Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

Transkript

1 Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor Laboranter: Henrik Bergman, Henrik Bergvall Berglund, William Sjöström, Georgios Davakos Plats och datum: Uppsala Kurs: Elektromagnetism 2 Handledare: Saman Majdi Sammanfattning: Med hjälp av enkla komponenter och trefas växelström så kan en asynkronmotor sättas ihop. I denna laboration så byggs en asynkronmotor och sedan diskuteras förändringar som kan förbättra motorn. Motorn jämförs även med en synkronmotor som till skillnad från asynkronmotorn alltid roterar i samma hastighet.

2 1 Syfte Syftet var att få förståelse för hur en asynkronmotor fungerar, hur en simpel sådan kan konstrueras och hur den sedan kan förbättras. Samt ta reda på hur en asynkronmotor skiljer sig från en synkronmotor. 2 Metod Vid laborationens början erhölls tre stycken spolar (600 varv), tre stycken AC-AC transformatorer (230V till 15V), en coca cola burk, och en platta med en axel genom. Coca cola burken (rotorn) placerades på axeln och spolarna ställdes cirkulärt kring rotorn så nära som möjligt. Spolarna kopplades sedan till olika faser för att skapa ett roterande magnetfält (se figur 2). Formler som användes under laborationen: Faraday s induktionslag: (1) Där φ är det magnetiska flödet, B är det magnetiska fältet, A är arean där flödet passerar, θ är vinkeln mellan B och A. Den inducerade spänningens magnitud för en lång rak ledare: där l är ledarens längd, v är signalhastigheten hos partikeln som skapar spänningen Kraftverkan på ledaren: (2) Där v är signalhastigheten hos partikeln (ljusets hastighet för elektron) och q är partikelns (elektronens) laddning. Eftersläpningen: (3) Där n är varvtal i rpm. (4) 1

3 3 Resultat och diskussion Elektricitet är normalt uppdelad i tre faser (L 1, L 2 och L 3 ) och en nolla (N), där faserna är förskjutna 120º från varandra, enligt figur 1, detta för att kunna transporteras mer effektivt. (Observera att elektriciteten i de vanliga 230V uttagen enbart är kopplad mellan en av faserna och nollan). Figur 1. Illustration om hur spänningen fördelas mellan de tre faserna L 1, L 2, L 3 och nollan vid x-axeln. Genom att använda trefas växelström och de erhållna spolarna så kan ett roterande magnetfält skapas. Detta görs genom att spolarna placeras på en cirkel med 120º grader mellan dem enligt figur 2, observera fasernas ordning i figuren. Figur 2. Illustration av hur asynkronmotorn monterades och hur spolarna kopplades till de respektive faserna. Där N är nollan, L 1 är fas 1, L 2 är fas 2 och L 3 är fas 3. 2

4 De oscillerande faserna leder till att även magnetfältet i spolarna kommer att oscillera. Efter som att de är ur fas med 120º så kommer spolarna att tillsammans skapa ett roterande magnetfält. I laborationen tre stycken transformatorer för att transformera ner spänningen till en säkrare. Om sedan coca cola burken placeras på axeln i cirkelns mitt (enligt figur 2), så kommer strömmar att induceras i burken när burken inte roterar exakt i fas med det roterande magnetfältet. Dessa strömmar ger upphov till ett magnetfält runt coca cola burken, vilket i sin tur resulterar i en kraftkomponent på coca cola burken i magnetfältets rotationsriktning enligt ekvation (3). Figur 3. Skiss över hur förändringen av magnetfältet från spolarna inducerar en ström i burken som sedan påverkas av en kraft enligt ekvation 3. Desto större skillnaden är mellan magnetfältets rotationsfrekvens och burkens rotationsfrekvens, desto större kommer även den inducerade strömmen i coca cola burken och således kraften som verkar på burken att vara. Om burken roterar långsammare än magnetfältet så kommer kraften att accelerera burken mot magnetfältets rotationsfrekvens, men på grund av friktion så kommer den aldrig att komma upp i magnetfältets rotationsfrekvens. Men om burken (i ett idealt fall utan några motkrafter), roterade i samma rotationsfrekvens som magnetfältet så skulle ingen ström induceras och således skulle ingen kraft driva burken. I det reella fallet kommer alltså burken alltid att rotera långsammare än magnetfältet, detta kallas eftersläpning och kan beskrivas av ekvation (4). Under laborationen testades även motorn med färre spolar (således färre faser). Det kunde konstateras att motorn inte fungerade med enbart en spole eftersom att magnetfältet i det fallet enbart oscillerande utan att rotera. Detta ger alltså inte upphov till några strömmar i burken, och således ingen kraft. För att motorn skall fungerar krävs ett magnetfält som roterar, vilket det gör först vid användning av två spolar med vinkelförskjutning θ 1 θ 2 = 120. Motorn fungerade alltså med två spolar, men hastigheten och vridmomentet var lägre eftersom att magnetfältet saknades ⅓ av rotationsvarvet. 3

5 Med tre spolar fungerar motorn bäst eftersom rotationen hos magnetfältet är mer kontinuerligt och även starkare (på grund av den extra spolen). Därav hade motorn högre vridmoment och hastighet med tre spolar. I figur 4 visas en bild på motorn som sattes ihop under laborationen. Figur 4. Bild på asynkronmotorn som sattes ihop under laborationen. På bilden används alla tre spolar med järnkärnor, detta för att öka den magnetiska permeabiliteten vilket gör att magnetfältet som coca cola burken utsätts blir större än utan järnkärnor. Teoretiskt så skulle motorn kunna ha fler spolar, exempelvis 6 stycken med 60 förskjutning, dvs trefas där spolarna 0 och 180 är seriekopplade men med motsatt lindningsriktining (samma sak gäller för 60 och 240 resp 120 och 300 ). Detta skulle medföra att rotorn utsattes för ett större och mer kontinuerligt magnetfält. För att förbättra denna primitiva asynkronmotorn är det möjligt att skära ut delar av coca cola burken (rotorn) längst med rotationsaxeln. Detta skulle medföra fördelen att färre strömvirvlar skulle förekomma. Virvelströmmar är en anledning till effektförluster och bör försöka minimeras. Att öka magnetfältet som skapas av spolarna genom att öka lindningarna på spolarna skulle även ge en ökad verkningsgrad, liksom att använda laminerade järnkärnor i spolarna för att öka magnetfältet. Genom att använda mer än trefas kan fler spolar användas och därav skapas ett jämnare och mer kontinuerligt magnetfält. Detta skulle ge upphov till ett mer kontinuerligt magnetfält och därmed en bättre effektfördelning och vridmoment. Att vara noga med att spolarna är förskjutna exakt 120 för optimal prestation är även viktigt. Om det skulle vara önskvärt att byta rotationsriktning hos motorn är det enklast att byta två faserna på två av spolarna. Om en situation skulle uppstå där rotorn roterar i motsatt riktning skulle rotation inbromsas medans den inducera en ström. Under denna tid skulle rotorn agera som en generator och motverka den pålagda strömmen i spolarna. I takt med att rotorn har samma rotationshastighet kommer den åter igen rotera som vanligt. På samma 4

6 sätt skulle motorn agera som en generator om rotorn roterade snabbare är magnetfältet genom att inducera en ström. Skillnaden mellan den byggda asynkronmotorn och en synkronmotor är att en synkronmotor alltid roterar med samma frekvens som det roterande magnetfältet. För att åstadkomma detta måste någon parameter på den byggda motorn ändras, exempelvis så skulle rotorn kunna bytas ut till en permanentmagnet. 5