O dispositivo e o princípio de operação dos motores elétricos assíncronos

Carros elétricosconversão de energia elétrica de corrente alternada em energia mecânica são chamados de motores elétricos CA.

Na indústria, os motores trifásicos assíncronos são os mais difundidos. Vejamos o dispositivo e o princípio de operação desses motores.

O princípio de funcionamento do motor de indução é baseado no uso de um campo magnético rotativo.

Para entender o funcionamento de tal motor, faremos o seguinte experimento.

vamos fortalecer ímã de ferradura no eixo para que possa ser girado pela alça. Entre os pólos do ímã, colocamos um cilindro de cobre ao longo do eixo, que pode girar livremente.

Figura 1. O modelo mais simples para obtenção de um campo magnético rotativo

Vamos começar a girar o ímã da alça no sentido horário. O campo do ímã também começará a girar e, à medida que gira, cruzará o cilindro de cobre com suas linhas de força. Em um cilindro de acordo com a lei da indução eletromagnética, terá correntes parasitasquem vai criar o seu próprio campo magnético — o campo do cilindro. Este campo irá interagir com o campo magnético do imã permanente, fazendo com que o cilindro gire na mesma direção do imã.

Verificou-se que a velocidade de rotação do cilindro é ligeiramente menor que a velocidade de rotação do campo magnético.

De fato, se o cilindro gira na mesma velocidade que o campo magnético, as linhas do campo magnético não o cruzam e, portanto, nenhuma corrente parasita surge nele, fazendo com que o cilindro gire.

A velocidade de rotação do campo magnético é geralmente chamada de síncrona, porque é igual à velocidade de rotação do ímã, e a velocidade de rotação do cilindro é assíncrona (assíncrona). Portanto, o próprio motor é chamado de motor de indução... A velocidade de rotação do cilindro (rotor) difere da velocidade síncrona de rotação do campo magnético com uma pequena quantidade de deslizamento.

Denota a velocidade de rotação do rotor através de n1 e a velocidade de rotação do campo através de n podemos calcular o escorregamento percentual pela fórmula:

s = (n — n1) / n.

No experimento acima obtivemos um campo magnético rotativo e a rotação do cilindro causada por ele devido à rotação de um ímã permanente, portanto tal dispositivo ainda não é um motor elétrico… Deve ser feito eletricidade criar um campo magnético rotativo e usá-lo para girar o rotor. Este problema foi brilhantemente resolvido em seu tempo por M. O. Dolivo-Dobrovolski. Ele propôs usar corrente trifásica para esse fim.

O dispositivo de um motor elétrico assíncrono M. O. Dolivo-Dobrovolski

Figura 2. Diagrama do motor elétrico assíncrono Dolivo-Dobrovolsky

Nos pólos de um núcleo de ferro em forma de anel, chamado estator do motor, são colocados três enrolamentos, redes de corrente trifásicas 0 localizadas uma em relação à outra em um ângulo de 120 °.

Dentro do núcleo, um cilindro de metal, o chamado rotor do motor elétrico.

Se as bobinas estiverem interconectadas conforme mostrado na figura e conectadas a uma rede de corrente trifásica, o fluxo magnético total criado pelos três pólos estará girando.

A Figura 3 mostra o gráfico das mudanças nas correntes nos enrolamentos do motor e o processo de aparecimento de um campo magnético rotativo.

Vejamos esse processo com mais detalhes.

Figura 3. Obtenção de um campo magnético rotativo

Na posição «A» do gráfico, a corrente na primeira fase é zero, na segunda fase é negativa e na terceira é positiva. A corrente flui através das bobinas polares na direção indicada pelas setas na figura.

Tendo determinado, de acordo com a regra da mão direita, o sentido do fluxo magnético criado pela corrente, garantiremos que o polo sul (S) será criado na extremidade do polo interno (voltado para o rotor) do terceiro enrolamento e o pólo norte (C ) será criado no pólo da segunda bobina. O fluxo magnético total será direcionado do pólo da segunda bobina através do rotor para o pólo da terceira bobina.

Na posição «B» do gráfico, a corrente na segunda fase é zero, na primeira fase é positiva e na terceira é negativa. A corrente que flui através dos enrolamentos polares cria um polo sul (S) no final do primeiro enrolamento e um polo norte (C) no final do terceiro enrolamento. O fluxo magnético total agora será direcionado do terceiro polo através do rotor para o primeiro polo, ou seja, os polos se moverão 120°.

Na posição «B» do gráfico, a corrente na terceira fase é zero, na segunda fase é positiva e na primeira fase é negativa.Agora, a corrente que flui através da primeira e da segunda bobina criará um pólo norte (C) na extremidade do pólo da primeira bobina e um pólo sul (S) na extremidade do pólo da segunda bobina, ou seja, , a polaridade do campo magnético total mudará outros 120 °. Na posição «G» do gráfico, o campo magnético se moverá mais 120°.

Assim, o fluxo magnético total mudará sua direção com uma mudança na direção da corrente nos enrolamentos do estator (pólos).

Neste caso, por um período de mudança de corrente nas bobinas, o fluxo magnético fará uma revolução completa. O fluxo magnético rotativo arrastará o cilindro com ele e, assim, obteremos um motor elétrico assíncrono.

Lembre-se de que na Figura 3 os enrolamentos do estator são conectados em estrela, mas um campo magnético rotativo é formado quando eles são conectados em delta.

Se trocarmos os enrolamentos da segunda e da terceira fases, o fluxo magnético inverterá seu sentido de rotação.

O mesmo resultado pode ser alcançado sem alterar os enrolamentos do estator, mas direcionando a corrente da segunda fase da rede para a terceira fase do estator e a terceira fase da rede para a segunda fase do estator.

Portanto, você pode alterar a direção de rotação do campo magnético trocando duas fases.

Consideramos um dispositivo com motor de indução com três enrolamentos do estator... Nesse caso, o campo magnético rotativo é bipolar e o número de rotações por segundo é igual ao número de períodos de mudança de corrente em um segundo.

Se seis bobinas forem colocadas no estator ao redor da circunferência, então um campo magnético giratório de quatro pólos... Com nove bobinas, o campo será de seis pólos.

A uma frequência de corrente trifásica igual a 50 períodos por segundo ou 3000 por minuto, o número de revoluções n do campo rotativo por minuto será:

com estator bipolar n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

com um estator de quatro pólos n = (50 NS 60) / 2 = 1500 revoluções,

com um estator de seis pólos n = (50 NS 60) / 3 = 1000 voltas,

com o número de pares de pólos do estator igual a p: n = (f NS 60) / p,

Assim, estabelecemos a velocidade de rotação do campo magnético e sua dependência do número de enrolamentos do estator do motor.

Como sabemos, o rotor do motor ficará um pouco atrasado em sua rotação.

No entanto, o atraso do rotor é muito pequeno. Por exemplo, quando o motor está em marcha lenta, a diferença de velocidade é de apenas 3% e sob carga de 5 a 7%. Portanto, a velocidade do motor de indução muda dentro de limites muito pequenos quando a carga muda, o que é uma de suas vantagens.

Considere agora o dispositivo de motores elétricos assíncronos

Motor elétrico assíncrono desmontado: a) estator; b) rotor em gaiola de esquilo; c) rotor em fase de execução (1 — quadro; 2 — núcleo de chapas estampadas; 3 — enrolamento; 4 — eixo; 5 — anéis deslizantes)

O estator de um motor elétrico assíncrono moderno possui pólos não pronunciados, ou seja, a superfície interna do estator é totalmente lisa.

Para reduzir as perdas por correntes parasitas, o núcleo do estator é formado por finas chapas de aço estampadas. O núcleo do estator montado é fixado em uma caixa de aço.

Uma bobina de fio de cobre é colocada nas ranhuras do estator. Os enrolamentos de fase do estator do motor elétrico são conectados por uma «estrela» ou «delta», para a qual todos os começos e fins dos enrolamentos são levados ao corpo - a um escudo isolante especial. Esse dispositivo de estator é muito conveniente, pois permite ligar seus enrolamentos em diferentes tensões padrão.

Um rotor de motor de indução, como um estator, é montado a partir de chapas de aço estampadas. Uma bobina é colocada nas ranhuras do rotor.

Dependendo do projeto do rotor, os motores elétricos assíncronos são divididos em motores de rotor de gaiola e motores de rotor de fase.

O enrolamento do rotor em gaiola de esquilo é feito de hastes de cobre inseridas nas ranhuras do rotor. As extremidades das hastes são conectadas com um anel de cobre. Isso é chamado de rolamento de gaiola de esquilo. Observe que as barras de cobre nos canais não são isoladas.

Em alguns motores, a "gaiola de esquilo" é substituída por um rotor fundido.

Motor de rotor assíncrono (com anéis coletores) é geralmente utilizado em motores elétricos de alta potência e nestes casos; quando for necessário que o motor elétrico crie uma grande força na partida. Isso é conseguido pelo fato de que os enrolamentos do motor de fase estão conectados iniciando o reostato.

Os motores de indução tipo gaiola de esquilo são comissionados de duas maneiras:

1) Conexão direta da tensão de rede trifásica ao estator do motor. Este método é o mais simples e popular.

2) Redução da tensão aplicada aos enrolamentos do estator. A tensão é reduzida, por exemplo, trocando os enrolamentos do estator de estrela para triângulo.

A partida do motor ocorre quando os enrolamentos do estator são conectados em "estrela", e quando o rotor atinge a velocidade normal, os enrolamentos do estator são comutados para conexão "triângulo".

A corrente nos fios de alimentação neste método de partida do motor é reduzida em 3 vezes em comparação com a corrente que ocorreria ao ligar o motor por conexão direta à rede com enrolamentos do estator conectados por «delta».No entanto, este método só é adequado se o estator for projetado para operação normal quando seus enrolamentos estiverem conectados em delta.

O mais simples, mais barato e mais confiável é um motor assíncrono de gaiola de esquilo, mas esse motor tem algumas desvantagens - baixo esforço de partida e alta corrente de partida. Essas desvantagens são amplamente eliminadas pelo uso de um rotor de fase, mas o uso de tal rotor aumenta muito o custo do motor e requer a partida do reostato.

Tipos de motores assíncronos

O tipo principal de máquina assíncrona é um motor assíncrono trifásico. Possui três enrolamentos do estator localizados a 120 ° um do outro. As bobinas são conectadas em estrela ou triângulo e alimentadas por corrente alternada trifásica.

Os motores de baixa potência são, na maioria dos casos, implementados como bifásicos... Ao contrário dos motores trifásicos, eles têm dois enrolamentos do estator, cujas correntes devem ser compensadas em um ângulo para criar um campo magnético rotativo π/2.

Se as correntes nos enrolamentos forem iguais em magnitude e defasadas em 90 °, a operação de tal motor não diferirá em nada da operação de um trifásico. No entanto, esses motores com dois enrolamentos do estator são, na maioria dos casos, alimentados por uma rede monofásica e um deslocamento próximo a 90 ° é criado artificialmente, geralmente devido a capacitores.

Motor monofásico com apenas um enrolamento do estator praticamente inativo, quando o rotor está estacionário, apenas um campo magnético pulsante é criado no motor e o torque é zero. É verdade que, se o rotor de tal máquina girar a uma certa velocidade, ele poderá desempenhar as funções de um motor.

Nesse caso, embora haja apenas um campo pulsante, ele consiste em dois simétricos - para frente e para trás, que criam torques desiguais - um motor maior e menos frenagem, decorrente das correntes do rotor de maior frequência (deslizamento contra o síncrono reverso campo é maior que 1).

Em relação ao anterior, os motores monofásicos são fornecidos com um segundo enrolamento que é utilizado como enrolamento de partida. Capacitores são incluídos no circuito desta bobina para criar uma mudança de fase da corrente, cuja capacidade pode ser bastante grande (dezenas de microfarads com potência do motor inferior a 1 kW).

Os sistemas de controle usam motores bifásicos, às vezes chamados executivos... Eles têm dois enrolamentos do estator deslocados no espaço em 90 °. Um dos enrolamentos, chamado de enrolamento de campo, está diretamente conectado a uma rede de 50 ou 400 Hz. O segundo é usado como uma bobina de controle.

Para criar um campo magnético rotativo e o torque correspondente, a corrente na bobina de controle deve ser deslocada em um ângulo próximo a 90 °. A regulagem da velocidade do motor, conforme será mostrado a seguir, é feita alterando o valor ou a fase da corrente nesta bobina. O oposto é fornecido alterando a fase da corrente na bobina de controle em 180 ° (comutação da bobina).

Os motores bifásicos são produzidos em várias versões:

• com rotor em gaiola de esquilo,

• com rotor oco não magnético,

• com um rotor magnético oco.

Motores lineares

A transformação do movimento de rotação do motor em movimento de translação dos órgãos da máquina de trabalho está sempre associada à necessidade de usar quaisquer unidades mecânicas: cremalheiras, parafusos, etc.apenas condicionalmente - como um órgão móvel).

Nesse caso, diz-se que o motor foi implantado. O enrolamento do estator de um motor linear é realizado da mesma forma que para um motor volumétrico, mas deve ser colocado apenas nas ranhuras ao longo de todo o comprimento do movimento máximo possível do rotor deslizante. O rotor deslizante geralmente está em curto-circuito, o corpo de trabalho do mecanismo é articulado com ele. É claro que nas extremidades do estator deve haver batentes para evitar que o rotor saia dos limites de trabalho do caminho.