Princip fungování indukčního motoru

Indukční motor je střídavý elektrický stroj, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Indukční motor se hojně používá v různých aplikacích od základních domácích spotřebičů po těžký průmysl. Stroj má tolik aplikací, které lze jen těžko spočítat, a měřítko si můžete představit tím, že víte, že téměř 30% celosvětově generované elektrické energie je spotřebováno samotnými indukčními motory. Tento úžasný stroj vynalezl skvělý vědec Nikola Tesla a tento vynález trvale změnil směr lidské civilizace.

Zde je několik aplikací jednofázových a třífázových indukčních motorů, které najdeme v každodenním životě.

Aplikace jednofázových indukčních motorů:

• Elektrické ventilátory v domácnosti
• Vrtačky
• Čerpadla
• Brusky
• Hračky
• Vysavač
• Odsávací ventilátory
• Kompresory a elektrické holicí strojky

Aplikace třífázových indukčních motorů:

• Malý, střední a velký průmysl.
• Výtahy
• Jeřáby
• Řízení soustruhů
• Mlýny na těžbu ropy
• Robotické paže
• Systém pásových dopravníků
• Těžké drtiče

Tyto asynchronní motory přicházejí v mnoha velikostech a tvary, které mají relativní funkce a elektrický výkon. Liší se od několika centimetrů do několika metrů a mají jmenovitý výkon od 0,5 HP do 10 000 HP. Uživatel si může vybrat ten nejvhodnější z oceánu modelů, aby vyhověl jeho / její poptávce.

O základech motorů a jejich fungování jsme se již zmínili v předchozím článku. Zde budeme diskutovat o konstrukci a práci indukčního motoru.

Pracovní princip indukčního motoru

Pro pochopení pracovního principu indukčního motoru zvažte nejprve jednoduché nastavení, jak je znázorněno na obrázku.

Tady,

• Jsou odebrána dvě železná nebo feritová jádra stejné velikosti a jsou zavěšena ve vzduchu na dálku.
• Smaltovaný měděný drát je navinut na horní jádro, za kterým následuje spodní a dva konce jsou vedeny na jednu stranu, jak je znázorněno na obrázku.
• Jádro zde funguje jako médium pro přenášení a koncentraci magnetického toku generovaného cívkou během provozu.

Nyní, pokud připojíme zdroj střídavého napětí na dva konce mědi, budeme mít něco jako níže.

Během pozitivního cyklu AC:

Zde během první poloviny cyklu bude kladné napětí v bodě „A“ postupně přecházet z nuly na maximum a poté se vrátí na nulu. Během této doby může být proudový tok ve vinutí reprezentován jako.

Tady,

• Během kladného cyklu zdroje střídavého proudu se proud v obou vinutích postupně zvyšuje z nuly na maximum a poté se postupně vrací z maxima na nulu. Je to proto, že podle Ohmova zákona je proud ve vodiči přímo úměrný svorkovému napětí a mnohokrát jsme o něm diskutovali v předchozích článcích.
• Vinutí jsou navinuta tak, že proud v obou vinutí proudí ve stejném směru, a můžeme je vidět na schématu.

Nyní si vzpomeňme na zákon zvaný Lenzův zákon, který jsme studovali dříve, než jsme šli kupředu. Podle Lenzova zákona „ vodič, který vede proud, bude generovat magnetickou výplň kolem svého povrchu“,

a pokud použijeme tento zákon ve výše uvedeném příkladu, pak bude magnetické pole generováno každou smyčkou v obou cívkách. Pokud k tomu přidáme magnetický tok generovaný celou cívkou, získá značnou hodnotu. Celý tento tok se objeví na železném jádru, když byla cívka navinuta na těle jádra.

Pro větší pohodlí nakreslíme čáry magnetického toku soustředěné na železném jádru na obou koncích, pak budeme mít něco jako níže.

Zde vidíte, jak se magnetické linie koncentrují na železná jádra a jak se pohybují vzduchovou mezerou.

Tato intenzita toku je přímo úměrná proudu proudícímu v cívkách navinutých na obou železných tělesech. Takže během kladného polovičního cyklu se tok změní z nuly na maximum a poté se sníží z maxima na nulu. Jakmile pozitivní cyklus dokončí, intenzita pole ve vzduchové mezeře také dosáhne nuly a poté budeme mít negativní cyklus.

Během negativního cyklu AC:

Během tohoto záporného cyklu sinusového napětí se kladné napětí v bodě „B“ postupně změní z nuly na maximum a poté se vrátí na nulu. Jako obvykle kvůli tomuto napětí bude proudit proud a na obrázku níže můžeme vidět směr tohoto proudu ve vinutích.

Protože proud je lineárně úměrný napětí, jeho velikost v obou vinutích se postupně zvyšuje z nuly na maximum a poté klesá z maxima na nulu.

Pokud vezmeme v úvahu Lenzův zákon, pak se kolem cívek objeví magnetické pole kvůli toku proudu podobnému případu studovanému v pozitivním cyklu. Toto pole se koncentruje ve středu feritových jader, jak je znázorněno na obrázku. Vzhledem k tomu, že intenzita toku je přímo úměrná proudu proudícímu v cívkách navinutých na obou železných tělesech, bude tento tok také přecházet z nuly na maximum a poté zmírněn z maxima na nulu podle velikosti proudu. I když je to podobné pozitivnímu cyklu, existuje rozdíl a to je směr čar magnetického pole. Tento rozdíl ve směru toku můžete pozorovat na diagramech.

Po jeho negativním cyklu přichází pozitivní cyklus, po kterém následuje další negativní cyklus a pokračuje tak, dokud není odstraněno střídavé sinusové napětí. A díky tomuto vyměnitelnému napěťovému cyklu se magnetické pole ve středu na železných jádrech stále mění jak ve velikosti, tak ve směru.

Na závěr pomocí tohoto nastavení

• Ve středu železných jader jsme vyvinuli oblast koncentrovanou v magnetickém poli.
• Intenzita magnetického pole ve vzduchové mezeře se neustále mění jak ve velikosti, tak ve směru.
• Pole sleduje průběh sinusového napětí AC.

Faradaysův zákon elektromagnetické indukce

Toto nastavení, o kterém jsme diskutovali až dosud, je nejvhodnější pro realizaci Faradayova zákona elektromagnetické indukce. Je to proto, že neustále se měnící magnetické pole je nejzákladnějším a nejdůležitějším požadavkem na elektromagnetickou indukci.

Tento zákon zde studujeme, protože indukční motor pracuje na principu Faradayova zákona elektromagnetické indukce.

Nyní, abychom studovali fenomén elektromagnetické indukce, uvažujme níže uvedené nastavení.

• Vezme se vodič a vytvaruje jej do čtverce, přičemž oba konce jsou zkratovány.
• Ve středu čtverce vodiče je upevněna kovová tyč, která působí jako osa instalace.
• Nyní se čtverec vodiče může volně otáčet podél osy a nazývá se rotor.
• Rotor je umístěn ve středu vzduchové mezery, aby smyčka vodiče mohla zažít maximální pole generované cívkami rotoru.

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce víme, že „ když kovové magnetické pole prořízne kovový vodič, ve vodiči se indukuje EMF nebo napětí“ .

Nyní použijeme tento zákon, abychom porozuměli fungování indukčního motoru:

• Podle tohoto zákona elektromagnetické indukce by měl být EMF indukován ve vodiči rotoru umístěném ve středu kvůli měnícímu se magnetickému poli, které zažívá.
• Z důvodu zkratu indukovaného EMF a vodiče protéká proud celou smyčkou, jak je znázorněno na obrázku.
• Zde přichází klíč k práci indukčního motoru. Víme, že podle Lenzova zákona vodič procházející proud generuje kolem něj magnetické pole, jehož intenzita je úměrná velikosti proudu.
• Protože zákon je univerzální, pak vodičová smyčka rotoru musí také generovat magnetické pole, protože jím protéká proud kvůli elektromagnetické indukci.
• Pokud nazýváme magnetické pole generované statorovými vinutími a nastavením železného jádra jako hlavní tok nebo tok statoru. Pak můžeme magnetické pole generované vodičovou smyčkou rotoru nazvat tokem rotoru.
• Kvůli interakci mezi hlavním tokem a tokem rotoru získá rotor sílu. Tato síla se snaží bránit indukci EMF do rotoru nastavením polohy rotoru. Proto v této době zažijeme pohyb v poloze hřídele.
• Nyní se magnetické pole neustále mění kvůli střídavému napětí a síla také neustále upravuje polohu rotoru bez zastavení.
• Rotor se tedy stále otáčí kvůli střídavému napětí, a proto máme mechanický výstup na hřídeli nebo na ose rotoru.

S tím jsme viděli, jak kvůli elektromagnetické indukci do rotoru máme mechanický výstup na hřídeli. Název tohoto nastavení se tedy nazývá Indukční motor.

Až dosud jsme diskutovali o pracovním principu indukčního motoru, ale pamatujte, že jak teorie, tak praktické se liší. A pro práci s indukčním motorem je zapotřebí další nastavení, které probereme níže.

Jednofázový indukční motor

Indukční motor, který pracuje na jednofázové střídavé napájení, se nazývá jednofázový indukční motor.

Elektrické vedení, které máme k dispozici v domácnostech, je jednofázové elektrické vedení 240 V / 50 Hz a indukční motory, které používáme v každodenním životě v našich domovech, se nazývají jednofázové indukční motory.

Pro lepší pochopení pracovního principu jednofázového indukčního motoru se podívejme na konstrukci jednofázového indukčního motoru.

Tady,

• Vezmeme více vodičů a namontujeme je na volně rotující hřídel, jak je znázorněno na obrázku.
• Také zkrátíme konce všech vodičů kovovým kroužkem, čímž vytvoříme několik smyček vodičů, které jsme studovali dříve.
• Toto nastavení rotoru vypadá při bližším pohledu jako klec s veverkou, a proto se nazývá indukční motor s klecemi. Zde se podívejme na 3D strukturu rotoru veverkové klece.

• Stator, který byl považován za úplný železný kus, je ve skutečnosti skupina tenkých železných plechů naskládaných dohromady. Jsou tak těsně přitlačeni k sobě, že mezi nimi nebude doslova žádný vzduch. Používáme hromadu železných plechů místo jednoho kusu železa, ze stejného důvodu používáme válcované železné plechy v případě výkonového transformátoru, který má snížit ztráty železa. Použitím metody skládání značně snížíme ztráty energie při zachování stejného výkonu.

Fungování tohoto nastavení je podobné nastavení použitému při vysvětlení pracovního principu indukčního motoru.

• Nejprve poskytneme střídavé napětí a kvůli tomuto napětí protéká proud vinutím statoru navinutým na horním i spodním segmentu.
• Kvůli proudu se vytváří magnetické pole na horním i dolním vinutí.
• Převážná část železných plechů působí jako jádrové médium pro přenášení magnetického pole generovaného cívkami.
• Toto střídavé magnetické pole nesené železným jádrem se kvůli záměrnému strukturálnímu návrhu koncentruje ve střední vzduchové mezeře.
• Nyní, když je rotor umístěn v této vzduchové mezeře, dochází ke střídavému poli i u zkratovaných vodičů fixovaných na rotoru.
• Kvůli poli se indukuje proud ve vodičích rotoru.
• Vzhledem k tomu, že proud prochází vodiči rotoru, bude se kolem rotoru generovat také magnetické pole.
• Při interakci mezi generovaným magnetickým polem rotoru a magnetickým polem statoru dojde k působení síly rotoru.
• Tato síla pohybuje rotorem podél osy a tím budeme mít rotační pohyb.
• Jelikož napětí neustále mění sinusové napětí, rotor se také neustále otáčí podél své osy. Tím získáme spojitý mechanický výstup pro dané jednofázové vstupní napětí.

I když jsme předpokládali, že se rotor bude otáčet automaticky poté, co je napájen jednofázový motor, není tomu tak. Protože pole generované jednofázovým indukčním motorem je střídavé magnetické pole a nikoli rotující magnetické pole. Takže na začátku motoru se rotor zablokuje ve své poloze, protože síla, kterou zažívá kvůli spodní cívce a horní cívce, bude mít stejnou velikost a bude opačná ve směru. Na začátku je tedy čistá síla rotoru nulová. Abychom tomu zabránili, použijeme pomocné vinutí pro indukční motor, aby se z něj stal samočinný motor. Toto pomocné vinutí poskytne potřebné pole, aby se rotor mohl pohybovat na začátku. Příkladem pro tento případ je elektrický ventilátor, který vidíme v našem každodenním životě,což je start kondenzátoru a běží indukční motor s pomocným vinutím zapojeným do série s kondenzátorem.

Třífázový indukční motor

Indukční motor, který pracuje na třífázové střídavé elektrické energii, se nazývá třífázový indukční motor. Třífázové indukční motory se obvykle používají v průmyslových odvětvích a nejsou vhodné pro domácí použití.

Energetické vedení dostupné pro průmyslová odvětví je 400 V / 50 Hz Třífázové čtyřřádkové střídavé napájení a indukční motory, které pracují na tomto napájení v průmyslových odvětvích, se nazývají třífázové indukční motory.

Pro lepší pochopení pracovního principu třífázového indukčního motoru se podívejme na konstrukci třífázového indukčního motoru.

Tady,

• Vinutí fáze A začíná od horního segmentu následovaného spodním segmentem, jak je znázorněno na obrázku.
• Pokud jde o dva konce fáze, jeden vinutí je připojen k napájecímu vodiči fáze A třífázového napájecího zdroje, zatímco druhý konec je připojen k neutrálu stejného třífázového čtyřřádkového napájecího zdroje. To je možné, protože v třífázovém čtyřřádkovém napájecím zdroji máme první tři vedení nesoucí tři síťová napětí, zatímco čtvrtý řádek je neutrální.
• Ostatní dvoufázová vinutí sledují stejný vzor jako fáze A. Na dvou koncích vinutí fáze B je jeden připojen k napájecímu vedení fáze F třífázového napájecího zdroje, zatímco druhý konec je připojen k neutrálu stejných tří fází čtyřřádkový napájecí zdroj.
• Struktura rotoru je podobná kleci s veverkou a je to stejný typ rotoru, který se používá v jednofázovém indukčním motoru.

Nyní, pokud dodáváme elektrickou energii do třífázových vinutí statoru, začne proud protékat všemi třemi vinutími. Kvůli tomuto proudu proudu bude magnetické pole generováno cívkami a toto pole bude protékat cestou menšího magnetického odporu poskytovanou laminovaným jádrem. Zde je konstrukce motoru navržena tak, aby se magnetické pole nesené jádrem soustředilo na vzduchovou mezeru ve středu, kde je umístěn rotor. Takže magnetické pole koncentrované jádrem ve středové mezeře ovlivňuje vodiče v rotoru, čímž v nich indukuje proud.

Za přítomnosti proudu vodiče vytváří rotor také magnetické pole, které v daném okamžiku interaguje s polem statoru. A díky této interakci rotor zažívá sílu, která vede k otáčení motoru.

Zde je magnetické pole generované statorem rotačního typu z důvodu třífázového výkonu, na rozdíl od střídavého typu, o kterém jsme diskutovali u jednofázového motoru. A díky tomuto rotujícímu magnetickému poli se rotor začne otáčet sám i při absenci počátečního tlaku. Díky tomu je třífázový motor samočinným spouštěním a pro tento typ motoru nepotřebujeme žádné pomocné vinutí.