Mesin listrik arus bolak-balik

Mesin listrik digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik (generator AC dan DC) dan sebaliknya (motor listrik).

Dalam semua kasus ini, pada dasarnya tiga penemuan utama di bidang elektromagnetisme digunakan: fenomena interaksi mekanis arus yang ditemukan oleh Ampere pada tahun 1821, fenomena induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday pada tahun 1831, dan ringkasan teoretis dari fenomena ini yang dibuat oleh Lenz (1834) dalam hukumnya yang terkenal tentang arah arus induksi (sebenarnya, hukum Lenz meramalkan hukum kekekalan energi untuk proses elektromagnetik).

Untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik atau sebaliknya, perlu dibuat gerakan relatif dari rangkaian konduktif dengan arus dan medan magnet (magnet atau arus).

Pada mesin listrik yang dirancang untuk operasi kontinu, gerakan putar dari bagian mesin yang bergerak (rotor mesin arus bolak-balik) yang terletak di dalam bagian stasioner (stator) digunakan.Kumparan mesin yang berfungsi untuk menciptakan medan magnet disebut induktor, dan kumparan yang mengalirkan arus operasi disebut angker. Kedua istilah terakhir ini juga digunakan untuk mesin DC.

Untuk meningkatkan induksi magnet, belitan mesin ditempatkan pada badan feromagnetik (baja, besi tuang).

Semua mesin listrik memiliki sifat reversibilitas, yaitu dapat digunakan baik sebagai pembangkit energi listrik maupun sebagai motor listrik.

Motor asinkron

Motor asinkron digunakan salah satu manifestasi dari induksi elektromagnetik… Dalam mata kuliah fisika didemonstrasikan sebagai berikut:

Di bawah piringan tembaga, yang dapat berputar pada sumbu vertikal yang melewati pusatnya, ditempatkan magnet tapal kuda vertikal yang digerakkan untuk berputar pada sumbu yang sama (tidak termasuk interaksi mekanis antara piringan dan magnet). Dalam hal ini, cakram mulai berputar ke arah yang sama dengan magnet, tetapi dengan kecepatan yang lebih rendah. Jika Anda menambah beban mekanis pada cakram (misalnya, dengan meningkatkan gesekan poros terhadap bantalan dorong), maka kecepatan putarannya berkurang.

Arti fisik dari fenomena ini dengan mudah dijelaskan oleh teori induksi elektromagnetik: ketika magnet berputar, medan magnet berputar dibuat, yang menginduksi arus eddy dalam disk, besarnya yang terakhir tergantung, hal lain dianggap sama, pada kecepatan relatif lapangan dan disk.

Menurut hukum Lenz, piringan harus berputar searah dengan medan. Dengan tidak adanya gesekan, piringan harus memperoleh kecepatan sudut yang sama dengan kecepatan magnet, setelah itu ggl induksi akan hilang. Dalam kehidupan nyata, gesekan pasti ada dan cakram menjadi lebih lambat.Besarnya tergantung pada momen pengereman mekanis yang dialami cakram.

Perbedaan antara kecepatan putaran piringan (rotor) dan kecepatan putaran medan magnet tercermin dalam nama motor.

Prinsip pengoperasian motor asinkron:

Dalam motor asinkron teknis (paling sering tiga fase), medan magnet berputar dibuat arus polifasemengalir di sekitar belitan stator stasioner. Pada frekuensi arus tiga fasa adalah dan jumlah kumparan stator medan putar 3p membuat n = f / p putaran / detik.

Rotor yang dapat diputar terletak di rongga stator. Mekanisme putar dapat dihubungkan ke porosnya.Pada motor "sel tupai" yang paling sederhana, rotor terdiri dari sistem batang logam longitudinal yang ditempatkan di alur badan silinder baja. Kabel dihubung pendek oleh dua cincin. Untuk menambah torsi, jari-jari rotor dibuat cukup besar.

Dalam desain motor lainnya (biasanya motor berdaya tinggi), kabel rotor membentuk belitan tiga fasa terbuka. Ujung-ujung kumparan dihubung pendek di rotor itu sendiri, dan timah dibawa keluar ke tiga cincin selip yang dipasang pada poros rotor dan diisolasi darinya.

Rheostat tiga fase dihubungkan ke cincin ini menggunakan kontak geser (sikat), yang berfungsi untuk menghidupkan motor. Setelah motor diputar, rheostat dilepas sepenuhnya dan rotor menjadi sangkar tupai (lihat — Motor asinkron dengan rotor luka).

Ada papan terminal di perumahan stator. Belitan stator dibawa ke mereka. Mereka dapat disertakan bintang atau segitiga, tergantung pada tegangan listrik: dalam kasus pertama tegangan listrik bisa 1,73 kali lebih tinggi dari yang kedua.

Nilai yang mencirikan perlambatan relatif rotor dibandingkan dengan bidang stator motor induksi disebut tergelincir… Ini berubah dari 100% (pada saat start motor) menjadi nol (kasus ideal dari pergerakan rotor lossless).

Pembalikan arah putaran motor induksi dicapai dengan pergantian timbal balik dari setiap dua konduktor linier dari jaringan listrik yang memasok motor.

Motor sangkar tupai banyak digunakan di industri. Kelebihan motor asinkron adalah kesederhanaan desain dan tidak adanya kontak geser.

Sampai saat ini, kerugian utama dari motor tersebut adalah kesulitan dalam mengatur kecepatan, karena jika tegangan rangkaian stator diubah untuk ini, torsi berubah tajam, tetapi secara teknis sulit untuk mengubah frekuensi arus suplai. Perangkat mikroprosesor modern sekarang banyak digunakan untuk mengontrol frekuensi arus suplai untuk memvariasikan kecepatan motor — konverter frekuensi.

Alternator

Alternator dibangun untuk daya yang signifikan dan tegangan tinggi. Seperti mesin asinkron, mereka memiliki dua belitan. Biasanya, belitan angker terletak di rumah stator. Induktor yang menghasilkan fluks magnet primer dipasang pada rotor dan ditenagai oleh exciter—generator DC kecil yang dipasang pada poros rotor. Pada mesin bertenaga tinggi, eksitasi kadang-kadang dibuat oleh tegangan bolak-balik yang diperbaiki.

Karena imobilitas belitan angker, kesulitan teknis yang terkait dengan penggunaan kontak geser pada daya tinggi menghilang.

Gambar di bawah ini menunjukkan skema generator satu fasa. Rotornya memiliki delapan kutub. Di atasnya terdapat lilitan kumparan (tidak ditunjukkan pada gambar) yang diumpankan dari sumber eksternal dengan arus searah yang dialirkan ke slip ring yang terpasang pada poros rotor. Kumparan kutub dililit sedemikian rupa sehingga tanda kutub yang menghadap stator bergantian. Jumlah tiang harus genap.

Belitan jangkar terletak di rumah stator. Kabel "aktif" yang bekerja panjang, tegak lurus terhadap bidang gambar, ditunjukkan pada gambar dengan lingkaran, dilintasi oleh garis induksi magnet ketika rotor berputar.

Lingkaran menunjukkan distribusi sesaat dari arah medan listrik yang diinduksi. Kabel penghubung yang berjalan di sepanjang sisi depan stator ditunjukkan dengan garis padat, dan di sisi belakang dengan garis putus-putus. Klem K digunakan untuk menghubungkan sirkuit eksternal ke belitan stator. Arah putaran rotor ditunjukkan oleh panah.

Jika Anda secara mental memotong mesin sepanjang radius yang melewati antara klem K dan mengubahnya menjadi bidang, maka posisi relatif belitan stator dan kutub rotor (sisi dan denah) akan digambarkan dengan gambar skema:

Mempertimbangkan gambar tersebut, kami memastikan bahwa semua kabel aktif (melewati kutub induktor) terhubung satu sama lain secara seri dan EMF yang diinduksi di dalamnya dijumlahkan. Fase semua EMF jelas sama.Selama satu putaran penuh rotor, empat periode lengkap perubahan arus akan diperoleh di masing-masing kabel (dan karenanya di sirkuit luar).

Jika sebuah mesin listrik memiliki p pasang kutub dan rotor berputar membuat n putaran per detik, maka frekuensi arus bolak-balik yang diterima mesin adalah f = pn hz.

Karena frekuensi EMF dalam jaringan harus konstan, kecepatan putaran rotor harus konstan. Untuk mendapatkan EMF frekuensi teknis (50 Hz), rotasi yang relatif lambat dapat digunakan jika jumlah kutub rotor cukup banyak.

Untuk mendapatkan arus tiga fasa, tiga belitan terpisah ditempatkan di badan stator. Masing-masing diimbangi relatif terhadap dua lainnya dengan sepertiga jarak busur antara kutub induktor yang berdekatan (berlawanan).

Sangat mudah untuk memverifikasi bahwa ketika induktor berputar, EMF diinduksi dalam kumparan yang bergeser fase (dalam waktu) sebesar 120 °. Ujung kumparan dilepas dari mesin dan dapat dihubungkan secara bintang atau delta.

Dalam generator, kecepatan relatif medan dan konduktor ditentukan oleh diameter rotor, jumlah putaran rotor per detik, dan jumlah pasangan kutub.

Jika generator digerakkan oleh arus air (hidrogenerator), biasanya dibuat dengan putaran lambat. Untuk mendapatkan frekuensi arus yang diinginkan, perlu menambah jumlah kutub, yang pada gilirannya membutuhkan peningkatan diameter rotor.

Untuk sejumlah alasan teknis generator hidrogen yang kuat mereka biasanya memiliki poros vertikal dan terletak di atas turbin hidrolik, yang menyebabkannya berputar.

Generator Turbin Uap — Generator turbin biasanya berkecepatan tinggi. Untuk mengurangi gaya mekanis, mereka memiliki diameter kecil dan jumlah kutub yang kecil.Sejumlah pertimbangan teknis memerlukan produksi generator turbin dengan poros horizontal.

Jika genset digerakkan oleh mesin pembakaran dalam maka disebut genset diesel, karena pada umumnya mesin diesel digunakan sebagai mesin yang mengkonsumsi bahan bakar lebih murah.

Reversibilitas generator, motor sinkron

Jika tegangan bolak-balik diterapkan ke belitan stator generator dari sumber eksternal, maka akan ada interaksi kutub induktor dengan medan magnet dari arus yang dihasilkan di stator, dan torsi dari arah yang sama akan bekerja. pada semua kutub.

Jika rotor berputar dengan kecepatan sedemikian rupa sehingga segera setelah setengah periode arus bolak-balik, kutub berikutnya dari induktor (berlawanan dengan kutub pertama) akan pas di bawah kabel belitan stator yang dianggap, maka tanda dari gaya interaksi antara itu dan arus , yang telah mengubah arahnya, akan tetap sama.

Dalam kondisi ini, rotor, yang berada di bawah pengaruh torsi yang terus menerus, akan terus bergerak dan dapat menggerakkan mekanisme apa pun. Mengatasi resistensi terhadap pergerakan rotor akan terjadi karena energi yang dikonsumsi oleh jaringan, dan generator akan menjadi motor listrik.

Akan tetapi, perlu dicatat bahwa gerakan kontinu hanya dimungkinkan pada kecepatan rotasi yang ditentukan secara ketat, karena jika terjadi penyimpangan darinya, momen percepatan akan bekerja sebagian pada masing-masing kutub rotor, bergerak di antara dua konduktor rotor. stator, bagian dari waktu - berhenti .

Jadi, kecepatan putaran motor harus ditentukan secara ketat — waktu penggantian kutub dengan kutub berikutnya harus bertepatan dengan setengah periode arus, itulah sebabnya motor semacam itu disebut serentak.

Jika tegangan bolak-balik diterapkan ke belitan stator dengan rotor stasioner, maka, meskipun semua kutub rotor selama setengah siklus pertama arus mengalami aksi torsi dengan tanda yang sama, tetap saja, karena inersia, rotor tidak akan punya waktu untuk bergerak. Pada setengah siklus berikutnya, tanda torsi untuk semua kutub rotor akan berubah menjadi kebalikannya.

Akibatnya rotor akan bergetar tetapi tidak akan bisa berputar. Oleh karena itu, motor sinkron pertama-tama harus diputar, yaitu dibawa ke jumlah putaran normal, dan baru kemudian arus dalam belitan stator harus dihidupkan.

Pengembangan motor sinkron dilakukan dengan metode mekanis (pada daya rendah) dan perangkat listrik khusus (pada daya tinggi).

Untuk perubahan beban kecil, kecepatan motor secara otomatis akan berubah menyesuaikan dengan beban baru. Jadi, saat beban pada poros motor bertambah, rotor langsung melambat. Oleh karena itu, pergeseran fasa antara tegangan saluran dan EMF induksi berlawanan yang diinduksi oleh induktor dalam belitan stator berubah.

Selain itu, reaksi angker menciptakan demagnetisasi induktor, sehingga arus stator meningkat, torsi induktor meningkat, dan motor mulai berputar secara sinkron lagi, mengatasi beban yang meningkat. Proses serupa terjadi dengan pengurangan beban.

Dengan fluktuasi beban yang tajam, kemampuan beradaptasi motor ini mungkin tidak mencukupi, kecepatannya akan berubah secara signifikan, ia akan "keluar dari sinkronisasi" dan akhirnya berhenti, sementara EMF induksi yang diinduksi dalam stator menghilang, dan arus di dalamnya meningkat. tajam. Oleh karena itu, fluktuasi beban yang tajam harus dihindari. Untuk menghentikan motor, jelas Anda harus terlebih dahulu memutuskan rangkaian stator dan kemudian memutuskan choke; saat menghidupkan mesin, Anda harus mematuhi urutan operasi terbalik.

Motor sinkron paling sering digunakan untuk menggerakkan mekanisme yang beroperasi pada kecepatan konstan. Berikut kelebihan dan kekurangan motor sinkron dan cara pengasutannya: Motor sinkron dan aplikasinya

Strip film pendidikan - "Motor sinkron", dibuat oleh pabrik alat bantu visual pendidikan pada tahun 1966. Anda dapat menontonnya di sini: Filmstrip «Synchronous Motor»