Mehrphasenmotordesign

Wechselstrommotoren

Der vielleicht wichtigste Vorteil von mehrphasigem Wechselstrom gegenüber einem einphasigen ist das Design und der Betrieb von Wechselstrommotoren.

Wie wir im ersten Kapitel dieses Buches untersucht haben, sind einige Arten von Wechselstrommotoren im Aufbau praktisch identisch mit ihren Gegenstücken mit Wechselstromgenerator (Generator), die aus stationären Drahtwicklungen und einer rotierenden Magnetbaugruppe bestehen. (Andere AC-Motor-Designs sind nicht ganz so einfach, aber wir werden diese Details einer anderen Lektion überlassen).

Wechselstrommotor im Uhrzeigersinn.

Wenn der rotierende Magnet mit der Frequenz des Wechselstroms Schritt halten kann, der die Elektromagnetwicklungen (Spulen) erregt, wird er weiter im Uhrzeigersinn gezogen. (Abbildung oben)

Der Uhrzeigersinn ist jedoch nicht die einzige gültige Drehrichtung für die Welle dieses Motors. Es könnte genauso gut gegen den Uhrzeigersinn mit der gleichen Wechselspannungswellenform wie in der Abbildung unten betrieben werden.

Wechselstrommotorbetrieb gegen den Uhrzeigersinn.

Wechselstrommotoren starten

Beachten Sie, dass sich der Magnetrotor bei exakt derselben Abfolge von Polaritätszyklen (Spannung, Strom und von den Spulen erzeugte Magnetpole) in beide Richtungen drehen kann.

Dies ist ein gemeinsames Merkmal aller Einphasen-Wechselstrom-„Induktions“- und „Synchron“-Motoren:Sie haben keine normale oder „richtige“ Drehrichtung. An dieser Stelle sollte sich natürlich die Frage stellen:Wie kann der Motor in die vorgesehene Richtung starten, wenn er in beide Richtungen genauso gut laufen kann?

Die Antwort ist, dass diese Motoren ein wenig Starthilfe benötigen. Einmal geholfen, sich in eine bestimmte Richtung zu drehen. sie werden sich auf diese Weise weiterdrehen, solange die Wicklungen mit Wechselstrom versorgt werden.

Woher diese „Hilfe“ kommt, damit ein Einphasen-Wechselstrommotor in eine Richtung in Gang kommt, kann unterschiedlich sein.

Normalerweise kommt es von einem zusätzlichen Satz von Wicklungen, die anders als der Hauptsatz positioniert sind und mit einer Wechselspannung gespeist werden, die gegenüber dem Hauptstrom phasenverschoben ist. (Abbildung unten)

Einseitig anlaufender Wechselstrom-Zweiphasenmotor.

Diese zusätzlichen Spulen sind typischerweise mit einem Kondensator in Reihe geschaltet, um eine Phasenverschiebung des Stroms zwischen den beiden Wicklungssätzen einzuführen. (Abbildung unten)

Kondensator-Phasenverschiebung fügt die zweite Phase hinzu.

Diese Phasenverschiebung erzeugt Magnetfelder von den Spulen 2a und 2b, die genauso außer Takt wie die Felder von den Spulen 1a und 1b sind.

Das Ergebnis ist ein Satz magnetischer Felder mit einer bestimmten Phasendrehung. Es ist diese Phasendrehung, die den rotierenden Magneten in eine bestimmte Richtung zieht.

Starten von Drehstrommotoren

Mehrphasige AC-Motoren erfordern keine solchen Tricks, um sich in eine bestimmte Richtung zu drehen. Da die Wellenformen der Versorgungsspannung bereits eine bestimmte Rotationssequenz aufweisen, tun dies auch die entsprechenden Magnetfelder, die von den stationären Wicklungen des Motors erzeugt werden.

Tatsächlich erzeugt die Kombination aller drei Phasenwicklungssätze, die zusammenwirken, ein sogenanntes rotierendes Magnetfeld . Es war dieses Konzept eines rotierenden Magnetfelds, das Nikola Tesla dazu inspirierte, die weltweit ersten mehrphasigen elektrischen Systeme zu entwickeln (einfach einfachere, effizientere Motoren herzustellen).

Die Netzstrom- und Sicherheitsvorteile von Mehrphasenstrom gegenüber Einphasenstrom wurden später entdeckt.

Analogie zu linearen Lichterketten

Was ein verwirrendes Konzept sein kann, wird durch Analogie viel klarer.

Haben Sie schon einmal eine Reihe von blinkenden Glühbirnen gesehen, wie sie in der Weihnachtsdekoration verwendet werden? Einige Saiten scheinen sich in eine bestimmte Richtung zu „bewegen“, da die Glühbirnen abwechselnd nacheinander leuchten und dunkler werden. Andere Saiten blinken einfach ohne erkennbare Bewegung an und aus. Was macht den Unterschied zwischen den beiden Arten von Glühbirnenketten aus?

Antwort:Phasenverschiebung!

Untersuchen Sie eine Lichterkette, bei der jede zweite Glühbirne zu einem bestimmten Zeitpunkt leuchtet, wie in (Abbildung unten)

Phasenfolge 1-2-1-2:Lampen scheinen sich zu bewegen.

Wenn alle Glühbirnen „1“ leuchten, sind die Glühbirnen „2“ dunkel und umgekehrt. Bei dieser Blinksequenz gibt es keine eindeutige „Bewegung“ für das Licht der Glühbirnen.

Ihre Augen könnten einer „Bewegung“ von links nach rechts genauso leicht folgen wie von rechts nach links. Technisch gesehen sind die Blinksequenzen der Glühbirnen „1“ und „2“ um 180° phasenverschoben (genau entgegengesetzt).

Dies ist analog zum Einphasen-Wechselstrommotor, der genauso leicht in beide Richtungen laufen kann, aber nicht von selbst anlaufen kann, weil seinem Magnetfeldwechsel eine bestimmte „Drehung“ fehlt.

Lassen Sie uns nun eine Lichterkette untersuchen, bei der drei Glühbirnensätze statt nur zwei in Reihe geschaltet werden müssen, und diese drei Sätze sind in der Abbildung unten gleichermaßen phasenverschoben.

Phasenfolge:1-2-3:Glühbirnen scheinen sich von links nach rechts zu bewegen.

Wenn die Beleuchtungssequenz 1-2-3 ist (die Sequenz ist in (Abbildung oben) gezeigt) scheinen sich die Glühbirnen von links nach rechts zu „bewegen“.

Analogie mit kreisförmigen Lichterketten

Stellen Sie sich nun diese blinkende Glühbirnenkette vor, die wie in der Abbildung unten zu einem Kreis angeordnet ist.

Kreisförmige Anordnung; Glühbirnen scheinen sich im Uhrzeigersinn zu drehen.

Jetzt scheinen sich die Lichter in der obigen Abbildung im Uhrzeigersinn zu „bewegen“, weil sie sich um einen Kreis anstatt um eine gerade Linie herum angeordnet haben.

Es sollte nicht überraschen, dass sich das Bewegungsbild umkehrt, wenn die Phasenfolge der Glühbirnen umgekehrt wird.

Das Blinkmuster scheint sich je nach Phasenfolge entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen.

Dies ist analog zu einem Drehstrommotor mit drei Wicklungssätzen, der von Spannungsquellen mit drei verschiedenen Phasenverschiebungen in der Abbildung unten gespeist wird.

Drehstrommotor:Eine Phasenfolge von 1-2-3 dreht den Magneten im Uhrzeigersinn, 3-2-1 dreht den Magneten gegen den Uhrzeigersinn.

Bei Phasenverschiebungen von weniger als 180° erhalten wir eine echte Drehung des Magnetfelds. Bei Einphasenmotoren muss das für den Selbstanlauf notwendige magnetische Drehfeld durch kapazitive Phasenverschiebung erzeugt werden. Bei Drehstrommotoren sind die notwendigen Phasenverschiebungen bereits vorhanden.

Außerdem lässt sich die Drehrichtung der Welle bei Mehrphasenmotoren sehr leicht umkehren:Vertauschen Sie einfach zwei beliebige „heiße“ Drähte, die zum Motor führen, und er läuft in die entgegengesetzte Richtung!

RÜCKBLICK:

• AC-"Induktions-" und "Synchron"-Motoren funktionieren, indem ein rotierender Magnet den magnetischen Wechselfeldern folgt, die von stationären Drahtwicklungen erzeugt werden.
• Einphasige Wechselstrommotoren dieses Typs benötigen Hilfe, um sich in eine bestimmte Richtung zu drehen.
• Durch Einführung einer Phasenverschiebung von weniger als 180° in die Magnetfelder in einem solchen Motor kann eine eindeutige Drehrichtung der Welle festgelegt werden.
• Einphasen-Asynchronmotoren verwenden oft eine Hilfswicklung, die in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist, um die erforderliche Phasenverschiebung zu erzeugen.
• Mehrphasenmotoren brauchen solche Maßnahmen nicht; ihre Drehrichtung wird durch die Phasenfolge der Spannung festgelegt, mit der sie versorgt werden.
• Das Vertauschen von zwei beliebigen "heißen" Drähten an einem mehrphasigen Wechselstrommotor kehrt seine Phasenfolge um und kehrt somit seine Wellendrehung um.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Theorie des Wechselstrommotors
• Arbeitsblatt für Mehrphasenstromsysteme