Kolmivaihemoottori on sähkömoottori, joka on suunniteltu toimimaan kolmivaiheisesta vaihtovirtaverkosta.
Se on vaihtovirtakone, joka koostuu kolmella käämityksellä varustetusta staattorista, jonka magneettikentät ovat siirtyneet avaruudessa 120° ja muodostavat kolmivaiheisen jännitteen ollessa kytkettynä pyörivän magneettikentän koneen magneettipiiriin , ja roottorin - eri mallit - pyörivät tiukasti staattorikentän nopeudella ( synkroninen moottori ) tai jonkin verran sitä hitaammin ( asynkroninen moottori ).
Eniten käytetty tekniikassa ja teollisuudessa on asynkroninen kolmivaiheinen sähkömoottori, jossa on oravahäkkiroottorikäämi , jota kutsutaan myös "oravanpyöräksi". Ilmaisu "kolmivaihemoottori" viittaa yleensä tämän tyyppiseen moottoriin, ja hän on se, joka kuvataan myöhemmin artikkelissa.
Kaksi- ja monivaihemoottorien toimintaperiaatteen on kehittänyt Nikola Tesla ja patentoinut. Dolivo-Dobrovolsky paransi sähkömoottorin suunnittelua ja ehdotti kolmen vaiheen käyttöä N. Teslan käyttämien kahden sijaan . Parannus perustuu siihen, että kahden samantaajuisen, vaiheittain eroavan siniaallon summa antaa yhteensä siniaallon, mikä mahdollistaa kolmen johdon käytön (neljännessä "nolla" johdossa virta on lähellä nollaa) kolmivaiheinen järjestelmä neljää vaadittua johtoa vastaan kaksivaiheisessa virtajärjestelmässä. Jonkin aikaa Dolivo-Dobrovolskyn parantamista rajoitti Teslan patentti monivaihemoottoreille, joka oli siihen mennessä onnistunut myymään sen D. Westinghouselle .
Asynkroninen moottori voi sähkökoneiden käännettävyyden periaatteen mukaisesti toimia sekä moottori- että generaattoritilassa. Induktiomoottorin käyttämiseksi missä tahansa tilassa tarvitaan loisteholähde .
Moottoritilassa , kun moottori on kytketty kolmivaiheiseen vaihtovirtaverkkoon, muodostuu staattorin käämiin pyörivä magneettikenttä , jonka vaikutuksesta oikosuljetussa roottorikäämissä indusoituu virtoja, jotka muodostavat sähkömagneettisen vääntömomentin. pyörittääksesi roottoria akselinsa ympäri. Roottori ylittää akselin kuormitusmomentin ja alkaa pyöriä saavuttaen subsynkronisen nopeuden (se on myös nimellinen, kun otetaan huomioon moottorin akselin kuormitusmomentti).
Generaattoritilassa asynkroninen kone pystyy generoimaan pätötehoa loisteholähteen ollessa läsnä, joka luo viritysvirran. Kondensaattori voi toimia loistehon lähteenä.
Käynnistys - tuloksena olevan staattorin magneettikentän vektori pyörii tasaisesti verkkotaajuudella jaettuna kunkin vaiheen yksittäisten käämien lukumäärällä (yksinkertaisimmassa tapauksessa yksi kerrallaan). Siten roottorin minkä tahansa osan läpi kulkee magneettivuo, joka vaihtelee ajallisesti pitkin siniä. Roottorin magneettivuon muutos synnyttää EMF:n sen käämeissä. Koska käämit ovat oikosulkuja ja ne on tehty suuripoikkisesta johtimesta ("oravapyörä"), roottorin käämien virta saavuttaa merkittäviä arvoja ja luo puolestaan magneettikentän. Koska käämien EMF on verrannollinen magneettivuon (eli siniriippuvuuden aikaderivaatta - kosini) muutosnopeuteen, oravapyörän indusoituun EMF:ään ja vastaavasti tuloksena olevaan magneettikenttään (vektoriin) roottorin 90 astetta "johtaa" staattorivektoria (jos tarkastellaan suuntavektoreita ja niiden pyörimissuuntaa). Magneettikenttien vuorovaikutus synnyttää roottorin vääntömomentin.
Käynnistys- ja täysjarrutustilassa sähkömoottoriin syötetty sähköteho kuluu roottorin ja staattorin magnetoinnin käännökseen sekä roottorin käämin virran aktiiviseen vastukseen. (Vastaa alennusmuuntajan toimintaa, jossa toisiokäämissä on oikosulku).
Tyhjäkäynti - liikkeen alkamisen jälkeen roottorin nopeuden kasvaessa sen nopeus suhteessa staattorin magneettikenttävektoriin laskee. Vastaavasti myös magneettivuon muutosnopeus roottorin (millä tahansa) osuudella laskee, vastaavasti, indusoitu EMF ja siitä johtuva roottorin magneettinen momentti pienenevät. Ilman vastusvoimia (ihanteellinen tyhjäkäynti) roottorin kulmanopeus on sama kuin staattorin magneettikentän kulmanopeus, vastaavasti nopeuksien ero, indusoitunut EMF ja tuloksena oleva roottorin magneettikenttä yhtä suuri kuin nolla.
Joutokäyntitilassa moottoriin syötettyä sähköä ei kuluteta (induktiivinen kuorma). Vastaa kuormittamatonta muuntajan toimintaa (tai oikosuljetut toisiokäämit, jotka sijaitsevat sydämessä )
Moottoritila - keskiarvo täyden jarrutuksen ja tyhjäkäynnin välillä. Hyötykuorma ja mekaaniset häviöt eivät salli roottorin saavuttaa staattorin magneettikentän nopeutta, niiden suhteellinen luisto indusoi jonkin verran EMF:ää ja vastaavaa roottorin magneettikenttää, joka vuorovaikutuksessa staattorikentän kanssa kompensoi jarrutusmomenttia. akselilla.
Induktiomoottorin mekaaninen ominaisuus on "kova", eli nopeuden pienellä laskulla moottorin vääntömomentti kasvaa erittäin paljon - "yrittää ylläpitää nimellisnopeutta". Tämä on hyvä ominaisuus käytöille, jotka vaativat tietyn nopeuden ylläpitämistä kuormasta riippumatta (kuljettimet, kuormaajat, nostimet, puhaltimet).
Moottoritilassa sähkömoottoriin syötetty sähköteho (osa, jota merkitään "cos phi") kulutetaan hyödyllisen työn suorittamiseen ja moottorin lämmittämiseen, loput palautetaan verkkoon induktiivisena kuormana. "Kosini phi" riippuu moottorin kuormituksesta, tyhjäkäynnillä se on lähellä nollaa. Moottorin ominaisuus ilmaisee nimelliskuormituksen kosini phi:n. Tämän arvon ero yksiköstä määräytyy pääasiassa staattorin ja roottorin välisen ilmavälin magneettiresistanssista, joka vastaa muuntajan vuodon induktanssia, joten he yrittävät pienentää rakoa; toisaalta tämä rako rajoittaa käämivirtoja, kun roottorin nopeus ylittää toimintarajat, esimerkiksi moottoria käynnistettäessä.
Generaattoritila tapahtuu, kun nopeuden pakotettu lisäys ylittää "ideaalisen tyhjäkäynnin". Herätysvuon luovan loisteholähteen läsnä ollessa roottorin magneettikenttä indusoi EMF:n staattorin käämeissä ja moottori muuttuu pätötehon lähteeksi (sähköiseksi).
Piireillä ei ole erityisiä etuja toisiinsa nähden, mutta "tähti" vaatii enemmän lineaarista jännitettä kuin "kolmio" (toimintaa varten nimellistilassa), ja kun "kolmio" kytketään päälle generaattoritilassa, rengas esiintyy loisvirtaa. Samaa moottoria on helppo käyttää molemmilla liitännöillä, joten kolmivaihemoottorin ominaisuuksissa kaksi nimellisjännitettä ilmoitetaan murto-osalla, esimerkiksi 127/220, 230/400 (220/380) tai 400/690 (380/660) V.
Yksi tavoista vähentää moottorin käynnistysvirtoja on käynnistää moottori "tähti"-kaavion mukaisesti, jonka jälkeen kytketään "kolmioon". Tässä tapauksessa on välttämätöntä, että nimellinen syöttöjännite "delta"-piirissä on yhtä suuri kuin verkkojännite. Tavallisissa 400 (380) V verkoissa on käytettävä moottoria, jonka nimellisjännite on 400/690 V (380/660) V.
Kolmivaihemoottorien käämien alku ja loppu tuodaan 2 × 3 riviliittimeen siten, että:
Kolmivaiheisen moottorin käänteeksi kytketään mitkä tahansa kaksi kolmesta moottoria syöttävästä vaiheesta.
Kolmivaihemoottoria voidaan käyttää yksivaiheisessa verkossa, mutta sellaisella toiminnalla on useita rajoituksia. Tässä tapauksessa vääntömomentti ja teho pienenevät 50 % nimellistehosta [1] . Moottorin toiminta tässä tilassa on samanlainen kuin yksivaihemoottorin toiminta : siihen luodaan sykkivä magneettikenttä. Tällainen kenttä ei voi luoda vääntömomenttia pysäytettyyn moottoriin, joten sen käynnistämiseksi on välttämätöntä antaa sille alkukierto. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tämä voidaan tehdä manuaalisesti kääntämällä roottoria. Kun roottori on käännetty, moottori käy itsenäisesti.
Jotta moottori käynnistyisi, se tarvitsee vaiheensiirtopiirin, joka voidaan rakentaa kapasitanssista, induktanssista tai vastuksesta. Tehokkain kondensaattorin käyttö: tässä tapauksessa moottori toimii kuin kondensaattori . Kondensaattorin käytön avulla voit vähentää tehohäviöitä ja tuoda sen ominaisuuksia lähemmäksi nimellisarvoja.
Yksivaiheisessa kytkennässä oleva moottori voidaan koota sekä "tähtiin" että "kolmioon", mutta se toimii tehokkaimmin, kun verkkojännite on yhtä suuri kuin nimellinen verkkojännite. Näin ollen 230/400 (220/380) V moottori, kun se on kytketty 230 V:n yksivaiheiseen kotitalousverkkoon, tulee koota kolmioon.
Parempaa suorituskykyä yksivaiheisessa verkossa on kaksivaiheiset kondensaattorimoottorit, jotka on suunniteltu erityisesti tätä toimintatapaa varten.
Vaihtoehtoinen tapa liittää kolmivaihemoottori yksivaiheiseen verkkoon on käyttää yksivaihetulolla varustettua taajuusmuuttajaa , jonka lähdössä syntyy kolmivaiheinen jännite. Tämän menetelmän lisäetuna on mahdollisuus järjestää moottorin nopeuden taajuussäätö .
Kolmiokytketyn moottorin itsekäynnistys ei ole mahdollista sähkökatkoksen sattuessa yhdessä vaiheessa. Tähtikytkentäinen moottori voi yhden vaiheen sähkökatkoksen tai käämikatkon sattuessa käynnistyä itsestään vain, jos nollapiste on kytketty nollajohtimeen, mutta tällaista kytkentää ei käytännössä tehdä.
Jos moottori jo pyörii, se jatkaa toimintaansa, mutta vääntömomentti ja teho pienenevät huomattavasti tässä tilassa. Jos kuormitus ei anna moottorin käynnistyä ja kehittää nimellisnopeutta, moottori kuluttaa enemmän virtaa ja jäähtyy huonommin (käytettäessä itsetuuletusta). Virheellisen säädön tai lämpöreleen tai elektronisen suojajärjestelmän puuttuessa moottori epäonnistuu (ylikuumeneminen, eristysvaurio, kelan oikosulku). Vaihevika on yksi yleisimmistä syistä kolmivaiheisten koneiden ennenaikaiseen vikaan.
Moottorin suojaamiseksi ylikuormitukselta, tukkeutumiselta ja karkealta suojalta vaihevikoja vastaan käytetään erikoislaitteita: lämpöreleitä , moottoreille suunniteltuja kolmivaiheisia katkaisijoita . [2] Näissä laitteissa on mekanismi, jolla asetetaan laukaisun aika-virta-ominaisuus, joka on asennettu ja konfiguroitu kullekin moottorille erikseen. Ne sammuttavat moottorin, kun nimellisvirta ylittyy pitkään missä tahansa vaiheessa. [2] . Joissakin tapauksissa moottorin suojaamiseen käytetään elektronisia suojalaitteita, jotka mittaavat kunkin vaiheen virran.
Moottoreiden suojaamiseksi syöttöjännitteen vaiheiden katoamiselta ja vääristymiseltä (jännite-erolla) käytetään vaiheensäätöreleitä , jotka näissä tapauksissa katkaisevat virran kokonaan (automaattisella tai manuaalisella lisäaktivoinnilla) [2] . On mahdollista asentaa yksi rele per moottoriryhmä. Vaiheensäätöreleen toiminto voidaan suorittaa niiden mekanismien elektronisilla säätimillä , joissa moottoria käytetään.