Vaihtovirtasähkömoottorit: osat, tyypit, johdotukset ja niiden toiminta

Kuinka an AC moottori Toimii

Vaihtovirtamoottori muuntaa vaihtovirran sähköenergian mekaaniseksi pyörimisenergiaksi sähkömagneettisen induktion periaatteen avulla. Kun vaihtovirtasyöttöjännite syötetään staattorin käämiin, se synnyttää pyörivän magneettikentän (RMF). Nopeutta, jolla tämä kenttä pyörii, kutsutaan synkroninen nopeus , määräytyy syöttötaajuuden ja staattorin magneettisten napaparien lukumäärän perusteella: Ns = 120f/P , missä f on syöttötaajuus hertseinä ja P on napojen lukumäärä.

Induktiomoottorissa - yleisimmässä AC-moottorityypissä - pyörivä magneettikenttä leikkaa roottorin johtimien poikki ja indusoi niihin virran Faradayn lain mukaan. Tämä indusoitunut virta tuottaa oman magneettikentän, ja roottorikentän ja staattorin pyörivän kentän välinen vuorovaikutus synnyttää vääntömomentin, joka saa roottorin pyörimään. Roottori käy aina hieman hitaammin kuin synkroninen nopeus; tätä nopeuseroa kutsutaan lipsahdus , tyypillisesti 2–8 % tavallisissa induktiomoottoreissa. Ilman luistoa kentän ja roottorin johtimien välillä ei ole suhteellista liikettä, virtaa ei indusoidu eikä vääntömomenttia synny.

Synkronisissa AC-moottoreissa roottori viritetään sen sijaan DC-kentällä tai käyttää kestomagneetteja, jotka lukitsevat sen pyörimään täsmälleen synkronisella nopeudella ilman luistoa. Tämä tekee synkronisista moottoreista suositellun vaihtoehdon, kun tarkka vakionopeuksinen toiminta on kriittistä, kuten kellomekanismeissa, tietyissä tekstiilikoneissa ja tehokkaissa säätönopeuksisissa käytöissä.

AC-moottorin osat

Vaihtovirtamoottorin sisäisen arkkitehtuurin ymmärtäminen auttaa oikean yksikön määrittelyssä, vikojen diagnosoinnissa ja huoltovälien suunnittelussa. Tärkeimmät komponentit ovat:

• Staattori: Kiinteä ulkokokoonpano, jossa on laminoitu rautaydin ja kuparikäämit. Staattorin ydin on rakennettu ohuista piiteräslaminaatioista, jotka on pinottu yhteen pyörrevirtahäviöiden minimoimiseksi. Käämit kääritään sydämessä oleviin koloihin ja liitetään vaihtovirtalähteeseen.
• Roottori: Pyörivä sisäkokoonpano asennettuna ulostuloakselille. Oravahäkki-oikosulkumoottoreissa roottori koostuu alumiini- tai kuparijohdinkangoista, jotka on oikosuljettu molemmissa päissä päätyrenkailla. Kääritetyissä roottorimoottoreissa roottorissa on kolmivaiheiset käämit, jotka on liitetty ulkoisiin vastuksiin liukurenkaiden kautta.
• Lähtöakseli: Kiinteä teräsakseli, joka siirtää mekaanisen vääntömomentin käytettävään kuormaan. Akselin halkaisija ja kiilauran mitat on standardoitu IEC- tai NEMA-runkokokomääritelmien mukaisesti.
• Laakerit: Tyypillisesti syväuraiset kuulalaakerit käyttöpäässä (DE) ja ei-vetopäässä (NDE). Laakerit tukevat roottorin ja käyttökuorman aiheuttamia radiaali- ja aksiaalikuormia, ja ne ovat yleisin huolto-vaihto-osa.
• Päätykilvet (päätykellot): Valurauta- tai alumiinikotelot, jotka peittävät moottorin rungon molemmat päät, pitävät laakerit paikoillaan ja sulkevat sisäosan.
• Tuuletin ja tuulettimen kansi: Useimmat AC-moottorit ovat TEFC (Totalally Enclosed Fan Cooled) -muotoisia, ja ulkoinen jäähdytystuuletin on asennettu ei-vetopään akselin jatkeeseen, jota ympäröi puristettu terästuulettimen kansi. Tuuletin imee ympäröivää ilmaa moottorin rungon ripojen yli lämmön haihduttamiseksi.
• Liitinrasia (liitäntärasia): Säänkestävä kotelo moottorin rungossa, joka sisältää käämitysliittimet (tyypillisesti merkitty U1, V1, W1, U2, V2, W2 IEC-sopimuksen mukaisesti). Tähän kytketään syöttökaapelit ja mahdolliset tähti-/kolmiokonfiguraatiolinkit.
• Kehys: Ulkorakennerunko, yleensä uurrettu valurauta tai alumiiniseos, joka antaa mekaanisen tuen, toimii jäähdytyselementtinä ja kantaa asennusjalat tai -laippaa asennusta varten.

Tietyissä moottorityypeissä olevia lisäosia ovat mm lipsahdus rings and brushes (käämiroottoriinduktiomoottorit), keskipakokäynnistyskytkimet (yksivaiheiset kondensaattorikäynnistysmoottorit) ja kondensaattorit (yksivaiheinen käynti-kondensaattori ja kondensaattori-käynnistys/ajo -mallit).

Vaihtovirtasähkömoottorien tyypit

Vaihtovirtamoottorit jakautuvat kahteen ensisijaiseen perheeseen - induktioon (asynkroniseen) ja synkroniseen. Kummassakin on useita alatyyppejä, jotka on optimoitu erilaisiin käyttövaatimuksiin.

Suurin osa teollisista sovelluksista on kolmivaiheinen oikosulkumoottori jää oletusvaihtoehdoksi. Se ei vaadi harjoja, liukurenkaita tai ulkoista viritystä, joten se on vähiten huoltoa vaativa ja kustannustehokkain vaihtoehto vakionopeuksille kuormille. Taajuusmuuttajat (VFD) ovat laajentaneet käytettävyyttä muuttuvanopeuksisiin sovelluksiin, jotka aiemmin vaativat tasavirta- tai kierreroottorimoottoreita.

AC-moottorin kytkentäkaavion perusteet

Vaihtovirtamoottorin oikea johdotus on välttämätöntä turvallisen toiminnan ja oikeiden vääntömomentti- ja nopeusominaisuuksien saavuttamiseksi. Liitäntäkotelon kokoonpano vaihtelee moottorityypin ja syöttöjännitteen mukaan, mutta seuraava kattaa yleisimmin esiintyneet skenaariot.

Kolmivaiheiset kaksijännitemoottorit (tähti / kolmio)

Useimmat kolmivaiheiset oikosulkumoottorit on kelattu kahdelle jännitetasolle – yleensä 230V/400V tai 400V/690V – ja liitäntäkotelossa on kuusi johtoa, jotka on merkitty U1, V1, W1 (käämitys alkaa) ja U2, V2, W2 (käämin päät). Syöttöjännite määrittää kytkennän:

• Tähti (Y) liitäntä – korkeampi jännite: Yhdistä U2, V2 ja W2 yhteen muodostamaan neutraali tähtipiste. Liitä kolmivaiheinen syöttö liitäntään U1, V1, W1. Jokainen käämi näkee vaihe-nollajännitteen. Käytetään, kun syöttöjännite vastaa moottorin korkeampaa nimellisjännitettä (esim. 400 V syöttö 230/400 V moottorissa).
• Delta (Δ) liitäntä – pienempi jännite: Linkitä U1 W2:een, V1 U2:een, W1 V2:een muodostaen suljetun silmukan. Liitä kolmivaiheinen syöttö jokaiseen liitettyyn liitinpariin. Jokainen käämi näkee täyden verkkojännitteen. Käytetään, kun syöttöjännite vastaa moottorin alempaa nimellisjännitettä (esim. 230 V syöttö 230/400 V moottorissa).

Star-Delta alkaa on yleinen pehmokäynnistysmenetelmä suurille moottoreille: moottori käynnistyy tähdellä (alennettu jännite kussakin käämissä = pienempi käynnistysvirta, tyypillisesti 1/3 suorasta kytkennästä), sitten kytkeytyy kolmioon, kun se lähestyy täyttä nopeutta. Tämä vähentää syöttöhäiriöitä, mutta alentaa myös käynnistysmomenttia samalla 1/3-kertoimella, joten se soveltuu vain alhaisen kuormituksen käynnistyssovelluksiin.

Yksivaiheisen moottorin johdotus

Yksivaiheiset AC-moottorit vaativat apukäynnistyspiirin, koska yksivaiheinen syöttö ei yksinään voi tuottaa pyörivää magneettikenttää. Terminaalijärjestely sisältää tyypillisesti:

• Pääkäämin liittimet (M): Kytketään suoraan linjan ja nollan yli.
• Käynnistyskäämitysliittimet (S): Kytketty rinnan pääkäämin kanssa, mutta sarjaan käynnistyskondensaattorin kanssa. Kondensaattori luo vaihesiirtymän (noin 90°) pää- ja apukäämin virtojen välille, mikä tuottaa riittävän voimakkaan pyörivän kentän käynnistysmomentin kehittämiseksi.
• Keskipakokytkin tai PTC-rele: Katkaisee käynnistyskäämin, kun moottori saavuttaa noin 75–80 % synkronisesta nopeudesta. Tämän kytkimen vika – joko pysyminen auki (moottori ei käynnisty) tai pysyminen kiinni (käynnistyskäämi ylikuumenee ja palaa) – on yksi yleisimmistä yksivaiheisten moottorien vioista.

Moottorin pyörimisen vaihto

Kolmivaiheisen moottorin pyörimissuunnan vaihtaminen edellyttää kahden moottorin liittimien kolmesta syöttövaiheesta vaihtamista – esimerkiksi U1- ja V1-liitäntöjen vaihtamista. Tämä kääntää pyörivän magneettikentän ja siten roottorin suunnan. Yksivaiheisissa moottoreissa suunnanvaihto saadaan aikaan vaihtamalla käynnistyskäämin liitännät suhteessa pääkäämiin; joissakin moottoreissa on tätä tarkoitusta varten erilliset liitinmerkinnät, kun taas toiset vaativat sisäisen uudelleenkytkennän.

Maadoitus ja ylikuormitussuoja

Jokaisessa AC-moottoriasennuksessa on oltava a suojamaa (PE) liitäntä liitetty moottorin runkoon, kytketty liitäntäkotelon syöttömaahan. Lisäksi oikein mitoitettu lämpö ylikuormitusrele tai elektroninen moottorinsuojarele tulee asentaa syöttöpiiriin, asetettuna moottorin täyden kuormitusvirran (FLC) arvoon. Ylikuormitussuoja on ensisijainen suoja yleisintä moottorivikatilaa vastaan: mekaanisen ylikuormituksen aiheuttama pitkittynyt ylivirta, yksivaiheinen tai rajoitettu ilmanvaihto, joka nostaa käämin lämpötilan eristysluokan rajan yli.