Download pdf - AC motor.pdf

Transcript
  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    1/19

    Induction motor

    Construction

    • Stator + Rotor

     Stator circuit

     has

     three

     sets

     of 

     coils

     which

     are

     separated by 120o and are excited by a three‐phase power supply. 

    • The rotor circuit is also composed of  three‐phase windings that are shorted internally (within the rotor structure) or externally (through slip rings and brushes)

    • Rotor has two types: squirrel cage rotor and 

    wound rotor

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    2/19

    Rotating 

    magnetic 

    field

     Stator is

     supply

     by

     a balanced

     three

     phase

     system

    Flux 

    direction

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    3/19

    Flux 

    equation

     At time

     t1

    • At time t2

     At 

    time 

    t3

    Some 

    important 

    equation

    • Synchronous speed 

    •   Ns is the synchronous speed 

    •   F is the frequency

    •   PP is the number of  pairs of  pole

    •   P is the number of  poles

    • Slip ‐   S is slip. S is between 0 and 1

    ‐  Ns

     is

     the

     synchronous

     speed

    ‐   N is the mechanical speed‐

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    4/19

    Equivalent 

    circuit 

    of  

    induction 

    motor

    ‐ R1: stator resistance

    ‐ X1:

     stator

     reactance

     

    ‐ Rm and Xm: represent 

    the core of  the motor

    ‐ E1: is the voltage of  the 

    source minus the voltage 

    drop on the stator

    ‐ N1:N2 is the equivalent 

    number of  turns of  stator 

    comparing to

     that

     of 

     rotor

    ‐ R2: rotor resistance

    ‐ X2: rotor reactance 

    ‐ S: slip

    Equivalent 

    circuit 

    of  

    induction 

    motor

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    5/19

    More 

    equivalent 

    circuit 

    of  

    induction 

    motor

    Power 

    flow

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    6/19

    Power 

    flow

    Example

    •  A 50 hp, 60 Hz, three‐phase, Y‐connected induction motor operates at full load at a speed of  1764 rpm. The rotational losses of  the motor are

     950W,

     the

     stator

     copper

     losses

     are

     1.6

     kW,

     and

     the

     iron

     losses

     are

     

    1.2 kW. Compare the motor efficiency? 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    7/19

    Torque 

    characteristics

    More 

    regions 

    of  

    torque 

    characteristics

    • Large slip region

    • Starting torque 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    8/19

    More 

    regions 

    of  

    torque 

    characteristics

     Small slip

     region

    • Slip at maximum torque

    Example

    •  A 50 hp, 440 V, 60 Hz, three‐phase, four‐pole induction motor develops a maximum torque of  250% at slip of  10%. Ignore the stator resistance

     and

     rotational

     losses.

     Calculate

     the

     following

    • Speed of  the motor at full load

    • Copper losses of  the rotor

    • Starting torque of  the motor

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    9/19

    Starting 

    procedure

    Starting 

    procedure

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    10/19

    Example 

     An induction

     motor

     has

     a stator

     resistance

     of 

     3 Ohm,

     and

     the

     rotor

     resistance referred to the stator is 2 Ohm. The equivalent inductive reactance Xeq=10 Ohm. Calculate the change in the starting torque if  the voltage is reduced by 10%. Also, compute the resistance that should be added to the rotor circuit to achieve the maximum torque at starting. 

    Speed 

    control 

    of  

    induction 

    motor

    •   Armature or rotor resistance 

    •   Armature or rotor inductance 

    •  Magnitude of  terminal voltage

    •  Frequency of  terminal voltage 

    •   Voltage/Frequency control 

    •  Rotor voltage injection

    •  Slip energy recovery

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    11/19

    Controlling 

    speed 

    by 

    using 

    rotor 

    resistance

     In steady

     state

     condition,

     the

     motor

     operates

     near

     the

     synchronous

     speed. Hence, small slip region. 

    Controlling speed by using rotor resistance

    •  Consequences of  change in rotor resistance

    •   The synchronous speed does not change

    •   The maximum torque does not change 

    •   The slip at maximum torque change

    •   With the increase in rotor resistance, the starting torque decreases

    •  Inconveniences 

    •   Small range of  speed variation (i.e speed change from position 1 to position 2 at torque T1)

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    12/19

    Example

     A three

     phase,

     Y connected,

     30

     hp (rated

     output),

     480

     V,

     six

     pole,

     60

     Hz, slip ring induction motor has a stator resistance R1=0.5 Ohm and a rotor resistance referred to stator R’2=0.5 Ohm. The rotational losses are 500 W and the core losses are 600 W. Assume that the change in the rotational losses due to the change in speed is minor. The motor load is a constant‐torque type. 

    •   At full load torque, calculate the speed of  the motor? 

    •  Calculate the added resistance to the rotor circuit needed to reduce the speed by 20%? 

     Calculate 

    the 

    motor 

    efficiency 

    without 

    and 

    with 

    the 

    added 

    resistance? 

    •   If  the cost of  energy is 0.05 USD/kWh, compute the annual cost of  operating the motor continuously with the added resistance. Assume that the motor operates 100 hours a week. 

    Controlling speed using inductance

    •  Adding inductance to the motor windings is an unrealistic option for the following reasons: 

    •   The physical size of  the inductance required t make a sizable change in speed is likely to be larger than the motor itself.

    •   Variable inductance requires expensive and elaborate design

    •   The insertion of  inductance reduce the starting torque

    •   The insertion of  inductance consumes reactive power that further lowers the already low power factor of  induction motor 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    13/19

    Controlling speed by adjusting the stator voltage 

    Controlling speed by adjusting the stator voltage 

    •  The torque of  the motor is proportional to the square of  its stator voltage 

    • Synchronous speed does not change 

    • Decreasing stator voltage will decrease also the starting torque

    • Slip at maximum torque does not move

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    14/19

    Example 

     For the

     motor

     given

     in

     the

     above

     example,

     assume

     that

     the

     load

     torque is constant and equal to 120 Nm. Ignore the rotational losses and calculate the motor speed at full voltage. Repeat the computation if  the voltage is reduced by 20%. 

    Controlling speed by adjusting the supply frequency 

    • Synchronous speed 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    15/19

    Controlling speed by adjusting the supply frequency 

     Decreasing the

     frequency

     increases

     in

     return

     the

     starting

     current

    Effects 

    of  

    excessively 

    high 

    frequency

    • An increase in the no‐load speed 

     A decrease

     in

     the

     maximum

     torque

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    16/19

    Effects 

    of  

    excessively 

    high 

    frequency

     A decrease

     in

     starting

     torque

    • An increase in speed at the maximum torque

    • A decrease in the starting current

    Example 

    •  A 480 V, two pole, 60 Hz, Y connected induction motor has an inductive reactance of  4 Ohm and a stator resistance of  0.2 Ohm. The rotor

     resistance

     referred

     to

     the

     stator

     is

     0.3

     Ohm.

     The

     motor

     is

     driving

     

    a constant‐torque load of  60 Nm at a speed of  3500 rpm. Assume that this torque includes the rotational losses. 

    •  Compute the maximum frequency of  the supply voltage that would not result in stalling the motor. 

    •  Calculate the motor current at 60 Hz, and at the maximum frequency. 

    •  Calculate the power delivered to the load at 60 Hz, and at the maximum frequency. 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    17/19

    Effect of  excessively low frequency 

     Reducing the

     supply

     frequency

     reduces

     the

     speed

     of 

     the

     motor.

     However, frequency reduction may results in an increase in motor current. At very low frequencies, the equivalent reactance of  the motor Xeq is very low. Since Xeq is the limiting parameter for motor current at starting, its large reduction could lead to an excessive current beyond the ratings of  the machine.

    Example 

    •  For the motor described in the above example, compute the motor speed and starting current if  the frequency is decreased to 50 Hz. 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    18/19

    Voltage/Frequency 

    control 

    Voltage/Frequency 

    control 

  • 8/17/2019 AC motor.pdf

    19/19

    Example 

     Repeat the

     above

     example

     with

     constant

     v/f 

     control?

     

    Q&A