Principio di funzionamento del motore a induzione

Il motore a induzione è una macchina elettrica CA che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Il motore a induzione è ampiamente utilizzato in varie applicazioni, dagli elettrodomestici di base alle industrie pesanti. La macchina ha così tante applicazioni difficili da contare e puoi immaginare la scala sapendo che quasi il 30% dell'energia elettrica generata a livello globale viene consumata dai motori a induzione stessi. Questa straordinaria macchina è stata inventata dal grande scienziato Nikola Tesla e questa invenzione ha modificato in modo permanente il corso della civiltà umana.

Ecco alcune applicazioni di motori asincroni monofase e trifase che possiamo trovare nella vita quotidiana.

Applicazioni dei motori a induzione monofase:

• Ventilatori elettrici in casa
• Macchine perforatrici
• Pompe
• le smerigliatrici
• Giocattoli
• Aspirapolvere
• Ventilatori di scarico
• Compressori e rasoi elettrici

Applicazioni dei motori a induzione trifase:

• Industrie di piccola, media e grande scala.
• Ascensori
• Gru
• Macchine per tornio
• Mulini estrazione olio
• Bracci robotici
• Sistema di nastri trasportatori
• Frantoi pesanti

I motori a induzione sono disponibili in molte dimensioni e forme con caratteristiche e valori nominali relativi. Hanno dimensioni variabili da pochi centimetri a pochi metri e hanno una potenza da 0,5Hp a 10000Hp. L'utente può scegliere quello più appropriato dall'oceano di modelli per soddisfare la sua richiesta.

Abbiamo già discusso i fondamenti dei motori e il suo funzionamento nell'articolo precedente. Qui discuteremo in dettaglio la costruzione e il funzionamento del motore a induzione.

Principio di funzionamento del motore a induzione

Per comprendere il principio di funzionamento di un motore a induzione, consideriamo prima una semplice configurazione come mostrato in figura.

Qui,

• Vengono presi due nuclei di ferro o ferrite di uguali dimensioni e sono sospesi nell'aria a distanza.
• Un filo di rame smaltato viene avvolto sul nucleo superiore seguito da quello inferiore e due estremità vengono portate da un lato come mostrato in figura.
• Il nucleo qui funge da mezzo per trasportare e concentrare il flusso magnetico generato dalla bobina durante il funzionamento.

Ora, se colleghiamo una sorgente di tensione alternata alle due estremità del rame, avremo qualcosa di simile sotto.

Durante il ciclo positivo di AC:

Qui durante la prima metà del ciclo, la tensione positiva nel punto "A" andrà gradualmente da zero al massimo per poi tornare a zero. Durante questo periodo il flusso di corrente nell'avvolgimento può essere rappresentato come.

Qui,

• Durante il ciclo positivo della sorgente di alimentazione AC, la corrente in entrambi gli avvolgimenti aumenta gradualmente da zero al massimo per poi tornare gradualmente dal massimo a zero. Questo perché secondo la legge di Ohm, la corrente in un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione del terminale, e ne abbiamo discusso molte volte negli articoli precedenti.
• Gli avvolgimenti sono avvolti in modo che la corrente in entrambi gli avvolgimenti scorra nella stessa direzione, e possiamo vedere la stessa rappresentata nel diagramma.

Ora ricordiamo una legge chiamata legge di Lenz che abbiamo studiato in precedenza prima di andare avanti. Secondo la legge di Lenz, " Un conduttore che trasporta una corrente genererà un magnetico riempito attorno alla sua superficie",

e se applichiamo questa legge nell'esempio sopra, allora un campo magnetico sarà generato da ogni anello in entrambe le bobine. Se aggiungiamo il flusso magnetico generato dall'intera bobina, otterrà un valore considerevole. L'intero flusso apparirà sul nucleo di ferro quando la bobina è stata avvolta sul corpo del nucleo.

Per comodità, se disegniamo le linee del flusso magnetico concentrate sul nucleo di ferro su entrambe le estremità, avremo qualcosa di simile sotto.

Qui puoi vedere le linee magnetiche concentrarsi sui nuclei di ferro e il suo movimento attraverso il traferro.

Questa intensità di flusso è direttamente proporzionale alla corrente che scorre in bobine avvolte su entrambi i corpi di ferro. Quindi durante il semiciclo positivo, il flusso va da Zero a Massimo e poi attenuato da Massimo a Zero. Una volta completato il ciclo positivo, anche l'intensità del campo al traferro raggiunge lo zero, dopodiché avremo un ciclo negativo.

Durante il ciclo negativo di AC:

Durante questo ciclo negativo della tensione sinusoidale, la tensione positiva nel punto 'B' andrà gradualmente da zero al massimo per poi tornare a zero. Come al solito, a causa di questa tensione, ci sarà un flusso di corrente e possiamo vedere la direzione di questo flusso di corrente negli avvolgimenti nella figura sotto.

Poiché la corrente è linearmente proporzionale alla tensione, la sua grandezza in entrambi gli avvolgimenti aumenta gradualmente da zero al massimo e poi scende dal massimo a zero.

Se consideriamo la legge di Lenz, allora un campo magnetico apparirà intorno alle bobine a causa del flusso di corrente simile al caso studiato nel ciclo positivo. Questo campo si concentrerà al centro dei nuclei di ferrite come mostrato in figura. Poiché l'intensità del flusso è direttamente proporzionale alla corrente che scorre nelle bobine avvolte su entrambi i corpi di ferro, anche questo flusso andrà da Zero a Massimo e poi attenuato da Massimo a Zero seguendo l'ampiezza della corrente. Sebbene questo sia simile a un ciclo positivo, c'è una differenza e questa è la direzione delle linee del campo magnetico. È possibile osservare questa differenza nella direzione del flusso sui diagrammi.

Dopo il suo ciclo negativo arriva un ciclo positivo seguito da un altro ciclo negativo e continua così fino a quando la tensione sinusoidale CA viene rimossa. E a causa di questo ciclo di tensione intercambiabile, il campo magnetico al centro dei nuclei di ferro continua a cambiare sia in grandezza che in direzione.

In conclusione, utilizzando questa configurazione,

• Abbiamo sviluppato un'area concentrata di campo magnetico al centro dei nuclei di ferro.
• L'intensità del campo magnetico al traferro continua a cambiare sia in ampiezza che in direzione.
• Il campo segue la forma d'onda della tensione sinusoidale AC.

Legge di Faradays dell'induzione elettromagnetica

Questa configurazione di cui abbiamo discusso fino ad ora è la più adatta per realizzare la legge di Faradays dell'induzione elettromagnetica. Questo perché un campo magnetico in continua evoluzione è il requisito più fondamentale e importante per l'induzione elettromagnetica.

Stiamo studiando questa legge qui perché il motore a induzione funziona secondo il principio della legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica.

Ora, per studiare il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, consideriamo la configurazione di seguito.

• Si prende un conduttore e lo si forma in un quadrato con entrambe le estremità cortocircuitate.
• Al centro del quadrato conduttore è fissata un'asta metallica che funge da asse del setup.
• Ora il quadrato del conduttore può ruotare liberamente lungo l'asse e viene chiamato rotore.
• Il rotore è posizionato al centro del traferro in modo che il circuito del conduttore possa sperimentare il campo massimo generato dalle bobine del rotore.

Sappiamo che, secondo la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica, " quando un campo magnetico variabile taglia un conduttore di metallo, viene indotto un EMF o una tensione nel conduttore" .

Ora, applichiamo questa legge per comprendere il funzionamento di un motore a induzione:

• Secondo questa legge dell'induzione elettromagnetica, un EMF dovrebbe essere indotto nel conduttore del rotore posto al centro a causa del cambiamento del campo magnetico sperimentato da esso.
• A causa di questo EMF indotto e del conduttore cortocircuitato, una corrente fluisce nell'intero circuito come mostrato nella figura.
• Ecco la chiave per il funzionamento del motore a induzione, sappiamo che secondo la legge di Lenz un conduttore che trasporta corrente genera un campo magnetico attorno ad esso la cui intensità è proporzionale alla grandezza della corrente.
• Poiché la legge è universale, anche l'anello conduttore del rotore deve generare un campo magnetico perché la corrente lo attraversa a causa dell'induzione elettromagnetica.
• Se chiamiamo il campo magnetico generato dagli avvolgimenti dello statore e dalla configurazione del nucleo di ferro come flusso principale o flusso dello statore. Quindi possiamo chiamare il campo magnetico generato dall'anello conduttore del rotore come flusso rotorico.
• A causa dell'interazione tra il flusso principale e il flusso rotore, il rotore subisce una forza. Questa forza cerca di opporsi all'induzione EMF nel rotore regolando la posizione del rotore. Quindi sperimenteremo un movimento nella posizione dell'albero in questo momento.
• Ora il campo magnetico continua a cambiare a causa della tensione alternata, la forza continua a regolare la posizione del rotore continuamente senza interruzioni.
• Quindi il rotore continua a ruotare a causa della tensione alternata e quindi abbiamo un'uscita meccanica sull'albero o sull'asse del rotore.

Con ciò, abbiamo visto come a causa dell'induzione elettromagnetica nel rotore abbiamo un'uscita meccanica all'albero. Quindi il nome dato per questa configurazione è chiamato motore a induzione.

Fino ad ora quello che abbiamo discusso è il principio di funzionamento del motore a induzione, ma ricorda che sia la teoria che la pratica sono diverse. E per il funzionamento del motore a induzione è necessaria una configurazione aggiuntiva che discuteremo di seguito.

Motore a induzione monofase

Il motore a induzione che funziona con alimentazione CA monofase è chiamato motore a induzione monofase.

La linea elettrica disponibile per noi nelle case è una linea elettrica monofase da 240 V / 50 Hz CA ei motori a induzione che utilizziamo nella nostra vita quotidiana nelle nostre case sono chiamati motori a induzione monofase.

Per una migliore comprensione del principio di funzionamento del motore a induzione monofase, esaminiamo la costruzione del motore a induzione monofase.

Qui,

• Prenderemo più conduttori e li monteremo sull'albero a rotazione libera come mostrato in figura.
• Inoltre, metteremo in corto le estremità di tutti i conduttori con un anello di metallo creando così più anelli di conduttori che abbiamo studiato in precedenza.
• Questa configurazione del rotore sembra una gabbia di scoiattolo a uno sguardo più attento e quindi è chiamata motore a induzione a gabbia di scoiattolo. Diamo un'occhiata alla struttura 3D del rotore a gabbia di scoiattolo.

• Lo statore che era considerato un pezzo di ferro completo è in realtà un gruppo di sottili fogli di ferro impilati insieme. Sono così strettamente premuti insieme che letteralmente non ci sarà aria tra di loro. Usiamo una pila di lamiere di ferro invece di un singolo pezzo di ferro per lo stesso motivo per cui utilizziamo lamiere di ferro laminate nel caso di un trasformatore di potenza che è per ridurre le perdite di ferro. Utilizzando il metodo di stacking ridurremo considerevolmente la perdita di potenza mantenendo le stesse prestazioni.

Il funzionamento di questa configurazione è simile a quella utilizzata per spiegare il principio di funzionamento del motore a induzione.

• Innanzitutto, forniremo la tensione CA e, a causa di questa tensione, la corrente fluisce attraverso l'avvolgimento dello statore sia sui segmenti superiore che inferiore.
• A causa della corrente, viene generato un campo magnetico su entrambi gli avvolgimenti superiore e inferiore.
• La maggior parte dei fogli di ferro funge da supporto centrale per il trasporto del campo magnetico generato dalle bobine.
• Questo campo magnetico alternato trasportato dal nucleo di ferro si concentra nel traferro centrale a causa del design strutturale intenzionale.
• Ora, poiché il rotore è posizionato in questo traferro, anche i conduttori in cortocircuito fissati sul rotore subiscono questo campo alternato.
• A causa del campo, una corrente viene indotta nei conduttori del rotore.
• Poiché la corrente passa attraverso i conduttori del rotore, verrà generato anche un campo magnetico attorno al rotore.
• All'interazione tra il campo magnetico del rotore generato e il campo magnetico dello statore, il rotore subisce una forza.
• Questa forza sposta il rotore lungo l'asse e quindi avremo un movimento rotatorio.
• Poiché la tensione cambia continuamente la tensione sinusoidale, il rotore continua a ruotare continuamente lungo il suo asse. In tal modo avremo un'uscita meccanica continua per una data tensione di ingresso monofase.

Anche se abbiamo assunto che il rotore ruoterà automaticamente dopo che l'alimentazione è stata data al motore monofase, non è così. Poiché il campo generato da un motore a induzione monofase è un campo magnetico alternato e non un campo magnetico rotante. Quindi, all'inizio del motore, il rotore si blocca nella sua posizione perché la forza da esso subita a causa della bobina inferiore e della bobina superiore sarà della stessa grandezza e opposta nella direzione. Quindi all'inizio, la forza netta subita dal rotore è zero. Per evitare ciò utilizzeremo l'avvolgimento ausiliario del motore a induzione per renderlo un motore ad autoavviamento. Questo avvolgimento ausiliario fornirà il campo necessario per far muovere il rotore all'inizio. L'esempio in questo caso è l'elettroventilatore che vediamo nella nostra vita quotidiana,che è un condensatore di avviamento e fa funzionare un motore a induzione con avvolgimento ausiliario collegato in serie al condensatore.

Motore a induzione trifase

Il motore a induzione che funziona con alimentazione elettrica CA trifase è chiamato motore a induzione trifase. Di solito, i motori a induzione trifase vengono utilizzati nelle industrie e non sono adatti per applicazioni domestiche.

La linea di alimentazione disponibile per le industrie è 400V / 50Hz trifase a quattro linee CA ei motori a induzione che funzionano su questa alimentazione nelle industrie sono chiamati motori a induzione trifase.

Per una migliore comprensione del principio di funzionamento del motore a induzione trifase, esaminiamo la costruzione del motore a induzione trifase.

Qui,

• L'avvolgimento della fase A inizia dal segmento superiore seguito dal segmento inferiore come mostrato in figura.
• Per quanto riguarda le due estremità della Fase, quella dell'avvolgimento A è collegata alla linea di alimentazione trifase della Fase A mentre l'altra estremità è collegata al neutro della stessa alimentazione trifase a quattro linee. Ciò è possibile perché in un alimentatore trifase a quattro linee abbiamo le prime tre linee che trasportano tre tensioni di linea mentre la quarta linea è neutra.
• Gli altri avvolgimenti bifase seguono lo stesso andamento della Fase A. Nelle due estremità dell'avvolgimento della Fase B uno è collegato alla linea di alimentazione della Fase B dell'alimentazione trifase mentre l'altra estremità è collegata al neutro delle stesse tre fasi alimentazione a quattro linee.
• La struttura del rotore è simile a una gabbia di scoiattolo ed è lo stesso tipo di rotore utilizzato in un motore a induzione monofase.

Ora, se forniamo l'energia elettrica agli avvolgimenti trifase dello statore, la corrente inizia a fluire in tutti e tre gli avvolgimenti. A causa di questo flusso di corrente, un campo magnetico sarà generato dalle bobine e questo campo fluirà attraverso un percorso di resistività magnetica inferiore fornito dal nucleo laminato. Qui la struttura del motore è progettata in modo che il campo magnetico trasportato dal nucleo si concentri sul traferro al centro dove è posizionato il rotore. Quindi il campo magnetico concentrato dal nucleo nello spazio centrale influenza i conduttori nel rotore inducendo così una corrente in essi.

In presenza di corrente del conduttore, il rotore genera anche un campo magnetico che interagisce con il campo dello statore in un dato momento. E a causa di questa interazione il rotore subisce una forza che porta alla rotazione del motore.

Qui il campo magnetico generato dallo statore è di tipo rotante a causa della potenza trifase, a differenza del tipo alternato di cui abbiamo parlato in un motore monofase. E a causa di questo campo magnetico rotante, il rotore inizia a ruotare da solo anche in assenza di una spinta iniziale. Questo rende il motore Trifase un tipo ad autoavviamento e non abbiamo bisogno di alcun avvolgimento ausiliario per questo tipo di motore.