Zasada działania
Wszyscy w szkolnych lekcjach fizyki zademonstrowali eksperymenty z ramą z drutu umieszczoną w polu magnesu stałego. Jeśli prąd zostanie przepuszczony przez ramę, wówczas siły amperowe będą oddziaływać na przewodniki w prawej i lewej części ramy, tworząc moment obrotowy, a rama z prądem obróci się, aż zajmie pozycję, w której działające siły równoważą się.
Jeśli pole zostanie obrócone, ramka z prądem obróci się wraz z nim. Zasada działania silnika synchronicznego opiera się na tej zasadzie. Rama z magnesami jest analogiem silnika elektrycznego. Obrotowa rama z prądem - wirnik. Magnesy stacjonarne - stojan.
Trójfazowy silnik synchroniczny
Teraz konieczne jest wymuszenie na stojanie stacjonarnym utworzenia wirującego pola magnetycznego.
Na początek zastąpimy magnesy trwałe cewkami prądowymi w uzwojeniach stojana. Cewka prądowa tworzy to samo pole magnetyczne, co magnes. Umieść na stojanie nie jeden magnes cewki, ale trzy, obracając je o 120 stopni względem siebie. Dostarczamy prąd przemienny do tych uzwojeń z przesunięciem fazowym o 120 stopni. W ten sposób fazy są przesuwane w sieci trójfazowej.
Powstałe pole magnetyczne jest wynikiem dodania wektorowego trzech pól. Całkowity wektor indukcji magnetycznej będzie się obracał przy częstotliwości prądu przemiennego. W jednym okresie pole magnetyczne wytworzone przez trójfazowy stojan silnika dokonuje pełnego obrotu. Wirnik, który jest podobny do cewki z prądem, obraca się wraz z polem magnetycznym stojana z tą samą prędkością. W ten sposób wirnik silnika synchronicznego obraca częstotliwość prądu przemiennego.
Silniki synchroniczne mają najlepszą wydajność, rozwijają maksymalną moc i zapewniają wysoką wydajność. Istnieje jednak ciężki wirnik z uzwojeniami trudnymi do zrównoważenia. Prąd musi być dostarczany do uzwojeń wirnika, a to wymaga użycia bardzo zawodnego zespołu szczotki. Ogólnie rzecz biorąc, silnik synchroniczny jest dobry, ale trudny, drogi i niezbyt niezawodny.
Trójfazowy silnik asynchroniczny
Zamknij krótkie końce ramki. Dostajemy jedną cewkę wiewiórki. Nasz trójfazowy stojan wytwarza wirujące pole magnetyczne. Pozwól temu polu wytworzyć prąd w zwartym wirniku.
Gdy pole stojana obraca się względem nieruchomej ramy, tworzy zmienny strumień magnetyczny w swoim konturze. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, pole przemienne indukuje prąd elektryczny w ramie . Prąd wytwarza moment obrotowy, a rama obraca się za polem magnetycznym, jak w silniku synchronicznym.
Ale jest jedna zasadnicza różnica. W silniku synchronicznym wirnik obraca się jednocześnie, to znaczy synchronicznie z polem stojana. Wirnik względem pola stojana jest nieruchomy.
W silniku asynchronicznym wirnik próbuje dogonić pole wirujące, ale zawsze pozostaje trochę w tyle, jakby się o niego ślizgał. Jeśli nagle prędkość obrotowa wirnika jest dokładnie równa prędkości pola, prąd indukcyjny nie będzie już indukowany w wirniku.
Różnica w częstotliwości obrotu pola magnetycznego i wirnika silnika indukcyjnego nazywa się poślizgiem. Że zapewnia obecność prądu w wirniku.
Silniki asynchroniczne są gorsze synchronicznie we wszystkich charakterystykach, ale znacznie prostsze, łatwiejsze, bardziej niezawodne i tańsze. Praktycznie wszystkie silniki elektryczne stosowane obecnie w przemyśle to asynchroniczne silniki trójfazowe.
Charakterystyka mechaniczna
Mechaniczną charakterystyką silnika jest zależność momentu obrotowego od wału od prędkości obrotowej.
Jak już wspomniano, prędkość obrotowa wirnika w silniku asynchronicznym jest zawsze różna od prędkości obrotu pola stojana o wielkość poślizgu.
Poślizg S = (n1-n2) / n1, gdzie n1 jest prędkością obrotu pola, a n2 jest prędkością obrotową wirnika.
Charakterystyka pokazuje, że silnik może pracować w pięciu trybach:
- Bezczynnie
- Zacznij.
- Tryb silnika.
- Tryb regeneracji.
- Tryb generatora.
W trybie biegu jałowego suwak S jest równy 0. Wirnik obraca się synchronicznie z polem magnetycznym, jak w silniku synchronicznym, a moment obrotowy wynosi 0. Tryb biegu jałowego jest czysto hipotetyczny i nigdy nie jest realizowany w praktyce.
W momencie rozruchu wirnik jest nieruchomy, a S = 1. Moment obrotowy przy S = 1 nazywany jest momentem rozruchowym.
Po uruchomieniu wirnik wchodzi w tryb silnika i zaczyna wirować, stopniowo doganiając pole magnetyczne. W trybie silnika 1> S> 0.
Jeśli wirnik nagle jakoś wyprzedzi pole, nadejdzie tryb odzyskiwania. W tym przypadku silnik wysyła energię do sieci. W trybie odzyskiwania S <0.
S> 1 odpowiada trybowi generatora. W trybie generatora wirnik porusza się w kierunku przepływu i generuje prąd elektryczny.
S = Sn odpowiada trybowi nominalnemu. Nominalna wartość poślizgu wynosi zazwyczaj 2–8%.
Jednofazowy silnik asynchroniczny
Możesz nawet uruchomić trójfazowy silnik asynchroniczny.
Zostawmy tylko jedno uzwojenie na stojanie i dajmy tam jednofazowy prąd elektryczny. Posiadamy jednofazowy silnik asynchroniczny. W tym silniku pole stojana jest nieruchome - jest to podstawowa różnica między silnikiem jednofazowym a silnikiem wielofazowym. Niemniej jednak taki silnik działa.
Jednofazowy silnik nie może uruchomić się niezależnie. Nic w tym specjalnego. Znany nam także silnik spalinowy musi najpierw uwolnić. W samochodzie używamy dodatkowego silnika elektrycznego - rozrusznika, aw piła łańcuchowa robimy to ręcznie, ciągnąc za linkę startową.
Jeśli silnik jednofazowy zostanie popchnięty, w dowolnym kierunku, przyspieszy i utrzyma obrót w danym kierunku.
Jeśli wirnik otrzyma obrót w określonym kierunku, będzie poruszał się wraz z jednym polem i ku drugiemu.
Silnik może być reprezentowany jako dwa silniki trójfazowe, zamontowane na jednym wale, ale włączone w przeciwnym kierunku. Podczas uruchamiania wał jest nieruchomy, a silniki wzajemnie się równoważą.
Jeśli wał zostanie uwolniony przez zewnętrzną siłę w pewnym kierunku, wtedy jeden silnik, wystrzelony w tym samym kierunku, będzie w trybie silnika, a drugi - w generatorze. Charakterystyka mechaniczna pokazuje, że moment obrotowy w trybie silnikowym jest większy niż w trybie generatora, w związku z czym powiązany silnik ciągnie.
Zacznij
Aby uruchomić jednofazowy silnik elektryczny, dodatkowe uzwojenie początkowe jest prostopadle nawinięte na stojanie prostopadle do głównego stojana i do niego wprowadzany jest prąd z przesunięciem fazowym. Dla przesunięcia fazowego szeregowo z uzwojeniem zawiera element przesuwający fazę. Jako element przesuwający fazę możesz użyć rezystora, dławika lub kondensatora. W każdym przypadku całkowita impedancja w obwodach uzwojenia głównego i rozruchowego będzie inna, a prądy będą miały przesunięcie fazowe.
Najczęściej stosowany jest kondensator z przesunięciem fazowym.
Prędkość obrotowa
Sieci naszych firm energetycznych wykorzystują napięcie przemienne 220/380 o częstotliwości 50 Hz. Ponadto częstotliwość AC 50 Hz jest utrzymywana z dokładnością 2 procent. Jak już wiemy, wirnik synchronicznego silnika elektrycznego obraca się z częstotliwością prądu przemiennego . Oznacza to, że przy częstotliwości sieci 50 Hz wirnik wykonuje 50 obrotów na sekundę lub 3000 obrotów na minutę. Uzwojenie stojana można podzielić na sekcje i uczynić silnik wielobiegunowym. W silniku wielobiegunowym prędkość maleje wraz ze wzrostem liczby biegunów i jest na ogół równa 3000 / p obrotów, gdzie p jest liczbą biegunów.
Tak więc prędkość obrotowa silnika elektrycznego w naszym kraju nie może być wyższa niż 3000 obrotów na minutę. W krajach, w których częstotliwość sieci 60 Hz została przyjęta, na przykład w Stanach Zjednoczonych, silniki elektryczne obracają się z maksymalną prędkością 3600 obrotów na minutę. I znów jesteśmy za Ameryką.
W synchronicznym silniku elektrycznym prędkość nie zależy od obciążenia. Wraz ze wzrostem obciążenia wirnik maszyny synchronicznej pozostaje w tyle za polem pod większym kątem, ale prędkość obrotowa nie zmienia się.
W trybie asynchronicznym ilość poślizgu zależy od obciążenia. W ten sposób, wraz ze wzrostem obciążenia, spada prędkość asynchronicznego silnika elektrycznego.
Schematy elektryczne
Uzwojenie początkowe, włączane z przesunięciem fazowym, obraca pole magnetyczne i zamienia silnik jednofazowy na dwufazowy na czas rozruchu.
Dodatkowe uzwojenie nie jest przeznaczone do długotrwałej pracy i powinno zostać wyłączone po wejściu w tryb pracy. Odłączenie odbywa się ręcznie za pomocą przycisku lub za pomocą przełącznika odśrodkowego lub za pomocą przekaźnika termicznego do ogrzewania uzwojenia początkowego.
W silniku jednofazowym w trybie pracy pole magnetyczne stojana jest nieruchome . To jest jego główna różnica w porównaniu z wielofazową.
Czasami błędnie nazywano jednofazowe silniki elektryczne, których dodatkowe uzwojenie jest połączone na stałe przez kondensator.
Możliwe jest podłączenie silnika trójfazowego do sieci jednofazowej, jeśli jedno z uzwojeń fazowych jest podłączone przez kondensator. Tak więc, jeśli nagle dysponujesz przemysłowym trójfazowym silnikiem elektrycznym, możesz go używać w jednofazowej sieci domowej, choć z utratą mocy i niższą wydajnością.
Porównanie silnika
Synchroniczny
- Na wirniku jest uzwojenie, do którego płynie prąd.
- Częstotliwość obrotu wału jest taka sama lub wielokrotność częstotliwości zasilania.
- Prędkość jest stabilna i nie zmienia się pod obciążeniem.
Asynchroniczny
- Wirnik nie jest podłączony do źródła prądu.
- Częstotliwość obrotu wału poniżej częstotliwości sieci na poziomie poślizgu.
- Szybkość maleje wraz ze wzrostem obciążenia.
Jednofazowy asynchroniczny
- Jedyne uzwojenie na stojanie.
- Obraca się w dowolnym kierunku.
- Nie zaczyna się sam.