Asynchrone motor

Inhoudstafel
Inhoudstafel ................................................................................................................ 2
Asynchrone motor ...................................................................................................... 3
Driefasig (inductiemotor, draaistroommotor) ........................................................... 3
Dahllandermotor.................................................................................................. 6
Enkel fasig .............................................................................................................. 6
Kortsluitankermotor ............................................................................................. 7
Sleepringankermotor ........................................................................................... 7
synchrone motor......................................................................................................... 8
Driefasig (inductiemotor, draaistroommotor) ........................................................... 8
Enkelfasig ............................................................................................................... 9
met hulpwikkeling, condensator en centrifugaal...................................................... 9
met hulpwikkeling, condensator en thermisch relais ............................................... 9
Eénfasemotor met hulpwikkeling en condensator................................................. 10
Eénfasemotor met lage spanning hulpwikkeling en condensator.......................... 11
Stappenmotor ....................................................................................................... 11
Unipolaire type .................................................................................................. 11
Bipolaire type..................................................................................................... 12
Steinmetz schakeling................................................................................................ 12
Spleetpoolmotor (asynchroon & synchroon)............................................................. 13
Bijlages ..................................................................................................................... 14
Bijlage 1 : Cycloconverter ..................................................................................... 14
Bijlage 2: Lorentzkracht......................................................................................... 14
Bijlage 3: Wet van Lenz ........................................................................................ 15
www.ffxs.nl/diy-elektro
-2-
Wisselstroommotoren
Asynchrone motor
Driefasig (inductiemotor, draaistroommotor)
De stator van een draaistroommotor bestaat uit minimaal drie identieke
spoelgroepen. Elke spoelgroep bevat de spoelen van bij elkaar horende polen. De
spoelgroepen, ook wel fasewikkelingen genoemd, worden voorzien van dezelfde
wisselspanning, maar met faseverschillen van 120 graden. Bij een tweepolige motor,
d.w.z. één paar polen per spoelgroep, maken de overeenkomende polen in de drie
spoelgroepen hoeken van 120 graden met elkaar. Bij een 4-polige motor zijn er twee
paar polen per spoelgroep. De hoek tussen de overeenkomende polen is dan 60
graden. Door het faseverschil tussen de spoelgroepen bereiken de polenparen na
elkaar hun maximale magnetische veld. Daardoor ontstaat er een draaiend
magnetisch veld, draaiveld genoemd.
Fasewikkelingen kunnen in ster of in driehoek worden aangesloten. Bij de
sterschakeling zijn de 3 fasewikkelingen op één punt (het sterpunt) aan elkaar
gekoppeld. Kijkend vanuit 2 fasen van het voedende net staan er in feite 2
wikkelingen in serie. Dit betekent dat de spanning per wikkeling lager is dan de
spanning tussen 2 fasen van het voedende net. Bij de driehoekschakeling staat
iedere fasewikkeling tussen 2 fasen van de aangesloten draaistroom wisselspanning.
Dan wordt dus per wikkeling wel de volledige fasespanning aangelegd. Het verschil
in deze aansluitmogelijkheid kan worden benut bij het aanlopen van een asynchrone
draaistroom motor. Bij de ster-driehoekschakeling worden bij het aanlopen allereerst
de wikkelingen in ster geschakeld en na enige tijd in driehoek. Door de aanvankelijke
serieschakeling zal de aanloopstroom van de motor aanzienlijk worden gereduceerd.
Deze omschakeling kan handmatig worden gedaan of door middel van een sterdriehoekautomaat.
Het draaiende gedeelte (de rotor of het anker in het geval van de asynchrone
kooirotormotor), bestaat uit een kooi van grote staven die aan de uiteinden zijn
kortgesloten door een grote ring. (vandaar kortsluitankermotoren). De ruimte tussen
de kooi is opgevuld met een weekijzerpakket. In de staven lopen zeer grote stromen
die tegen het statorveld in een tegenveld opwekken waardoor de rotor gaat draaien.
De rotor probeert dit draaiveld te volgen (volgens de wet van Lenz probeert de rotor
het draaiveld te ontwijken door mee te draaien in de richting van dit draaiveld). In
tegenstelling tot de synchrone motor, blijft de draaisnelheid van de rotor achter bij die
van de stator. Daarom spreekt men hier van een asynchrone motor, asynchrone=niet synchroon. Het verschil in draaisnelheid tussen de rotor en de stator
wordt de slip genoemd. Een asynchrone motor kan niet werken zonder slip. Het is
namelijk de slip die de rotorfrequentie bepaalt. Zonder slip is de rotorfrequentie nul.
De rotorfrequentie is de draaiveldfrequentie minus het rotortoerental. Er moet stroom
(en daarmee veld) worden opgewekt in de rotor om een veld op te wekken
tegenwerkend ten opzichte van het statorveld, anders kan de asynchrone motor niet
draaien. Bij het aanzetten van de asynchronemotor is de rotorfrequentie maximaal.
Slip wordt berekend met de volgende formule:
g = nr/ns (of ook wel g = (1-nr/ns)x100% )
www.ffxs.nl/diy-elektro
-3-
Wisselstroommotoren
met g = slip in facor of %, nr = toerental rotor in omw/min; ns = toerental stator in
omw/min
Als de rotor langzamer draait dan het draaiveld, is de slip positief. Als rotor en
draaiveld even snel gaan is de slip 0. Staat de rotor stil, maar is het draaiveld in
beweging dan is de slip 1. Als de slip hoger dan 1 is, draait de rotor in
tegenovergestelde richting van het draaiveld. Dit heet 'tegenstroomremmen'. Een
positieve slip kost elektriciteit: hoe hoger de slip, hoe hoger het stroomverbruik.
De slip wordt soms uitgedrukt als:
Om een motor af te remmen moet de rotor sneller draaien dan het draaiveld. De slip
is nu negatief. Een negatieve slip wekt elektriciteit op: hoe hoger de negatieve slip,
hoe meer stroom er wordt opgewekt. Dit principe wordt gebruikt bij het
elektrodynamisch remmen bij bijvoorbeeld treinen. Als de opgewekte energie niet
kan worden teruggevoerd, zal deze verbruikt worden in remweerstanden.
Daarnaast worden asynchrone motoren als asynchrone generator in bepaalde type
windturbines gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Voorwaarde hierbij is wel
dat de windturbine altijd gekoppeld moet zijn aan het elektriciteitsnet, omdat er
anders geen draaiveld (dus geen magnetisch veld) aanwezig is.
Het toerental van een draaistroommotor wordt (bij motorbedrijf) bepaald door de
frequentie van de driefasenspanning. Met een frequentieregelaar kan, binnen zekere
grenzen, elke gewenste frequentie van 10% tot 200% van 50 Hz en daarmee elk
gewenst toerental ingesteld worden.
Een nadeel is dat bij hogere frequentie de verliezen in de motor steeds groter worden
omdat het ontwerp van de motor optimaal is bij slechts een beperkt frequentiegebied.
Nadeel is ook dat bij toerentalreductie onder nominaal ook de koeling van de op de
motoras geplaatste ventilator afneemt. Dit kan weer opgelost worden door extra
koelcapaciteit aan te brengen.
Overigens wordt met de frequentieregelaar niet alleen de frequentie maar ook
meteen de spanning verhoogd of verlaagd (evenredig met de frequentie). Het
werkelijke toerental n wordt mede bepaald door het aantal polen van de
statorwikkeling, immers n = f/p waarbij f de netfrequentie is en p het aantal
poolparen. In de USA met een netfrequentie van 60 Hz zullen alle Europese motoren
dus sneller draaien. Echter de constructie van het blikpakket (statorijzer) in de motor
van Europese en Amerikaanse e-motoren is verschillend, de Amerikaanse varianten
zijn compacter. Door de hogere netfrequentie is de magnetiseertijd 20% korter dan
bij 50 Hz. Daardoor is bij een even sterk magneetveld minder statorijzer nodig.
Het polental is uiteraard steeds even (een noordpool kan niet zonder zuidpool). Veel
voorkomende (synchrone)toerentallen zijn 3000 toeren per minuut (twee polig), 1500
toeren per minuut (vierpolig), 1000 (zespolig) enz....(op basis van 50 Hz.)
Verschillende pooltallen en frequenties geven dus volgende toerentallen voor het
draaiveld:
Pooltal Poolparen nsync 50 Hz nsync 60 Hz
2
1
3000 min-1 3600 min-1
4
2
1500 min-1 1800 min-1
www.ffxs.nl/diy-elektro
-4-
Wisselstroommotoren
6
3
1000 min-1 1200 min-1
8
4
750 min-1
900 min-1
Elektromotoren hebben dus een vast toerental bij 50Hz voedingsspanningfrequentie
is het synchroontoerental dus 3000, 1500, 1000 of 750 omw/min. In de
aandrijftechniek, wordt het aan te drijven werktuig dus aangedreven met een vast
toerental als boven genoemd. Het werktuig verlangt een ander toerental. Wel of niet
door het proces vereist of verlangd.
Het toerental van de elektromotor kan door de volgende wijze aangepast worden:
• Door het toerental aan te passen d.m.v. een v-snaar. Op de motor en werktuig
wordt een poelie gemonteerd. Door de diameterverhouding tussen motor en
werktuig kan het toerental aangepast worden,
• Door het gebruik te maken van een tandwielkast. De verhouding van de
tandwielen bepaalt uiteindelijk het uitgaande toerental
• de motor kan i.p.v. een wikkeling uitgevoerd worden met twee wikkelingen,
b.v. 2-polige wikkeling en een 6 polige wikkeling. Dus de verhouding van het
pooltal is dan 1:3. Nadeel is dat meer ruimte in de motor nodig is en dus de
motor groter en duurder wordt dan bij een enkele wikkeling.
• Door het gebruik van een Dahlander-wikkeling. Dit is een wikkeling, die ook
twee-toerentallen tot stand brengt, echter alleen mogelijk is met een
toerentalverhouding van 1:2. In dit geval is ook een grotere motorbehuizing
nodig. Voor de tijd dat er frequentieregelingen bestonden (1980) werd er veel
gewerkt met de Dahlandermotor. Dit is een motor met twee poolparen en dus
twee snelheden die zich verhouden als 1:2. Hier wordt een speciale wikkeling
toegepast die over meerdere poolparen wordt verdeeld. De wikkelingen
worden naar buiten gebracht op de klemmenplaat. De nominale toerentallen
zijn dus : 3000/1500 ; 1500/750; 750/375
• Er is nog een mogelijkheid tot drie toerentallen. In dit geval wordt er naast de
Dahlanderwikkeling, nog een derde wikkeling ingevoegd.
• een frequentieregelaar. Optie 1 en 2 zijn vanaf de begin jaren 80 steeds meer
vervangen door de frequentieregelaar.
Het principe waarop men werkt is de frequentie aanpassen om de snelheid te
regelen:
Waarbij nr = Rotorsnelheid dus de snelheid van de motoras , ns =
Statorveldsnelheid, deze wordt nu opgedrongen door de frequentieregelaar ; g = De
slip (snelheidsverschil tussen stator en rotor om koppel te produceren) ; f1 = De
nieuwe frequentie door de frequentieregelaar , p = Aantal poolparen, een constante
dus (conventioneel is dit 2, dus bij een 4-polige motor)
M.a.w. als de frequentie gewijzigd wordt kan het uitgaande toerental ook gewijzigd
worden en dat wel traploos van 10% tot 200% van het nominale toerental, welke in
alle voorgaande gevallen niet mogelijk is. Die traploze toerentalregeling wordt
gedaan d.m.v. een frequentieregelaar.
www.ffxs.nl/diy-elektro
-5-
Wisselstroommotoren
Dahllandermotor
Een Dahlandermotor is een driefasige asynchrone motor met twee toerentallen. Dit
wordt gerealiseerd door één of twee poolparen. Dit is een wikkeling, die twee
toerentallen tot stand brengt, echter alleen mogelijk is met een toerentalverhouding
van 1:2. In dit geval is ook een grotere motorbehuizing nodig. Voor de tijd dat er
frequentieregelingen bestonden (1980) werd er veel gewerkt met de
Dahlandermotor. Dit is een motor met twee poolparen en dus twee snelheden die
zich verhouden als 1:2. Hier wordt een speciale wikkeling toegepast die over
meerdere poolparen wordt verdeeld. De wikkelingen worden naar buiten gebracht op
de klemmenplaat. De nominale toerentallen zijn dus : 3000/1500 ; 1500/750; 750/375
Er is nog een mogelijkheid tot drie toerentallen. In dit geval wordt er naast de
Dahlanderwikkeling, nog een derde wikkeling ingevoegd.
Enkel fasig
Deze motoren bevatten twee al of niet identieke wikkelingen. Eén wikkeling met een
in serie geschakelde condensator wordt gebruikt om een faseverschuiving te
veroorzaken wat een draaiveld oplevert. Voor de waarde van deze condensator
hanteert men de volgende vuistregel: C=50.P waarbij C uitgedrukt wordt in µF en P
uitgedrukt wordt in kilowatt (kW). Ook wordt soms een aanloopwikkeling gebruikt.
Deze is meerpolig gewikkeld in de stator en kan door middel van een relais bij het
starten worden bijgeschakeld. Als de motor op toeren is schakelt het relais de
hulpwikkeling weer af.
Asynchrone motoren zijn onder te verdelen in de veel voorkomende
kortsluitankermotor (KA-motor) of kooirotormotor, en de sleepringankermotor (SRAmotor) of sleepringrotormotor.
www.ffxs.nl/diy-elektro
-6-
Wisselstroommotoren
Kortsluitankermotor
De stator van de kortsluitankermotor bestaat uit een ringvormig gelamelleerd pakket
van dynamoblik, waarin aan de binnenzijde groeven zijn
uitgespaard. In de groeven zijn drie spoelen aangebracht, die
onderling 120º van elkaar verschoven zijn. In de stator wordt
het draaiveld opgewekt. De buitenkant van de stator is
voorzien van de nodige koelribben voor de warmteafvoer van
de interne energieverliezen.
De rotor is opgebouwd uit ronde platen van dynamoblik, die
aan de omtrek van gaten of gleuven zijn voorzien. In deze gaten worden
ongeïsoleerde geleidende staven van koper of aluminium aangebracht die aan de
uiteinden worden verbonden – kortgesloten - met een geleidende eindring. Omdat de
staven en eindringen een kooi vormen, wordt deze rotorconstructie ook wel
kooianker genoemd. Bij kleine motoren wordt de rotorkooi vaak via een
drukgiettechniek gemaakt uit aluminium.
Een kortsluitankermotor waarvan de rotor stilstaat, werkt als een transformator in
kortsluittoestand. Het draaiveld van de stator induceert in de rotorstaven een
spanning. De rotorkooi vormt een gesloten elektrisch circuit waardoor er stromen
gaan lopen in de geleidende rotorstaven. In het magnetische draaiveld ontstaan op
deze stroomvoerende staven Lorentzkrachten, die samen een drijvend koppel
vormen. Door dit koppel gaat de rotor draaien, en wel met het draaiveld mee.
Wanneer de motor belast wordt, zal het toerental afnemen zodat de rotorstaven meer
veldlijnen doorsnijden. De spanning, stromen en Lorentzkracht nemen toe zodat de
motor een groter koppel kan leveren. Het maximale koppel dat een
kortsluitankermotor kan leveren wordt het kipkoppel genoemd.
De grootte van de statorstroom wordt bepaald door de grootte van de rotorstroom.
Door de lage weerstand van de kortsluitkooi is na het inschakelen van de motor de
rotorstroom zeer groot. De stator neemt dan eveneens een grote stroom op uit het
net (ca 6 á 8x nominale stroom). Daar tegenover is het aanloopkoppel klein. Een
kortsluitankermotor met enkele kooi kan daarom slechts onbelast of met een kleine
belasting aanlopen. Voor het aanlopen van grote motoren wordt vaak gebruikt
gemaakt van een ster-driehoekschakeling.
Sleepringankermotor
De stator van de sleepringankermotor bestaat uit een ringvormig gelamelleerd pakket
van dynamoblik, waarin aan de binnenzijde groeven zijn uitgespaard. In de groeven
zijn drie spoelen aangebracht, die onderling 120º van elkaar verschoven zijn. Een
stroom in de statorwikkelingen wekt een magnetisch draaiveld op in de luchtspleet
tussen stator en rotor.
In de groeven van de tevens gelamelleerde rotor is een driefasige wikkeling van
koperdraad aangebracht met evenzoveel polen als de stator. De rotorwikkeling is
vast in ster geschakeld en de uiteinden ervan zijn verbonden met sleepringen die
geïsoleerd op de rotoras zijn geplaatst. Over deze sleepringen slepen koolborstels
die verbonden zijn met drie aansluitklemmen. Op deze klemmen wordt - extern - een
driefasige rotoraanzetweerstand aangesloten.
www.ffxs.nl/diy-elektro
-7-
Wisselstroommotoren
Een sleepringankermotor waarvan de rotor stilstaat, werkt als een transformator. Het
draaiveld van de stator induceert een spanning in de rotorspoelen, die stromen doen
lopen. Als gevolg hiervan ontstaat in wikkelingen lorentzkrachten, die samen een
roterend koppel vormen.
De stroom in de rotorwikkeling (en dus ook het koppel) wordt bepaald door de totale
weerstandsketen van rotorwikkeling en rotoraanzetweerstand. Door het inzetten van
de rotoraanzetweerstand wordt direct de rotorstroom beperkt en indirect ook de
aanloopstroom in de statorwikkelingen. Door nu de weerstand zo in te stellen, dat in
de rotorwikkeling bij stilstand de vollaststroom optreedt dan zal hierbij de rotor gelijk
het vollastkoppel ontwikkelen.
Naarmate de motor sneller gaat draaien, zal de rotorspanning afnemen en dus ook
de stroom door de rotorwikkelingen. Hierna kan de weerstand geleidelijk of in
stappen worden verlaagd totdat de borstels volledig doorverbonden zijn. De motor
draait dan asynchroon verder als een gewone kortsluitankermotor.
synchrone motor
Driefasig (inductiemotor, draaistroommotor)
De rotor van de synchrone draaistroommotor draait in tegenstelling tot de
asynchrone draaistroommotor synchroon met het opgewekte draaiveld in de stator.
De synchrone motor wordt het vaakst gebruikt als generator in het stroomnet.
De overgang van generator- naar motorbedrijf kan plaatsvinden zonder dat men daar
uitwendig veel van zal merken. Elektrische wisselstroom in energiecentrales wordt
bijna altijd opgewekt d.m.v. synchrone draaistroomgeneratoren die aangedreven
worden door o.a. stoomturbines, gasturbines, dieselmotoren of waterturbines.
Groot nadeel van een synchrone motor is
dat deze niet zelf aanloopt. Hij moet voor
inschakelen op het juiste toerental worden
gebracht. Daarom worden driefasige
synchrone motoren vooral toegepast bij
grote vermogens en dan met name voor het
aandrijven van continu lopende machines,
zoals pompen en compressoren.
Wordt een synchrone motor overbelast dan
zal de rotor uit de pas raken en uiteindelijk
stil gaan vallen. Met een van de
onderstaande mogelijkheden kan men een
synchrone motor toch laten aanlopen:
• Het aanbrengen van een kooianker in de rotor. Door de geïnduceerde
stromen zal de motor als een asynchrone draaistroommotor aanlopen. Als de
motor nagenoeg synchroon loopt, kan de motor in de pas worden getrokken
door de bekrachtigingsspoel met gelijkstroom te voeden. Loopt de motor
eenmaal synchroon dan heeft de kooianker geen invloed meer omdat de slip
nul is.
www.ffxs.nl/diy-elektro
-8-
Wisselstroommotoren
•
Een moderne mogelijkheid is het toepassen van vermogenselektronica, en
wel in de vorm van een cycloconverter (bijlage 1). Hiermee kan de frequentie
opgeregeld worden van bijvoorbeeld 0Hz tot 50Hz.
Enkelfasig
Bij de éénfase-synchroonmotor wordt, net als bij de synchrone draaistroommotor, het
toerental bepaald door de frequentie van het wisselstroomnet en is onafhankelijk van
de belasting. Net als bij de éénfase-inductiemotor heeft deze motor maar één spoel
die een éénfasenet wordt aangesloten.
Bij de éénfase-synchroonmotor bestaat de rotor uit een
schijfje van weekijzer, die net als de stator van uitspringende
tanden is voorzien. Wanneer het spoeltje van een
wisselspanning wordt voorzien, zal deze een wisselend
magnetisch veld leveren die de tanden van de rotor in een
bepaalde richting magnetiseert.
Wanneer de rotor zo snel ronddraait dat bij de nuldoorgang van de stroom de tanden
van de rotor tegenover de tandholtjes van de poolschoenen komen, dan worden bij
de volgende halve periode de tanden van de rotor en stator in de draairichting naar
elkaar toe getrokken. De rotor zal met een constante snelheid door blijven draaien,
waarbij hij per periode steeds twee tanden opschuift.
Eénfase-synchroonmotoren worden voor kleine vermogens gebruikt daar waar een
constant toerental is vereist, zoals uurwerken, schakelklokken, platenspelers,
meetinstrumenten en in de regeltechniek
met hulpwikkeling, condensator en centrifugaal
Voor het opgang brengen van de rotor is bij dit type motor in de stator een hulp- of
aanloopwikkeling aangebracht die 90º verschoven is ten opzichte van de
hoofdwikkeling. Deze hulpwikkeling heeft minder wikkelingen dan de hoofdwikkeling
en is in dun koperdraad gewikkeld. Na het inschakelen vloeit door beide wikkelingen
een stroom. Door het verschil in constructie ontstaat een in fase verschoven veld die
de motor doet aanlopen. Na het aanlopen wordt de hulpwikkeling uitgeschakeld door
middel van een centrifugaalschakelaar, omdat anders de hulpwikkeling te warm
wordt.
met hulpwikkeling, condensator en thermisch relais
Voor het opgang brengen van de rotor is bij dit type motor in de stator een hulp- of
aanloopwikkeling aangebracht die 90º verschoven is ten opzichte van de
hoofdwikkeling. Deze hulpwikkeling heeft minder wikkelingen dan de hoofdwikkeling
en is in dun koperdraad gewikkeld. Na het inschakelen vloeit door beide wikkelingen
een stroom. Door het verschil in constructie ontstaat een in fase verschoven veld die
de motor doet aanlopen. Na het aanlopen wordt de hulpwikkeling uitgeschakeld door
middel van een thermisch relais (bimetaal) of tijdrelais omdat anders de
hulpwikkeling te warm wordt.
www.ffxs.nl/diy-elektro
-9-
Wisselstroommotoren
Eénfasemotor met hulpwikkeling en condensator
Er wordt een ellipsvormig draaiveld opgewekt door het
bijplaatsen van een condensator in serie met de
hulpwikkeling. Hierdoor laten we de stroom I2 door
deze hulpwikkeling ongeveer 90° voorijlen op de str oom
I1 door de hoofdwikkeling.
Opmerking: de faseverschuiving tussen I1 en I2 kan
ook bekomen worden door het bijschakelen van een
smoorspoel of een aangepaste impedantie.
Dit draaiveld zal de rotorgeleiders snijden waardoor er inductiespanningen worden
opgewekt over de rotorgeleiders. Omdat de rotor een gesloten kring vormt zullen er
rotorstromen gaan vloeien. Deze stroomvoerende rotorgeleider bevindt zich in een
magnetisch veld, zodat er lorentzkrachten ontstaan op de rotorgeleiders. De som van
al deze Lorentzkrachten veroorzaakt het koppel van de motor.
Dus: Spanning ==> draaiveld ==> inductiespanning rotor ==> inductiestroom rotor
==> Lorentzkracht ==> koppel ==> motor draait rond
De hulpwikkeling die als doel heeft de asynchrone éénfasige motor vanzelf te laten
aanlopen, wordt meestal na aanloop afgeschakeld. Bij sommige uitvoeringen blijft de
hulpwikkeling met bedrijfscondensator in bedrijf. Hierdoor wordt de arbeidsfactor
verbeterd.
De aanloopcondensator wordt na aanloop uitgeschakeld door het stroomrelais: bij
het starten van de motor sluit het normaal open contact onmiddellijk. Na het
aanlopen is de stroom door het minimumstroomrelais zo klein dat het contact opent
Het verschil in draaisnelheid tussen de rotor en de stator wordt de slip genoemd. Een
asynchrone motor kan niet werken zonder slip. Het is namelijk de slip die de
rotorfrequentie bepaalt. Zonder slip is de rotorfrequentie nul. De rotorfrequentie is de
draaiveldfrequentie minus het rotortoerental. Er moet stroom (en daarmee veld)
worden opgewekt in de rotor om een veld op te wekken tegenwerkend ten opzichte
van het statorveld, anders kan de asynchrone motor niet draaien.
Als de rotor langzamer draait dan het draaiveld, is de slip positief. Als rotor en
draaiveld even snel gaan is de slip 0. Staat de rotor stil, maar is het draaiveld in
beweging dan is de slip 1. Als de slip hoger dan 1 is, draait de rotor in
tegenovergestelde richting van het draaiveld. Dit heet 'tegenstroomremmen'. Een
positieve slip kost elektriciteit: hoe hoger de slip, hoe hoger het stroomverbruik.
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 10 -
Wisselstroommotoren
Volgens de eisen die zijn vastgelegd in de aansluitvoorwaarden van de
elektriciteitsbedrijven, moet de arbeidsfactor (cos φ) van een installatie minimaal 0,85
zijn. Deze eis kan in de praktijk niet altijd worden gehaald. Door inductieve
belastingen zoals motoren treedt namelijk een faseverschuiving op tussen de stroom
I en de spanning U, waardoor er naast het werkelijke vermogen Pw een reactief
vermogen Pb ontstaat, dat ook wel het blindvermogen wordt genoemd. De resultante
van deze twee vermogens wordt met het schijnbare vermogen Ps aangeduid.
Een belangrijke reden waarom er een grens is gesteld, is dat door een lagere waarde
dan 0,85 de stroom in de toevoerleidingen toeneemt. Hierdoor stijgt ook de warmteontwikkeling in deze leidingen. Aangezien de warmte-ontwikkeling wordt bepaald
door het kwadraat van de stroom I en de weerstand R van de toevoerleiding,
geschreven als: Pv = I2 . R (watt), wordt door een ‘slechte’ cos φ onnodig energie
gedissipeerd en wordt het materiaal van schakelinstallaties daardoor extra zwaar
belast. Bovendien kan door de grootte van de stroom de grens van de toevoerleiding
worden bereikt.
Eénfasemotor met lage spanning hulpwikkeling en condensator
Bij dit type condensatormotor wordt de hulpwikkling gevoed met een verlaagde
spanning meestal 50V. In serie met de hulpwikkeling is een aanloopcondensator
geplaatst. De werking blijft hetzelfde, alleen is het aanloopkoppel lager.
Stappenmotor
Een stappenmotor is een borstelloze, synchrone elektromotor, waarvan de
hoekverdraaiing nauwkeurig te beheersen is, bijvoorbeeld in stappen van 1,8 graden.
De rotor bevat permanente magneten; de stator is opgebouwd uit elektromagneten.
De hoge resolutie wordt bereikt door zowel de stator als de rotor van een hoog aantal
polen te voorzien, zodanig dat zij geen gemeenschappelijke factor bezitten. Telkens
als een wikkeling bekrachtigd wordt, komt een pool in de rotor recht tegenover een
pool in de stator te staan, waardoor de rotor een klein stukje draait. Door middel van
pulsbreedtemodulatie kan een nog hogere resolutie worden bereikt.
De belangrijkste karakteristieke eigenschap van een stappenmotor is het koppel dat
hij kan leveren. De motor kan ook koppel leveren als hij stilstaat en kan daarom als
standrem fungeren.
Net als een synchrone wisselspanningsmotor, wordt de stappenmotor in het ideale
geval aangestuurd met zuivere sinusvormige stromen. Hierdoor wordt een vloeiende
beweging mogelijk, maar dit is bezwaarlijk voor de besturing; een analoge
vermogensschakeling geeft hoge verliezen. In de praktijk wordt vaak een digitale
aansturing, die gebruik maakt van pulsbreedtemodulatie, gebruikt. Eenvoudiger
besturingen maken slechts 1 puls per stap. Hierbij moet een stroombegrenzer de
stroom binnen de perken houden.
Unipolaire type
De unipolaire stappenmotor bezit 2 wikkelingen met elk een middenaftakking en
heeft dus 6 aansluitingen. De middenaftakkingen (common) worden permanent aan
één kant van de voedingsspanning aangesloten. In sommige gevallen zijn beide
common-aansluitingen samengenomen en heeft de motor 5 aansluitingen. De 4
andere aansluitingen worden door de besturing steeds wel of niet met het andere
eind van de spanning verbonden. Op deze wijze worden hoogstens 2 halve
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 11 -
Wisselstroommotoren
wikkelingen tegelijk bekrachtigd, zodat op enig gegeven moment minstens de helft
van de wikkelingen ongebruikt blijft. Daardoor is een compacte bouw niet mogelijk.
Het voordeel is echter de relatief eenvoudige besturing; er zijn maar 4
vermogenstransistoren nodig. Met de komst van de hoog-geïntegreerde elektronica
is dit echter niet langer een economisch voordeel; dit type motor raakt in onbruik.
Bipolaire type
De bipolaire stappenmotor bezit 2 wikkelingen zonder middenaftakking en heeft dus
4 aansluitingen. Tegenwoordig is dit het gangbare type. De wikkelingen worden in
beide richtingen bekrachtigd en moeten daarom elk in een transistorbrugschakeling
geplaatst worden
Steinmetz schakeling
De steinmetzschakelingen zijn aansluitschakelingen waarbij een driefasige
asynchrone motor door middel van een condensator wordt aangesloten op een
éénfasige wisselspanning.
Wordt bij een driefasen kortsluitankermotor één van de lijndraden onderbroken dan
zal de motor, onder invloed van het resulterende magneetveld, gewoon blijven
doordraaien. Alleen kan de motor nu niet meer aanlopen vanuit stilstand. Daarom
wordt één statorwikkeling als aanloopwikkeling gebruikt, waarbij de extra
condensator zorgt voor de vereiste faseverschuiving. Na aanloop kan de
condensator eventueel afgeschakeld worden (aanloopcondensator), of in bedrijf
blijven (bedrijfscondensator).
Door de aansluiting van de condensator op het net te veranderen, zal de motor de
andere kant gaan opdraaien. Het voordeel van de steinmetzschakeling is dat een
standaard asynchrone draaistroommotor als een éénfase motor verkocht kan
worden.
Door het asymmetrische veld is het koppel van deze motoren veel kleiner dan
wanneer de motor op een driefasennet wordt aangesloten. Hierdoor wordt het
toepassingsgebied beperkt tot kleine vermogens. De schakelingen worden
voornamelijk toegepast in huishoudelijke apparaten, zoals in wasmachines en
compressoren in koelkasten en diepvriezers.
De waarde van de condensator wordt bepaald door het vermogen van de motor.
Hierbij geldt, dat er 68µF gebruikt wordt per kiloWatt bij 220V en 50Hz.
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 12 -
Wisselstroommotoren
Spleetpoolmotor (asynchroon & synchroon)
De spleetpoolmotor is een éénfase-inductiemotor die een speciale statorconstructie
bezit. De stator heeft naast de hoofdwikkeling twee kortgesloten hulpwikkelingen,
aangebracht in een spleetpool van de stator.
Spleetpoolmotoren worden voornamelijk gebruikt in continu werkende apparaten die
weinig vermogen (tot 125W) vragen, zoals bij het aandrijven van kleine ventilatoren,
waterpompen (vaatwassers), in platenspelers, etc
De hoofdwikkeling wordt op het elektriciteitsnet
aangesloten en wekt onder de hoofdpolen een
wisselend magneetveld op. Door de
transformator werking tussen de
hoofdwikkeling en de hulpwikkeling wordt in de
hulpwikkeling een (kortsluit)stroom opgewekt,
die in fase verschoven is ten opzichte van de
stroom in de hoofdwikkeling. In de spleetpool
ontstaat als gevolg van deze kortsluitstroom
een naijlend wisselveld. Hierdoor is het gebruik van een condensator niet meer
nodig. In de motor ontstaat nu een elliptisch draaiveld dat voldoende is om de motor
uit zichzelf te laten aanlopen. (In de richting van de hoofdpool naar de hulppool). De
snelheid van deze motor kan eenvoudig geregeld worden door triac gebaseerde
snelheidsregelaars.
De rotor kan een kortsluitanker (asynchrone motor) of een permanente magneet
(synchrone motor) zijn.
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 13 -
Wisselstroommotoren
Bijlages
Bijlage 1 : Cycloconverter
Een cycloconverter is een directe frequentieregelaar. Hij zet de frequentie van een
bepaalde wisselspanning direct om in een andere frequentie, dus zonder deze eerst
om te vormen en te bufferen naar een gelijkspanning.
De cycloconverter bestaat uit een aantal antiparallel
geschakelde thyristorbruggen waarmee één of drie
uitgangsfasen worden gegenereerd. Over het
algemeen zijn de amplitude en de frequentie van de
ingangsspanning in de cycloconverter constant, terwijl
de amplitude en de frequentie van de
uitgangsspanning variabel is. Om een sinusvorm te bereiken, wordt de
aansturinghoek van de thyristoren steeds veranderd.
Het in stukken hakken van de spanning veroorzaakt harmonischen op het net.
Doordat de aansturinghoek van de thyristoren steeds verandert, zijn deze moeilijk te
filteren. Het net vervuilt hierdoor, wat problemen kan geven voor gevoelige
elektronica. Een oplossing hiervoor kan een motor-generatorset zijn, waarbij een
elektromotor - aangedreven door de vuile spanning - een generator aandrijft. Doordat
de spanning hier opnieuw opgewekt wordt ontstaan veel minder hogere
harmonischen.
Als het verschil tussen de ingangsfrequentie en de uitgangsfrequentie klein is, dan
ontstaan subharmonischen. Dit treedt op bij een frequentie die lager ligt dan de
uitgangsfrequentie en kan niet gefilterd worden door inductie. Dit beperkt de
uitgangsfrequentie ten opzichte van de ingangsfrequentie. Hierdoor zal voor veel
toepassingen een indirecte frequentieregelaar gekozen worden. Hierbij wordt van de
wisselspanning eerst een gelijkspanning gemaakt.
In tegenstelling tot indirecte omvormers zoals normale frequentieregelingen, kan een
cycloconverter met thyristoren enkel een lagere frequentie produceren dan de
ingangsfrequentie. Deze opstelling wordt zelden gebruikt omwille van de slechte
kwaliteit van de opgewekte sinusgolven. Enkel wanneer zeer grote vermogens nodig
zijn (enkele tientallen megawatt en meer), ofwel wanneer de lage kostprijs zijn
onvolmaaktheden doet vergeten. Daarnaast is er ook een toepassing bij lagere
vermogens, zoals lichtdimmers, zuigkrachtregelingen in stofzuigers, toerentalregeling
van boormachines (niet bij accu-boormachines) en discolichtsturingen, die gebruik
maakt van triacs.
Bijlage 2: Lorentzkracht
In de natuurkunde is de lorentzkracht de kracht die wordt uitgeoefend op een
geladen deeltje in een elektromagnetisch veld.
Om de richting van de lorentzkracht te bepalen geldt de linkerhandregel. Houdt men
de gestrekte linkerhand zo, dat de veldlijnen langs de palm intreden en dat de
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 14 -
Wisselstroommotoren
vingertoppen gericht zijn volgens de stroomzin, dan wijst de gestrekte duim de zin
aan van de beweegkracht.
Men draait eenvoudig een kurkentrekker van naar . De kurkentrekker gaat dan
vooruit de fles in. Dit is de richting van
.
We zien dus dat een positief geladen deeltje in dezelfde richting als het elektrisch
veld (E) versneld zal worden door de term
, maar loodrecht zal afbuigen ten
opzichte van het magnetisch veld (B) volgens de kurkentrekkerregel door de term
.
Als je een draad in een magnetisch veld plaatst, ondervindt deze draad ook een
lorentzkracht( of soms ook wel Laplacekracht genoemd). Deze hangt af van de
sterkte van het magnetisch veld waarin het zich bevindt, de stroomsterkte in de
stroomdraad en de lengte van de draad. De formule luidt dan in vectorvorm:
met B in Tesla, I in Ampère, l in meter
Voor de grootte van de kracht geldt
met de hoek tussen I en B.
Als zich meerdere windingen binnen het magnetisch veld bevinden, wordt de kracht
er evenredig mee vermenigvuldigd.
met n het aantal windingen. Voor de grootte van de kracht geldt
Onder andere met de derde rechterhandregel, kan men de richting van deze kracht
bepalen. Deze luidt als volgt: met de duim de richting van de stroom en met de vier
overige vingers de richting van het magnetisch veld. Je handpalm vertelt je dan de
richting (zie afbeelding hieronder).
Of weer eenvoudigweg: men draait een kurkentrekker van naar . De
kurkentrekker gaat dan vooruit de fles in. Dit is de richting van
.
Bijlage 3: Wet van Lenz
De wet van Lenz is een bijzonder geval van de wet van Faraday en stelt dat iedere
magnetische fluxverandering wordt tegengewerkt door een geïnduceerde elektrische
spanning volgens
hierin is Uind de opgewekte elektrische spanning in volt, Φ de magnetische flux in
Weber, N het aantal windingen van de spoel, t de tijd in seconden
www.ffxs.nl/diy-elektro
- 15 -
Wisselstroommotoren