Polyfase motorontwerp

AC-motoren

Misschien wel het belangrijkste voordeel van meerfasige wisselstroom ten opzichte van enkelfasig is het ontwerp en de werking van wisselstroommotoren.

Zoals we in het eerste hoofdstuk van dit boek hebben bestudeerd, zijn sommige typen AC-motoren qua constructie vrijwel identiek aan hun tegenhangers van de alternator (generator), bestaande uit stationaire draadwikkelingen en een roterende magneet. (Andere ontwerpen van AC-motoren zijn niet zo eenvoudig, maar die details laten we over aan een andere les).

Werking van de AC-motor met de klok mee.

Als de roterende magneet de frequentie van de wisselstroom die de elektromagneetwikkelingen (spoelen) bekrachtigt, kan bijhouden, zal deze met de klok mee rond blijven worden getrokken. (Figuur hierboven)

Met de klok mee is echter niet de enige geldige richting voor de as van deze motor om te draaien. Het kan net zo goed tegen de klok in worden gevoed door dezelfde AC-spanningsgolfvorm als in de onderstaande afbeelding.

Werking van de AC-motor tegen de klok in.

AC-motoren starten

Merk op dat met exact dezelfde volgorde van polariteitscycli (spanning, stroom en magnetische polen geproduceerd door de spoelen), de magnetische rotor in beide richtingen kan draaien.

Dit is een gemeenschappelijk kenmerk van alle enkelfasige AC "inductie" en "synchrone" motoren:ze hebben geen normale of "juiste" draairichting. De natuurlijke vraag zou zich op dit punt moeten voordoen:hoe kan de motor in de beoogde richting starten als hij net zo goed in beide richtingen kan draaien?

Het antwoord is dat deze motoren een beetje hulp nodig hebben om aan de slag te gaan. Ooit geholpen om in een bepaalde richting te draaien. ze zullen op die manier blijven draaien zolang de wisselstroom op de wikkelingen wordt gehandhaafd.

Waar die "hulp" vandaan komt om een ​​enkelfasige AC-motor in één richting op gang te brengen, kan variëren.

Meestal komt het van een extra set wikkelingen die anders zijn geplaatst dan de hoofdset en worden bekrachtigd met een wisselspanning die niet in fase is met de hoofdstroom. (Figuur hieronder)

Unidirectionele startende AC tweefasenmotor.

Deze aanvullende spoelen zijn typisch in serie geschakeld met een condensator om een ​​faseverschuiving in de stroom tussen de twee sets wikkelingen te introduceren. (Figuur hieronder)

Faseverschuiving condensator voegt de tweede fase toe.

Die faseverschuiving creëert magnetische velden van spoelen 2a en 2b die even uit de pas lopen met de velden van spoelen 1a en 1b.

Het resultaat is een reeks magnetische velden met een duidelijke faserotatie. Het is deze faserotatie die de roterende magneet in een bepaalde richting trekt.

Meerfasige AC-motoren starten

Meerfasige AC-motoren hebben zo'n bedrog niet nodig om in een bepaalde richting te draaien. Omdat hun voedingsspanningsgolfvormen al een duidelijke rotatievolgorde hebben, geldt dat ook voor de respectieve magnetische velden die worden gegenereerd door de stationaire wikkelingen van de motor.

In feite creëert de combinatie van alle driefasige wikkelingssets die samenwerken, wat vaak een roterend magnetisch veld wordt genoemd. . Het was dit concept van een roterend magnetisch veld dat Nikola Tesla inspireerde om 's werelds eerste meerfasige elektrische systemen te ontwerpen (simpelweg om eenvoudigere, efficiëntere motoren te maken).

De lijnstroom en veiligheidsvoordelen van meerfasig vermogen ten opzichte van enkelfasig vermogen werden later ontdekt.

Lineaire lichtslingers analoog

Wat een verwarrend concept kan zijn, wordt veel duidelijker door analogie.

Heb je ooit een rij knipperende gloeilampen gezien, zoals het soort dat wordt gebruikt in kerstversieringen? Sommige snaren lijken in een bepaalde richting te "bewegen" terwijl de bollen afwisselend oplichten en donkerder worden. Andere snaren knipperen gewoon aan en uit zonder duidelijke beweging. Wat maakt het verschil tussen de twee soorten bulbstrings?

Antwoord:faseverschuiving!

Onderzoek een reeks lichten waar elke andere lamp op een bepaald moment brandt, zoals in (figuur hieronder)

Fasevolgorde 1-2-1-2:lampen lijken te bewegen.

Als alle "1"-lampen branden, zijn de "2"-lampen donker en omgekeerd. Met deze knippervolgorde is er geen duidelijke "beweging" in het licht van de lampen.

Je ogen kunnen net zo gemakkelijk een “beweging” van links naar rechts volgen als van rechts naar links. Technisch gezien zijn de knippersequenties van de lampen "1" en "2" 180° uit fase (precies tegenover elkaar).

Dit is analoog aan de enkelfasige AC-motor, die net zo gemakkelijk in beide richtingen kan draaien, maar die niet uit zichzelf kan starten omdat zijn magnetische veldwisseling geen duidelijke "rotatie" heeft.

Laten we nu eens kijken naar een reeks lampen waarvan er drie sets lampen moeten worden gesequenced in plaats van slechts twee, en deze drie sets zijn even uit fase met elkaar in de onderstaande afbeelding.

Fasevolgorde:1-2-3:lampen lijken van links naar rechts te bewegen.

Als de verlichtingsvolgorde 1-2-3 is (de volgorde wordt getoond in (Figuur hierboven)), lijken de lampen van links naar rechts te "bewegen".

Cirkelvormige lichtslingers analoog

Stel je nu deze knipperende reeks bollen voor, gerangschikt in een cirkel zoals in de onderstaande afbeelding.

Circulaire opstelling; lampen lijken met de klok mee te draaien.

Nu lijken de lichten in de bovenstaande afbeelding met de klok mee te "bewegen", omdat ze rond een cirkel zijn geplaatst in plaats van een rechte lijn.

Het zou geen verrassing moeten zijn dat het uiterlijk van beweging zal omkeren als de fasevolgorde van de lampen wordt omgekeerd.

Het knipperende patroon lijkt met de klok mee of tegen de klok in te bewegen, afhankelijk van de fasevolgorde.

Dit is analoog aan een driefasige wisselstroommotor met drie sets wikkelingen die worden bekrachtigd door spanningsbronnen met drie verschillende faseverschuivingen in de onderstaande afbeelding.

Driefasige wisselstroommotor:een fasevolgorde van 1-2-3 draait de magneet met de klok mee, 3-2-1 draait de magneet tegen de klok in.

Met faseverschuivingen van minder dan 180° krijgen we een echte rotatie van het magnetische veld. Bij enkelfasige motoren moet het voor de zelfstart noodzakelijke roterende magnetische veld door middel van capacitieve faseverschuiving worden gecreëerd. Bij meerfasemotoren zijn de nodige faseverschuivingen er al.

Bovendien kan de draairichting van de as voor meerfasemotoren heel gemakkelijk worden omgekeerd:verwissel gewoon twee "hete" draden die naar de motor gaan, en deze zal in de tegenovergestelde richting lopen!

BEOORDELING:

• AC "inductie" en "synchrone" motoren werken doordat een roterende magneet de wisselende magnetische velden volgt die worden geproduceerd door stationaire draadwikkelingen.
• Eenfasige wisselstroommotoren van dit type hebben hulp nodig om in een bepaalde richting te gaan draaien.
• Door een faseverschuiving van minder dan 180° op de magnetische velden in een dergelijke motor te introduceren, kan een definitieve draairichting van de as worden vastgesteld.
• Eenfasige inductiemotoren gebruiken vaak een hulpwikkeling die in serie is geschakeld met een condensator om de noodzakelijke faseverschuiving te creëren.
• Polyphase-motoren hebben dergelijke maatregelen niet nodig; hun draairichting wordt bepaald door de fasevolgorde van de spanning waardoor ze worden gevoed.
• Het verwisselen van twee "hete" draden op een meerfasige AC-motor zal de fasevolgorde omkeren, en dus de asrotatie omkeren.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Wisselstroommotortheorie
• Werkblad Polyphase Power Systems