Motoren PDF - Leermateriaal

Motoren Inhoud Inleiding............................................................................................................................. 3 DC-motoren (met borstels)......................................................................................................

Motoren Inhoud Inleiding............................................................................................................................. 3 DC-motoren (met borstels).............................................................................................................. 3 Permanente magneetmotoren (borstelloos, rotor = permanente magneet):.................................. 3 Driefasige asynchrone motoren:..................................................................................................... 4 Universele motoren:........................................................................................................................ 4 Eenfasige asynchrone motoren...................................................................................................... 5 Synchrone motoren......................................................................................................................... 5 Speciale motoren............................................................................................................................ 5 Driefasige asynchrone motor............................................................................................ 6 Mechanische constructie van een inductiemotor.................................................................................... 6 Constructie van de stator................................................................................................................ 7 Constructie van de rotor.................................................................................................................. 8 Opengewerkte afbeelding van een kooirotormachine............................................................................ 9 Aansluiten van een driefase motor (KAM)............................................................................................ 10 Kentekenplaatje............................................................................................................................. 10 Het draaiveld bij een driefasige wikkeling............................................................................................. 12 Rotatiefrequentie van het draaiveld.............................................................................................. 13 Principiële werking van de inductiemotor.............................................................................................. 14 Principiële werking STATOR......................................................................................................... 14 Principiële werking ROTOR (open en stilstand)............................................................................ 14 Principiële werking ROTOR (kortgesloten en stilstand)................................................................ 14 Principiële werking ROTOR (gesloten en draaiend)..................................................................... 15 Werkingscondities................................................................................................................................. 15 Koppel van een inductiemotor.............................................................................................................. 17 Aanloopmethoden inductiemotor.......................................................................................................... 18 Aanlopen van een SLEEPRINGMACHINE................................................................................... 18 Aanlopen van een KOOIROTORMACHINE.................................................................................. 19 Remmen van een asynchrone motor................................................................................................... 25 Schijfremmen................................................................................................................................ 25 Tegenstroom remmen................................................................................................................... 25 Remmen met gelijkstroom............................................................................................................. 26 Hypersynchrone remming............................................................................................................. 26 Oefeningen............................................................................................................................................ 26 Eenfasige asynchrone motoren........................................................................................ 1 Het wisselveld......................................................................................................................................... 1 Motoren met automatische aanloop....................................................................................................... 2 Eenfasige inductiemotor met fasesplitsing...................................................................................... 3 De eenfasige inductiemotor met bedrijfscondensator (capacitor start motor)................................. 3 De eenfasige inductiemotor met aanloopcondensator (capacitor start motor)............................... 4 De spleetpoolmotor of veldverdringingsmotor (shaded pole).......................................................... 4 De driefasige inductiemotor éénfasig aangesloten (Steinmetzschakeling)..................................... 5 Synchrone driefase motoren............................................................................................. 7 Aanloop van een synchrone motor......................................................................................................... 7 Aanloop als synchrone wisselstroomgenerator............................................................................... 7 Aanloop als asynchrone motor........................................................................................................ 8 Gelijkstroommotoren......................................................................................................... 8 Draaizin van de motor............................................................................................................................. 9 Stappenmotor................................................................................................................... 9 De stappenmotor met permanente magnetische rotor......................................................................... 10 Stappenmoter met variabele reluctantie............................................................................................... 11 Hybride stappenmotor........................................................................................................................... 12 Houdkoppel stappenmotor.................................................................................................................... 12 Servomotor..................................................................................................................... 12 Inleiding De driefasige asynchrone motor is door zijn eenvoudige constructie, betrouwbare werking en minimale onderhoudsbehoefte een veelgebruikte motor in de industrie. Hoewel de driefasige asynchrone motor een grote plaats kent in industriële omgevingen, zijn er ook nog veel andere elektrische motoren die elk hun eigen specifieke kenmerken en toepassingsgebieden hebben. In deze cursus gaan we eerst dieper in op de driefasige asynchrone motor. Daarna gaan we ook de synchrone driefasige motoren, gelijkstroommotoren, universele motoren en de speciale motoren bekijken. We beginnen met een algemeen overzicht. DC-motoren (met borstels) Voordelen: Kunnen traag (maar niet zeer traag) en toch vloeiend draaien. Gemakkelijk regelbaar met goedkope regelaars. Kleine rimpel op het koppel. Zeer goed overbelastbaar. Nadelen: Ondergrens begrensd in snelheid door tegen-emk. Klein vermogen per volume-eenheid. Onderhoudsproblemen door de aanwezigheid van collector met borstels. Soorten: Onafhankelijk bekrachtigde DC-motor. Shuntmotor. Seriemotor. Compoundmotor. Toepassingen: Zware compressoren en ventilatoren. Automotive voor het instellen van spiegels, vensters, zetels. Permanente magneetmotoren (borstelloos, rotor = permanente magneet): Voordelen: Kunnen vloeiend draaien. Controleerbaar over een groot snelheidsbereik. Mogelijkheid tot snel optrekken (en snel afremmen). Kleine rimpel op het koppel. Grootste overbelastbaarheid. Onder belasting een goed rendement bij alle snelheden. Weinig lawaai. Langdurig betrouwbaar. Groot vermogen per volume-eenheid. Nadelen: Slecht rendement bij kleine belastingen. Kunnen niet werken boven nominale snelheid.  Om competitief te zijn is vectorcontrole noodzakelijk. Kunnen niet werken op AC voeding, converter vereist. Toepassingen: Automotive bij elektrisch servostuur. Elektrische voertuigen. Koelgroepen. Robotica. Afspeelapparatuur voor CD, DVD, Blu Ray. Driefasige asynchrone motoren: Voordelen: Kunnen vloeiend draaien. Zeer goed te gebruiken boven de nominale snelheid. Eenvoudige constructie. Kleine rimpel op het koppel. Goed rendement bij vollast. Weinig lawaai. Nadelen: Slecht rendement bij kleine belastingen. Slechte thermische overbelastbaarheid en daardoor ongunstig bij servotoepassingen. Gemiddeld vermogen per volume-eenheid. Om competitief te zijn is vectorcontrole noodzakelijk. Soorten: Sleepring asynchrone motor (SAM). Kooianker asynchrone motor (KAM). Toepassingen: SAM: - Grootvermogen industriële motoren met beperkt snelheidsregelbereik en hoog startkoppel. - Hoge snelheidstoepassingen. KAM: - Pompen, ventilatoren en compressoren. - Algemene industriële snelheidsgeregelde toepassingen. - Goedkope kleinvermogen industriële toepassingen. - Huishoudelijke toepassingen zoals koelkasten, vaatwassers, wasmachines, airco’s, werktuigmachines. Universele motoren: Voordelen: Hoog startkoppel. In het toepassingsgebied een klein volume en gewicht in vergelijking met eenfasige asynchrone motor. Nadelen: Onderhoudsproblemen door de aanwezigheid van collector met borstels. Toepassingen:  Huishoudelijke toepassingen zoals mixers, stofzuigers, boormachines. Eenfasige asynchrone motoren Voordelen: Eenvoudige constructie: Goedkoop in productie Eenvoudige aansturing Nadelen: Lager rendement, vooral bij hogere vermogens. Beperkte toepassing in zware industrie. Beperkte startkoppel Toepassingen: Veel huishoudelijke apparaten zoals wasmachines, stofzuigers, koelkasten en ventilatoren. Kleinere pompen en compressoren Werktuigmachines Kleine industriële toepassingen Synchrone motoren Voordelen: Hoger rendement dan asynchrone motoren. Nauwkeurige snelheidsregeling. Hoog vermogen voor klein volume. Laag geluidsniveau Nadelen: Complexere constructie en dus hogere productiekost. Vereisen meestal externe middelen zoals aanloopmotoren of elektronische hulpmiddelen om te starten. Minder tolerant voor overbelastingen Toepassingen: Energiecentrales: Pompen en Ventilatoren Luchtcompressoren Industriële machines Speciale motoren 1. Stappenmotoren. 2. Servomotoren. 3. Lineaire motoren. Driefasige asynchrone motor Mechanische constructie van een inductiemotor Een asynchrone machine is een wisselstroommachine die, zoals alle draaiende machines, bestaat uit een stilstaand gedeelte (stator) en een roterend gedeelte (rotor). De stator van een asynchrone machine bevat elektrische wikkelingen. Meestal zijn dit driefasige wikkelingen die 120° verschoven zijn. Deze wikkelingen liggen in gleuven die regelmatig over de statoromtrek verdeeld zijn. Ze krijgen elektrische energie van buitenaf toegevoerd. De rotor bevat ofwel wikkelingen, waarvan de uiteinden verbonden zijn met sleepringenrond de as (sleepringmachine), ofwel staven die aan beide rotorzijden door kortsluitringen met elkaar verbonden zijn (kooirotormachine). In de rotor worden spanningen en dus ook stromen geïnduceerd door het magnetisch veld van de statorwikkelingen. Vandaar de naam inductiemachine. De stator en rotor zijn van mekaar gescheiden door een luchtspleet. De breedte van deze luchtspleet moet men zo klein mogelijk houden. Afhankelijk van het vermogen van de machine bedraagt deze luchtspleet 4 mm tot slechts 0,4 mm. De afstand van de luchtspleet is een cruciaal element in de constructie van elke draaiende elektrisch machine, of het nu een gelijkstroommachine of wisselstroom (asynchrone of synchrone) machine is. Vergroten van de luchtspleet is nadelig omdat deze luchtspleet juist het zwakste element in de magnetische keten vertegenwoordigt. Het rendement van de machine zou dan drastisch dalen. Verkleinen van de luchtspleet zou kunnen leiden tot contact tussen roterend en stilstaand deel wat verhoogde slijtage of zelfs schade aan de elektrische wikkelingen van de machine tot gevolg kan hebben. Constructie van de stator De stator is vervaardigd uit gelamelleerde blikplaten. De omtrek van de stator wordt eerst uit de platen gestanst, gevolgd door het ponsen van de statorgleuven in deze platen. Ten slotte wordt het binnenste deel uit de lamellen gestanst, mogelijk inclusief gaten voor het later het stevig bevestigen van de lamellen met moeren en bouten. Dit binnenste deel wordt vervolgens gebruikt voor de constructie van de rotor. Hieronder zie je de lamellen samengeperst tot een volledige stator. De lamellen zijn van mekaar geïsoleerd door een vernislaag. Een deel van de wikkelingen is reeds geplaatst, geïsoleerd van de gleuven met papier. Tenslotte wordt de afgewerkte stator in een behuizing geplaatst. De stator is met die dunne plaatje opgebouwd om de grootte van de wervelstromen, ook wel Foucaultstromen genoemd, te beperken. Hierdoor wordt de opwarming van de motor beperkt en dus ook de joule verliezen. Constructie van de rotor De rotor bevat centraal een as die kan draaien via lagers in de behuizing. Magnetisch wordt de rotor opgebouwd uit een blikpakket waarin eveneens uitsparingen voorzien zijn om de rotorgeleiders te plaatsen. Er zijn twee mogelijkheden. Rotor SAM Bij de sleepring inductie machine bestaan deze geleiders uit een driefasige wikkeling. Er wordt altijd een sterschakeling toegepast, waarna de drie uiteinden via sleepringen naar buiten worden gebracht. Bij normaal gebruik van de machine worden deze sleepringen kortgesloten, waardoor er stromen in de rotor kunnen vloeien. Rotor KAM De meeste machines zijn van het type kooirotor inductie machine. De kooi bestaat uit aluminium staven, die de rotorstaven worden genoemd? Deze zijn vooraan en achteraan voorzien van een kortsluitring. De kooi is echter niet zichtbaar, omdat ze ingegoten is in het magnetisch materiaal (blikpakket) van de rotor. De voordelen zijn een robuustere bouw en goedkoper te realiseren dan een gewikkelde rotor. De lamellen zijn ook hier van elkaar gescheiden door een vernislaag. De gleuven bij een gewikkelde rotor Om de luchtspleet zo minimaal mogelijk te houden, worden zowel de stator als de rotor met gleuven uitgevoerd. Deze gleuven zijn steeds gelijkmatig verdeeld over de omtrek. De geleiders moeten zowel ten opzichte van het blikpakket (gleufisolatie) als ten opzichte van mekaar (geleiderisolatie) geïsoleerd worden. Omdat de gleuven nu tanden veroorzaken,bekomen we vervorming van de magnetische veldlijnen aan deze tanden. Om de invloed van deze vervorming te minimaliseren, wordt bij grotere machines het aantal gleuven van de stator verschillend gekozen van het aantal gleuven van de rotor. De staven bij een kooirotor Om de veldlijnen zo uniform mogelijk te laten lopen, liggen de staven van een kooiankerasynchrone machine schuin en niet recht. De vorm van de rotorstaven kan per machine anders zijn en dit om andere motorkarakteristieken te bekomen (zie later). Opengewerkte afbeelding van een kooirotormachine Aansluiten van een driefase motor (KAM) Bij de asynchrone motor is elke fasewikkeling specifiek ontworpen voor een bepaalde fasespanning. De schakeling van de statorwikkelingen in de klemmenkast kan variëren, afhankelijk van de grootte van de lijnspanning van het net, waarbij er wordt gekozen tussen een ster- of driehoekschakeling. Het schema hierboven toont dat het eind- en beginpunt van een wikkeling, bijvoorbeeld U1 en U2, niet direct boven elkaar liggen op het klemmenbord. Deze configuratie is om schakeltechnische redenen; voor ster moeten horizontale verbindingen worden gemaakt, terwijl voor driehoek verticale verbindingen nodig zijn. Kentekenplaatje Het kenplaatje van de motor vermeldt altijd twee spanningen, zoals bijvoorbeeld 230/400 V, waarbij de verhouding tussen deze twee waarden de kleinste spanning (bijv. 230 V) aangeeft die over de fase van de motor moet staan. Als de spanning van het net gelijk is aan de kleinste waarde op het kenplaatje, wordt de motor in driehoek geschakeld. Als de spanning gelijk is aan de grootste waarde (bijvoorbeeld 400 V), wordt de motor in ster geschakeld. In beide gevallen staat er dan een spanning over elke wikkeling die gelijk is aan de kleinste waarde. Dit maakt het mogelijk dat een bepaalde motor kan werken op twee verschillende soorten netten. De volgende informatie vinden we nog terug op het kentekenpaatje: Naam van de constructeur: LN (luccas-nülle) Soort machine AC of DC / 1-fasig of 3-fasig Typenummer: SE 2662-3H Nominale spanning: ∆Y 230/400 V of ∆380 V (is eigenlijk ∆Y 400/690 V) Nominale stroom: 1,65A in driehoek / 0,95 A in ster Nominaal vermogen: P= 0,37 kW Het afgegeven vermogen van motoren werd vroeger in paardenkracht (pk) uitgedrukt. Kom je die eenheid nog ergens tegen, dan geldt de volgende omrekeningsformule: 1 pk = 0,736 kW. Nominaal toerental : 2800 min-1 Dit is het toerental van de motor bij nominale spanning, nominale frequentie en nominale belasting. Arbeidsfactor (cos 𝜑): 0,80 Nominale frequentie: 50 Hz Beschermingsgraad: IP20 Deze beschermingscode van de motor geeft de mate van bescherming aan tegen binnendringen van vloeistoffen en vaste voorwerpen. De code bestaat uit de letters IP (index of protection) en twee cijfers (soms drie: schokvastheid). Het eerste cijfer geeft de graad van mechanische bescherming weer van personen tegen contact met bewegende of onder spanning staande delen van de motor en de beschermingsgraad van de motor tegen indringing van vaste, vreemde lichamen. Het varieert van 0 tot 6. Het tweede cijfer, variërend van 0 tot 8, geeft de graad van bescherming aan tegen het binnendringen van vocht. Standaardmotoren hebben doorgaans een klemmenbord met 6 klemmen. Wanneer de motor rechtstreeks van het net wordt gevoed (L1, L2 en L3 op U1, V1 en W1), draait de motor in wijzerzin, gezien vanaf het D-asuiteinde. Een belangrijke opmerking betreft de draaizin van de motor, die wordt vastgesteld aan de hand van afspraken met betrekking tot de twee uiteinden van de motor: D-uiteinde: Dit is het actieve asuiteinde waarop de belasting wordt aangesloten. N-uiteinde: Dit is het niet-actieve asuiteinde, meestal aan de ventilatorzijde. Om de draaizin te bepalen, wordt gekeken naar het D-uiteinde. Als de motor in wijzerzin draait, draait deze naar rechts, en in tegenwijzerzin draait de motor naar links. Als de draaizin van een driefase motor verkeerd is, kan je twee lijnendraden omwisselen om de draaizin om te keren. Dit kan bij verkeerde aansluiting voor ongewenste resultaten zorgen. Denk maar aan een houtzaagmachine, draaibank of freesmachine. Het draaiveld bij een driefasige wikkeling De studie hieronder geldt voor een driefasige machine met 1 poolpaar per fase. Dat wil zeggen dat de stator bestaat uit 3 identieke wikkelingen, die in de ruimte over een hoek van 120° ten opzichte van elkaar verschoven zijn. We bekijken eerst de elektrische voeding en daarna de ruimtelijke verdeling van de 3-fasige wikkelingen. Elektrisch gezien kunnen de stromen in de drie fasen geschreven worden als: 𝑖1 = 𝐼𝑚 sin (𝛼) 𝑖2 = 𝐼𝑚 sin (𝛼 − 120°) 𝑖3 = 𝐼𝑚 sin (𝛼 − 240°) Hierbij zijn i1, i2 en i3 ogenblikkelijke waarden. Deze ogenblikkelijke waarden worden hierna grafisch voorgesteld. 0,8 0,3 -0,2 -0,7 -1,2 De stroom in de eerste wikkeling (i1) is sinusvormig en creëert een magnetisch veld dat altijd loodrecht staat op het vlak van die wikkeling. Op elk moment wijst de maximale veldsterkte in de richting van de aslijn van die wikkeling. De stromen in de andere wikkelingen (i2 en i3) zorgen ook voor magnetische velden, maar met een verschil in tijd. Het magnetische veld van de tweede wikkeling (2-2') komt 120 graden later in de tijd dan dat van de eerste wikkeling. Voor de derde wikkeling (3-3') is dit dan 240 graden later. Iedere wikkeling produceert zijn eigen magnetisch veld en ze volgen elkaar op in de tijd, met gelijke tussenpozen van 120 graden. Vermits de drie fasewikkelingen identiek en de drie fasestromen even groot en constant zijn, zijn de amplituden van de magnetische velden ook gelijk en 120°in de tijd verschoven. De drie stromen veroorzaken dus drie magnetische velden volgens: ℎ1 = 𝐻𝑚 sin (𝛼) ℎ2 = 𝐻𝑚 sin (𝛼 − 120°) ℎ3 = 𝐻𝑚 sin (𝛼 − 240°) Deze opeenvolging van magnetische velden wordt het draaiveld genoemd en het zorgt ervoor dat de motor draait. Het draaiveld roteert als het ware rond de as van de motor en duwt de rotor (het draaiende deel van de motor) mee, wat resulteert in de draaibeweging van de motor. Rotatiefrequentie van het draaiveld Deze drie wikkelingen zijn als volgt over de stator verdeeld. Elk zo’n wikkeling in de motor produceert een zuidpool en een noordpool. Deze twee polen horen bij elkaar en vormen een polenpaar, wat betekent dat elk polenpaar bestaat uit twee polen. Het aantal van deze polenparen dat door een wikkeling wordt gecreëerd, wordt aangeduid met de letter "p." In een driefasige wikkeling waarbij p gelijk is aan 1, ontstaat bij het aansluiten van een driefasespanning een tweepolig draaiveld dat in één periode (T) één omwenteling maakt. Als de frequentie van de driefasenstroom bijvoorbeeld 50 Hz is, draait het veld met 50 omwentelingen per seconde. De rotatiefrequentie "n" is dan 50 s-1. Dit kan algemeen worden uitgedrukt met de formule: n = f/p, waarbij "f" de frequentie is en "p" het aantal poolparen per fase. Om lagere snelheden te krijgen, moeten we de frequentie "f" verlagen of het aantal poolparen "p" vergroten. Voor motoren met variabele snelheden zal de frequentie worden aangepast met behulp van een frequentieregelaar. Hierover zien we later in deze cursus meer. Voor motoren met vaste snelheden zullen we het aantal poolparen aanpassen. In de onderstaande tabel vinden we het toerental van het statordraaiveld voor verschillende aantallen poolparen, zowel bij 50 Hz (Europa) als 60 Hz (Amerika). p 50 Hz 60 Hz 1 3000 3600 2 1500 1800 3 1000 1200 4 750 900 5 600 720 Principiële werking van de inductiemotor Principiële werking STATOR Wanneer een wisselspanning wordt aangesloten op de stator, treedt er een zuiver zelfinductieverschijnsel op: Bij het aanleggen van een driefasige evenwichtige sinusvormige spanning op een driefasen statorwikkeling, ontstaat er een evenwichtige driefasen stroom die een elektromagnetisch draaiveld produceert. Net als bij een transformator worden in de statorwikkelingen zelfinductiespanningen geïnduceerd. Wanneer we een driefasespanning aansluiten op de 3 wikkelingen van de stator, ontstaat er een draaiveld. Dit draaiveld snijdt ook de statorgeleiders, waardoor er over elke statorwikkeling een zelfinductiespanning (Es) wordt opgewekt. De veldlijnen snijden dus de statorgeleiders bij een snelheid van ns toeren per minuut. Daarom wordt de inductiespanning Es berekend als Es = 4,44 × Ns × Φ × p × ns, waarbij Ns het aantal windingen in de stator is, Φ de magnetische flux, p het aantal poolparen en ns de rotatiesnelheid in toeren per minuut. Principiële werking ROTOR (open en stilstand) De geleiders van de rotor bevinden zich in het draaiveld, dat een veranderend magnetisch veld is. Hierdoor ontstaan in deze geleiders geïnduceerde spanningen. Met andere woorden, in de rotor treedt een zuiver inductieverschijnsel op. Wanneer een driefasige evenwichtige sinusvormige spanning wordt toegepast op een driefasen statorwikkeling, ontstaat een bijbehorende driefasige evenwichtige stroom die een elektromagnetisch draaiveld genereert. Net als bij een transformator worden in de stilstaande rotorwikkelingen inductiespanningen opgewekt. Aangezien de open-kring rotor niet draait, is de relatieve snelheid waarmee de rotorgeleiders worden doorkruist door de veldlijnen van het statordraaiveld gelijk aan het synchrone toerental ns. De frequentie fr van de geïnduceerde inductiespanningen in de rotorgeleiders is dan gelijk aan de netfrequentie f. In deze toestand gedraagt de inductiemotor zich als een onbelaste transformator (transformator op nullast). De stator vervult de rol van primaire, terwijl de rotor de rol van secundaire vervult. Principiële werking ROTOR (kortgesloten en stilstand) Wanneer we de drie wikkelingen van de rotor sluiten of een kooirotor nemen, die altijd kortgesloten is, zullen er evenwichtige stromen in de rotor ontstaan als reactie op de geïnduceerde spanningen. Omdat de stroomvoerende geleiders van de rotor zich in een magnetisch veld bevinden, zullen er krachten op deze geleiders ontstaan, bekend als de Lorentz-kracht. De grootte van deze kracht wordt gegeven door F = B.I².P. De richting van deze krachten kan worden bepaald met behulp van de linkerhandregel en we merken op dat er een koppel kan ontstaan. Hoewel de rotorgeleiders willen gaan draaien in dezelfde richting als het draaiveld, houden we de rotor geblokkeerd (rotor in stilstand). Echter, een tweede principe treedt in werking. De rotorstromen zullen op hun beurt een magnetisch draaiveld genereren. Dit veld draait in dezelfde richting als het statordraaiveld, maar is 90° verschoven, waardoor deze twee velden zich samenvoegen. Dit staat bekend als de ankerreactie. Net als bij een transformator geldt ook voor de inductiemachine de basisstelling van de elektrische machines, namelijk het behoud van de magnetomotorische kracht (m.m.k.): In iedere elektrische machine die is aangesloten op een constante spanning met een constante frequentie, blijft de resulterende elektromagnetische flux constant bij alle belastingen. Principiële werking ROTOR (gesloten en draaiend) Laat men de rotor vrij dan loopt de rotor aan, onder invloed van de Lorenz- krachten, in dezelfde zin als het magnetisch draaiveld. Naarmate de rotor versnelt, vermindert de relatieve snelheid van het draaiveld t.o.v. de rotorgeleiders. Dus ook de frequentie fr van de rotorstromen en de emk E2 zullen dalen.De intensiteit van de inductiestromen vermindert en het koppel daalt. Zolang het rotortoerental verschillend is van het toerental van het statordraaiveld vloeien er stromen in de rotor. Er worden dan immers spanningen in deze geleiders geïnduceerd. E = B. l. v, met v de relatieve snelheid van de rotorgeleiders t.o.v. het draaiveld. Indien de toerentallen gelijk zouden worden, dan is er geen relatieve snelheid meer tussen draaiveld en rotorgeleiders en zouden de rotorgeleiders geen flux meer snijden. Er worden dan geen spanningen en stromen in de rotor meer geïnduceerd. Er is dan ook geen kracht meer, het koppel is dan nul en de rotor vertraagt wegens mechanische wrijvingen. We kunnen hieruit besluiten dat een inductiemotor nooit uit zichtzelf de synchrone snelheid zal bereiken. Er stelt zich wel een evenwicht in met constant blijvende rotatiesnelheid op het momentdat het tegenwerkend mechanisch koppel gelijk is aan het motorkoppel. Hierdoor is deuiteindelijke rotatiesnelheid van de rotor iets kleiner dan de rotatiesnelheid van het statordraaiveld, vandaar de alternatieve benaming voor de machine als asynchrone motor in plaats van inductiemotor. De rotor zal dus niet synchroon, maar wel asynchroon draaien met het statordraaiveld en dus steeds slippen t.o.v. het statordraaiveld. Bij nullast zal de rotordraaisnelheid iets lager zijn dan de synchrone rotatiesnelheid. Bij mechanische belasting van de rotor zal de draaisnelheid ervan dalen. Slip is per definitie het verschil tussen de synchrone snelheid van het statordraaiveld en de snelheid van de rotor. De absolute slip s wordt gedefinieerd als: 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 𝑠= 𝑛𝑠 ns het toerental voor waarmee het draaiveld binnen de stator ronddraait. nr het toerental voor waarmee de rotor ronddraait. Werkingscondities Theoretisch kan de relatieve slip sr variëren van - ∞ tot + ∞. Technisch staan hierop een aantal beperkingen. Naargelang de waarde van s onderscheiden we volgende toestanden en regimes. 1. Stilstand sr = 1 en nr = 0 2. Synchronisme sr = 0 en nr = ns 3. Asynchrone motorwerking 0 < sr < 1 en 0 < nr < ns Puntje 3 is de meest voorkomende situatie, gekenmerkt door het feit dat de rotor onder invloed van de Lorentzkracht in dezelfde zin draait als het statordraaiveld, maar met een iets lagere snelheid.  4. Asynchrone generatorwerking sr < 0 en nr > ns De slip kan negatief worden, maar dit is slechts mogelijk door uitwendige aandrijving of door sturing zodanig dat het rotortoerental tot boven synchronisme wordt aangedreven. De machine zet nu mechanische energie om in elektrische energie en gedraagt zich dan als een generator. Het principe van generatorwerking krijgen we ook bij recuperatie remming, bijvoorbeeld een trein die afremt of bergaf bolt. 5. Tegenstroom remwerking sr > 1 De rotor wordt door een aandrijvende last verplicht te draaien in een zin tegengestel aan de draaizin van het magnetisch draaiveld. Schematisch ziet dit er als volgt uit: Koppel van een inductiemotor Hieronder zien we de koppelsnelheidskarakteristiek: We onderscheiden 3 gebieden: In het motorgebied draait de rotor in de zin van het statordraaiveld, met een rotatiesnelheid begrepen tussen 0 en ns, waarbij de slip varieert tussen 1 en 0. Op ongeveer 80% van de rotatiefrequentie, ontwikkelt de motor zijn maximumkoppel. Dit noemen we het kipkoppel. Het gebied voor dit kipkoppel is zeer onstabiel. De kleinste belasting verandering kan hier een grote impact op hebben. Het werkpunt van de machine ligt in het gebied na het kipkoppel In het remgebied, met s > 1, wordt de rotatie van de rotor tegengewerkt door omkering van de draaizin van de statorflux. Hiertoe worden de aansluitingen van 2 van de 3 fasegeleiders onderling verwisseld. De rotor komt dan snel tot stilstand en de stator wordt van het net geschakeld voordat de rotor in de anderezin terug zal aanlopen. In het generatorgebied wordt de rotor aangedreven met een snelheid boven de synchrone snelheid, terwijl de stator aangesloten blijft op een spanning met constante frequentie. Deze voeding bepaalt de frequentie van de synchrone snelheid en levert bovendien het vereiste reactief vermogen voor de magnetische flux in de luchtspleet. Voor een kooirotormachine gelden de figuren hieronder. Het koppel en de stroom worden in functie van de slip weergegeven. We merken dat de startstroom steeds enkele malen groter is dan de nominale stroom In. Hoge startstromen veroorzaken spanningsdalingen op het net, wat moet vermeden worden voor een correcte werking van de andere apparaten op het net. Aanloopmethoden inductiemotor Zolang het motorkoppel groter is dan het lastkoppel versnelt een motor de aangedreven last tot op het moment dat lastkoppel en motorkoppel gelijk zijn. Daarna blijft de snelheid constant, op voorwaarde dat er geen bepalende parameters wijzigen. We zagen net dat de startstroom steeds enkele keren groter is dan de nominale stroom In bij vollast. Deze grote aanloopstroom heeft een aantal nadelige gevolgen: 1. Elektrisch effect: hoge startstromen veroorzaken spanningsdalingen in het net. 2. Mechanisch effect: de grote inschakelstroomstoot brengt grote dynamische krachten teweeg in de motor. 3. Thermisch effect: de aanloopstroom veroorzaakt bij een lange aanlooptijd een ontoelaatbare temperatuurstijging van de motorwikkelingen. Om voorgaande redenen moet de aanloopstroom beperkt worden. Hierdoor zal echter ook het aanloopkoppel verkleinen. Aanlopen van een SLEEPRINGMACHINE Het verloop van T = f(s) laat zien dat het aanloopmoment beperkt is en de aanloopstroom vrij groot. Bij sleepringmachines kan tijdens het aanlopen een weerstand in de rotorketen worden opgenomen. Zo verhoogt het aanloopmoment en vermindert de aanloopstroom tot een waarde 2 à 3 In. Uitschakeling van de weerstand na aanloop is aanbevolen. In normaal motorbedrijf moet de rotorweerstand klein zijn, zodat de slip klein is en het rendement hoog. Bovendien kan het toerental bij belasting beter constant gehouden worden. Aanlopen van een KOOIROTORMACHINE De constructie van een inductiemotor met gewikkelde rotor is vrij duur en vergt veelonderhoud. Inductiemotoren met kooirotor zijn minder duur en vergen minder onderhoud. Directe aanloop Hierbij wordt de motor rechtstreeks op het net aangesloten. Het direct aanzetten van driefasige asynchrone motoren wordt toegepast bij kooiankermotoren met dubbele kooi of bij stroomverdringingsrotoren. Deze methode van aanzetten heeft wel enkele nadelen die het toepassingsgebiedbeperken: de grote aanloopstroom veroorzaakt een grote spanningsdaling in het voedend net,wat een hinderlijk effect kan hebben op andere gebruikers op het net; het grote aanloopkoppel geeft een bruuske versnelling van de aangedrevenmachine. Deze methode wordt daarom enkel toegepast voor motoren met klein vermogen(< 3 kW). Aanloop onder verminderde spanning Om onder verminderde spanning aan te lopen, kunnen we gebruik maken van verschillende technieken. 1. Gebruik van thermovariërende weerstanden in de statorkring. Hiermee wordt veel vermogen nutteloos in de weerstanden verbruikt. 2. Spaartransformator of autotransformator: De autotransformator geeft dezelfde karakteristieken als weerstandsstarters zonderhet nadelige effect van het nutteloos vermogenverbruik. 3. Softstarter: De aanloopspanning van een softstarter heeft volgend verloop. We zien dat de motorspanning geleidelijk wordt opgebouwd tot de nominale waarde. Hierdoor zullen de stroom en het koppel ook geleidelijk toenemen. Een aantal parameters is instelbaar waaronder de startspanning, de versnellingstijd. Ook omgekeerd de vertragingstijd om tot stilstand te komen en ten slotte de stroombegrenzing. Het geleidelijk verloop wordt bekomen door vermogenelektronische schakelaars. De vermogenskring bevat voor elke lijndraad 2 antiparallel geschakelde thyristoren. T1, T2, T3 voor het positieve sinusdeel van de netspanning en T4, T5, T6 voor het negatieve sinusdeel van de netspanning. Met 2 shunts of stroomtransformatoren wordt de stroom gemeten en naar de besturingselektronica gestuurd. Deze elektronica bepaalt het tijdstip waarop de vermogensschakelaars in geleiding komen om zodoende de motorspanning te regelen, maar je kan de snelheid zelf niet regelen. De invloed van het aanloopgedrag van een softstarter op de aanloopstroom zie je involgende figuur. Uiteraard heeft dit ook invloed op de koppeltoeren-karakteristiek. Ster-driehoek schakeling Bij deze aanloopmethode wordt, met behulp van een ster-driehoekschakelaar de statorwikkeling eerst in ster en, ofwel na een bepaald tijdsinterval ofwel als de motor op toeren is gekomen, in driehoek aangesloten op het net. Deze methode kan alleen toegepast worden bij motoren die normaal in driehoek moeten werken, dit wil zeggen dat de spanningswaarden van de motor aangepast moeten zijn aan de netspanning. De aanzetstroom (alsook het vermogen en het aanzetkoppel) in ster is 3 maal kleiner dan bij rechtstreekse aanzet van deze motor in driehoek. Hieronder zien we wat er gebeurt met de koppeltoeren karakteristiek alsook met de stroomtoeren karakteristiek als we van ster naar driehoek omschakelen. De ster- driehoek schakeling wordt gebruikt om bij aanloop de startstroom van de motor te doen dalen. Frequentieregelaar Deze wijzigt de frequentie en tegelijk de spanning, zodat belast aanlopen mogelijk is. Een frequentieregelaar maakt een continue snelheidsregeling van een driefasige asynchrone motor mogelijk. Ventilator of pompkarakteristiek 25 Hz 37,5 Hz 50 Hz Hieronder vinden we een indeling van frequentie-omvormers.  frequentie- omvormer directe indirecte omvormer omvormer cyclo- gelijkspanning- gelijkstroom- convertor tussenkring tussenkring VSI CSI PAM C-PAM PBM Een verklaring van de gebruikte afkortingen vind je in volgend overzicht: VSI Voltage Source Invertor CSI Current Source Invertor PAM Puls Amplitude Modulatie C-PAM Chopped Pulse Amplitude Modulatie PBM Puls Breedte Modulatie (Engels: PWM: Pulse Width Modulation) We maken een onderscheid tussen directe en indirecte omvormers. Directe omvormers zetten een vaste spanning met een vaste frequentie rechtstreeks om in een regelbare spanning met regelbare frequentie. Dit zijn de cycloconvertoren. Deze convertoren worden in deze cursus niet verder besproken. Indirecte omvormers zetten een vaste spanning met een vaste frequentie eerst om naar een tussenkring. Zodoende wordt de oorspronkelijke wisselspanning omgezet naar een gelijkstroom of gelijkspanning om daarna weer omgezet te worden naar een wisselspanning, maar van een andere frequentie. Er zijn 2 mogelijke tussenkringen: Ten eerste een gelijkstroomtussenkring ( C S I = Current Source Invertor ) Ten tweede een gelijkspanningtussenkring ( V S I = Voltage Source Invertor ). Bij de VSI maken we nog een onderscheidt tussen PAM, C-PAM en PBM. PAM Bij PAM wordt gebruik gemaakt van een gestuurde gelijkrichterbrug. Hierdoor zal de ontstane gelijkspanning regelbaar zijn. Deze gelijkspanningwordt door een condensator afgevlakt, waarna een invertor er terug een wisselspanning van zal maken. C-PAM In tegenstelling tot PAM wordt bij C-PAM geen gebruik gemaakt van een stuurbare gelijkrichterbrug, maar wel van diodes. Hierdoor zal de spanning achter de diodebrug niet regelbaar zijn. De gelijkspanning wordt ook hier door een condensator afgevlakt. Vervolgens wordt de gelijkspanning behandeld zodat deze regelbaar is, waarna een invertor er terug een wisselspanning van zal maken. PBM Evenals bij C-PAM is de spanning achter de diodebrug niet regelbaar. De regeling van de spanning en de frequentie gebeurt gelijktijdig door de invertor en dit met behulp van een pulsbreedte regeling. De laatste trap van de indirecte frequentieomvormer is steeds een invertor. Remmen van een asynchrone motor Er bestaan verschillende methoden om een driefasige inductiemotor te remmen. De keuze van de remmethode hangt af van de specifieke toepassing en de gewenste remprestaties. We bespreken de meest voorkomende manieren. Schijfremmen Fysieke schijfremmen kunnen op de motor worden gemonteerd om mechanische wrijving te genereren en de rotor te vertragen. Meestal wordt deze constructie uitgevoerd met elektromagnetische remmen. Dat wil zeggen dat de remblok kan bediend worden met een elektromagneet, die meestal op dezelfde spanning als de motor kan aangesloten worden. Het hangt van de toepassing af of de elektromagneet de remblok zal wegtrekken van de schijfrem of juist aantrekken. Zo zal wegens veiligheid de elektromagneet de remblok wegtrekken tijdens bedrijf. Indien er dan een spanningsuitval zou zijn, dan treedt de rem ook in werking. Dit is belangrijk bij bijvoorbeeld reen hijskraan of een lift. Tegenstroom remmen Een inductiemotor heeft in een normale bedrijfstoestand een klein slip (0.5% tot 5%). Als twee lijndraden worden omgewisselt, wordt de slip twee keer zo groot. Het koppel keert om en de motor wordt afgeremd. Bij gebruik van deze remmethode moet er een remwachter worden geïnstalleerd. Zodat de motor van het net wordt geschakeld als de motor stilstaat. Anders loopt deze gewoon in tegengestelde richting terug aan. Door het omschakelen van het draaiveld ontstaat er in de rotor een spanning die ongeveer dubbel zo groot is als bij stilstand. De rotorstroom bereikt ook een zeer grote waarde. Remmen met gelijkstroom Bij remmen met gelijkstroom wordt de driefasespanning op de motor uitgeschakeld en op twee aansluitklemmen een gelijkspanning aangesloten. De rotorgeleiders draaier daardoor in een stilstaand magnetisch vel dat opgewekt wordt door de gelijkstroom. Hierdoor zal er een ems worden opgewekt in de rotorgeleiders en dus ook een inductiestroom. Zoals de wet van Lenz aantoont zal deze zijn ontstaan tegenwerken en zal de motor dus vertragen. Hoe groter de gelijkstroom hoe groter het remkoppel. Ze mag natuurlijk niet te groot zijn, omdat er anders een te grote warmtetoename is in de rotor. Meestal wordt dit principe toegepast bij frequentieomvormers en softstarters. Hypersynchrone remming Deze remming wordt toegepast wanneer de motor als asynchrone generator werkt of bij een dahlandermotor. Door dat de rotatiefrequentie van de rotor groter is dan die van de stator, zal de motor energie gaan produceren. De mechanische energie wordt dus omgezet in elektrische energie en hierdoor zal de motor worden afremt. Deze situatie kan voorkomen bij hijskranen en liften bij de gewone asynchrone generator. Bij de dahlandermotor kan dit worden toegepast door over te schakelen op een kleinere rotatiefrequentie. Bij frequentieomvormers worst dit principe gebruikt om de belasting gecontroleerd te vertragen. Die omvormer kan de frequentie van de spanning snel doen dalen, waardoor hetzelfde fenomeen optreed en de motor een remkoppel gaat leveren. De energie die opgewekt wordt, gaat meestal niet terug naar het net, maar wordt opgeslagen in een condensator. Nadien wordt deze terug gebruikt om de motor verder te aan te sturen. Oefeningen Oefening 1: Een driefasige asynchrone motor heeft 6 polen. Deze motor wordt aangesloten op 3 x 400 V / 50 Hz. De slipsnelheid van de rotor is 25 tpm. Gevraagd de pulsatie van de aangelegde statorstromen de synchrone draaisnelheid de frequentie van de geïnduceerde rotorstromen en rotorspanningen de draaisnelheid van de rotor de mechanische hoeksnelheid van de rotor de mechanische sliphoeksnelheid Oefening 2: Een driefasige motor heeft 4 polen. Op het kenplaatje staat geschreven 7500 W. Deze motor wordt aangesloten op 3 x 400 V / 50 Hz. Bij vollast is de arbeidsfactor 0,87 en het rendement 0,85. De slip bedraagt dan 5 %. Gevraagd de opgenomen stroomsterkte de synchrone snelheid de frequentie van de rotorstromen en rotorspanningen de rotorsnelheid de slipsnelheid welk koppel levert deze machine aan het werktuig? Natuurlijk, hier zijn de oefeningen met het -1 symbool in superscript: Oefening 3: Als je een motor van 7500 W, 400 V / 50 Hz aansluit op 400 V / 60 Hz, welk vermogen zou je dan op het kenplaatje noteren? Oefening 4: Bij een asynchrone machine die op een hoogspanning van 6000V/50 Hz werkt, heeft het draaiveld een rotatiefrequentie van 600 tr/min. Hoeveel polen heeft de machine? Oefening 5: Een asynchrone motor die op een spanning van 400V:50Hz werkt, heeft 10 polen. Bereken de rotatiefrequentie van het draaiveld in s⁻¹ en min⁻¹. Oefening 6: De rotor van een tweepolige draaistroommotor, aangesloten op een driefasenspanning met een frequentie van 50 Hz, heeft een rotatiefrequentie van 48 s⁻¹. Hoe groot is de slip in procent? Oefening 7: Bereken de rotatiefrequentie van een vierpolige draaistroommotor. De frequentie bedraagt 50 Hz en de slip is 5%. Oefening 8: Een achtpolige asynchrone draaistroommotor is in ster aangesloten op een draaistroomnet van 400 V, f=50 Hz en hij draait 720 min⁻¹. Bereken de spanning over elke fasewikkeling en de slip in %. Hoe groot is de rotatiefrequentie uitgedrukt in s⁻¹. Oefening 9: De asynchrone motor heeft 6 polen en werkt op een net met f=50 Hz. Het rotatiefrequentieverlies is 0.33 omwentelingen per seconde. Bereken de rotatiefrequentie en de slip in %. Oefening 10: Het startkoppel bij een motor geschakeld in ster is kleiner/groter dan bij een motor geschakeld in driehoek. Hoeveel bedraagt de verhouding? Oefening 11: Op een motor kun je volgende gegevens aflezen: 1.3 kW, rendement= 78%, 230/400V, cos phi= 0.87. Hoe groot zijn het nuttige vermogen, het toegevoerde vermogen en de stroomsterkte? De motor is op een draaistroomnet van 400 V aangesloten. Oefening 12: Een vierpolige asynchrone draaistroommotor is driehoek geschakeld op 230 V - 50 Hz. De lijnstroom is 16A, de arbeidsfactor is 0.8, de slip is 5% en het rendement is 0.9. Bereken de rotatiefrequentie van de rotor, de stroom door de statorwikkelingen en het mechanisch afgegeven vermogen in kW. Oefening 13: Een motor met een nuttig vermogen van 1.5 kW is driehoek aangesloten op een net van 400 V. Bij volle belasting bedraagt het rendement 0.8 en de cos phi= 0.85. Hoe groot is de stroom in de fasewikkeling van de motor? Oefening 14: Motorgegevens: 230/400V, netegevens 230/133. Is een ster-driehoek aanloop in deze situatie mogelijk? Hoe moet de motor geschakeld staan in bedrijf? Oefening 15: Op het kenplaatje van een asynchrone motor zijn volgende gegevens beschikbaar: vermogen 18.5 kW, spanningen 230/400V, frequentie 50 Hz, rendement: 0.89, cos phi = 0.81 en rotatiefrequentie 970 min⁻¹. Bereken de opgenomen lijnstroom en fasestroom in de motor wordt aangesloten op een net van 3x400V, de rotatiefrequentie van het draaiveld en de slip in %. Eenfasige asynchrone motoren Het is een bekend fenomeen dat bij het wegvallen van één van de drie fasen van een driefasige inductiemachine een kenmerkend gebrom optreedt, maar desondanks blijft de machine draaien. Hoewel deze situatie doorgaans vermeden moet worden, illustreert het dat niet alle drie de fasen noodzakelijk zijn onder deze omstandigheden. Daarom zijn er motoren ontwikkeld die kunnen functioneren op slechts één fase. Eenfasige inductiemotoren worden doorgaans gebouwd tot een vermogen van 2,2 kW en vinden hun toepassing in situaties waar geen beschikbaarheid is van drie fasen. Ze worden met name gebruikt in huishoudelijke apparaten zoals wasmachines, droogzwierders, compressoren, pompen. Voor toepassingen met lagere vermogens wordt deze motor, vaak samen met een aanloopcondensator, veelvuldig ingezet. Het wisselveld De eenfasige asynchrone motor bezit veel gelijkenis met de driefasige asynchrone motor. De rotor is een kooirotor, de stator bezit echter slechts een eenfasewikkeling. Hierdoor ontstaat er in de stator geen draaiveld, maar een wisselveld. Het veld draait niet rond, maar blijft geometrisch op dezelfde positie, echter de momentele waarde wijzigt periodiek met een frequentie f. Een wisselveld is te ontbinden in twee draaivelden met: - tegengestelde draaizin, - dezelfde synchrone snelheid, - gelijke amplitude, maar wel de helft van de amplitude van het wisselveld. De richting van de (vectoriële) som van deze twee draaivelden blijft steeds dezelfde wat een eigenschap van een wisselveld is. Een wisselveld is dus op te vatten als de som van een meelopend en een tegenlopenddraaiveld. We spreken ook van een direct of rechtstreeks draaiveld en van een tegengesteld of invers draaiveld. Een eenfasige inductiemachine met een wisselveld kunnen we dus behandelen als twee identieke driefasige inductiemachines met een draaiveld die mechanisch met elkaar gekoppeld zijn, maar waarvan bij één van beiden twee lijndraden omgewisseld zijn, zodat bij deze laatste het draaiveld omgekeerd verloopt. Tr is het rechtstreeks koppel, Tt is het tegengesteld koppel en Tre is het resulterend koppel. Ieder van deze twee draaivelden induceert in de rotorstaven inductiestromen, waardoor twee koppels Tr (rechtstreeks) en Tt (tegengesteld) ontstaan die in tegengestelde zin werken. Het verloop van deze deelkoppels en ook van het resulterend koppel zijn getekend in onderstaande koppel-toeren karakteristiek. Uit de figuur blijkt dat deze motor niet aanloopt. Bij rotorstilstand (nr = 0) is de grootte van het rechtstreekse koppel gelijk aan de grootte van het tegengestelde koppel, zodathet resulterend koppel nul is en de machine niet uit zichzelf op gang zal komen. Als we de rotor in de ene of de andere zin op gang brengen (lanceren), is het rechtstreekskoppel verschillend van het tegengesteld koppel en het resulterend koppel doet de rotor verder draaien in de rotatiezin van het grootste koppel. De motor neemt de draaizin aanwaarin hij gelanceerd wordt. Vroeger werd de motor met de hand gelanceerd, maar tegenwoordig loopt deze automatisch aan. Motoren met automatische aanloop Om bij een eenfasige inductiemotor een automatische aanloop te realiseren, is het noodzakelijk een draaiveld op te bouwen. Dit kan gebeuren, zoals we reeds weten van de driefasige inductiemoto met 3 wikkelingen 120°gedraaid in de ruimte te voeden met 3 stromen 120 °gedraaid in het fasevlak. Het is echter ook mogelijk twee wikkelingen 90°gedraaid in de ruimte te voeden met twee stromen 90°gedraaid in het fasevlak. We bekijken verder de drie meest voorkomende eenfasige synchrone motoren. Eenfasige inductiemotor met fasesplitsing Met een hulp- en startwikkeling creëren we een soort draaiveld waardoor de motor vanzelf start. De startwikkeling is geometrisch 90 graden gedraaid ten opzichte van de hoofdwikkeling. De hoofdwikkeling, bestaande uit veel windingen met een grote doorsnede, vertoont een aanzienlijke reactantie en een kleine ohmse weerstand. In tegenstelling hiermee bestaat de startwikkeling uit minder windingen met een kleinere doorsnede, wat resulteert in een lagere inductantie en een grotere ohmse weerstand dan de hoofdwikkeling. Door deze verschillen ontstaat een faseverschuiving van ongeveer 30 graden tussen de stromen in beide wikkelingen. Deze faseverschuiving is voldoende om een zwak, draaiend magnetisch veld te creëren, waardoor de motor kan starten. Na het opstarten wordt de startwikkeling uitgeschakeld door middel van een centrifugaalschakelaar. Als deze startwikkeling ingeschakeld zou blijven, zou deze door de beperkte doorsnede kunnen verbranden. De eenfasige inductiemotor met fasesplitsing heeft echter enkele nadelen. - De arbeidsfactor van de motor ligt tussen 0,6 en 0,7. - Het zwakke draaiveld heeft bij het opstarten een beperkt aanloopkoppel van slechts 100% van het nominale koppel. Vanwege deze nadelen wordt deze motor doorgaans toegepast in toepassingen tot een vermogen van ongeveer 750 W, zoals ventilatoren, blazers, centrifugaalpompen, wasmachines, draaibanken, enzovoort. Indien gewenst kan de draaizin van de motor worden omgekeerd door de startwikkeling om te keren, waarbij het draaiveld dat nodig is om de motor te starten, de tegengestelde draaizin krijgt. De eenfasige inductiemotor met bedrijfscondensator (capacitor start motor) De stroom door de hulpwikkeling heeft een faseverschuiving ten opzichte van de stroom door de hoofdwikkeling. In dit geval zorgt de condensator voor een grotere faseverschuiving dan de 30 graden die we zien bij de eenfasige inductiemotor met fasesplitsing. De hulpwikkeling wordt hier niet uitgeschakeld, en de condensator blijft permanent ingeschakeld, vandaar de term "bedrijfscondensator". Hoewel we met een condensator een faseverschuiving van 90 graden kunnen benaderen, kunnen we dit nooit perfect bereiken. Bovendien creëren we met de LC-seriekring een resonantie-effect, dat we kunnen dempen door een weerstand toe te voegen. Hierbij is het van groot belang dat de hulp- en hoofdwikkeling verschillende wikkelingsgetallen hebben, waarbij de hulpwikkeling ook dunner is uitgevoerd. De condensator is noodzakelijk om de motor te starten, maar tijdens bedrijf blijft deze nuttig. Daarom wordt gesproken van een inductiemotor met bedrijfscondensator. De bedrijfscondensator kan worden berekend voor een optimale aanloop, maar dan is het nominale koppel lager. Aan de andere kant kan het ook worden berekend voor een optimaal nominaal koppel, maar dan is de aanloop minder efficiënt. De eenfasige inductiemotor met aanloopcondensator (capacitor start motor) Een verbeterd resultaat wordt bereikt door een extra condensator toe te voegen, ook wel een aanloopcondensator genoemd, die tijdelijk de stroom verhoogt. Na het opstarten wordt deze aanloopcondensator uitgeschakeld. Om de draairichting om te keren, wordt ofwel de hulpwikkeling of de hoofdwikkeling omgepoold. De spleetpoolmotor of veldverdringingsmotor (shaded pole) Bij een eenfasige inductiemotor met hulpwikkeling wordt de stroom door de hulpwikkeling rechtstreeks door het voedend net geleverd. Bij de spleetpoolmotor is dit niet het geval; hier wordt alleen de arbeidswikkeling (hoofdwikkeling) aangesloten op het net. Zoals op vorige figuur te zien, heeft het statorblik uitspringende polen, die door een gleuf in 2 delen worden gesplitst. Rond het kleine pooldeel wordt een hulpwikkeling aangebracht. Deze hulpwikkeling (slechts één of twee niet geïsoleerde kortgesloten windingen per pool) ontvangt zijn stroom langs inductie van het wisselveld van de hoofdwikkeling. De kortsluitstroom zorgt voor een magnetisch inductieveld dat zijn bestaansoorzaak tegenwerkt en dat naijlend is ten opzichte van het hoofdveld. Er ontstaan twee magnetische velden: een hoofdveld en een naijlend hulpveld. Daardoor ontstaat in de luchtspleet een elliptisch draaiveld waardoor de motor zelfstandig kan aanlopen. De koppeltoerenkarakteristiek van een spleetpoolmotor ziet er als volgt uit. Een groot voordeel van een spleetpoolmotor is de eenvoudige constructie, zodat deze motor zeer geschikt is voor massaproductie terwijl een hoge bedrijfszekerheid gegarandeerd wordt. Het nadeel is dan het laag aanloopkoppel en laag rendement (20% - 40%) ten gevolge van de kortsluitwikkelingen. Wegens de eenvoudige constructie, maar ook het lage rendement wordt dit soort motor toegepast in een vermogensbereik van 1 tot 150 W. De driefasige inductiemotor éénfasig aangesloten (Steinmetzschakeling) Wordt bij een driefasen kortsluitankermotor één van de lijndraden onderbroken dan zal de motor, onder invloed van het resulterende magneetveld, gewoon blijven verder draaien. Het probleem is alleen dat de motor niet kan aanlopen. Daarom wordt één statorwikkeling als aanloopwikkeling gebruikt, waarbij een condensator zorgt voor de vereiste faseverschuiving. Na aanloop kan de condensator eventueel afgeschakeld worden (aanloopcondensator), of in bedrijf blijven (bedrijfscondensator). Schakelingen Bij de steinmetzschakeling zijn de volgende combinaties mogelijk: Door de aansluiting van de condensator op het net te veranderen, zal de motor de andere kant gaan opdraaien. Praktisch gaat dit enkel voor motoren met een vermogen < 1 kW. De machine mag nu slechts 75 % van zijn nominaal vermogen leveren en kan slechts aanlopen op nullast. Door het asymmetrische veld is het koppel van deze motoren veel kleiner dan wanneer de motor op een driefase net wordt aangesloten. Hierdoor wordt het toepassingsgebied beperkt tot kleine vermogens. Deze motoren worden voornamelijk toegepast in huishoudelijke apparaten, zoals in wasmachines, compressoren in koelkasten en vriezers, etc. Synchrone driefase motoren Voor zeer grote vermogens is de inductiemotor of asynchrone motor minder geschikt, aangezien deze bij lagere belastingen een ontoereikende cosφ heeft en dus aanzienlijk blindvermogen uit het net opneemt. Synchrone motoren met gewikkelde rotor kunnen met een geregelde bekrachtiging van de polen de cosφ perfect brengen. Een voorbeeld van deze motoren is te vinden in de Hogesnelheidstrein (HST), die wordt aangedreven door 8 synchrone motoren van elk 1 MW. De snelheidsregeling gebeurt met een omvormer die de rijdraadspanning omzet in een driefasige spanning met een regelbare frequentie van 0 tot 200 Hz, wat overeenkomt met snelheden van 0 tot 300 km/u. Als alternatief voor de gewikkelde rotor bestaat ook de permanente magneet rotor. Hierbij is geen externe bron nodig voor het opwekken van het magnetisch veld. Het motorvermogen is echter beperkt tot 500 kW. Constructief gezien lijkt de driefasige synchrone motor sterk op een synchrone alternator. Het systeem omvat een driefasige stator die is verbonden met het net en een rotor met een bekrachtigingswikkeling gevoed met gelijkstroom en een dempingswikkeling. De synchrone motor vertoont overeenkomsten met de asynchrone motor. De stator is identiek en wekt een draaiveld op wanneer deze wordt gevoed door een driefasig netwerk. In tegenstelling tot een asynchrone motor, genereert een synchrone motor echter geen koppel wanneer de slip nul is. Dit komt doordat er geen stroom in de rotor wordt geïnduceerd door het draaiveld van de stator wanneer er geen verandering in flux wordt waargenomen. Als we echter een gelijkstroom vanuit een externe bron aan de rotor toevoeren, ontstaat er wel een koppel, terwijl het synchronisme nauwkeurig behouden kan blijven. Om dit synchronisme te handhaven, wordt de rotor ontworpen met een aantal polen dat exact overeenkomt met het aantal polen dat het draaiveld van de rotor vaststelt. Hierdoor grijpen de N-Z polen van de rotor perfect in op de N-Z polen van het draaiveld, waardoor de motor synchroon draait. Aanloop van een synchrone motor Aanloop als synchrone wisselstroomgenerator Vanwege de constructieve overeenkomst met een synchrone wisselstroomgenerator is het mogelijk een synchrone motor op te starten zoals een wisselstroomgenerator. Om hem te synchroniseren met het net, wordt een hulpmotor gebruikt voordat deze mechanisch wordt belast, in plaats van elektrisch vermogen te leveren. Door de snelheid van de asynchrone motor te regelen, kunnen we nauwkeurig de synchrone snelheid van de synchrone motor bereiken. Op dat moment werkt de hoofdmotor in de generatormodus en is nog niet aangesloten op het net. Als alle voorwaarden voor parallelwerking zijn vervuld, sluiten we schakelaar I1. De spoelen in serie dienen om de stroomstoot te verminderen. Nu kunnen we de hulpmotor uitschakelen en de bekrachtigingsstroom van de hoofdmotor zo regelen dat de uit het net opgenomen stroom minimaal is (cosφ = 1). Vervolgens wordt I2 gesloten en I1 geopend. Aanloop als asynchrone motor We kunnen een synchrone motor ook opstarten als een asynchrone motor en vervolgens synchroniseren, wat een hulpmotor bespaart. Als we ervoor kiezen om het opstarten als een asynchrone motor te laten plaatsvinden, gebeurt dit onder verminderde spanning met behulp van een ster-driehoek schakelaar of een auto-transformator. De rotor bevat gesloten kringen waarin inductiestromen mogelijk zijn, ook wel dempingswikkelingen genoemd. Deze dempingswikkeling zorgt voor een snelle start en moet bestand zijn tegen grote inductieoverspanningen tijdens het opstarten. Hierdoor benadert de rotor het synchronisme, maar zal het niet exact synchroniseren. Vervolgens sluiten we de bekrachtigingswikkeling van de rotor aan en sturen we er stroom doorheen. De polen van de rotor krijgen dan een bepaalde polariteit. Als deze polariteit verkeerd is (gelijknamige polen tegenover elkaar), zal de rotor over één poolsteek slippen en daarna synchroon verder draaien. Geleidelijk verhogen we de bekrachtigingsstroom, waardoor de reactieve component van de statorstroom afneemt. Gelijkstroommotoren De werking van een gelijkstroommotor is gebaseerd op de Lorentzkrachten die ontstaan op stroomvoerende geleiders in een magnetisch veld. 𝐹 = 𝐵∗𝐼∗𝑙 In de praktijk plaatst men een spoel draaibaar rond een as tussen de polen van een magnetisch veld. Als de spoel een stroom voert, ontstaan er Lorentzkrachten op de geleiders. Al de Lorentzkrachten samen veroorzaken een koppel, waardoor de spoel gaat draaien. Om een continue draaibeweging te bekomen, gaat men de stroomzin in de spoel wijzigen, als de geleiders van de spoel de neutrale lijn passeren. De collector of commutator zorgt ervoor dat de stroomzin in de spoel steeds kan gewijzigd worden in samenwerking met de borstels. Het gebruik van DC-motoren is sterk afgenomen, de volgende motoren bestaan: Shuntmotor, waarbij de bekrachtigingswikkeling parallel met de ankerwikkeling staat. Seriemotor, waarbij de bekrachtigingswikkeling in serie staat met de ankerwikkeling. Compoundmotor, waarbij zowel een bekrachtigingswikkeling in serie als in parallel staat met de ankerwikkeling. DC-motor met permanente magneten. Draaizin van de motor De bewegingszin van de rotor wordt bepaald door de zin van de Lorentzkracht. Deze is afhankelijk van de zin van het magnetische veld en van de stroomzin in de ankergeleiders. Dit wil dus zeggen dat zowel de stroomzin omkeren in de rotor of in de stator er voor kan zorgen dat de motor van draairichting veranderd. Van het ogenblik dat de werkzame geleiders van het anker ronddraaien in het magnetisch veld, zullen er gegenereerde spanningen in ontstaan, die de aangelegde spanning U zullen tegenwerken (wet van Lenz). Deze spanning wordt aangeduid met tegenspanning Et en heeft als uitdrukking: Stappenmotor Een stappenmotor is een type elektromotor dat draait door pulsen van elektrische stroom. In tegenstelling tot conventionele motoren draait een stappenmotor niet continu, maar in discrete stappen. De stator vormt het stationaire deel van de stappenmotor en omvat de spoelen waar de stroom doorheen wordt gestuurd in stroompulsen, die worden geleverd door een stappenmotorbesturingseenheid. De spoelen zijn meestal gerangschikt in een multipolair patroon, wat betekent dat ze meerdere polen hebben. De rotor daarentegen is het bewegende deel van de stappenmotor. In tegenstelling tot conventionele elektromotoren, draait de rotor sprongsgewijs of stapsgewijs. Door de stroom in de spoelen in de juiste volgorde in en uit te schakelen, kan de rotor van de stappenmotor nauwkeurig worden verplaatst in discrete stappen van een bepaalde hoek, meestal uitgedrukt in graden (bijvoorbeeld 1.8° per stap). Het aantal stappen dat de motor kan maken, bepaalt de resolutie van de motor. Door deze componenten samen te brengen en de juiste besturingsmethoden toe te passen, kan een stappenmotor nauwkeurige positionering en controle bieden. Hierdoor is het een veelzijdige keuze voor toepassingen waarbij precieze beweging vereist is, zoals 3D-printers, CNC-machines, robotica en meer. We bespreken kort de belangrijkste soorten stappenmotoren: - De stappenmotor met permanent magnetische rotor (PM-stappenmoter) - De stappenmotor met variabele reluctantie (VR-stappenmotor) - De hybride stappenmotor De stappenmotor met permanente magnetische rotor In de eenvoudigste vorm bestaat de stator uit twee spoelen, beide 1 poolstand van elkaar verschoven, vaak aangeduid als fase A en fase B. Elke fase heeft een bepaald aantal spoelen die in serie zijn geschakeld en die in paren worden geactiveerd om een magnetisch veld te creëren. De rotor van de stappenmotor is voorzien van permanente magneten met een noord- en een zuidpool, die worden aangetrokken of afgestoten door het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de spoelen in de stator. Om de rotor in beweging te brengen, wordt de stroom naar de spoelen in de stator gecontroleerd door een stappenmotorbesturingseenheid. Deze eenheid regelt de stroomrichting en - intensiteit om het gewenste magnetische veld te creëren en de rotor in de juiste richting te laten draaien. De spoelen in fase A en fase B worden afwisselend geactiveerd om een magnetisch veld te creëren dat de rotor aandrijft. Wanneer bijvoorbeeld fase A wordt geactiveerd, wordt een magnetisch veld gegenereerd dat de rotor in een bepaalde richting trekt. Wanneer fase B wordt geactiveerd, wordt een tegenovergesteld magnetisch veld gecreëerd dat de rotor in de tegenovergestelde richting duwt. Door de stroomtoevoer naar de spoelen in de stator in een bepaalde volgorde te regelen, kan de rotor van de stappenmotor stapsgewijs worden gedraaid. Elke stap komt overeen met een bepaalde hoek, die wordt bepaald door het aantal stappen per omwenteling van de motor. Een mogelijk stappenpatroon voor een full step bedrijf en de rotor in wijzerzin laten draaien is als volgt:  Stap Spoel A B 1 -A B 2 -A -B 3 A -B 4 A B 1 -A B Het – teken betekent dat de stroomzin in de spoelen omgekeerd wordt. Bij vele motoren kun je de motor met volledige stappen (full-step) of met halve stappen(halve-step) laten draaien. Bij halve-stapsturing stopt de rotor steeds tussen twee polen. Een motor met een staphoek van 1.8 graden kan je dan met stappen van 0.9 graden laten draaien. Als nadeel heb je wel dat het resulterende koppel van de motor verkleint. Bij de tussenstap zijn niet alle fasen bekrachtigd. Om dit te realiseren wordt in een tussenstap de stroom onderbroken in de fase waarin de stroom wordt omgekeerd. Het patroon voor half-step wijzerzin draaien is als volgt: Stap Spoel A B 1 B 2 -A B 3 -A 4 -A -B 5 -B 6 A -B 7 A 8 A B 1 B Stappenmoter met variabele reluctantie Het verschil tusse neen PM-stappenmoter en een VR-stappenmoter. De rotor van een PM-stappenmotor bevat permanente magneten. Deze magneten creëren het magnetische veld dat interactie heeft met het magnetische veld van de stator om rotatie te produceren. De rotor van een PM-stappenmotor heeft geen elektrische windingen. De rotor van een VR-stappenmotor is meestal gemaakt van materiaal met een lage magnetische permeabiliteit, zoals aluminium of kunststof. Het heeft geen permanente magneten en bevat alleen tanden of gleuven om interactie te hebben met de magnetische velden van de stator. Bij een PM-stappenmotor wordt de rotatie veroorzaakt door het aantrekken en afstoten van de permanente magneten in de rotor ten opzichte van de magnetische velden die door de stator worden gegenereerd. Een VR-stappenmotor maakt gebruik van variabele magnetische reluctantiematerialen in de stator om een magnetisch veld te creëren dat de rotor aantrekt. De magnetische aantrekkingskracht (reluctantie) tussen de rotor en de stator verandert naarmate de positie van de rotor verandert. PM-stappenmotoren zijn over het algemeen eenvoudiger van constructie omdat ze geen elektrische windingen in de rotor hebben. Ze hebben echter wel permanent magnetische materialen nodig, wat hun fabricagekosten kan verhogen.VR-stappenmotoren hebben een complexere constructie vanwege de variabele reluctantiematerialen in de stator. Ze vereisen ook elektrische windingen in de stator om het magnetische veld te creëren. PM-stappenmotoren worden vaak gebruikt in toepassingen waar een hoog koppel en nauwkeurige positionering vereist zijn, zoals in CNC-machines, 3D-printers en medische apparatuur. VR- stappenmotoren worden gebruikt in toepassingen waar eenvoudige positionering en lagere kosten belangrijker zijn dan hoge precisie, zoals in ventilatoren, pompen en sommige industriële automatiseringstoepassingen. Hybride stappenmotor De hybride stappenmotor combineert eigenschappen van zowel de PM-stappenmotor als de VR- stappenmotor. Op de rotor van een hybride stappenmotor bevinden zich typisch uitspringende weekijzeren polen, die lijken op die van een VR-stappenmotor. Er is echter ook een permanente magneet aanwezig die het magnetische veld versterkt. In sommige ontwerpen is deze permanente magneet op de rotor geplaatst, terwijl deze in andere ontwerpen op de stator is geplaatst. Indien de permanente magneet zich op de rotor van een hybride stappenmotor bevindt, bestaat deze uit twee getande delen, gescheiden door een permanente magnetische ring. Deze ring helpt bij het genereren van een krachtig magnetisch veld, waardoor de motor een hoog koppel kan leveren en een goede positioneringsnauwkeurigheid kan behouden. De werking van een hybride stappenmotor berust op de interactie tussen het magnetische veld van de permanente magneet en het variabele magnetische veld dat wordt opgewekt door de statorwikkelingen. Wanneer stroom door de statorwikkelingen wordt gestuurd, creëren deze magnetische velden die de rotor aantrekken naar de volgende stap. De combinatie van permanente magneten op de rotor en het variabele magnetische veld van de stator resulteert in een soepele en nauwkeurige rotatie van de motor, met een hoog koppel en goede positioneringsnauwkeurigheid. Het heeft dus de voordelen van beide types stappenmotoren. Houdkoppel stappenmotor Bij een stappenmotor hebben we drie toestanden: - De rotor maakt een stap. - De rotor staat stil en is niet geblokkeerd. Dat wil zeggen dat de motor niet bekrachtig is en de rotor vrij kan ronddraaien. - De rotor staat stil en is geblokkeerd. Dat wil zeggen dat de motor bekrachtig is en de rotor magnetisch gekoppeld is aan de stator. Dit houdkoppel is een belangrijke eigenschap van stappenmotoren en wordt gebruikt om een belasting onbeweeglijk te houden. Denk maar aan de arm van een 3D printer. Servomotor Een servosysteem bestaat uit een servomotor en een bijhorende regelaar die de servosturing of servodriver wordt genoemt. Het servosysteem heeft als doel om de positioneringsnauwkeurigheid en de snelheid van een mechanisme te regelen door rotatiefrequentie, koppel en positie van de rotor nauwkeurig was te leggen. In tegenstelling tot een stappenmotor, die werkt met discrete stappen, kan een servomotor soepel en continu draaien, waardoor het geschikt is voor toepassingen waarbij een nauwkeurige en dynamische controle van de positie en snelheid vereist is. De werking van een servomotor is gebaseerd op feedbackmechanismen die de werkelijke positie en snelheid van de motor continu meten en vergelijken met de gewenste positie en snelheid. Deze feedbackinformatie wordt teruggestuurd naar de servoregelaar, die vervolgens de aansturing van de motor aanpast om eventuele afwijkingen te corrigeren. Een typische servomotor bestaat uit een DC-motor, een encoder voor het meten van de rotatiesnelheid en positie, en een regelaar die de stroom naar de motor aanpast op basis van de ontvangen feedback. De encoder geeft informatie over de actuele positie en snelheid van de motoras, terwijl de regelaar deze informatie gebruikt om de motor aan te sturen naar de gewenste positie en snelheid. Het kan ook zijn dat de servomotor opgebouwd is uit een ac-synchrone motor of een ac-asynchrone motor. Het servosysteem werkt volgens het volgende principe: wanneer de gewenste positie of snelheid van het mechanisme verandert, stuurt de besturingsunit van het servosysteem een signaal naar de servodriver om de motor aan te sturen. De servodriver vergelijkt vervolgens de actuele positie en snelheid van de motor met de gewenste positie en snelheid. basis van dit verschil past de servodriver de stroomtoevoer naar de motor aan, waardoor deze naar de gewenste positie en snelheid wordt gestuurd. De positie en snelheid wordt door één van de volgende toestellen gemeten die op de as van de servomotor gemonteerd zijn: - Tachogenerator: Dit is om de rotatiefrequentie uit te meten. Dit is een generator met PM- bekrachtiging waarvan de opgewekte ems rechtevenredig is met de rotatiefrequentie. - Impulsgever: Op de motoras bevindt zich een schijfje met doorzichtige segmenten. Het schijfje draait tussen één of meerdere leds en de receptoren. Elk gaatje zal een spanningsimpuls geven die de rotatiefrequentie, hoekverplaatsing en draairichting bepalen. Verder kan op de as ook een magneetrem aanwezig zijn om de belasting vast te houden in een gewenste positie.