Charakterisierung von Induktionsmotoren

AC-Induktionsmotoren sind die Arbeitspferde der modernen Industrie, da sie einfach, robust und zuverlässig sind. Ein Induktionsmotor besteht nur aus zwei Hauptteilen. Der erste ist der stationäre Teil, der als Stator bezeichnet wird und aus stationären Spulen um einen Hohlraum besteht. In dem Hohlraum ist der Rotor aufgehängt, bei dem es sich um ein Paar Endringe handelt, die eine zylindrische Anordnung von Stäben abdecken. Dies wird oft als Eichhörnchenkäfig bezeichnet. Die elektrischen Parameter dieser beiden Komponenten geben Aufschluss über den Wirkungsgrad des Motors und das Verhältnis von Drehmoment und Drehzahl. Dies ist wichtig, um die beste Motorgröße und den besten Motortyp für eine Anwendung zu bestimmen. In diesem Video werden die Grundlagen des Betriebs von Induktionsmotoren vorgestellt und gezeigt, wie ein Ersatzschaltungsmodell für einen Drehstrom-Induktionsmotor bestimmt wird.

Ein dreiphasiger Wechselstrom-Induktionsmotor verwendet dreiphasigen Strom, wobei jede Phase mit einem eigenen Satz separater Statorspulen verbunden ist. Die Spulen sind in einem Muster angeordnet, das für jede Phase der zugeführten Leistung ein Magnetfeld erzeugt. Das resultierende Nettomagnetfeld, das sogenannte Statormagnetfeld, rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Der rotierende magnetische Fluss induziert Strom im Rotor, ähnlich wie ein Transformator Strom von der Primärspule zur Sekundärspule überträgt. Der Strom durch die Stäbe des Käfigläufers erzeugt wiederum ein eigenes Magnetfeld, das als induziertes Rotormagnetfeld bezeichnet wird. Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Feldern erzeugt eine Kraft auf den Rotor, die dazu führt, dass is dem Statormagnetfeld folgt. Wie eine Eisenstange, die den Magneten um sie herum folgt. Wenn der Rotor genau dem Magnetfeld folgt, wie dieser Balken, dann ist der Motor synchron. Bei einem Induktionsmotor hinkt der Rotor jedoch dem Statormagnetfeld hinterher. Diese Verzögerung, die als Schlupf bezeichnet wird, führt dazu, dass Induktionsmotoren asynchron sind. Somit dreht sich der Induktionsmotor immer langsamer als die Synchrondrehzahl. Das Drehmoment steigt mit abnehmendem Schlupf oder wenn die Motordrehzahl von synchron bis zu einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Pannendrehmoment, abnimmt. Durch Hinzufügen einer Last nimmt die Drehzahl mit zunehmendem Schlupf ab, was zu einem abnehmenden Drehmoment führt. In den folgenden Experimenten wird gezeigt, wie verschiedene elektrische Parameter des Induktionsmotors gemessen werden können, um den Motor mit Hilfe eines Ersatzschaltungsmodells zu beschreiben.

Für jede der folgenden Prüfungen ist die Kenntnis der Rotorleistungen erforderlich, die auf dem Typenschild des Motors aufgedruckt sind. Für die Nennspannung von 208 Volt bei 60 Hertz ist die Nennleistung sowohl in PS als auch in Watt aufzuzeichnen. Erfassen Sie auch den Nennstrom in Ampere und die Nenndrehzahl sowohl in Umdrehungen pro Minute als auch im Bogenmaß pro Sekunde. Das Nenndrehmoment kann berechnet werden und ist gleich der Nennleistung geteilt durch die Nenndrehzahl. Hier treibt die Welle des Induktionsmotors einen Gleichstromgenerator an. Die elektrische Belastung des Gleichstromgenerators steht in direktem Zusammenhang mit der mechanischen Leistung, die in ihn eingespeist wird. Und wirkt wiederum als mechanische Belastung des Induktionsmotors. Stellen Sie zuerst den Stromgrenzwert für das Gleichstromnetz auf 1,8 Ampere ein und schalten Sie ihn dann aus. Bei diesem Gleichstromtest wird der Widerstand nur der Statorwicklung gemessen, da für einen Käfigläufer-Induktionsmotor nur die Statorklemmen zugänglich sind. Schließen Sie den Ausgang des Netzteils an die Statorklemmen A und B an. Schalten Sie das Netzteil ein und zeichnen Sie die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom auf. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die anderen zweiphasigen Kombinationen B und C sowie C und A. Berechnen Sie für jede der Phasenkombinationen den Widerstand, indem Sie die Ausgangsspannung durch den Ausgangsstrom dividieren. Das Ergebnis ist, dass bei zwei Phasen in Reihe der Widerstand pro Phase, R1, die Hälfte dieses Wertes beträgt. Der Wicklungswiderstand des Stators hängt von der Nennleistung des Motors ab und beträgt bei diesem Motor sechs Ohm.

Testen Sie den Induktionsmotor im Leerlauf, um Messungen zu erhalten, die für weitere Berechnungen erforderlich sind. Trennen Sie zunächst alle Klemmen des Gleichstromgenerators oder des Prüfstands, damit er keinen Strom erzeugt und den Induktionsmotor nicht mechanisch belastet. Bauen Sie das Gerät bei ausgeschalteter dreiphasiger Stromquelle zusammen. Stellen Sie den Variac auf 0 % Leistung und schließen Sie ihn an die dreiphasige Steckdose an. Schalten Sie die dreiphasige Stromversorgung ein und erhöhen Sie schnell die Variac-Leistung, bis jeder der digitalen Leistungsmesser etwa 208 Volt anzeigt. Zeichnen Sie die Leistungs-, Spannungs- und Strommessungen von beiden Messgeräten auf. Die Summe der von den beiden digitalen Leistungsmessern gemessenen Leistung ist die Leistung, die von den drei zusammen wirkenden Phasen verbraucht wird. 1/3 davon ist die Leistung in einer Phase. Notieren Sie das Motordrehmoment und bezeichnen Sie es als t-Null, das Leerlaufmoment. Wenn das Drehmomentmessgerät nicht gut kalibriert ist, muss t-Null nicht unbedingt gleich Null sein. Verwenden Sie als Nächstes ein Blitzlicht, um die Drehzahl des Motors im Leerlauf zu messen, die nahe an der Synchrondrehzahl von 1.800 U/min liegt. Stellen Sie den Kurs ein und suchen Sie nach Frequenzreglern, bis die Welle stationär aussieht. Die Motordrehzahl liegt typischerweise zwischen der Nenndrehzahl auf dem Typenschild und der Synchrondrehzahl. Wandeln Sie die Stroboskoplichtfrequenz von U/min in die Leerlaufwinkeldrehzahl (Omega Zero) um. Stellen Sie den Variac auf 0 % Leistung zurück und schalten Sie dann die dreiphasige Stromversorgung aus. Lassen Sie den Rest des Geräts intakt.

Der Test des blockierten Rotors misst die elektrischen Parameter, wenn der Motor fest steht und sich nicht drehen kann. In diesem Zustand tritt der größte Bewegungsunterschied zwischen dem Rotor- und dem Statorfeld auf. Verwenden Sie für diesen Test den Aufbau des Leerlauftests und trennen Sie alle Klemmen des Gleichstromgenerators oder des Prüfstands. Wenn der Drehstrom ausgeschaltet ist und der Variac auf 0 % Leistung steht, den Rotor auf der Seite des Gleichstrommotors mit dem mechanischen Spanner arretieren. Mit Ausnahme des blockierten Rotors ist die Vorrichtung die gleiche wie bei der Leerlaufprüfung. Schalten Sie den Drehstrom und den Induktionsmotor ein. Erhöhen Sie den Variac-Ausgang langsam auf den Nennstrom an den digitalen Leistungsmessern. Notieren Sie die Leistung, die Spannung und den Strom von beiden Messgeräten. Stellen Sie zum Schluss den Variac wieder auf 0 % ein und schalten Sie dann die dreiphasige Stromversorgung aus.

Tatsächlich erfüllt die Statorwicklung die gleiche Funktion wie die Primärspule eines Transformators, und der Rotor entspricht der Sekundärwicklung. Der Motor kann daher mit einer Ersatzschaltung ähnlich der eines Transformators modelliert werden. Die Schaltung ist jedoch vereinfacht, um den idealen Transformatorteil zu entfernen, und bezieht sich auf die Rotorkomponenten als Reflexion des Stators. Die phasenweise Ersatzschaltung enthält den Statorwicklungswiderstand R1, der aus der Gleichstromprüfung berechnet wurde. Der Stator zeigt auch einen Widerstand gegen Änderungen von Strom und Spannung, die als Reaktanz X1 bezeichnet werden. Die Rotorparameter werden vom Stator reflektiert, einschließlich des reflektierten Widerstands (R2 prime) und der reflektierten Rotorreaktanz (X2 prime). Der Parameter XM der gegenseitigen Magnetisierungsreaktanz ist ein Äquivalent für den magnetischen Fluss im Luftspalt zwischen Rotor und Stator. Schließlich tritt ein Leistungsverlust zwischen dem Stator und dem Rotor auf, der als Kernverlustäquivalentwiderstand (RC) modelliert wird. Alle diese Werte können aus den demonstrierten Tests berechnet werden und sind im Testprotokoll detailliert beschrieben.

AC-Induktionsmotoren werden aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und Zuverlässigkeit in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Ein Induktionsmotor wird oft aufgrund seiner linearen Drehmomentdrehzahl unter einer sich ändernden mechanischen Belastung ausgewählt. Der Belastungstest verfolgt die lineare Drehzahlkennlinie des Drehmoments, wenn sich die mechanische Belastung ändert. Für diesen Test wird ein Gleichstromgenerator oder ein Prüfstand an den Induktionsmotor angeschlossen, so dass er den Rotor kontrolliert belastet. Das Gerät ist mit einem Lastwiderstand R-L von 300, 200 oder 100 Ohm bestückt. Die Leistungs-, Spannungs- und Strommessungen werden von den angeschlossenen Messgeräten aufgezeichnet. Anschließend werden das Drehmoment und die Drehzahl mit und ohne Lastwiderstand gemessen. Ein Diagramm der Drehmoment-Drehzahlkennlinien des Induktionsmotors sieht wie diese Kurven für die vier Klassen von NEMA-Motoren aus. Ein Elektronenmikroskop benötigt eine evakuierte Kammer, um die Probe aufzunehmen, und verwendet eine Vakuumpumpe, die über einen kleinen Induktionsmotor verfügen kann. Das Vakuum in der Kammer ermöglicht die Übertragung von Elektronen auf die Probe und von der Probe auf das bildgebende Gerät. Schließlich können Drehmaschinen und andere Werkstattausrüstungen leistungsstärkere Drehstrom-Induktionsmotoren verwenden. Aufgrund ihrer Einfachheit und des Fehlens mechanischer Kommutierung können Induktionsmotoren einer starken Beanspruchung standhalten und die Ausfallwahrscheinlichkeit verringern. Diese Robustheit ist ein klarer Vorteil bei der Herstellung von Metallteilen.

Sie haben gerade Joves Einführung in AC-Induktionsmotoren gesehen. Sie sollten nun das grundlegende Funktionsprinzip verstehen und wissen, wie die Tests zur Bestimmung der Parameter der Ersatzschaltung durchgeführt werden.