzione (AM) sono divisi in due gruppi principali:
- rotore a gabbia di scoiattolo
- con un rotore di fase.
Se omettiamo le sfumature, la differenza è che il motore del rotore a gabbia di scoiattolo non ha spazzole e avvolgimenti pronunciati, è meno impegnativo nella manutenzione. Considerando che nei motori asincroni con un rotore di fase ci sono tre avvolgimenti collegati agli anelli di contatto, la cui corrente viene rimossa dalle spazzole. A differenza del precedente, è meglio controllare la coppia sull'albero ed è più facile realizzare un avvio regolare per ridurre le correnti di spunto.
Il resto dei motori classifica:
- dal numero di fasi di alimentazione - monofase e bifase (utilizzate nella vita di tutti i giorni quando alimentate da una rete 220V) e trifase (più utilizzate nella produzione e nelle officine).
- a mezzo di fissaggio - flangia o su zampe.
- per modalità operativa - per una modalità a lungo, breve o ripetutamente a breve termine.
E una serie di altri fattori che influenzano la scelta di un particolare prodotto da utilizzare in condizioni specifiche.
Si può dire molto sui motori elettrici monofase: alcuni di essi vengono lanciati attraverso un condensatore e alcuni richiedono una capacità di avviamento e di lavoro. Ci sono anche opzioni con una svolta in cortocircuito, che funzionano senza condensatore e sono utilizzate, ad esempio, nelle cappe. Se sei interessato, scrivi nei commenti e scriveremo un articolo a riguardo.
dispositivo
Per definizione, "asincrono" si riferisce a un motore a corrente alternata in cui il rotore ruota più lentamente del campo magnetico dello statore, cioè in modo asincrono. Ma questa definizione non è troppo istruttiva. Per capirlo, devi capire come è progettato questo motore.
Un motore a induzione, come qualsiasi altro, è costituito da due parti principali: rotore e statore. "For Dummies" in elettronica decifriamo:
- Lo statore è chiamato la parte fissa di qualsiasi generatore o motore elettrico.
- Il rotore è chiamato la parte rotante del motore, che guida i meccanismi.
Lo statore è costituito da un alloggiamento, le cui estremità sono chiuse da schermi dei cuscinetti in cui sono installati i cuscinetti. A seconda dello scopo e della potenza del motore, vengono utilizzati cuscinetti scorrevoli o volventi. Il nucleo si trova nella custodia, su cui è installato un avvolgimento. Si chiama avvolgimento statore.
Poiché la corrente si alterna per ridurre le perdite dovute a correnti vaganti (Correnti di Foucault) il nucleo dello statore è ricavato da sottili lastre di acciaio isolate l'una dall'altra mediante una scala e legate con vernice.Una tensione di alimentazione viene fornita agli avvolgimenti dello statore, la corrente che scorre in essi viene chiamata corrente dello statore.
Il numero di avvolgimenti dipende dal numero di fasi di alimentazione e dal design del motore. Quindi un motore trifase ha almeno tre avvolgimenti collegati da un circuito a stella o triangolo. Il loro numero può essere maggiore e influisce sulla velocità di rotazione dell'albero, ma ne parleremo più avanti.
Ma con il rotore, le cose sono più interessanti, come già accennato, può essere in cortocircuito o in fase.
Un rotore a gabbia di scoiattolo è un insieme di aste metalliche (solitamente alluminio o rame), nella figura sopra sono indicate dal numero 2, saldate o riempite nell'anima (1), chiuse da anelli (3). Questo design ricorda una ruota su cui corrono roditori domestici, motivo per cui viene spesso chiamata "gabbia di scoiattolo" o "ruota di scoiattolo" e questo nome non è gergale, ma piuttosto letterario. Per ridurre le armoniche più elevate dell'EMF e le pulsazioni del campo magnetico, le aste non sono posizionate lungo l'albero, ma ad un certo angolo rispetto all'asse di rotazione.
Il rotore di fase differisce dal precedente in quanto ha già tre avvolgimenti, come su uno statore. L'inizio degli avvolgimenti è collegato agli anelli, di solito in rame, vengono premuti sull'albero del motore. Più avanti spiegheremo brevemente perché sono necessari.
In entrambi i casi, una delle estremità dell'albero è collegata a un meccanismo azionato dal movimento, è di forma conica o cilindrica con o senza scanalature per installare una flangia, una puleggia e altre parti meccaniche di azionamento.
Una girante, necessaria per soffiare e raffreddare, è fissata sulla parte "posteriore" dell'albero, mentre un involucro è posto sull'alloggiamento sopra la girante. Pertanto, l'aria fredda viene diretta lungo i bordi del motore a induzione, se per qualche motivo questa girante non gira, si surriscalda.
Il progetto del primo motore a induzione è stato sviluppato da M.O. Dolivo-Dobrovolsky e lo brevettò nel 1889. Senza modifiche, è sopravvissuto fino ai giorni nostri.
Principio di funzionamento
Le macchine elettriche asincrone sono spesso chiamate induzione, questo è dovuto al loro principio di funzionamento. Qualsiasi motore elettrico viene messo in rotazione a causa dell'interazione dei campi magnetici del rotore e dello statore, e anche grazie alla forza Ampere. Un campo magnetico, a sua volta, può esistere attorno a un magnete permanente o attorno a un conduttore attraverso il quale scorre la corrente. Ma come funziona esattamente una macchina asincrona?
In un motore a induzione, a differenza di altri, non esiste un avvolgimento di campo in sé, mentre ha un campo magnetico? La risposta è semplice: un motore a induzione è un trasformatore.
Considera il principio del suo funzionamento sull'esempio di una macchina trifase, poiché sono loro che sono più comuni di altri.
Nella figura seguente è mostrata la posizione degli avvolgimenti sul nucleo dello statore di un motore asincrono trifase.
Come risultato del flusso di una corrente trifase, un campo magnetico rotante appare negli avvolgimenti dello statore. A causa dello sfasamento, la corrente scorre l'uno o l'altro avvolgimento, in conformità con questo c'è un campo magnetico, i cui poli sono diretti secondo la regola della mano destra. E in conformità con il cambio di corrente nell'uno o nell'altro avvolgimento, i poli vengono inviati nella direzione corrispondente. Come illustra la seguente animazione:
Nel caso più semplice (a due poli), gli avvolgimenti sono impilati in modo tale che ciascuno di essi sia sfalsato di 120 gradi rispetto al precedente, così come l'angolo di fase della tensione nella rete CA.
La velocità di rotazione del campo magnetico dello statore è chiamata sincrona. Ulteriori informazioni su come ruota e perché imparerai dal prossimo video. Si noti che nei motori bifase (condensatore) e monofase - non ruota, ma è ellittico o pulsante, e gli avvolgimenti non sono 3, ma 2.
Se consideriamo un motore asincrono con un rotore a gabbia di scoiattolo, il campo magnetico dello statore induce un EMF nelle sue aste, poiché sono chiuse, quindi scorre la corrente.Per questo motivo, si verifica anche un campo magnetico.
Come risultato dell'interazione di due campi e Forza Ampereagendo sul rotore, inizia a ruotare dopo il campo magnetico rotante dello statore, ma è sempre leggermente dietro la velocità di rotazione dello statore MP, questo ritardo è chiamato slittamento.
Se la velocità di rotazione del campo magnetico è chiamata sincrona, la velocità di rotazione del rotore è già asincrona, da cui ha ricevuto questo nome.
In AD con un rotore di fase, le cose sono simili, tranne per il fatto che un reostato è collegato ai suoi anelli, che, dopo che il motore è entrato in modalità operativa, viene rimosso dal circuito e gli avvolgimenti sono in cortocircuito. Questo è mostrato nello schema seguente, ma invece di un reostato vengono utilizzati resistori costanti, collegati o shuntati dai contattori KM3, KM2, KM1.
Questo approccio consente un avvio regolare e riduce le correnti di spunto, aumentando la resistenza elettrica attiva del rotore.
Riassumendo:
- La corrente negli avvolgimenti dello statore genera un campo magnetico.
- Il campo magnetico porta alla corrente nel rotore.
- La corrente nel rotore fa apparire un campo attorno ad esso.
- Poiché il campo dello statore ruota, a causa del suo campo, il rotore inizia a ruotare dietro di esso.
Velocità di scorrimento e rotazione
La frequenza di rotazione del campo magnetico dello statore (n1) è maggiore della frequenza di rotazione del rotore (n2). La differenza tra loro si chiama slip ed è indicata dalla lettera latina S e calcolata dalla formula:
S = (n1-n2) * 100% / n1
Lo scorrimento non è uno svantaggio di questo motore elettrico, perché se il suo albero ruotasse con la stessa frequenza del campo magnetico dello statore (in modo sincrono), allora nessuna corrente verrebbe indotta nelle sue aste e semplicemente non ruoterebbe.
Ora su un concetto più importante: la velocità di rotazione del rotore di un motore a induzione. Dipende da 3 valori:
- frequenza della tensione di alimentazione (f);
- il numero di coppie di poli magnetici (p);
- slip (S).
Il numero di coppie di poli magnetici determina la velocità di rotazione sincrona del campo e dipende dal numero di avvolgimenti dello statore. Lo scorrimento dipende dal carico e dal design di un particolare motore elettrico e si trova tra il 3 e il 10%, ovvero la velocità asincrona è leggermente inferiore a quella sincrona. Bene, la frequenza della corrente alternata è fissata a 50 Hz.
Pertanto, la velocità di rotazione dell'albero di un motore a induzione è difficile da regolare, è possibile solo influenzare la frequenza della rete, ovvero impostando convertitore di frequenza. È possibile ridurre la tensione dello statore, ma poi la potenza sull'albero diminuisce, tuttavia, una tale tecnica viene utilizzata quando si avvia la AM con commutazione degli avvolgimenti da stella a triangolo per ridurre le correnti di avviamento.
La frequenza di rotazione del campo dello statore (velocità sincrona) è determinata dalla formula:
n = 60 * f / p
Quindi in un motore con una coppia di poli magnetici (due poli), la velocità sincrona è:
60 * 50/1 = 3000 rpm
Le opzioni più comuni per i motori elettrici con:
- una coppia di poli (3000 rpm);
- due (1500 rpm);
- tre (1000 rpm);
- quattro (750 rpm).
La velocità effettiva del rotore sarà leggermente inferiore, su un vero motore a induzione è indicato sulla targa dati, ad esempio qui - 2730 rpm. Nonostante ciò, la gente chiamerà un tale motore asincrono in base alla velocità sincrona o semplicemente "tremila metri".
Quindi il suo scorrimento equivale a:
3000-2730*100%/3000=9%
Ambito di applicazione
Il motore elettrico asincrono ha trovato applicazione in tutte le aree dell'attività umana. Quelli che sono alimentati da una fase (da 220 V) possono essere trovati in attuatori a bassa potenza o in elettrodomestici e strumenti, ad esempio:
- in una lavatrice del tipo "baby" e altri vecchi modelli sovietici;
- in una betoniera;
- nel ventilatore;
- nella cappa;
- e persino nei tosaerba del segmento di prezzo superiore.
In produzione in reti trifase:
- valvole a saracinesca automatiche;
- meccanismi di sollevamento (gru e argani);
- ventilazione;
- compressori;
- pompe;
- macchine per la lavorazione del legno e dei metalli e altro ancora.
L'AD è utilizzato anche nei veicoli elettrici e recentemente il motore asincrono con avvolgimento di tipo Slavyanka e la cosiddetta ruota del motore Duyunov sono pubblicizzati attivamente su Internet, che puoi scoprire dal video dello sviluppatore.
L'ambito dei motori asincroni è così vasto che l'elenco da solo sarà più lungo di questo articolo, quindi ogni elettricista dovrebbe sapere come è organizzato, a cosa serve e dove viene utilizzato. Riassumendo ed elencando i pro e i contro di questi dispositivi.
pro:
- Costruzione semplice.
- Basso costo
- Quasi nessuna manutenzione.
Lo svantaggio principale è la difficoltà di regolazione della velocità rispetto agli stessi motori a corrente continua o macchine a collettore universale. Di conseguenza, è difficile organizzare un avvio regolare di macchine di grandi dimensioni, e più spesso questo viene fatto utilizzando un convertitore di frequenza costoso.
Questo è dove finiamo con la considerazione dei motori a induzione e il loro scopo. Speriamo che dopo aver letto l'articolo capirai di cosa si tratta e come funziona questa macchina elettrica!
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