Dönen manyetik alan: üç fazlı akımlar motoru nasıl döndürür?

Tek sargı titreşen bir alan üretir

Statorda, i = I_m × sin(ωt) alternatif akımı taşıyan tek bir bobinle başlayalım. Bobin, sabit bir eksen boyunca manyetik alan üretir ve bu alanın şiddeti akımı izler: büyür, sıfıra düşer, yön değiştirir ve yeniden büyür; 50 Hz'lik bir şebekede saniyede 100 kez.

Buna titreşen alan denir. Dönmez; tek bir doğru boyunca yalnızca nefes alıp verir. Matematiksel olarak, biri ileri biri geri yönde dönen iki eşit alana ayrılabilir. Bu iki alan net dönmeyi birbirini götürerek yok eder; bu yüzden duran bir rotor hiçbir yönde itilmez. Tamamen tek fazlı bir motorun yol alma torkunun olmamasının nedeni budur.

120° arayla üç sargı

Şimdi A, B ve C adlı üç özdeş sargıyı, eksenleri uzayda 120° aralıklı olacak biçimde statorun çevresine yerleştirin. Bunları zamanda 120° kayık, eşit genlikli üç akımla besleyin:

i_A = I_m × sin(ωt) i_B = I_m × sin(ωt − 120°) i_C = I_m × sin(ωt − 240°)

Her sargı kendi ekseni boyunca titreşen bir alan üretir. Herhangi bir anda ortaya çıkan alan üçünün vektörel toplamıdır. Trigonometrinin güzel bir sonucu, toplamın büyüklüğünün tek faz alanının tepe değerinin 1,5 katı ile sabit kalması ve yönünün statorun çevresinde besleme açısal frekansıyla dönmesidir.

Bunu birkaç anda kontrol edebilirsiniz. ωt = 0'da A fazı sıfırdır, B −0,866 I_m ve C +0,866 I_m değerindedir; alan A eksenine dik doğrultuyu gösterir. ωt = 90°'de A tepe değerindedir, B ve C ise −0,5 I_m'dir; alan A ekseni boyunca yönelir. Alan 90 elektriksel derece ilerlemiş, boyu ise aynı kalmıştır.

Senkron hız: 120 × f / p

Bir elektriksel periyot boyunca alan bir kutup çifti kadar döner. p kutuplu bir makinede p / 2 kutup çifti vardır, dolayısıyla alan her periyotta turun 2 / p'sini yapar. Saniyede f periyot ve dakikada 60 saniye ile devir/dakika cinsinden hız

N_s = 60 × f / (p / 2) = 120 × f / p

olur. Bu, senkron hızdır.

• 50 Hz'de 2 kutup: 3000 dev/dak
• 50 Hz'de 4 kutup: 1500 dev/dak
• 50 Hz'de 6 kutup: 1000 dev/dak
• 50 Hz'de 8 kutup: 750 dev/dak
• 60 Hz'de 4 kutup: 1800 dev/dak

Yani alanın hızı yalnızca frekansa ve kutup sayısına bağlıdır; yüke ya da gerilime asla bağlı değildir. Hızı değiştirmek için frekansı değiştirirsiniz, ki bir değişken frekans sürücüsünün (VFD) yaptığı tam olarak budur; ya da sargıdaki kutup sayısını değiştirirsiniz.

Yönü ters çevirmek

Alan, faz akımlarının tepe değerine ulaşma sırasına, yani faz sırasına göre döner. A–B–C sırasında alan bir yöne, A–C–B sırasında diğer yöne döner.

Dolayısıyla üç fazlı bir motoru ters çevirmek için üç besleme iletkeninden herhangi ikisinin yerini değiştirmeniz yeterlidir. Motorun kendisinde hiçbir şey değişmez. Alanı kovalayan sincap kafesli bir rotor da olsa alana kilitlenen bir mıknatıs da olsa rotor alanı izler ve diğer yöne döner.

Aynısı üç fazlı jeneratör için de geçerlidir: yanlış faz sırasıyla şebekeye bağlamak klasik bir devreye alma hatasıdır; faz sırası ölçerlerin var olmasının nedeni de budur.

Rotor alanı nasıl izler?

Dönen alan hikâyenin yalnızca yarısıdır; rotorun da buna yanıt vermesi gerekir. Bunu nasıl yaptığı, başlıca motor ailelerini birbirinden ayırır.

• Asenkron motor: alan rotor çubuklarını süpürür, içlerinde akım indükler ve bu akımların alanla etkileşimi tork üretir. Bunun çalışması için rotor alandan biraz yavaş dönmelidir; bu farka kayma denir.
• Senkron motor ve PMSM: rotorun kendi manyetik kutupları vardır (kalıcı mıknatıslar ya da DC ile beslenen sargı). Dönen alana kilitlenir ve tam N_s hızında döner; yük arttıkça büyüyen bir yük açısı oluşur.
• Fırçasız DC motor: sürücü stator alanını düzgün biçimde değil ayrık adımlarla hareket ettirir ve alanı mıknatıslı rotorun hep önünde tutar.
• Step motor: stator alanı bir kutuptan diğerine sıçrar ve rotor her seferinde bir adım ilerler.
• Relüktans motorları: rotorda mıknatıs ya da sargı yoktur, ancak düşük relüktanslı yolunu alanla hizalamaya çalışır.

Kayma rehberi asenkron durumu ayrıntılı olarak ele alır.

Tek fazlı motorlar: dönen alanı taklit etmek

Konut şebekeleri çoğunlukla tek fazlıdır; bu yüzden tek fazlı asenkron motorların kalkışta dönen alan elde etmek için bir hileye ihtiyacı vardır. Ana sargıdan 90° ötede ikinci bir yardımcı sargı yerleştirilir ve bir kondansatör üzerinden ya da farklı direnç ile beslenir; böylece akımı zamanda kaydırılmış olur. 90° arayla iki sargı ve yaklaşık 90° farklı akımlar yaklaşık olarak dönen bir alan verir ve rotoru çalıştırmaya yeter.

Motor hıza ulaştığında yol verme sargısı bir merkezkaç anahtarla devreden çıkarılabilir; rotorun kendi hareketi ana sargının titreşen alanının dönen bir alan gibi çalışmasını sürdürür. Gölge kutuplu motor, her kutbun bir kısmına sarılmış bir bakır halkayla aynı şeyin daha kaba bir sürümünü yapar. Alan hiçbir zaman tam dairesel olmadığı için tek fazlı motorlarda şebeke frekansının iki katında tork titreşimi vardır ve aynı boyuttaki üç fazlı motorlardan daha düşük verimlidirler.

Curvo Studio simülatörlerinde deneyin

Üç fazlı asenkron motor simülatörünü açın. Şebeke frekansı kaydırıcısını değiştirin ve Senkron hız değerinin 120 × f / p'yi izlediğini görün. Etiketteki Kutup sayısını (2 ile 12 kutup arası) değiştirin ve aynı frekansın nasıl farklı bir hız verdiğini görün. Faz sırasını ABC ile ACB arasında değiştirin ve rotorun yönünün tersine döndüğüne dikkat edin. Sahne göstergesi U, V ve W fazlarını işaretler; alan desenini görmek için kesit görünümünde Manyetik alan katmanını açabilirsiniz.

Ardından tek fazlı asenkron motor simülatörünü açın ve tek fazlı bir makinenin farkını görmek için Yol verme sargısı ve Tork titreşimi değerlerine bakın. Son olarak kalıcı mıknatıslı senkron motor simülatörü ise alana kilitlenen bir rotor gösterir; Senkron hız ve Yük açısı değerlerini asenkron motorun Kayma değeriyle karşılaştırın.

Simülatörde deneyin