Electric Motors, Part Iii

  • Uploaded by: هانى خير
  • 0
  • 0
  • April 2020
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Electric Motors, Part Iii as PDF for free.

More details

  • Words: 2,410
  • Pages: 4
Electric motors, part III Other motors D.C. motors, single phase induction motors, synchronous motors (reluctance and hysteresis) will be  covered briefly hereafter.  The d.c. machine: Based on the discussion of the previous articles (part I & II), the magnetic flux and the current carrying  conductors are the two indispensable elements of the electric machine. In d.c. machines the conductors  producing the tangential forces are placed in the armature (inner rotating part of machine), the  electromagnets (poles) are stationary and constitute one part with the frame (outer part of machine ).  The flux originates in the poles which are mounted on the frame and on which field­exciting coils are  placed. The armature conductors are placed in slots punched in the armature laminations. The path of  the magnetic flux consists of: a part of the frame, two poles, two air gaps between the poles and the  armature, two sets of teeth on the armature and a part of the armature core. The material of the  armature conductors and field coils can be copper. The slots with the armature conductors are parallel  to the axis of the armature. Skewing at a slight angle to the axis can be observed to reduce the influence  of the harmonic fluxes of high orders on the rotor. The armature iron must be laminated. The  laminations are insulated. If insulations are not provided, the pole flux will induce an emf in the 

armature iron. Currents induced in the surface of the armature iron would produce high ohmic losses I2  R without contributing much to the developed torque by the rotor. These losses are known as eddy  current. The poles are laminated, the frame is solid. The main elements of a d.c. machine are: the shaft,  the armature core, the commutator, the ventilating fan, the field pole, the brush assembly, the interpole  (if available) and the enclosure. A d.c. motor gets its field current for excitation as well as the armature  current from an external source of power. The d.c. generator can be self­excited or separately excited.  Depending on the manner the field winding is connected to the armature one, three cases can arise:  series excitation, shunt and compound excitation. For the first type of excitation, the field and armature  windings are connected in series.; If the residual magnetism is such that the top pole is a north pole (N)  and the bottom pole is a south (S), the field winding must be connected in series with the armature so  that the field current produces an N pole at the top and an S pole at the bottom. For the second, the field  winding is placed in parallel with the armature winding. The resistance of a series field is made small,  that for a shunt field is made high, the first will have a low voltage drop across it, while the latter will  take low current levels 1% to 5% for small machines of the armature current. To produce the field flux,  a definite value of mmf is necessary. In series field winding machines, the number of turns are small &  the current is high. In shunt field winding machines, the number of turns are high and the current is  low. For the third (compound excitations), the machine has both a series and a shunt field winding. The  series winding may be connected to the armature winding so that if either produces a mmf of the same  direction as that of the shunt winding, cumulative compound connection is produced or a mmf opposite  to that of the shunt winding, differential compound connection is provided. In the cumulative  compound wound machine, the shunt field winding may be connected either directly across the  armature terminals (short shunt connection) or across the terminals which connect to the line (external  circuit) and this is known as the long shunt connection. The greater part of the excitation mmf is 

usually furnished by the shunt field winding. The series winding serves to make the flux of the field  dependent, within narrow limits, on the load current. For the same direction of the field and the  armature currents, the direction of rotation of the machine as a motor is opposite to the direction of  rotation as a generator. In a motor, the induced emf and armature current and consequently the terminal  voltages are in counter phase (the emf, terminal voltage and armature current are all in phase, with  generators). The armature current of the d.c. motor adjusts itself to a value corresponding to the  opposing torque of the load.  The characteristics of the shunt, series and compound motors will be given hereafter. The flux of the  shunt motor is a function of the current in the shunt field winding. The behavior of a shunt motor can  be expressed in terms of starting and of running. If the terminal voltage is impressed across a shunt  motor at standstill, the armature current and field flux will produce a torque. The motor will accelerate  until it reaches a speed such that the load torque plus the loss torque is exactly balanced by the  developed torque. The speed varies inversely with the flux. With low field current (not sufficient flux),  the motor may accelerate to a very high speed and may fly apart. This means that at starting, the field  must be excited first and then the voltage is impressed across the armature (or both circuits may be  connected, simultaneously). An armature resistance is used to reduce the starting armature current. As  the speed and counter­emf rise the armature current decreases and the resistance placed in the armature  circuit can be reduced. The field winding should never be opened suddenly as it has a high self  inductance that may cause an induced emf (e=L di/dt) high enough to break the insulation. For a  particular excitation, the speed as function of the armature current is parallel to the armature current  axis (for example X­axis), and the torque increases as the armature current increases, but non linearly  due to the non­linearity of the iron saturation curve. For a constant field and terminal voltage, the  increased power output will cause a reduction in the counter­emf, the armature current will increase  more than linearly, as the torque is proportional to the counter emf times the armature current. For the series d.c. motors, the field flux is proportional to the armature current. When the armature  current is very small, the flux is also very small and the speed will be very high. The series motor  should never be connected to a line, if there is any possibility of losing its entire load as under such  condition, the machine can destroy itself. The speed change of the series motor is very wide as function  of the armature current. For low values of armature current the torque increases as the square of the  current, when the machine is saturated (high armature current), the torque increases at nearly the first  power of the armature current. At even higher armature current, the torque will increase at a rate less  than that of the armature current. For the cumulative compound motor the characteristics usually  approach the shunt or the series motor depending on the relative strengths of the shunt and the series  field mmf. Speed control with d.c. machines can be accomplished through one of the following; voltage  control method, resistance control of the armature and the field flux control. If Ia is the total armature  current, the current in each parallel path and also in the conductors of each winding element =  Ia/number of turns. The winding element changes from one armature path to another (when rotating in  the magnetic field), this will cause a change in the winding element current direction. During the time  of reversal, the conductors of the winding element lie in the neutral zone and the winding element is  short circuited by one or two brushes of the same polarity in a lap or wave winding, respectively. If  there are no further influences on the S.C. winding element, the change over of the direction of the 

current is determined by the magnitude of the contact areas of the brush with the 2 adjacent  commutator bars (A1 & A2), i= ia(1­A1/A2); where ia is the current in the winding element, i is the  current in the short circuited winding element and A is A1+A2. The current in the winding element is  also given by: ia= (1­t/Tc/2)i; where Tc is the time of commutation (reversal of current). The most  dangerous instant of the commutation period is t=Tc (the instant at which the trailing brush edge leaves  the trailing commutator bar). It is necessary, to have the current density under the trailing brush edge as  low as possible. Commutation can be classified into straight line, accelerated and delayed. In order to  achieve good commutation, means must be adopted to counteract the delaying action of the self induced  emf and the emf induced by the armature flux in the short circuited winding element. Either the main  flux can be employed or special (interpoles) poles which lie between the main poles can be used to  achieve accelerating commutation.  The single phase induction motors: Any three phase motor can be made to operate as a single phase induction motor by opening one of the  three stator phases. The two remaining stator phases constitute a single phase winding distributed over  2/3 of the pole pitch. In general the 3­phase winding is 2­layer and the 1­phase motor is usually single  layer. The mechanical elements of the single phase induction motor are the same as those of polyphase  induction motor except that a centrifugal switch used in certain types of single phase motors. The  influence of the parameters (stator leakage reactance, stator resistance, main flux reactance, main flux  resistance, rotor leakage reactance in stator terms and rotor resistance referred to the stator), on the  performance of the single phase motor is generally, the same as that on the polyphase motor. The power  factor of the single phase motor is lower than that of the polyphase one. The efficiency of the single  phase motor is influenced by the increased copper losses in both the stator and rotor. Refer to part I,  issue for the influence of parameters on three phase induction motors. The rotor resistance does not  affect the magnitude of pullout torque in polyphase motor; it affects only the pull­ out slip. In single­ phase motors the rotor resistance influences not only the pull­out slip but also the magnitude of the  pull­out torque. The single­phase motor has no starting torque in contrast to the polyphase motor. In  order to start the single phase motor either a rotating flux (such as that in the polyphase motor) has to  be produced, or a commutator has to be included with the motor. In order to produce a rotating flux at  standstill a second winding (starting or auxiliary) is necessary in the stator in addition to the main  winding. The axis of the starting winding has to be displaced in space with respect to the axis of the  main winding. The starting winding current has to be out of time phase with the current in the main  winding. A number of methods can be used to achieve the time shift between the currents in the main  and starting windings: split phase, resistance start­split phase, reactor start­split phase, capacitor start,  permanent split capacitor and two value capacitor. The starting by means of a commutator and brushes  is based on the properties of the repulsion motor. Repulsion motor: It is a single phase ac commutator motor. The stator has a single phase winding and the rotor has a d.c.  armature winding with commutator and brushes, the brushes are short circuited. The two types of  single phase induction motors that use the principles of the repulsion motors are: repulsion start  induction motor and the repulsion induction motor. For a very small output and a low starting torque, 

the shaded pole motor is used.  The reluctance & hysteresis motors The two types of fractional horsepower motors (synchronous) which do not need dc excitation and are  self starting are the reluctance and the hysteresis ones. The reluctance motor is a synchronous motor  similar in construction to an induction motor, in which the member carrying the secondary circuit has  salient poles (without d.c. excitation). It starts as an induction motor but operates normally at  synchronous speed.  Prot.f=(mVE  /Xd) sind +mv  (Xd­Xq)/2XdXq) sin 2d  The cylindrical rotor machines will yield Prot.f=0 at Ef (field excitation)= 0, although the salient pole  machine will produce torque and run at synchronous speed without field. Having started as an  induction motor and having reached its maximum speed as an induction motor, it pulls into step and  runs as a synchronous motor (by virtue of its saliency). The lower the inertia of the rotating mass (load  + rotor), the easier the motor pulls into step. The stator of the reluctance motor can be polyphase or  single phase. The different types of such motor are polyphase reluctance motor, split phase types  reluctance motor, capacitor type reluctance motor can exist. The hysteresis motor is a synchronous  motor without salient poles and without direct current excitation. It starts by virtue of the hysteresis  losses induced in the hardened steel secondary member, by the revolving field of the primary, and  operates at synchronous speed due to the retentivity of the secondary core. The eddy­current losses are  given by:Pe= e(afB/60.64500)2; W/lb; where  e depends upon the electric resistivity of the iron and  a is the thickness of the iron laminates in inches. The above equation can be written as Cef22B2 

=Cef12s2B2. Thus the torque corresponding to the eddy current in the rotor= (7.04/ns)(Cesf12B2. The 

hysteresis losses can be given by  h (f/60)(B/64500)2 =Chf2B2 =Chsf1B2 and Th=(7.04/ns)(Chf1B2).  It can be seen from the above that the torque developed as a result of the eddy current is proportional to  the slip and is inversely proportional with rotor speed (it becomes 0 at synchronous speed). The rotors  of such machines have a ring of special magnetic material such as cobalt or chrome steel mounted on an  arbor of non­magnetic material such as aluminum. At synchronous speed, the eddy current (starting is  produced by the eddy­current and hysteresis torque) torque is 0 and the operation of the motor is  accomplished exclusively by the hysteresis torque. The stator of the hysteresis motor is usually single  phase, polyphase hysteresis motors, capacitor type and shaded pole hysteresis motors are found in  practice. 

Related Documents