Funktionsprinzip des Induktionsmotors

Der Induktionsmotor ist eine elektrische Wechselstrommaschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der Induktionsmotor wird häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von einfachen Haushaltsgeräten bis hin zur Schwerindustrie. Die Maschine hat so viele Anwendungen, die schwer zu zählen sind, und Sie können sich die Größenordnung vorstellen, wenn Sie wissen, dass fast 30% der weltweit erzeugten elektrischen Energie von Induktionsmotoren selbst verbraucht wird. Diese erstaunliche Maschine wurde vom großen Wissenschaftler Nikola Tesla erfunden und diese Erfindung hat den Kurs der menschlichen Zivilisation dauerhaft verändert.

Hier sind einige Anwendungen von einphasigen und dreiphasigen Induktionsmotoren, die wir im täglichen Leben finden können.

Anwendungen von Einphasen-Induktionsmotoren:

• Elektrische Ventilatoren im Haus
• Bohrmaschinen
• Pumps
• Schleifmaschinen
• Spielzeuge
• Staubsauger
• Abluftventilatoren
• Kompressoren und Elektrorasierer

Anwendungen von Drehstrom-Induktionsmotoren:

• Kleine, mittlere und große Industrien.
• Aufzüge
• Kräne
• Drehmaschinen fahren
• Ölfördermühlen
• Roboterarme
• Förderbandsystem
• Schwere Brecher

Die Induktionsmotoren sind in vielen Größen und Formen mit relativen Merkmalen und elektrischen Nennwerten erhältlich. Sie variieren von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern und haben eine Leistung von 0,5 bis 10000 PS. Der Benutzer kann aus dem Ozean der Modelle das am besten geeignete auswählen, um seine Anforderungen zu erfüllen.

Wir haben bereits im vorherigen Artikel die Grundlagen von Motoren und ihre Funktionsweise erörtert. Hier werden wir den Aufbau und die Arbeitsweise des Induktionsmotors im Detail besprechen.

Funktionsprinzip des Induktionsmotors

Um das Funktionsprinzip eines Induktionsmotors zu verstehen, betrachten wir zunächst einen einfachen Aufbau, wie in der Abbildung gezeigt.

Hier,

• Zwei gleich große Eisen- oder Ferritkerne werden entnommen und in einiger Entfernung in der Luft aufgehängt.
• Ein emaillierter Kupferdraht wird auf den oberen Kern gewickelt, gefolgt vom unteren, und zwei Enden werden wie in der Abbildung gezeigt zu einer Seite geführt.
• Der Kern wirkt hier als Medium zum Tragen und Konzentrieren des von der Spule während des Betriebs erzeugten Magnetflusses.

Nun, wenn wir eine Wechselspannungsquelle angeschlossen an den beiden Enden des Kupfers, haben wir so etwas wie unten.

Während des positiven Wechselstromzyklus:

Hier geht während des ersten Halbzyklus die positive Spannung am Punkt 'A' allmählich von Null auf Maximum und kehrt dann auf Null zurück. Während dieser Zeit kann der Stromfluss in der Wicklung als dargestellt werden.

Hier,

• Während des positiven Zyklus der Wechselstromquelle steigt der Strom in beiden Wicklungen allmählich von Null auf Maximum an und geht dann allmählich von Maximum auf Null zurück. Dies liegt daran, dass nach dem Ohmschen Gesetz der Strom in einem Leiter direkt proportional zur Klemmenspannung ist, und wir haben ihn in früheren Artikeln oft diskutiert.
• Die Wicklungen sind so gewickelt, dass der Strom in beiden Wicklungen in die gleiche Richtung fließt, und wir können das gleiche im Diagramm sehen.

Erinnern wir uns jetzt an ein Gesetz namens Lenz 'Gesetz, das wir zuvor studiert haben, bevor wir fortfahren. Nach dem Gesetz von Lenz erzeugt ein stromführender Leiter einen um seine Oberfläche gefüllten Magneten.

und wenn wir dieses Gesetz im obigen Beispiel anwenden , wird von jeder Schleife in beiden Spulen ein Magnetfeld erzeugt. Wenn wir den von der gesamten Spule erzeugten Magnetfluss hinzufügen, erhält er einen beträchtlichen Wert. Dieser gesamte Fluss erscheint auf dem Eisenkern, wenn die Spule auf den Kernkörper gewickelt wurde.

Wenn wir der Einfachheit halber die magnetischen Flusslinien zeichnen, die an beiden Enden auf den Eisenkern konzentriert sind, haben wir so etwas wie unten.

Hier können Sie sehen, wie sich die magnetischen Linien auf die Eisenkerne konzentrieren und sich durch den Luftspalt bewegen.

Diese Flussintensität ist direkt proportional zum Strom, der in Spulen fließt, die auf beide Eisenkörper gewickelt sind. Während des positiven Halbzyklus geht der Fluss von Null auf Maximum und wird dann von Maximum auf Null abgeschwächt. Sobald der positive Zyklus abgeschlossen ist, erreicht die Feldintensität am Luftspalt ebenfalls Null und danach haben wir einen negativen Zyklus.

Während des negativen Wechselstromzyklus:

Während dieses negativen Zyklus der sinusförmigen Spannung geht die positive Spannung am Punkt 'B' allmählich von Null auf Maximum und kehrt dann auf Null zurück. Wie üblich fließt aufgrund dieser Spannung ein Strom und wir können die Richtung dieses Stromflusses in den Wicklungen in der folgenden Abbildung sehen.

Da der Strom linear proportional zur Spannung ist, steigt seine Größe in beiden Wicklungen allmählich von Null auf Maximum an und fällt dann von Maximum auf Null ab.

Wenn wir das Lenzsche Gesetz betrachten, erscheint aufgrund des Stromflusses ein Magnetfeld um die Spulen, ähnlich dem im positiven Zyklus untersuchten Fall. Dieses Feld wird in der Mitte der Ferritkerne konzentriert, wie in der Abbildung gezeigt. Da die Flussintensität direkt proportional zum Strom ist, der in Spulen fließt, die auf beide Eisenkörper gewickelt sind, geht dieser Fluss ebenfalls von Null auf Maximum und wird dann entsprechend der Größe des Stroms von Maximum auf Null abgeschwächt. Obwohl dies einem positiven Zyklus ähnlich ist, gibt es einen Unterschied und das ist die Richtung der Magnetfeldlinien. Sie können diesen Unterschied in der Flussrichtung in Diagrammen beobachten.

Nach seinem negativen Zyklus folgt ein positiver Zyklus, gefolgt von einem weiteren negativen Zyklus, und es geht so weiter, bis die sinusförmige Wechselspannung entfernt wird. Und aufgrund dieses vertauschten Spannungszyklus ändert sich das Magnetfeld in der Mitte der Eisenkerne ständig in Größe und Richtung.

Abschließend mit diesem Setup,

• Wir haben einen magnetfeldkonzentrierten Bereich in der Mitte der Eisenkerne entwickelt.
• Die Magnetfeldstärke am Luftspalt ändert sich ständig in Größe und Richtung.
• Das Feld folgt der sinusförmigen Wechselspannungswellenform.

Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion

Dieser bisher diskutierte Aufbau ist am besten geeignet, um das Faradays-Gesetz der elektromagnetischen Induktion zu verwirklichen. Dies liegt daran, dass ein sich ständig änderndes Magnetfeld die grundlegendste und wichtigste Voraussetzung für die elektromagnetische Induktion ist.

Wir untersuchen dieses Gesetz hier, weil der Induktionsmotor nach dem Prinzip des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion arbeitet.

Um nun das Phänomen der elektromagnetischen Induktion zu untersuchen, betrachten wir den folgenden Aufbau.

• Ein Leiter wird genommen und zu einem Quadrat geformt, wobei beide Enden kurzgeschlossen sind.
• In der Mitte des Leiterquadrats ist ein Metallstab befestigt, der als Achse des Aufbaus dient.
• Jetzt kann sich das Leiterquadrat frei entlang der Achse drehen und wird als Rotor bezeichnet.
• Der Rotor ist in der Mitte des Luftspalts angeordnet, so dass die Leiterschleife das maximale Feld erfahren kann, das von Rotorspulen erzeugt wird.

Wir wissen nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion: " Wenn ein variierendes Magnetfeld einen Metallleiter schneidet, wird eine EMF oder Spannung im Leiter induziert ."

Wenden wir nun dieses Gesetz an, um die Funktionsweise eines Induktionsmotors zu verstehen:

• Nach diesem Gesetz der elektromagnetischen Induktion sollte aufgrund des sich ändernden Magnetfelds, das es erfährt, eine EMF in dem in der Mitte angeordneten Rotorleiter induziert werden.
• Aufgrund dieser induzierten EMK und des Kurzschlusses des Leiters fließt ein Strom in der gesamten Schleife, wie in der Abbildung gezeigt.
• Hier kommt der Schlüssel zum Funktionieren des Induktionsmotors. Wir wissen, dass nach dem Lenzschen Gesetz ein stromführender Leiter ein Magnetfeld um ihn herum erzeugt, dessen Intensität proportional zur Größe des Stroms ist.
• Da das Gesetz universell ist, muss die Leiterschleife des Rotors auch ein Magnetfeld erzeugen, da der Strom aufgrund der elektromagnetischen Induktion durch ihn fließt.
• Wenn wir das durch Statorwicklungen und Eisenkernaufbau erzeugte Magnetfeld als Hauptfluss oder Statorfluss bezeichnen. Dann können wir das von der Leiterschleife des Rotors erzeugte Magnetfeld als Rotorfluss bezeichnen.
• Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Hauptfluss und Rotorfluss erfährt der Rotor eine Kraft. Diese Kraft versucht, der EMF-Induktion in den Rotor entgegenzuwirken, indem die Position des Rotors eingestellt wird. Daher werden wir zu diesem Zeitpunkt eine Bewegung in der Wellenposition erfahren.
• Jetzt ändert sich das Magnetfeld aufgrund der Wechselspannung ständig. Die Kraft passt auch die Rotorposition kontinuierlich ohne Stopp an.
• Der Rotor dreht sich also aufgrund der Wechselspannung weiter und dadurch haben wir eine mechanische Leistung an der Welle oder der Achse des Rotors.

Damit haben wir gesehen, wie wir aufgrund der elektromagnetischen Induktion in den Rotor eine mechanische Leistung an der Welle haben. Der Name für dieses Setup heißt also Induktionsmotor.

Bisher haben wir das Funktionsprinzip des Induktionsmotors besprochen, aber denken Sie daran, dass sowohl Theorie als auch Praxis unterschiedlich sind. Und für die Arbeit des Induktionsmotors ist ein zusätzlicher Aufbau erforderlich, den wir unten diskutieren werden.

Einphasen-Induktionsmotor

Der Induktionsmotor, der mit einphasigem Wechselstrom arbeitet, wird als einphasiger Induktionsmotor bezeichnet.

Die Stromleitung, die uns zu Hause zur Verfügung steht, ist eine einphasige Wechselstromleitung mit 240 V / 50 Hz, und die Induktionsmotoren, die wir in unserem täglichen Leben in unseren Häusern verwenden, werden als einphasige Induktionsmotoren bezeichnet.

Um das Funktionsprinzip eines Einphasen-Induktionsmotors besser zu verstehen, betrachten wir den Aufbau eines Einphasen-Induktionsmotors.

Hier,

• Wir nehmen mehrere Leiter und montieren sie auf der frei drehenden Welle, wie in der Abbildung gezeigt.
• Außerdem werden wir die Enden aller Leiter mit einem Metallring kurzschließen, wodurch mehrere Leiterschleifen entstehen, die wir zuvor untersucht haben.
• Dieser Rotoraufbau sieht bei näherer Betrachtung wie ein Käfig aus und wird daher als Induktionsmotor für einen Käfigkäfig bezeichnet. Hier sehen wir uns die 3D-Struktur des Käfigläufers an.

• Der Stator, der als komplettes Eisenstück betrachtet wurde, ist eigentlich eine Gruppe dünner Eisenbleche, die zusammengestapelt sind. Sie sind so eng zusammengedrückt, dass buchstäblich keine Luft zwischen ihnen ist. Wir verwenden einen Stapel Eisenbleche anstelle eines einzelnen Eisenstücks aus demselben Grund, aus dem wir bei einem Leistungstransformator Walzbleche verwenden, um die Eisenverluste zu verringern. Durch die Verwendung der Stapelmethode reduzieren wir den Leistungsverlust erheblich, während die Leistung gleich bleibt.

Die Funktionsweise dieses Aufbaus ähnelt dem Aufbau, der zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Induktionsmotors verwendet wird.

• Zuerst werden wir die Wechselspannung bereitstellen und aufgrund dieser Spannung fließt Strom durch die Statorwicklung, die sowohl auf das obere als auch auf das untere Segment gewickelt ist.
• Aufgrund des Stroms wird sowohl an der oberen als auch an der unteren Wicklung ein Magnetfeld erzeugt.
• Der Großteil der Eisenbleche dient als Kernmedium zum Tragen des von den Spulen erzeugten Magnetfelds.
• Dieses vom Eisenkern getragene magnetische Wechselfeld wird aufgrund der beabsichtigten strukturellen Gestaltung am zentralen Luftspalt konzentriert.
• Da nun der Rotor in diesem Luftspalt angeordnet ist, erfahren auch die am Rotor befestigten kurzgeschlossenen Leiter dieses Wechselfeld.
• Aufgrund des Feldes wird in den Leitern des Rotors ein Strom induziert.
• Da der Strom durch die Rotorleiter fließt, wird auch um den Rotor herum ein Magnetfeld erzeugt.
• Bei der Wechselwirkung zwischen dem erzeugten Rotormagnetfeld und dem Statormagnetfeld erfährt der Rotor eine Kraft.
• Diese Kraft bewegt den Rotor entlang der Achse und dadurch haben wir eine Drehbewegung.
• Da sich die Spannung kontinuierlich sinusförmig ändert, dreht sich der Rotor auch kontinuierlich entlang seiner Achse. Dadurch erhalten wir einen kontinuierlichen mechanischen Ausgang für eine gegebene einphasige Eingangsspannung.

Obwohl wir angenommen haben, dass sich der Rotor automatisch dreht, nachdem der Einphasenmotor mit Strom versorgt wurde, ist dies nicht der Fall. Da das von einem einphasigen Induktionsmotor erzeugte Feld ein magnetisches Wechselfeld und kein rotierendes Magnetfeld ist. Zu Beginn des Motors wird der Rotor in seiner Position blockiert, da die Kraft, die er aufgrund der unteren und der oberen Spule erfährt, gleich groß und in entgegengesetzter Richtung ist. Zu Beginn ist die Nettokraft, die der Rotor erfährt, Null. Um dies zu vermeiden, verwenden wir eine Hilfswicklung für den Induktionsmotor, um ihn zu einem selbststartenden Motor zu machen. Diese Hilfswicklung liefert das notwendige Feld, um den Rotor beim Start in Bewegung zu setzen. Das Beispiel für diesen Fall ist der elektrische Ventilator, den wir in unserem täglichen Leben sehen.Dies ist ein Kondensatorstart und betreibt einen Induktionsmotor mit Hilfswicklung, der in Reihe mit dem Kondensator geschaltet ist.

Dreiphasen-Induktionsmotor

Der Induktionsmotor, der mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben wird, wird als dreiphasiger Induktionsmotor bezeichnet. Normalerweise werden Dreiphasen-Induktionsmotoren in der Industrie eingesetzt und sind nicht für Heimanwendungen geeignet.

Die für die Industrie verfügbare Stromleitung ist 400 V / 50 Hz. Dreiphasen-Wechselstrom mit vier Leitungen. Die Induktionsmotoren, die in der Industrie mit dieser Versorgung arbeiten, werden als Dreiphasen-Induktionsmotoren bezeichnet.

Um das Funktionsprinzip eines Dreiphasen-Induktionsmotors besser zu verstehen, wollen wir uns den Aufbau eines Dreiphasen-Induktionsmotors ansehen.

Hier,

• Die Wicklung der Phase A beginnt am oberen Segment, gefolgt vom unteren Segment, wie in der Abbildung gezeigt.
• Was die beiden Enden der Phase betrifft, so ist eine Wicklung an die dreiphasige Stromversorgung der Phase A angeschlossen, während das andere Ende an den Neutralleiter derselben dreiphasigen vieradrigen Stromversorgung angeschlossen ist. Dies ist möglich, weil in einem dreiphasigen Vierleitungsnetzteil die ersten drei Leitungen drei Netzspannungen führen, während die vierte Leitung neutral ist.
• Die anderen Zweiphasenwicklungen folgen dem gleichen Muster wie Phase A. An den beiden Enden der Phase-B-Wicklung ist eine mit der Phase-B-Stromleitung der Dreiphasen-Stromversorgung verbunden, während das andere Ende mit dem Neutralleiter derselben drei Phasen verbunden ist Vierleitungsnetzteil.
• Die Struktur des Rotors ähnelt einem Käfig und ist der gleiche Rotortyp, der in einem einphasigen Induktionsmotor verwendet wird.

Wenn wir nun die dreiphasigen Wicklungen des Stators mit Strom versorgen, beginnt der Strom in allen drei Wicklungen zu fließen. Aufgrund dieses Stromflusses wird von den Spulen ein Magnetfeld erzeugt, und dieses Feld fließt durch einen Pfad mit weniger magnetischem Widerstand, der vom laminierten Kern bereitgestellt wird. Hier ist die Struktur des Motors so ausgelegt, dass sich das vom Kern getragene Magnetfeld auf den Luftspalt in der Mitte konzentriert, in der sich der Rotor befindet. Das vom Kern am mittleren Spalt konzentrierte Magnetfeld beeinflusst also die Leiter im Rotor und induziert dadurch einen Strom in ihnen.

Bei Vorhandensein von Leiterstrom erzeugt der Rotor auch ein Magnetfeld, das zu einem bestimmten Zeitpunkt mit dem Statorfeld interagiert. Und aufgrund dieser Wechselwirkung erfährt der Rotor eine Kraft, die zur Drehung des Motors führt.

Hier ist das vom Stator erzeugte Magnetfeld aufgrund der dreiphasigen Leistung vom rotierenden Typ, im Gegensatz zu dem alternierenden Typ, den wir in einem Einphasenmotor besprochen haben. Und aufgrund dieses rotierenden Magnetfelds beginnt sich der Rotor auch ohne anfänglichen Druck von selbst zu drehen. Dies macht den Dreiphasenmotor zu einem selbststartenden Typ, und wir benötigen für diesen Motortyp keine Hilfswicklung.