Lehrbuch

Einführung in AC-Motoren

Technical animation: How a VFD or variable frequency drive works (Januar 2019).

Anonim

Einführung in AC-Motoren

Kapitel 13 - Wechselstrommotoren


Nach der Einführung des DC-Stromverteilungssystems von Edison in den USA begann ein allmählicher Übergang zu dem wirtschaftlicheren Wechselstromsystem. Die Beleuchtung funktionierte sowohl bei AC als auch bei DC. Die Übertragung von elektrischer Energie umfasste längere Strecken mit geringeren Verlusten mit Wechselstrom. Motoren waren jedoch ein Problem mit Wechselstrom. Anfangs wurden Wechselstrommotoren wie Gleichstrommotoren konstruiert. Aufgrund der sich ändernden Magnetfelder traten im Vergleich zu den statischen Feldern in Gleichstrommotor-Motorfeldspulen zahlreiche Probleme auf.

Wechselstrom-Elektromotor-Familiendiagramm.

Charles P. Steinmetz trug mit seiner Untersuchung der Hystereseverluste in Eisenarmaturen zur Lösung dieser Probleme bei. Nikola Tesla stellte sich einen völlig neuen Motortyp vor, als er sich eine spinnende Turbine vorstellte, die nicht von Wasser oder Dampf, sondern von einem rotierenden Magnetfeld angetrieben wurde. Sein neuer Motortyp, der AC-Induktionsmotor, ist bis heute das Arbeitspferd der Industrie. Seine Robustheit und Einfachheit (Abbildung oben) sorgen für lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit und geringen Wartungsaufwand. Doch kleine bürstenbehaftete Wechselstrommotoren, ähnlich der DC-Variante, bestehen in kleinen Geräten zusammen mit kleinen Tesla-Induktionsmotoren. Über einer Pferdestärke (750 W) herrscht der Tesla-Motor.

Moderne elektronische Festkörperschaltungen treiben bürstenlose Gleichstrommotoren mit Wechselstromwellenformen an, die von einer Gleichstromquelle erzeugt werden. Der bürstenlose Gleichstrommotor, eigentlich ein Wechselstrommotor, ersetzt den herkömmlichen bürstenbehafteten Gleichstrommotor in vielen Anwendungen. Und der Schrittmotor, eine digitale Version des Motors, wird durch Wechselstrom-Rechteckwellen angetrieben, die wiederum von einer Halbleiterschaltung erzeugt werden. Die Abbildung zeigt den Stammbaum der in diesem Kapitel beschriebenen Wechselstrommotoren.

Kreuzfahrtschiffe und andere große Schiffe ersetzen Getriebe mit Reduktionsgetriebe mit großen Multi-Megawatt Generatoren und Motoren. Dies ist bei dieselelektrischen Lokomotiven in kleinem Maßstab seit vielen Jahren der Fall.

Motor-Level-Diagramm.

Auf der Systemebene (siehe oben) nimmt ein Motor elektrische Energie in Form einer Potentialdifferenz und eines Stromflusses auf und wandelt sie in mechanische Arbeit um. Leider sind Elektromotoren nicht 100% effizient. Ein Teil der elektrischen Energie geht aufgrund von I 2 R-Verlusten in den Motorwicklungen an Wärme verloren, eine andere Energieform. Die Wärme ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der Umwandlung. Es muss vom Motor entfernt werden und die Lebensdauer beeinträchtigen. Daher besteht ein Ziel darin, die Motoreffizienz zu maximieren und den Wärmeverlust zu reduzieren. Wechselstrommotoren haben auch einige Verluste, die bei Gleichstrommotoren nicht auftreten: Hysterese und Wirbelströme.

Frühe Konstrukteure von Wechselstrommotoren stießen auf Probleme, die auf Verluste zurückzuführen waren, die für Wechselstrom-Magnetfelder typisch sind. Diese Probleme traten bei der Anpassung von Gleichstrommotoren an den Wechselstrombetrieb auf. Obwohl einige Wechselstrommotoren heute Ähnlichkeiten mit Gleichstrommotoren aufweisen, mussten diese Probleme gelöst werden, bevor Wechselstrommotoren jeglicher Art vor dem Bau richtig konstruiert werden konnten.

Rotor- und Statorkerne von Wechselstrommotoren bestehen aus einem Stapel isolierter Lamellen. Die Lamellen werden vor dem Stapeln und Verschrauben in die endgültige Form mit Isolierlack beschichtet. Wirbelströme werden minimiert, indem die potentielle leitende Schleife in kleinere, weniger verlustreiche Segmente aufgeteilt wird. (Abbildung unten) Die Stromschleifen sehen aus wie kurzgeschlossene Transformator-Sekundärwindungen. Die dünnen isolierten Schichten brechen diese Schleifen. Das Silizium (ein Halbleiter), das zu der Legierung hinzugefügt wird, die in den Schichten verwendet wird, erhöht auch den elektrischen Widerstand, der die Größe der Wirbelströme verringert.

Wirbelströme in Eisenkernen.

Wenn die Bleche aus kornorientiertem Siliziumlegierungsstahl hergestellt sind, werden Hystereseverluste minimiert. Die magnetische Hysterese ist eine Verzögerung der Magnetfeldstärke im Vergleich zur Magnetisierungskraft. Wenn ein Weicheisennagel vorübergehend von einem Solenoid magnetisiert wird, würde man erwarten, dass der Nagel das Magnetfeld verliert, wenn der Solenoid nicht mehr erregt ist. Aufgrund der Hysterese verbleibt jedoch eine geringe Restmagnetisierung Br . (Abbildung unten) Ein Wechselstrom muss Energie aufwenden, -H c die Koerzitivkraft, um diese Restmagnetisierung zu überwinden, bevor er den Kern zurück auf Null, geschweige denn in die entgegengesetzte Richtung magnetisieren kann. Hystereseverlust tritt jedes Mal auf, wenn sich die Polarität des Wechselstroms umkehrt. Der Verlust ist proportional zu der Fläche, die von der Hystereseschleife auf der BH-Kurve umschlossen wird. "Weiche" Eisenlegierungen haben geringere Verluste als "harte" kohlenstoffreiche Stahllegierungen. Siliziumkorn-orientierter Stahl, 4% Silizium, gewälzt, um die Korn- oder Kristallstruktur bevorzugt auszurichten, weist noch geringere Verluste auf.

Hysteresekurven für Legierungen mit niedrigem und hohem Verlust.

Sobald Steinmetz 'Gesetze der Hysterese Eisenkernverluste vorhersagen konnten, war es möglich, Wechselstrommotoren zu konstruieren, die wie geplant funktionierten. Dies war vergleichbar mit der Fähigkeit, eine Brücke im Voraus zu entwerfen, die nicht zusammenbrechen würde, sobald sie tatsächlich gebaut wurde. Diese Kenntnis des Wirbelstroms und der Hysterese wurde zuerst beim Aufbau von Wechselstrom-Kommutatormotoren angewendet, ähnlich wie bei ihren DC-Gegenstücken. Heute ist dies nur eine kleine Kategorie von AC-Motoren. Andere erfanden neue Arten von Wechselstrommotoren, die wenig Ähnlichkeit mit ihren DC-Verwandten hatten.