موتور القایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
فارسیEnglish
موتورهای القایی سه‌فاز
درون یک موتور القایی روتور قفسی

یک موتور القایی یا موتور آسنکرون (غیر هم­زمان) یک موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) است که در آن جریان الکتریکی روتور (بخش متحرک) که برای تولید گشتاور مورد نیاز است از طریق القای الکترومغناطیسی از سوی میدان مغناطیسی سیم پیچ استاتور به دست می آید. موتورهای القایی از پرکاربردترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی به کار گرفته می‌شوند.

موتور های القایی یا آسنکرون را در واقع ترانسفورماتور گردان هم می نامند دلیل این مقایسه شباهت زیاد کار این الکتروموتور با ترانسفورماتور است که هر دو بر اساس القا کار می کنند و با تفاوت که روتور در ان اتصال کوتاه شده و سبب چرخش روتور می شود.

طراحی ساده و عملکرد پایدار، بهای ارزان، هزینه نگهداری کم و اتصال آسان و کامل به یک منبع برق AC (تک‌فاز و سه‌فاز) برتری‌های بنیادی موتورهای القایی هستند. انواع گوناگونی از موتورهای القایی برای کاربردهای گوناگون در بازار هست. با اینکه طراحی موتورهای القایی آسانتر از موتورهای DC است، کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی نیازمند درک ژرفتر از عملکرد و طراحی و ساخت این نوع موتورهاست.

یک موتور الکتریکی در روتور خود انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. برای تأمین توان مورد نیاز روتور راه‌های مختلفی وجود دارد. در موتور DC توان آرمیچر مستقیماً به وسیله یک منبع جریان مستقیم تأمین می‌شود، در حالی که در موتور القایی این توان از استاتور در روتور القا می‌شود. موتورهای القایی را به علت شباهت زیاد به ترانسفورماتور، ترانسفورماتور دوار نیز می‌نامند چرا که استاتور این موتورها از نظر عملکرد شباهت زیادی به سیم‌پیچ اولیه و روتور آن‌ها به سیم‌پیچ ثانویه ترانس دارد. از موتورهای القایی به ویژه موتورهای القایی سه‌فاز به‌طور گسترده‌ای در صنعت استفاده می‌شود.

قدرت بالا، ساختار ساده و بی‌نیاز بودن از جاروبکها (که به تعمیر و نگه‌داری زیادی نیاز دارند) و قابلیت بالای موتورهای القایی برای کنترل سرعت از جمله دلایل استفاده از آنهاست.

تاریخچه[ویرایش]

موتور القایی در سال ۱۸۸۲ توسط نیکولا تسلا در فرانسه اختراع شد اما در سال ۱۸۸۸ و پس از نقل مکان تسلا به ایالات متحده به‌طور رسمی ثبت شد. موتور القایی روتور قفسی یک سال بعد توسط میخاییل دولیوو دوبرولسکی در اروپا اختراع شد. پیشرفت در زمینه تولید این موتورها تا جایی ادامه یافت که در سال ۱۹۷۶ موتوری القایی با قدرت خروجی ۱۰۰ اسب بخار با حجمی برابر موتور ۷٫۵ اسب بخاری سال ۱۸۹۷ ساخته شد. امروزه پرکاربردترین موتورهای القایی را موتورهایی با روتور قفس‌سنجابی تشکیل می‌دهند.

اصول عملکرد و مقایسه با موتورهای سنکرون[ویرایش]

بزرگترین تفاوت موتور القایی و موتور سنکرون این است که در موتور سنکرون جریان روتور به‌طور مستقیم از یک منبع خارجی تأمین می‌شود. این جریان در روتور میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور، روتور در جهت میدان دوار استاتور خواهد چرخید.

از طرفی در اثر القای جریان در روتور، اختلافی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور به وجود می‌آید، چرا که در غیر این صورت روتور نسبت به میدان دوار امکان حرکت نداشته، هادی‌های روتور شار میدان تولید شده استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختلاف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطلاح لغزش (Slip) نامیده می‌شود. لغزش یک مؤلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختلاف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورهای موتورهای غیرهمزمان یا آسنکرون می‌گویند.

انواع[ویرایش]

  • براساس تعداد فازها:
  1. موتور القایی سه‌فاز (خود راه انداز)
  2. موتور القایی تک‌فاز (غیر خود راه انداز)
  • بر اساس نوع روتور:
  1. موتور القایی روتور قفسی
  2. موتورالقایی روتور سیم‌پیچی شده

فرمول‌ها[ویرایش]

مهمترین رابطه در موتورهای القایی رابطه بین فرکانس منبع f، تعداد زوج قطب‌ها p و سرعت میدان دوار ns است

.

از این رابطه خواهیم داشت

و سرعت روتور برابر است با

و s نشان‌دهنده لغزش (Slip) است و از این رابطه به دست می‌آید

در موتورهای سنکرون سرعت روتور همیشه برابر سرعت میدان دوار است و از رابطه به دست می‌آید.

ساختار[ویرایش]

مانند همه موتورها، موتور القایی نیز از یک قسمت ایستا به نام استاتور (بدنه موتور) و یک محور گردان که درون استاتور می‌چرخد و روتور نام دارد، تشکیل شده‌است. میان استاتور و روتور فاصله ای اندک و یکنواخت است. موتورهای سه‌فاز (سنکرون و القایی) تنها نوعی از موتورها هستند که در آنها به‌طور ذاتی یک میدان مغناطیسی چرخنده از سوی استاتور (به دلیل تغذیه سه‌فاز آن و نیز موقعیت سیم پیچِ فازها نسبت به هم) ساخته می‌شود. این در حالی است که موتورهای DC به عاملی الکتریکی (یا مکانیکی) برای تشکیل این میدان چرخنده نیاز دارند. البته موتور القایی تک‌فاز نیز نیازمند عاملی بیرونی برای پدیدآوردن این میدان مغناطیسی چرخشی است. ویژگی جالب و مهم موتورهایی که با برق سه‌فاز تغذیه می‌شوند این است که به دلیل ماهیت جریان‌های سه‌فاز (که هر کدام با دیگری ۱۲۰ درجه اختلاف فاز دارد) و نیز نحوه قرار گرفتن سیم پیچ‌های استاتور (سیم پیچ هر فاز با دیگری، ۱۲۰ درجه اختلاف مکانی دارد)، میدان الکترومغناطیسی حاصل از آنها در استاتور به چرخش در می‌آید. در موتور القایی، این میدان مغناطیسی چرخنده، در (هادی‌های) روتور جریان القاء می‌کند (مانند ترانسفورماتورها). در اثر برهمکنش میدان مغناطیسیِ این جریان القاء شده در روتور و میدان مغناطیسی چرخنده استاتور، روتور نیز به چرخش واداشته می‌شود (بر اساس قانون لنز).

استاتور: استاتور موتورهای القایی از قطب‌های سیم‌پیچی شده‌ای تشکیل شده که با گذر جریان از آنها و تولید میدان مغناطیسی، در روتور ولتاژ القا می‌کنند. استاتور از چندین نواره باریک آلومینیوم یا آهن سبک ساخته شده‌است. این نواره‌ها به صورت یک استوانه تهی به هم منگنه و سخت شده‌اند (هسته ایستان). سیم پیچهایی از سیم روکش دار در این شیارها جاسازی شده‌اند. هر گروه پیچه با هسته‌ای که آن را فرا گرفته یک آهنربای مغناطیسی (با دو پل) می‌سازد. تعداد قطبهای یک موتور القایی به اتصال درونی پیچه‌های ایستان بستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیماً به منبع انرژی متصلند. آن‌ها به گونه‌ای در استاتور قرار گرفته‌اند که با اِعمال تغذیه سه‌فاز، یک میدان مغناطیسی چرخنده در استاتور تولید می‌شود. تعداد قطب‌ها با توجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می‌تواند مختلف باشد ولی تعداد آنها همواره یک عدد زوج است.

روتور: روتور از چندین بخش جدای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومینیوم پیش‌بینی شده ساخته شده‌است. روتور موتورهای القایی به دو صورت است:

در رایج‌ترین نوع روتور (روتور قفس‌سنجابی) این میله‌ها در پایانه خود به صورت الکتریکی و مکانیکی از سوی حلقه‌هایی به هم بسته شده‌اند. کمابیش ۹۰ درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس‌سنجابی می‌باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختاری پایدار و ساده دارد. این روتور از هسته‌ای چند تکه استوانه‌ای با اهرمی که شکافهای همراستا برای جادادن رساناها درون آن دارد پدید آمده‌است. هر شکاف یک میله مسی یا آلومینیومی یا آلیاژی را در بر می‌گیرد. این میله‌ها با زنجیره‌های پایانی آن‌ها عمداً اتصال کوتاه می‌شوند. چون این ساختار درست مانند قفس سنجاب است، این نام برای آن گذاشته شده‌است. میله‌های گردان دقیقاً با محور موازی نیستند، به جای آن به دو دلیل مهم، کمی اریب کار گذاشته می‌شوند؛

  1. موتور بدون صدا کارکرده و نیز از هارمونیک‌های شکاف کاسته شود.
  2. گرایش روتور به چفت شدن (Hang) کمتر شود. دندانه‌های روتور به دلیل جذب مغناطیسی می‌کوشند که در برابر دندانه‌های استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که شمار دندانه‌های روتور و استاتور برابر باشند.

روتور از سوی مهارهایی (بوشن، یاتاقان) در دو سر محور سوار شده، یک سر محور برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در دیگر سو (غیر گردنده - غیر فرستنده نیرو) برای نصب حسگرهای (سنسور) موقعیت و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است. بعلت القا، توان از استاتور به روتور برده می‌شود. گشتاور پدید آمده، روتور را می چرخاند.

به دلیل مزایای زیاد روتورهای قفسی از جمله سادگی، هزینه کمتر، نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری و… رایج‌ترین روتورها در موتورهای القایی روتورهای قفسی هستند. این روتورها از میله‌هایی از جنس مس یا آلومینیوم تشکیل شده‌اند که یه صورت یک استوانه به همدیگر متصل شده‌اند و در دو طرف به وسیله دو حلقه اتصال کوتاه شده‌اند. روتورهای سیم‌پیچی شده در صنعت کاربردهای خاص خود را دارند و بیشتر در موتورهایی که نیاز به گشتاور راه‌اندازی بالایی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کنترل سرعت[ویرایش]

سرعت چرخش میدان دوار در موتورهای القایی تابع فرکانس منبع و تعداد قطب‌های استاتور است. پیش از ظهور الکترونیک قدرت، تغییر فرکانس موتورهای القایی به راحتی ممکن نبود و این کاربرد این نوع موتورها را محدود می‌کرد.

روش‌ها گوناگونی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش بهره‌گیری از اینوِرتر است، با این روش می‌توان توان ورودی متوسط موتور را کنترل کرد.

راه‌اندازی[ویرایش]

در موتورهای القایی رابطه‌ای مستقیم بین مقدار لغزش و مقدار جریان القایی در روتور وجود دارد. به این ترتیب بیشترین میزان جریان القایی در روتور در هنگام راه‌اندازی (لغزش ۱) به وجود می‌آید. در این حالت موتور مانند ترانسفورماتوری عمل خواهد کرد که سیم‌پیچ ثانویه آن اتصال کوتاه شده باشد‍؛ بالا بودن جریان القاشده در روتور موجب بالا رفتن جریان استاتور می‌شود و به همین دلیل میزان جریان راه‌اندازی در استاتور تقریباً بین ۵ تا ۹ برابر جریان در بار کامل است. جریان بالای موتور در لحظه راه‌اندازی (جریان هجومی) می‌تواند باعث افت ولتاژ در بقیه مصرف‌کننده شود اما این جریان بالا در موتور زیاد ادامه پیدا نمی‌کند چون با راه افتادن موتور لغزش به تدریج کاهش یافته و میزان جریان استاتور نیز کاهش می‌یابد. در صورتی که بار موتور در لحظه راه‌اندازی به اندازه‌ای باشد که موتور قادر به چرخش نباشد جریان بالا موجب سوختن سیم‌پیچ استاتور خواهد شد. برای جلوگیری از افزایش بیش از حد جریان در موتور از راه‌اندازها برای کاهش ولتاژ راه‌اندازی و محدودسازی جریان راه‌اندازی استفاده می‌کنند این راه‌اندازها طوری طراحی شده‌اند که با رسیدن موتور به سرعت متوسط ولتاژ را افزایش دهند.

سه‌فاز[ویرایش]

موتورهای سه‌فاز به علت استفاده از برق سه‌فاز دارای اختلاف الکتریکی ۱۲۰ درجه‌ای بین هر یک از سیم‌پیچ‌های فازها هستند. این اختلاف موجب چرخیدن موتور با توجه به جهت فازها در سیم‌پیچ‌ها می‌شود و نیاز به سیم‌پیچ راه انداز را از بین می‌برد. در این موتورها با جابه جایی دو فاز می‌توان جهت چرخش این موتورها را تغییر داد.

تک‌فاز[ویرایش]

این موتورها به علت استفاده از یک فاز نمی‌توانند در لحظه شروع، موتور را به حرکت درآورند چون اختلاف بین هر قطب ۱۸۰ درجه است که موتور را در حالتی قفل شده نگه می‌دارد. برای رفع این مشکل از یک سیم‌پیچ دیگر به نام سیم‌پیچ راه‌انداز استفاده می‌کنند. این سیم‌پیچ باید دارای اختلاف فاز با سیم‌پیچ اصلی موتور باشد و برای ایجاد این اختلاف فاز از خازن یا سلف استفاده می‌کنند. اختلاف فاز اندک بین جریان سیم‌پیچ اصلی و سیم‌پیچ راه‌انداز موجب حرکت روتور خواهد شد. پس از به حرکت درآمدن روتور به علت وجود اینرسی موتور در همان جهت به چرخش ادامه خواهد داد و نیازی به سیم‌پیچ راه‌انداز نخواهد بود و (در بیشتر موتورهای القایی) این سیم‌پیچ از مدار خارج می‌شود. برای تغییر جهت چرخش در این موتورها باید جهت حرکت جریان در یکی از سیم‌پیچ‌های اصلی یا راه‌انداز را برعکس کرد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

شاخهٔ درس ۲۱۳

Three-phase totally-enclosed fan-cooled (TEFC) induction motor with end cover on the left, and without end cover to show cooling fan on the right. In TEFC motors, interior heat losses are dissipated indirectly through enclosure fins, mostly by forced air convection.
Cutaway view through stator of TEFC induction motor, showing rotor with internal air circulation vanes. Many such motors have a symmetric armature, and the frame may be reversed to place the electrical connection box (not shown) on the opposite side.

An induction motor or asynchronous motor is an AC electric motor in which the electric current in the rotor needed to produce torque is obtained by electromagnetic induction from the magnetic field of the stator winding.[1] An induction motor can therefore be made without electrical connections to the rotor.[a] An induction motor's rotor can be either wound type or squirrel-cage type.

Three-phase squirrel-cage induction motors are widely used as industrial drives because they are self-starting, reliable and economical. Single-phase induction motors are used extensively for smaller loads, such as household appliances like fans. Although traditionally used in fixed-speed service, induction motors are increasingly being used with variable-frequency drives (VFD) in variable-speed service. VFDs offer especially important energy savings opportunities for existing and prospective induction motors in variable-torque centrifugal fan, pump and compressor load applications. Squirrel-cage induction motors are very widely used in both fixed-speed and variable-frequency drive applications.

History

A model of Nikola Tesla's first induction motor at the Tesla Museum in Belgrade, Serbia
Squirrel-cage rotor construction, showing only the center three laminations

In 1824, the French physicist François Arago formulated the existence of rotating magnetic fields, termed Arago's rotations. By manually turning switches on and off, Walter Baily demonstrated this in 1879, effectively the first primitive induction motor.[2][3][4][5][6][7][8]

The first commutator-free single-phase AC induction motor was invented by Hungarian engineer Ottó Bláthy; he used the single-phase motor to propel his invention, the electricity meter.[9][10]

The first AC commutator-free three-phase induction motors were independently invented by Galileo Ferraris and Nikola Tesla, a working motor model having been demonstrated by the former in 1885 and by the latter in 1887. Tesla applied for US patents in October and November 1887 and was granted some of these patents in May 1888. In April 1888, the Royal Academy of Science of Turin published Ferraris's research on his AC polyphase motor detailing the foundations of motor operation.[5][11] In May 1888 Tesla presented the technical paper A New System for Alternating Current Motors and Transformers to the American Institute of Electrical Engineers (AIEE)[12][13][14][15][16] describing three, four-stator-pole motor types: one having a four-pole rotor forming a non-self-starting reluctance motor, another with a wound rotor forming a self-starting induction motor, and the third a true synchronous motor with a separately excited DC supply to the rotor winding.

George Westinghouse, who was developing an alternating current power system at that time, licensed Tesla's patents in 1888 and purchased a US patent option on Ferraris' induction motor concept.[17] Tesla was also employed for one year as a consultant. Westinghouse employee C. F. Scott was assigned to assist Tesla and later took over development of the induction motor at Westinghouse.[12][18][19][20] Steadfast in his promotion of three-phase development, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky invented the cage-rotor induction motor in 1889 and the three-limb transformer in 1890.[21][22] Furthermore, he claimed that Tesla's motor was not practical because of two-phase pulsations, which prompted him to persist in his three-phase work.[23] Although Westinghouse achieved its first practical induction motor in 1892 and developed a line of polyphase 60 hertz induction motors in 1893, these early Westinghouse motors were two-phase motors with wound rotors until B. G. Lamme developed a rotating bar winding rotor.[12]

The General Electric Company (GE) began developing three-phase induction motors in 1891.[12] By 1896, General Electric and Westinghouse signed a cross-licensing agreement for the bar-winding-rotor design, later called the squirrel-cage rotor.[12] Arthur E. Kennelly was the first to bring out the full significance of complex numbers (using j to represent the square root of minus one) to designate the 90º rotation operator in analysis of AC problems.[24] GE's Charles Proteus Steinmetz greatly developed application of AC complex quantities including an analysis model now commonly known as the induction motor Steinmetz equivalent circuit.[12][25][26][27]

Induction motor improvements flowing from these inventions and innovations were such that a 100-horsepower induction motor currently has the same mounting dimensions as a 7.5-horsepower motor in 1897.[12]

Principle of operation

3 phase motor

A three-phase power supply provides a rotating magnetic field in an induction motor
Inherent slip - unequal rotation frequency of stator field and the rotor

In both induction and synchronous motors, the AC power supplied to the motor's stator creates a magnetic field that rotates in synchronism with the AC oscillations. Whereas a synchronous motor's rotor turns at the same rate as the stator field, an induction motor's rotor rotates at a somewhat slower speed than the stator field. The induction motor stator's magnetic field is therefore changing or rotating relative to the rotor. This induces an opposing current in the induction motor's rotor, in effect the motor's secondary winding, when the latter is short-circuited or closed through an external impedance.[28] The rotating magnetic flux induces currents in the windings of the rotor,[29] in a manner similar to currents induced in a transformer's secondary winding(s).

The induced currents in the rotor windings in turn create magnetic fields in the rotor that react against the stator field. The direction of the magnetic field created will be such as to oppose the change in current through the rotor windings, in agreement with Lenz's Law. The cause of induced current in the rotor windings is the rotating stator magnetic field, so to oppose the change in rotor-winding currents the rotor will start to rotate in the direction of the rotating stator magnetic field. The rotor accelerates until the magnitude of induced rotor current and torque balances the applied mechanical load on the rotation of the rotor. Since rotation at synchronous speed would result in no induced rotor current, an induction motor always operates slightly slower than synchronous speed. The difference, or "slip," between actual and synchronous speed varies from about 0.5% to 5.0% for standard Design B torque curve induction motors.[30] The induction motor's essential character is that it is created solely by induction instead of being separately excited as in synchronous or DC machines or being self-magnetized as in permanent magnet motors.[28]

For rotor currents to be induced, the speed of the physical rotor must be lower than that of the stator's rotating magnetic field (); otherwise the magnetic field would not be moving relative to the rotor conductors and no currents would be induced. As the speed of the rotor drops below synchronous speed, the rotation rate of the magnetic field in the rotor increases, inducing more current in the windings and creating more torque. The ratio between the rotation rate of the magnetic field induced in the rotor and the rotation rate of the stator's rotating field is called "slip". Under load, the speed drops and the slip increases enough to create sufficient torque to turn the load. For this reason, induction motors are sometimes referred to as "asynchronous motors".[31]

An induction motor can be used as an induction generator, or it can be unrolled to form a linear induction motor which can directly generate linear motion. The generating mode for induction motors is complicated by the need to excite the rotor, which begins with only residual magnetization. In some cases, that residual magnetization is enough to self-excite the motor under load. Therefore, it is necessary to either snap the motor and connect it momentarily to a live grid or to add capacitors charged initially by residual magnetism and providing the required reactive power during operation. Similar is the operation of the induction motor in parallel with a synchronous motor serving as a power factor compensator. A feature in the generator mode in parallel to the grid is that the rotor speed is higher than in the driving mode. Then active energy is being given to the grid.[2] Another disadvantage of induction motor generator is that it consumes a significant magnetizing current I0 = (20-35)%.

Synchronous speed

An AC motor's synchronous speed, , is the rotation rate of the stator's magnetic field,

,

where is the frequency of the power supply, is the number of magnetic poles, and is the synchronous speed of the machine. For in hertz and synchronous speed in RPM, the formula becomes:

.[32][33]

For example, for a four-pole, three-phase motor, = 4 and = 1,500 RPM (for = 50 Hz) and 1,800 RPM (for = 60 Hz) synchronous speed.

The number of magnetic poles, , is equal to the number of coil groups per phase. To determine the number of coil groups per phase in a 3-phase motor, count the number of coils, divide by the number of phases, which is 3. The coils may span several slots in the stator core, making it tedious to count them. For a 3-phase motor, if you count a total of 12 coil groups, it has 4 magnetic poles. For a 12-pole 3-phase machine, there will be 36 coils. The number of magnetic poles in the rotor is equal to the number of magnetic poles in the stator.

The two figures at right and left above each illustrate a 2-pole 3-phase machine consisting of three pole-pairs with each pole set 60° apart.

Slip

Typical torque curve as a function of slip, represented as "g" here

Slip, , is defined as the difference between synchronous speed and operating speed, at the same frequency, expressed in rpm, or in percentage or ratio of synchronous speed. Thus

where is stator electrical speed, is rotor mechanical speed.[34][35] Slip, which varies from zero at synchronous speed and 1 when the rotor is stalled, determines the motor's torque. Since the short-circuited rotor windings have small resistance, even a small slip induces a large current in the rotor and produces significant torque.[36] At full rated load, slip varies from more than 5% for small or special purpose motors to less than 1% for large motors.[37] These speed variations can cause load-sharing problems when differently sized motors are mechanically connected.[37] Various methods are available to reduce slip, VFDs often offering the best solution.[37]

Torque

Standard torque

Speed-torque curves for four induction motor types: A) Single-phase, B) Polyphase cage, C) Polyphase cage deep bar, D) Polyphase double cage
Typical speed-torque curve for NEMA Design B Motor
Transient solution for an AC induction motor from a complete stop to its operating point under a varying load.

The typical speed-torque relationship of a standard NEMA Design B polyphase induction motor is as shown in the curve at right. Suitable for most low performance loads such as centrifugal pumps and fans, Design B motors are constrained by the following typical torque ranges:[30][b]

  • Breakdown torque (peak torque), 175–300% of rated torque
  • Locked-rotor torque (torque at 100% slip), 75–275% of rated torque
  • Pull-up torque, 65–190% of rated torque.

Over a motor's normal load range, the torque's slope is approximately linear or proportional to slip because the value of rotor resistance divided by slip, , dominates torque in a linear manner.[38] As load increases above rated load, stator and rotor leakage reactance factors gradually become more significant in relation to such that torque gradually curves towards breakdown torque. As the load torque increases beyond breakdown torque the motor stalls.

Starting

There are three basic types of small induction motors: split-phase single-phase, shaded-pole single-phase, and polyphase.

In two-pole single-phase motors, the torque goes to zero at 100% slip (zero speed), so these require alterations to the stator such as shaded-poles to provide starting torque. A single phase induction motor requires separate starting circuitry to provide a rotating field to the motor. The normal running windings within such a single-phase motor can cause the rotor to turn in either direction, so the starting circuit determines the operating direction.

Magnetic flux in shaded pole motor.

In certain smaller single-phase motors, starting is done by means of a copper wire turn around part of a pole; such a pole is referred to as a shaded pole. The current induced in this turn lags behind the supply current, creating a delayed magnetic field around the shaded part of the pole face. This imparts sufficient rotational field energy to start the motor. These motors are typically used in applications such as desk fans and record players, as the required starting torque is low, and the low efficiency is tolerable relative to the reduced cost of the motor and starting method compared to other AC motor designs.

Larger single phase motors are split-phase motors and have a second stator winding fed with out-of-phase current; such currents may be created by feeding the winding through a capacitor or having it receive different values of inductance and resistance from the main winding. In capacitor-start designs, the second winding is disconnected once the motor is up to speed, usually either by a centrifugal switch acting on weights on the motor shaft or a thermistor which heats up and increases its resistance, reducing the current through the second winding to an insignificant level. The capacitor-run designs keep the second winding on when running, improving torque. A resistance start design uses a starter inserted in series with the startup winding, creating reactance.

Self-starting polyphase induction motors produce torque even at standstill. Available squirrel-cage induction motor starting methods include direct-on-line starting, reduced-voltage reactor or auto-transformer starting, star-delta starting or, increasingly, new solid-state soft assemblies and, of course, variable frequency drives (VFDs).[39]

Polyphase motors have rotor bars shaped to give different speed-torque characteristics. The current distribution within the rotor bars varies depending on the frequency of the induced current. At standstill, the rotor current is the same frequency as the stator current, and tends to travel at the outermost parts of the cage rotor bars (by skin effect). The different bar shapes can give usefully different speed-torque characteristics as well as some control over the inrush current at startup.

Although polyphase motors are inherently self-starting, their starting and pull-up torque design limits must be high enough to overcome actual load conditions.

In wound rotor motors, rotor circuit connection through slip rings to external resistances allows change of speed-torque characteristics for acceleration control and speed control purposes.

Speed control

Resistance
Typical speed-torque curves for different motor input frequencies as for example used with variable-frequency drives

Before the development of semiconductor power electronics, it was difficult to vary the frequency, and cage induction motors were mainly used in fixed speed applications. Applications such as electric overhead cranes used DC drives or wound rotor motors (WRIM) with slip rings for rotor circuit connection to variable external resistance allowing considerable range of speed control. However, resistor losses associated with low speed operation of WRIMs is a major cost disadvantage, especially for constant loads.[40] Large slip ring motor drives, termed slip energy recovery systems, some still in use, recover energy from the rotor circuit, rectify it, and return it to the power system using a VFD.

Cascade

The speed of a pair of slip-ring motors can be controlled by a cascade connection, or concatenation. The rotor of one motor is connected to the stator of the other.[41][42] If the two motors are also mechanically connected, they will run at half speed. This system was once widely used in three-phase AC railway locomotives, such as FS Class E.333.

Variable-frequency drive
Variable frequency drive

In many industrial variable-speed applications, DC and WRIM drives are being displaced by VFD-fed cage induction motors. The most common efficient way to control asynchronous motor speed of many loads is with VFDs. Barriers to adoption of VFDs due to cost and reliability considerations have been reduced considerably over the past three decades such that it is estimated that drive technology is adopted in as many as 30–40% of all newly installed motors.


Variable frequency drives implement the scalar or vector control of an induction motor.

With scalar control, only the magnitude and frequency of the supply voltage are controlled without phase control (absent feedback by rotor position). Scalar control is suitable for application where the load is constant.

Vector control allows independent control of the speed and torque of the motor, making it possible to maintain a constant rotation speed at varying load torque. But vector control is more expensive because of the cost of the sensor (not always) and the requirement for a more powerful controller.[43]

Construction

Typical winding pattern for a three-phase (U, W, V), four-pole motor. Note the interleaving of the pole windings and the resulting quadrupole field.

The stator of an induction motor consists of poles carrying supply current to induce a magnetic field that penetrates the rotor. To optimize the distribution of the magnetic field, windings are distributed in slots around the stator, with the magnetic field having the same number of north and south poles. Induction motors are most commonly run on single-phase or three-phase power, but two-phase motors exist; in theory, induction motors can have any number of phases. Many single-phase motors having two windings can be viewed as two-phase motors, since a capacitor is used to generate a second power phase 90° from the single-phase supply and feeds it to the second motor winding. Single-phase motors require some mechanism to produce a rotating field on startup. Induction motors using a squirrel-cage rotor rotor winding may have the rotor bars skewed slightly to smooth out torque in each revolution.

Standardized NEMA & IEC motor frame sizes throughout the industry result in interchangeable dimensions for shaft, foot mounting, general aspects as well as certain motor flange aspect. Since an open, drip proof (ODP) motor design allows a free air exchange from outside to the inner stator windings, this style of motor tends to be slightly more efficient because the windings are cooler. At a given power rating, lower speed requires a larger frame.[44]

Rotation reversal

The method of changing the direction of rotation of an induction motor depends on whether it is a three-phase or single-phase machine. A three-phase motor can be reversed by swapping any two of its phase connections. Motors required to change direction regularly (such as hoists) will have extra switching contacts in their controller to reverse rotation as needed. A variable frequency drive nearly always permits reversal by electronically changing the phase sequence of voltage applied to the motor.

In a single-phase split-phase motor, reversal is achieved by reversing the connections of the starting winding. Some motors bring out the start winding connections to allow selection of rotation direction at installation. If the start winding is permanently connected within the motor, it is impractical to reverse the sense of rotation. Single-phase shaded-pole motors have a fixed rotation unless a second set of shading windings is provided.

Power factor

The power factor of induction motors varies with load, typically from around 0.85 or 0.90 at full load to as low as about 0.20 at no-load,[39] due to stator and rotor leakage and magnetizing reactances.[45] Power factor can be improved by connecting capacitors either on an individual motor basis or, by preference, on a common bus covering several motors. For economic and other considerations, power systems are rarely power factor corrected to unity power factor.[46] Power capacitor application with harmonic currents requires power system analysis to avoid harmonic resonance between capacitors and transformer and circuit reactances.[47] Common bus power factor correction is recommended to minimize resonant risk and to simplify power system analysis.[47]

Efficiency

Induction motor drill press

Full-load motor efficiency is around 85–97%, related motor losses being broken down roughly as follows:[48]

  • Friction and windage, 5–15%
  • Iron or core losses, 15–25%
  • Stator losses, 25–40%
  • Rotor losses, 15–25%
  • Stray load losses, 10–20%.

Various regulatory authorities in many countries have introduced and implemented legislation to encourage the manufacture and use of higher efficiency electric motors. There is existing and forthcoming legislation regarding the future mandatory use of premium-efficiency induction-type motors in defined equipment. For more information, see: Premium efficiency.

Steinmetz equivalent circuit

Many useful motor relationships between time, current, voltage, speed, power factor, and torque can be obtained from analysis of the Steinmetz equivalent circuit (also termed T-equivalent circuit or IEEE recommended equivalent circuit), a mathematical model used to describe how an induction motor's electrical input is transformed into useful mechanical energy output. The equivalent circuit is a single-phase representation of a multiphase induction motor that is valid in steady-state balanced-load conditions.

The Steinmetz equivalent circuit is expressed simply in terms of the following components:

  • Stator resistance and leakage reactance (, ).
  • Rotor resistance, leakage reactance, and slip (, or , , and ).
  • Magnetizing reactance ().

Paraphrasing from Alger in Knowlton, an induction motor is simply an electrical transformer the magnetic circuit of which is separated by an air gap between the stator winding and the moving rotor winding.[28] The equivalent circuit can accordingly be shown either with equivalent circuit components of respective windings separated by an ideal transformer or with rotor components referred to the stator side as shown in the following circuit and associated equation and parameter definition tables.[39][46][49][50][51][52]

Steinmetz equivalent circuit

The following rule-of-thumb approximations apply to the circuit:[52][53][54]

  • Maximum current happens under locked rotor current (LRC) conditions and is somewhat less than , with LRC typically ranging between 6 and 7 times rated current for standard Design B motors.[30]
  • Breakdown torque happens when and such that and thus, with constant voltage input, a low-slip induction motor's percent-rated maximum torque is about half its percent-rated LRC.
  • The relative stator to rotor leakage reactance of standard Design B cage induction motors is[55]
    .
  • Neglecting stator resistance, an induction motor's torque curve reduces to the Kloss equation[56]
    , where is slip at .

Linear induction motor

Linear induction motors, which work on the same general principles as rotary induction motors (frequently three-phase), are designed to produce straight line motion. Uses include magnetic levitation, linear propulsion, linear actuators, and liquid metal pumping.[57]

See also

Notes

  1. ^ That is, electrical connections requiring mechanical commutation, separate-excitation or self-excitation for all or part of the energy transferred from stator to rotor as are found in universal, DC and synchronous motors.
  2. ^ NEMA MG-1 defines a) breakdown torque as the maximum torque developed by the motor with rated voltage applied at rated frequency without an abrupt drop in speed, b) locked-rotor torque as the minimum torque developed by the motor at rest with rated voltage applied at rated frequency, and c) pull-up torque as the minimum torque developed by the motor during the period of acceleration from rest to the speed at which breakdown torque occurs.

References

  1. ^ IEC 60050 (Publication date: 1990-10). Section 411-31: Rotation Machinery - General, IEV ref. 411-31-10: "Induction Machine - an asynchronous machine of which only one winding is energized".
  2. ^ a b Babbage, C.; Herschel, J. F. W. (Jan 1825). "Account of the Repetition of M. Arago's Experiments on the Magnetism Manifested by Various Substances during the Act of Rotation". Philosophical Transactions of the Royal Society. 115: 467–496. Bibcode:1825RSPT..115..467B. doi:10.1098/rstl.1825.0023. Retrieved 2 December 2012.
  3. ^ Thompson, Silvanus Phillips (1895). Polyphase Electric Currents and Alternate-Current Motors (1st ed.). London: E. & F.N. Spon. p. 261. Retrieved 2 December 2012.
  4. ^ Baily, Walter (June 28, 1879). "A Mode of producing Arago's Rotation". Philosophical Magazine. Taylor & Francis. 3 (1): 115–120. Bibcode:1879PPSL....3..115B. doi:10.1088/1478-7814/3/1/318.
  5. ^ a b Vučković, Vladan (November 2006). "Interpretation of a Discovery" (PDF). The Serbian Journal of Electrical Engineers. 3 (2). Retrieved 10 February 2013.
  6. ^ The Electrical engineer, Volume 5. (February, 1890)
  7. ^ The Electrician, Volume 50. 1923
  8. ^ Official gazette of the United States Patent Office: Volume 50. (1890)
  9. ^ Eugenii Katz. "Blathy". People.clarkson.edu. Archived from the original on June 25, 2008. Retrieved 2009-08-04.
  10. ^ Ricks, G.W.D. (March 1896). "Electricity Supply Meters". Journal of the Institution of Electrical Engineers. 25 (120): 57–77. doi:10.1049/jiee-1.1896.0005.
  11. ^ Ferraris, G. (1888). "Atti della Reale Academia delle Science di Torino". Atti della R. Academia delle Science di Torino. XXIII: 360–375.
  12. ^ a b c d e f g Alger, P.L.; Arnold, R.E. (1976). "The History of Induction Motors in America". Proceedings of the IEEE. 64 (9): 1380–1383. doi:10.1109/PROC.1976.10329. S2CID 42191157.
  13. ^ Froehlich, Fritz E. Editor-in-Chief; Allen Kent Co-Editor (1992). The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17 - Television Technology to Wire Antennas (First ed.). New York: Marcel Dekker, Inc. p. 36. ISBN 978-0-8247-2902-8.
  14. ^ The Electrical Engineer (21 Sep 1888). . . . a new application of the alternating current in the production of rotary motion was made known almost simultaneously by two experimenters, Nikola Tesla and Galileo Ferraris, and the subject has attracted general attention from the fact that no commutator or connection of any kind with the armature was required. . . . Volume II. London: Charles & Co. p. 239. |volume= has extra text (help)
  15. ^ Ferraris, Galileo (1885). "Electromagnetic Rotation with an Alternating Current". Electrician. 36: 360–375.
  16. ^ Tesla, Nikola; AIEE Trans. (1888). "A New System for Alternating Current Motors and Transformers". AIEE. 5: 308–324. Retrieved 17 December 2012.
  17. ^ Jonnes, Jill (August 19, 2003). "Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World". Random House Publishing Group – via Google Books.
  18. ^ "Electrical World". McGraw-Hill. May 18, 1921 – via Google Books.
  19. ^ Klooster, John W. (30 July 2009). Icons of Invention the Makers of the Modern World from Gutenberg to Gates. Santa Barbara: ABC-CLIO. p. 305. ISBN 978-0-313-34744-3. Retrieved 10 September 2012.
  20. ^ Day, Lance (1996). McNeil, Ian (ed.). Biographical Dictionary of the History of Technology. London: Routledge. p. 1204. ISBN 978-0-203-02829-2. Retrieved 2 December 2012.
  21. ^ Hubbell, M.W. (2011). The Fundamentals of Nuclear Power Generation Questions & Answers. Authorhouse. p. 27. ISBN 978-1463424411.
  22. ^ VDE Committee History of Electrical Engineering IEEE German Chapter (January 2012). "150th Birthday of Michael von Dolivo-Dobrowolsky Colloquium". 13. Archived from the original on 25 February 2013. Retrieved 10 February 2013. Cite journal requires |journal= (help)
  23. ^ Dolivo-Dobrowolsky, M. (1891). ETZ. 12: 149, 161. Missing or empty |title= (help)
  24. ^ Kennelly, Arthur E. (Jan 1893). "Impedance". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. X: 172–232. doi:10.1109/T-AIEE.1893.4768008.
  25. ^ Steinmetz, Charles Porteus (1897). "The Alternating Current Induction Motor". AIEE Trans. XIV (1): 183–217. doi:10.1109/T-AIEE.1897.5570186. S2CID 51652760.
  26. ^ Banihaschemi, Abdolmajid (1973). Determination of the Losses in Induction Machines Due to Harmonics (PDF). Fredericton, N.B.: University of New Brunswick. pp. 1, 5–8. Archived from the original (PDF) on 2013-07-04.
  27. ^ Steinmetz, Charles Proteus; Berg, Ernst J. (1897). Theory and Calculation of Alternating Current Phenomena. McGraw Publishing Company. OL 7218906M.
  28. ^ a b c Alger, Philip L.; et al. (1949). "'Induction Machines' sub-section of Sec. 7 - Alternating-Current Generators and Motors". In Knowlton, A.E. (ed.). Standard Handbook for Electrical Engineers (8th ed.). McGraw-Hill. p. 705.
  29. ^ "AC Motors". NSW HSC Online - Charles Sturt University. Archived from the original on 30 October 2012. Retrieved 2 December 2012.
  30. ^ a b c NEMA MG-1 2007 Condensed (2008). Information Guide for General Purpose Industrial AC Small and Medium Squirrel-Cage Induction Motor Standards. Rosslyn, Virginia US: NEMA. p. 29 (Table 11). Retrieved 2 December 2012.
  31. ^ "Induction (Asynchronous) Motors" (PDF). Mississippi State University Dept of Electrical and Computer Engineering, Course ECE 3183, 'Electrical Engineering Systems for non-ECE majors'. Archived from the original (PDF) on 15 May 2016. Retrieved 2 December 2012.
  32. ^ "Induction Motors". electricmotors.machinedesign.com. Penton Media, Inc. Archived from the original on 2007-11-16. Retrieved 2016-04-12.
  33. ^ "Motor Formulas". elec-toolbox.com. Archived from the original on 8 May 1999. Retrieved 1 January 2013.
  34. ^ Srivastava, Avinash; Kumar, Ravi. "Torque Slip Characteristics of Induction Motor". Course Notes. Malnad College Of Engineering.
  35. ^ NEMA Standards Publication (2007). Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems. Rosslyn, Virginia US: NEMA. p. 6. Archived from the original on 28 April 2008. Retrieved 2 December 2012.
  36. ^ Herman, Stephen L. (2011). Alternating Current Fundamentals (8th ed.). US: Cengage Learning. pp. 529–536. ISBN 978-1-111-03913-4.
  37. ^ a b c Peltola, Mauri. "AC Induction Motor Slip". Plantservices.com. Retrieved 18 December 2012.
  38. ^ Keljik, Jeffrey (2009). "Chapter 12 - The Three-Phase, Squirrel-Cage Induction Motor". Electricity 4 : AC/DC Motors, Controls, and Maintenance (9th ed.). Clifton Park, NY: Delmar, Cengage Learning. pp. 112–115. ISBN 978-1-4354-0031-3.
  39. ^ a b c Liang, Xiaodong; Ilochonwu, Obinna (Jan 2011). "Induction Motor Starting in Practical Industrial Applications". IEEE Transactions on Industry Applications. 47 (1): 271–280. doi:10.1109/TIA.2010.2090848. S2CID 18982431.
  40. ^ Jamil Asghar, M.S. (2003). "Speed control of wound rotor induction motors by AC regulator based optimum voltage control". Power Electronics and Drive Systems, 2003. The Fifth International Conference on. 2: 1037–1040. doi:10.1109/PEDS.2003.1283113. ISBN 978-0-7803-7885-8. S2CID 113603428.
  41. ^ "Cascade control". Your Electrical Home. Retrieved 22 February 2018.
  42. ^ "Cascade control". BrainKart. Retrieved 22 February 2018.
  43. ^ "Three phase induction motor working principle".
  44. ^ ABB Group (Baldor Electric Company) (2016). "SPECIFIER GUIDE" (PDF). p. 6. Retrieved 4 October 2016.
  45. ^ Fink, D.G.; Beaty, H.W. (1978). Standard Handbook for Electrical Engineers (11th ed.). McGraw-Hill. pp. 20–28 thru 20–29.
  46. ^ a b Jordan, Howard E. (1994). Energy-Efficient Electric Motors and their Applications (2nd ed.). New York: Plenum Press. ISBN 978-0-306-44698-6.
  47. ^ a b NEMA MG-1, p. 19
  48. ^ U.S. DOE (2008). "Improving Motor and Drive System Performance: A Sourcebook for Industry" (PDF). p. 27. Retrieved 31 December 2012.
  49. ^ Hubert, Charles I. (2002). Electric Machines : Theory, Operation, Applications, Adjustment, and Control (2nd ed.). Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. pp. Chapter 4. ISBN 978-0130612106.
  50. ^ Beaty, H. Wayne (Ed.) (2006). "Section 5 - Three-Phase Induction Motors by Hashem Oraee" (PDF). Handbook of Electric Power Calculations (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-136298-3. Archived from the original (PDF) on 2012-08-13.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  51. ^ Knight, Andy. "Three-Phase Induction Machines". Hosted by University of Alberta. Archived from the original on 15 January 2013. Retrieved 21 December 2012.
  52. ^ a b IEEE 112 (2004). IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators. New York, N.Y.: IEEE. ISBN 978-0-7381-3978-4.
  53. ^ Alger (1949), p. 711
  54. ^ a b c d e Özyurt, Ç.H. (2005). Parameter and Speed Estimation of Induction Motors from Manufacturers Data and Measurements (PDF). Middle East Technical University. pp. 33–34.
  55. ^ Knight, Andy. "Determining Induction Machine Parameters". Hosted by University of Alberta. Archived from the original on 29 November 2012. Retrieved 31 December 2012.
  56. ^ Hameyer, Kay (2001). "Electrical Machine I: Basics, Design, Function, Operation" (PDF). RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. Archived from the original (PDF) on 10 February 2013. Retrieved 11 January 2013.page=133
  57. ^ Bulletin of the Atomic Scientists. Educational Foundation for Atomic Science. 6 June 1973. Retrieved 8 August 2012.

Classical sources

External links