Кіріспе

АЖ электр қозғалтқышының түрі. Индукциялық мотор немесе асинхронды мотор – ротордағы айналым моментін тудыратын электр тогы статор орамының магнит өрісінен электромагниттік индукция арқылы алынатын АЖ электр қозғалтқышы. Сондықтан индукциялық моторға роторға электрлік қосылымдар қажет емес. Индукциялық мотордың роторы жаратылған немесе қысқа тұйықталған түрде болуы мүмкін. Үш фазалы қысқа тұйықталған индукциялық моторлар өнеркәсіптік жетектер ретінде кеңінен қолданылады, себебі олар өздігінен іске қосылады, сенімді және экономикалық. Бір фазалы индукциялық моторлар қоқыс тастағыштар және стационарлық электр құралдары сияқты кішкентай жүктер үшін кеңінен қолданылады. Әдетте тұрақты жылдамдықпен жұмыс істеу үшін қолданылса да, бір және үш фазалы индукциялық моторлар жиілікті реттегіштерді (VFD) пайдалана отырып, өзгермелі жылдамдықпен жұмыс істейтін қолданбаларда көбірек орнатылуда. VFD желдеткіштер, сорғылар және компрессорлар сияқты өзгермелі жүктемелі индукциялық моторлар үшін энергияны үнемдеу мүмкіндіктерін ұсынады.

Тарих

1824 жылы француз физигі Франсуа Араго айналмалы магниттік өрістердің бар екенін болжады, оларды Араго айналымдары деп атады. 1879 жылы Вальтер Бейли қолмен қосқыштарды қосып-өшіру арқылы осыны көрсетті, бұл алғашқы қарапайым индукциялық мотор болды. Бірінші коммутаторсыз бір фазалы айнымалы ток индукциялық моторын венгр инженері Отто Блати ойлап тапты; ол өзінің өнертабысы – электр есептегішіне қуат беру үшін бір фазалы моторын пайдаланды. Алғашқы айнымалы ток полифазалық индукциялық моторларды Галилео Феррарис және Никола Тесла тәуелсіз түрде ойлап тапты, біріншісі 1885 жылы, екіншісі 1887 жылы жұмыс істейтін мотордың үлгісін көрсетті. Тесла 1887 жылдың қазан және қараша айларында АҚШ патенттеріне өтініш берді және 1888 жылдың мамырында осы патенттердің бір бөлігіне ие болды. 1888 жылдың сәуірінде Турин Корольдік ғылым академиясы Ферраристің айнымалы ток полифазалық моторы туралы зерттеулерін жариялады, онда мотордың жұмыс принципінің негіздері егжей-тегжейлі сипатталған. 1888 жылдың мамырында Тесла Америка Электр Инженерлері институтына (AIEE) «Айнымалы ток моторлары мен трансформаторларының жаңа жүйесі» атты техникалық мақаласын ұсынды, онда төрт статор полюсті мотордың үш түрі сипатталған: біреуі төрт полюсті ротормен, бұл өздігінен іске қосылмайтын кедергі моторын құрайды, екіншісі – өздігінен іске қосылатын индукциялық моторды құрайтын ротормен, ал үшіншісі – ротор орамына жеке қоздырылатын тұрақты токпен қуатталатын нағыз синхронды мотор. Сол кезде айнымалы ток қуат жүйесін дамытып жатқан Джордж Вестингхаус 1888 жылы Тесланың патенттерін лицензиялады және Ферраристің индукциялық мотор тұжырымына АҚШ патентін сатып алу опциясын сатып алды. Тесла сондай-ақ бір жылға кеңесші ретінде жұмыс істеді. Вестингхаус қызметкері С.Ф. Скотт Теслаға көмектесуге тағайындалды және кейін Вестингхауста индукциялық моторды жетілдіруді өз мойнына алды. Үш фазалық дамуды ынталандырған Михаил Доливо-Добровольский 1889 жылы қысқа тұйықталған роторлы индукциялық моторды және 1890 жылы үш тіректі трансформаторды ойлап тапты. Одан әрі, ол Тесланың моторы екі фазалық пульсациялардың салдарынан практикалық емес екенін мәлімдеді, бұл оны үш фазалық жұмысын жалғастыруға итермеледі. Вестингхаус 1892 жылы алғашқы практикалық индукциялық моторын жасап, 1893 жылы полифазалық 60 герц индукциялық моторлар желісін жасаса да, бұл алғашқы Вестингхаус моторлары Б.Г. Ламме айналатын таяқша орамалы роторды жасамайынша екі фазалық моторлар болып келді. GE-нің Чарльз Протеус Стейнмец айнымалы ток кешенді шамаларын қолдануды жақсартты және индукциялық мотордың эквиваленттік тізбегі деп аталатын аналитикалық модельді жасады. Осы өнертабыстар мен инновациялардан туындаған индукциялық моторды жетілдірулер соншалықты болды, қазіргі заманғы 100 ат күші индукциялық мотордың монтаждау өлшемдері 1897 жылғы 7,5 ат күші бар мотордың өлшемдерімен бірдей. Айналмалы магниттік ағын ротор орамдарында трансформатордың екінші орамдарындағы ток сияқты токтарды тудырады. Ротор орамдарындағы индукцияланған ток өз кезегінде статор өрісіне қарсы әрекет ететін ротордағы магниттік өрістерді жасайды. Ротор магниттік өрісінің бағыты Ленц заңына сәйкес ротор орамдары арқылы токтың өзгеруіне қарсы келеді. Ротор орамдарында индукцияланған токтың себебі – айналмалы статор магниттік өрісі, сондықтан ротор орамдарындағы токтың өзгеруіне қарсы тұру үшін ротор статор магниттік өрісінің бағытына қарай бұрылады. Ротордың жылдамдығы ротордағы индукцияланған токтың және айналу моментінің шамасы ротордың жүктемесімен теңесетінше үдейді. Айналу жылдамдығы синхронды жылдамдыққа тең болса, ротор тогы индукцияланбайды, сондықтан индукциялық мотор әрқашан синхронды жылдамдықтан сәл баяу жұмыс істейді. Нақты және синхронды жылдамдық арасындағы айырмашылық немесе «сығу» стандартты B конструкциясы бойынша айналу қисығы бар индукциялық моторлар үшін шамамен 0,5%-дан 5,0%-ға дейін өзгереді. Индукциялық мотордың ерекшелігі – ротордың синхронды немесе тұрақты ток машиналарындағыдай жеке қоздырылуы немесе тұрақты магниттік моторлардағыдай өздігінен магниттелуі орнына айналу моменты тек индукция арқылы жасалады. Индукциялық мотор индукциялық генератор ретінде пайдаланылуы мүмкін немесе оны тікелей сызықтық қозғалысты тудыратын сызықтық индукциялық мотор құру үшін ашып алуға болады. Индукциялық мотордың генерациялау режимі роторды қоздыру қажеттілігімен күрделіленеді, ол тек қалдық магниттеуден басталады. Кейбір жағдайларда, қалдық магниттеу жүктеме астында моторды өздігінен қоздыруға жеткілікті. Сондықтан, моторды күшті желіге уақытша қосу немесе қалдық магниттеумен алдын ала зарядталған және жұмыс істеу кезінде қажетті реактивті қуатты қамтамасыз ететін конденсаторларды қосу қажет. Индукциялық мотордың синхронды мотормен параллель жұмыс істеуі де осыған ұқсас. Желіге параллель генерациялау режимінде ротордың жылдамдығы жұмыс істеу режиміндегіден жоғары болады. Содан кейін желіге белсенді қуат беріледі. Мысалы, төрт полюсті үш фазалық мотор үшін = 4 және = 1500 айн/мин ( үшін = 50 Гц) және 1800 айн/мин ( үшін = 60 Гц) синхронды жылдамдық. Магниттік полюстердің саны, , – фазаға шаққандағы солтүстік және оңтүстік полюстердің саны. Мысалы, бір фазалық моторында 3 солтүстік және 3 оңтүстік полюстер болса, фазаға 6 полюсі бар, бұл 6 полюсті мотор. Үш фазалық моторында 18 солтүстік және 18 оңтүстік полюстер болса, фазаға 6 полюсі бар, бұл да 6 полюсті мотор. Өндіріс стандарты бойынша полюстерді санау әдісі берілген жиілікке қарамастан, бірдей синхронды жылдамдыққа әкеледі.

Бастау

Кіші индукциялық моторлардың үш негізгі түрі бар: екі фазалы бір фазалы, көлеңкелі полюсті бір фазалы және көп фазалы. Екі полюсті бір фазалы қозғалтқыштарда айналым күші 100% тайғақ (нөлдік жылдамдық) кезінде нөлге дейін төмендейді, сондықтан оларға статорда өзгерістер қажет, мысалы, бастау айналым күшін қамтамасыз ету үшін көлеңкелі полюстер. Бір фазалы индукциялық қозғалтқышқа қозғалтқыштың айналу өрісін қамтамасыз ету үшін жеке бастау тізбегі қажет. Мұндай бір фазалы қозғалтқыштың қалыпты жұмыс орамдары ротордың кез келген бағытта айналуына мүмкіндік береді, сондықтан іске қосу тізбегі жұмыс бағытын анықтайды. Кейбір кішігірім бір фазалы қозғалтқыштарда іске қосу мыс сымнан жасалған бір бұрылыс арқылы жүзеге асырылады, ол полюстің бір бөлігін айналып өтеді; мұндай полюс көлеңкелі полюс деп аталады. Бұл бұрылыстағы ток қоректендіру тогынан қалыс қалады, полюс бетінің көлеңкелі бөлігінің айналасында кешіккен магнит өрісін жасайды. Бұл қозғалтқышты іске қосу үшін жеткілікті айналу өрісі энергиясын береді. Бұл моторлар әдетте үстел желдеткіштері және пластинка ойнатқыштар сияқты қолдануларда қолданылады, себебі қажетті бастапқы айналым күші төмен, ал тиімділігінің төмендігі мотордың және бастау әдісінің төмен құнына қатысты ыңғайлы. Үлкен бір фазалы моторлар екі фазалы моторлар болып табылады және фазадан тыс токпен қоректенетін екінші статор орамымен жабдықталған; мұндай токтар ораманы конденсатор арқылы қоректендіру арқылы немесе оны негізгі орамадан индуктивтілік және кедергінің әртүрлі мәндерін алу арқылы жасалуы мүмкін. Конденсаторлық іске қосу конструкцияларында екінші орама қозғалтқыш жұмыс жылдамдығына жеткеннен кейін ажыратылады, әдетте мотор білігіндегі салмақтарға әсер ететін центрифугалық қосқыш арқылы немесе қызып, кедергісін арттыратын термистор арқылы, екінші орама арқылы өтетін токты маңызды емес деңгейге дейін төмендетеді. Конденсаторлық жұмыс конструкциялары екінші ораманы жұмыс істеген кезде қосып ұстайды, айналым күшін жақсартады. Кедергілік іске қосу конструкциясында іске қосу орамымен тізбекке қосылған іске қосу құрылғысы қолданылады, бұл реактивтілікке әкеледі. Өзінен басталатын көп фазалы индукциялық моторлар тоқтаған кезде де айналым күшін жасайды. Қол жетімді индукциялық моторларды іске қосу әдістеріне тікелей қосылу, төмендетілген кернеулі реактор немесе автотрансформаторлық іске қосу, жұлдыз-үшбұрыш іске қосу, сондай-ақ көбінесе жаңа қатты күйдегі жұмсақ іске қосу құрылғылары және, әрине, өзгермелі жиілік жетектері (VFD) кіреді. Үлкен сырғанақ сақиналы моторлар, сырғанақ энергиясын қалпына келтіру жүйелері деп аталады, кейбіреулері әлі де қолданылуда, ротор тізбегінен энергияны қалпына келтіреді, оны түзетіп, VFD арқылы қуат жүйесіне қайтарады.

Каскадтық

Слип-сақиналы қозғалтқыштардың жылдамдығы каскадтық қосылым немесе конкатенция арқылы бақылана алады. Бір мотордың роторы екінші мотордың статорымен байланыстырылады. Егер екі мотор да механикалық түрде қосылса, олар жылдамдықтың жартысына дейін айналады. Бұл жүйе бұрын үш фазалы айнымалы токпен жүретін теміржол локомотивтерінде, мысалы FS Class E.333 моделінде кеңінен қолданылды. Дегенмен, осы ғасырдың басында мұндай каскадтық электромеханикалық жүйелер қуатты жартылай өткізгіш элементтерді пайдалану арқылы тиімдірек және экономикалық жағынан артық шешімдер таба алды.

Өзгермелі жиілікпен жұмыс істейтін қозғалтқыш

Көптеген өнеркәсіптік өзгермелі жылдамдықты қолданбаларда, тұрақты ток және WRIM жетектері VFD-мен қуаттандырылатын торлық индукциялық қозғалтқыштармен ығыстырылуда. Көптеген жүктемелер үшін асинхронды қозғалтқыштың жылдамдығын басқарудың ең тиімді жолы – VFD қолдану. Соңғы үш онжылдықта құн және сенімділік туралы алаңдаушылықтар VFD-ні қабылдауға кедергі келтіргені айтарлықтай төмендеді, нәтижесінде, жаңадан орнатылған барлық қозғалтқыштардың 30-40% дейін жетек технологиясын пайдаланады деп есептеледі. Өзгермелі жиілікті жетектер индукциялық қозғалтқыштың скалярлық немесе векторлық басқаруын іске асырады. Скалярлық басқаруда, ротордың орналасуы бойынша кері байланыссыз (болмаса), тек қуат беру кернеуінің шамасы мен жиілігі басқарылады. Скалярлық басқару жүктеме тұрақты болған кезде қолдануға қолайлы. Векторлық басқару қозғалтқыштың жылдамдығы мен айналу моментін тәуелсіз басқаруға мүмкіндік береді, осылайша өзгеріп отыратын жүктемелік моментте тұрақты айналу жылдамдығын сақтауға болады. Алайда, векторлық басқару сенсордың (әрқашан емес) құны мен күшті басқарушының қажеттілігіне байланысты қымбатқа түседі.

Құрылыс

Индукциялық қозғалтқыштың статоры роторға енетін магниттік өрісті индукциялау үшін токты тасымалдайтын полюстерден тұрады. Магниттік өрістің таралуын оңтайландыру үшін орамдар статордың айналасындағы ұяларда орналастырылады, магниттік өрісте солтүстік және оңтүстік полюстердің саны тең болады. Индукциялық қозғалтқыштар көбінесе бір немесе үш фазалы қуатпен жұмыс істейді, бірақ екі фазалы қозғалтқыштар да бар; теориялық тұрғыдан алғанда, индукциялық қозғалтқыштар кез келген санындағы фазаға ие болуы мүмкін. Екі орамды көптеген бір фазалы қозғалтқыштарды екі фазалы қозғалтқыштар деп қарастыруға болады, себебі конденсатор бір фазалы қуаттан 90° бұрышпен екінші қуат фазасын жасап, оны екінші орамға жібереді. Бір фазалы қозғалтқыштарға іске қосылу кезінде айналмалы өріс тудыру үшін белгілі бір механизм қажет. Ылғалдан қорғалған (ODP) конструкциядағы индукциялық қозғалтқыштардағы "клеткалы" ротордың арқалықтары әрбір айналымда айналу моментін тегістеу үшін сәл қисайтылған болуы мүмкін. Бүкіл өнеркәсіпте қолданылатын стандартталған NEMA және IEC моторлық кадр өлшемдері біріктірілген өлшемдерге мүмкіндік береді – шахта, табандық бекіту, жалпы сипаттамалар және моторлық фланцтардың кейбір аспектілері. Ашық, тамшыға қарсы (ODP) мотор дизайны сыртқы ауаның статор орамдарына еркін алмасуын қамтамасыз етеді, сондықтан орамдар салқындатылғандықтан бұл типтегі моторлар сәл тиімдірек болады. Белгілі бір қуат деңгейінде төмендетілген жылдамдыққа үлкен кадр қажет.

Оралудың кері бұрылуы

Индукциялық мотордың айналу бағытын өзгерту әдісі, ол үш фазалы немесе бір фазалы машина екеніне байланысты. Үш фазалы мотордың айналу бағытын кез келген екі фазалық қосылысын ауыстыру арқылы өзгертуге болады. Бағытын үнемі өзгерту қажет болатын моторлар (мысалы, көтергіштер) басқару құрылғысында қажет болған жағдайда айналу бағытын өзгерту үшін қосымша коммутациялық контактілерге ие болады. Жиілігі өзгертілетін жетек, моторға қолданылатын кернеудің фазалық тізбегін электронды түрде өзгерту арқылы айналу бағытын өзгертуге мүмкіндік береді. Бір фазалы бөлінген фазалы моторда айналу бағытын өзгерту үшін бастапқы орамның қосылыстарын кері ауыстыру керек. Кейбір моторлар орнату кезінде айналу бағытын таңдауға мүмкіндік беру үшін бастапқы орамның қосылыстарын сыртқа шығарады. Егер бастапқы орам мотордың ішінде тұрақты қосылған болса, айналу бағытын өзгерту мүмкін емес. Бір фазалы көлеңкелі полюсті моторлар, егер көлеңкелі орамдардың екінші жиынтығы болмаса, белгілі бір бағытта ғана айналады.