Document

Waarom kooianker motor?
•
•
•
•
•
•
april 2016
(Asynchrone wisselstroom)
goedkoop
Geen elektrische verbinding met rotor
Robuust
Geen onderhoud
3 fase AC
Stator kooianker motor
april 2016
Rotor kooianker motor
•
april 2016
Werkingsprincipe (1) :geleider
beweegt
• Faraday law of induced voltage in
Conductor moves wit respect to magnetic field
 Wet Faraday : geinduceerde spanning in geleider indien de
geleider beweegt t.o.v. magnetisch veld
geinduceerde spanning -> stroom I
 Lorentz kracht : kracht op geleider met stroom I
april 2016
Werkingsprincipe (2) : magneten
bewegen t.o.v. geleider
muur
geleider wil in zelfde richting bewegen
NB! Er is alleen een kracht als er een verschil van
snelheid is tussen geleider en magneten
april 2016
Opwekking van draaiveld
• 3 wikkelingen
• 3-phase systeem
aangesloten op
wikkelingen 1,2,3
1
2
1
3
3
april 2016
2
Set up in de praktijk
 3 gelijke windingen 120° t.o.v
elkaar verschoven in luchtspeet
 3 wikkelingen zijn aangesloten
aan 3 phase system
a
april 2016
b
c
Opwekking draaiveld(2-poles)
april 2016
Synchrone snelheid
120  f
ns 
(t / min .)
p
4  f
s 
(radialen / sec .)
p
ns ,  s synchrone snelheid


NB! Snelheid n van as is lager dan ns vanwege slip!
p = aantal polen
april 2016
april 2016
Table : aantal polen en
synchrone snelheid
F = 50 Hz
October 2010
F = 60 Hz
p
ns (rpm)
p
ns (rpm)
2
3000
2
3600
4
1500
4
1800
6
1000
6
1200
8
750
8
900
10
600
10
720
12
500
12
600
Mechatronics
13-10
Starten kooianker motor
• 3-phase spanning => draaiveld
synchrone snelheid ns= = rotatiesnelheid draaiveld
• Wisselspanning geinduceerd in geleiders van rotor
(rotor staven)
• Rotor geleiders zijn kortgesloten => grote stromen
• Geleiders met stroom in magneet veld => Lorentz
kracht (Koppel) op rotor staven
• Rotor begint te draaien in richting draaiveld.
• Bij toenemende snelheid van rotor vermindert de
stroom en de kracht op de staven van de rotor
• snelheid van rotor is altijd iets lager dan synchrone
snelheid
april 2016
Belaste Motor
• Belasting => motor vertraagd
• Slip =>inductiespanning -> stromen in
rotor staven
• Stromen => Koppel
• Last koppel = Motor Koppel  rotor
toerental
• Grote motoren :kleine slip bij volle
belasting (efficiency)
april 2016
Stator spanning (per fase)
^
U  4.44 Nf  mut
•
U : spanning in elke fase
N : aantal wikkelingen per fase
f : frequentie aangelegde spanning
Φmut : mutuele flux per fase
• Spanning is :
– Evenredig met frequency
– Toepassing : (frequentie omzetter)
april 2016
Slip
 s   ns  n
• Slip : s 

s
ns
120  f
ns 
(t / min .)
p
• Stilstand s = 1 (100%)
• Normal bedrijf bij nominale belasting :
kleine motoren s = 2 – 6 %
grote motoren s < 1%
• Geen belasting s = 0
april 2016•
KOPPEL-TOERENTAL
KARAKTERISTIEK
Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel
Tfull load : Tem,nom nominale koppel
Tpull-up
: Tem,min minimale koppel
Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor
APRIL 2016
Aantal polen , slip
• Aantal polen
120. f
 1440 rpm
p
tabel    1500
120. f
 1500 rpm
p
120. f
p 
 4
1500
• Slip
n s  n 1500  1440
s

 0.04
ns
1500
april 2016
Koppel op de as
• Koppel op de as
2  n 2  1440


 150,8 rad
sec
60
60
Pas 20000
Pas  Tas  
 Tas 

 132,6 Nm
 150,8
april 2016
Verliezen in een AS motor
Stator
iron loss
Rotor
resistance
ventilation
internal +
external fan
april 2016
Stator
resistance
Bearing
friction
Vermogenbalans AS motor
april 2016
Verliezen
• IJzerverliezen
– Hysteresisverlies
– Wervelstroomverlies
• Koperverliezen
april 2016
Hysteresis
Eigenschappen magnetisch materiaal
april 2016
Wervelstroomverlies(Eddy currents)
2
Pw  c w  d f Btop
2
2
2
d : lameldikte
3
april 2016
4
Reductie van wervelstromen door
gelamelleerd magnetisch materiaal
•
Toerentalsturing AS motoren
- Door regeling klemspanning stator
- Door regeling frequentie stator
april 2016
Regeling Klemspanning stator
• Koppel T is evenredig met B2
- T= F.r
F  Irotor.B  
- Irotor = Urotor / R
Urotor  v  B  
 T evenredig met B2
april 2016
Regeling Klemspanning stator
• Koppel T is evenredig met (Ustator )2
1
Ustator  4.44 Nf  mut (boek : . 2 .2  4.44)
(boek2: (1/2).
^
φmut = B. A
 Ustator evenredig met B
koppel T evenredig met (Ustator )2
april 2016
april 2016
Regeling spanning door thyristor
Transformer
Electronic controller ( soft starter)
Regeling frequentie stator met
frequentie regelaar (omvormer)
• Voorwaarde :Topwaarde Φmut blijft
konstant of Ustator / fstator konstant
• Variabele frequentie met konstante flux
– Vorm van Koppel-toerental kromme
blijft dezelfde
– Koppel is hetzelfde als de slip hetzelfde is !
– Dalende frequentie  groter Koppel
april 2016
Koppel-toerental met
frequentieomvormer
april 2016
april 2016
Komplete Koppel-toerental
karakteristiek kooianker motor
Motor- , Generator- , Dissipatiebedrijf
• Motorbedrijf : toerental as is lager dan
synchrone snelheid , in zelfde richting als
draaiveld
• Generatorbedrijf : toerental as is hoger dan
synchrone snelheid , t.o.v. de rotor draait het
draaiveld andersom , geeinduceerde spanning en
stroom en Koppel ook .
• Dissipatiebedrijf : Rembedrijf :de as draait in
tegenovergestelde richting van het draaiveld
Komplete Koppel-toerental
karakteristiek kooianker motor
•
april 2016
KOPPEL TOERENTAL BIJ
VERSCHILLENDE FREQUENTIES
Herinner : U  4.44  N  f   max
APRIL 2016
april 2016
Kombinatie met stroom- toerental
Werkingsprincipe DC motor
Mei 2016
Wet van Lorentz
F  l.I .B
Mei 2016
Koppel DC motor:
. met commutator
Mei 2016
Werkingsprincipe DC motor
•
Mei 2016
WERKINGSPRINCIPE DC
MOTOR
• De stroom in elk commutator segment is een puls van 60
graden
• Na een halve omwenteling (180 ᵒ) verandert de stroom van
richting
• De 3 wikkelingen zijn als het ware aangestuurd door 3
fasige spanning waarbij de vorm van de spanning
rechthoekig is i.p.v. sinusoidaal
MEI 2016
Vervangen van commutator
door schakelaars
• Schakelaars controleren de stroom in de
wikkelingen A,B,C
Mei 2016
Wikkelingen op stator, magnetisch veld opgewekt
door rotor , elektronische schakelaars
•
Mei 2016
Toepassing DC formules : karakteristiek
Koppel-hoeksnelheid shunt motor
Pin  U klem  I r
Pem  Tem  
U mut  U klem  Rr I r
U mut  I r  Tem  
U mut  K em .
Tem  K em .I r
Tem  K em .(
U klem U mut
U
K .

)  K em .( klem  em )
Rr
Rr
Rr
Rr
Tem  U klem .
( K em ) 2
S
Rr
Mei 2016
K em
 S .
Rr
TECHNISCHE EN
BEDRIJFSMATIGE ANALYSE
Analyse mechanische last
•
•
•
•
Is belasting varierend of vrijwel constant
Is beweging lineair of roterend
Wat is de lastkarakteristiek , gevraagd vermogen
Wat is het gewenste regelgebied en eis van
nauwkeurigheid
Bedrijfsmatige analyse
• Kostprijs aandrijfsysteem
• Kosten onderhoud
• Rendement
• levensduur
• complexiteit
MEI 2016
41
ELEKTRISCHE VOEDING : AC
10 W <VERMOGENS < 800W
WAARBIJ SNELHEID +/- CONSTANT
•
•
•
•
•
•
Eénfasige Asynchrone motor
huishoudapparatuur :ventilator , pomp , wasmachine
draaiveld wordt gemaakt door hulpspoelen
toerental < 3000t/min
Tmax / Tnom =1.4
ɳ = 0.5-0.75
MEI 2016
42
KARAKTERISTIEK EÉNFASIGE ASYNCHRONE MOTOR
MEI 2016
43
ELEKTRISCHE VOEDING : AC
100 W <VERMOGENS < 1500W
VARIERENDE BELASTING
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Universeel motor
Huishoudelijke apparaten :stofzuiger,mixer
Elektrisch gereedschap :boormachine,slijpmachine
is een seriemotor die werkt op AC en DC
karakteristiek van DC seriemotor
bij 50 Hz verandert de stroom elke 10 ms
hoog toerental : 3000- 30000t/min
toentalregeling door spanningsregeling (triac)
Tmax / Tnom = 5
ɳ = 0.3 - 0.7
MEI 2016
44
Opwekking van magneetveld
DC motor
Mei 2016
1-45
TOERENTAL REGELING SERIEMOTOR DOOR
VERANDERING KLEMSPANNING U
MEI 2016
46
ELEKTRISCHE VOEDING : AC
VERMOGENS > 1.5 KW
VARIENDE BELASTING
•
•
•
•
•
•
•
•
AC Asynchrone 3 fase motor
aandrijvingen industrie
motor goedkoop
Toerentalregeling door frequentieregelaar
regelaar duur
toerental < 3000 t/min
Tmax / Tnom = 1.5-3
ɳ = 0.5 - 0.8
MEI 2016
47
KOPPEL-TOERENTAL KARAKTERISTIEK
Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel
Tfull load : Tem,nom nominale koppel
Tpull-up
: Tem,min minimale koppel
Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor
MEI 2016
48
ELEKTRISCHE VOEDING : DC
VERMOGENS < 100W
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PM motor zonder borstels of (met )
beperkt volume
randapparatuur computers,walkman , videoapparatuur
vrij goedkoop
PM motor is shunt motor
toerental : 2000 – 20000 t/min
toentalregeling door spanningsregeling (chopper)
Tmax / Tnom =6
ɳ = 0.4-0.8
MEI 2016
49
Opwekking van magneetveld
Mei 2016
1-50
SHUNT MOTOR
Vervangingsschema rotor
MEI 2016
51
PM MOTOR
Vervangingsschema rotor
MEI 2016
52
Toerentalregeling door
verandering klemspanning
Mei 2016
1-53
Chopper
•
d cyc 
t aan
tcyc
dcyc : dutycycle
U uit, gem  d cyc .U in
• PBS : pulsbreedtesturing (PWM)


Mei 2016
1/Δt cyc = constant : constante werkfrequentie
Enkel pulsbreedte Δt aan regelen
1-54
Data sheet
Mei 2016
1-55
ELEKTRISCHE VOEDING : DC
1000W>VERMOGENS > 100W
• PM motor met of zonder borstels
• AC asynchrone motor met driefasige invertor
• VERMOGENS > 1000 W
• PM motor zonder borstels (borstelloze DC motor)
• Elektrische scooters, elektrische auto’s
• ɳ >= 0.8
• AC asynchrone motor met driefasige invertor
• elektrische auto’s
• ɳ : zie 3-fasige AC asynchrone motor
MEI 2016
56
BORSTELLOZE DC MOTOR 1200W
MEI 2016
57
Invertor(principe)
Mei 2016
1-58
Voordeel Borstelloze <-> commutator DC motors
•
•
•
•
•
•
Mei 2016
Vermogengebied tot 15 kW
Groter koppel per gewicht,
Hoger rendement
Minder onderhoud
Geen vonken, (explosie proef)
Gunstigere thermische belasting
1-59
Nadeel Borstelloze <-> commutator DC motors
• Positiesignaal van rotor nodig (Hall
sensor )
• Electronica voor regelen statorstroom
is gecompliceerd en duur
Mei 2016
1-60
Data sheet Brushless motor
Mei 2016
1-61
Mei 2016
1-62
Stappenmotor
Mei 2016
1-63
Principe Stappenmotor
•
•
•
•
•
•
Mei 2016
Stator met 2 wikkelingen loodrecht op elkaar
2 magnetische circuits : A1 – A2 ; B1 – B2
L1 , L2 ,L3 , L4 na elkaar bekrachtigen(volstapbedrijf )  as draait 360
graden : staphoek 90 graden
L1 , L2 tegelijk … bekrachtigen(halfstapbedrijf )
staphoek : 45 graden
Aantal pulsen naar respectievelijke windingen bepaalt positie van rotor
Verkleining staphoek door meer wikkelingen op stator ,meer polen op
rotor
1-64
Stappenmotor <---> DC servomotor
• Stappenmotor
– heeft laag rendement
– positioneringen in het kleinere werk: positioneertafel , kop besturing
printers ,diskdrives
– goedkoper dan DC servomotor
– geen feedback regeling nodig -->aantal pulsen bepaalt positie van
rotor .
– nauwkeurigheid afhankelijk van stapgrootte
– Onbekrachtigd is er een koppel (kleefkoppel ) mogelijk
• DC servomotor :
– positioneringen met meer kracht : grote robots , freesbanken
– Feedback regeling voor controle van positie
Mei 2016
1-65
Thermische belasting
elektrische machines
•
verliezen elektrische machines
– Pverl = Pnul + R I2
– Pnul : wrijving + ijzerverliezen
– R I2 : koperverliezen
Mei 2016
1-66
Hysteresis verlies
• Verlies evenredig
met oppervlakte
• Verlies evenredig
met frequentie f
Ph  c h  f  Btop
Mei 2016
1, 6
1-67
Berekening wervelstroomverlies
•
Mei 2016
Pw  c w  d f Btop
d : lameldikte
2
2
2
1-68
Isolatiemateriaal ,
levensduurverwachting
• Elektrische en mechanische eigenschappen
gaan niet achteruit indien Tisolatie<= Tmax
– Levensduur 7 jaar ( dagelijkse belasting 8
uur)
• Isolatieklasse
A : katoen, papier
B: glasvezel, draadlak
H: siliconenhars
Mei 2016
1-69
Temperatuurverhoging en
isolatieklassen
• Temperatuurverhoging ϴ :
verschil tussen “hot spot”en
buitentemperatuur : 40°C
ϴ = Tvoorwerp – 40 °C
– sensoren in de wikkeling
– Meting van de elektrische weerstand van de
wikkeling
• In onze streken levensduur > 7 jaar
(20000 uur)
Mei 2016
1-70
Levensduur
•
Mei 2016
1-71
Berekening temperatuurverhoging
Temperatuurverhoging als functie van tijd :
– Pverl.dt = m . cth . dϴ + αth .A.ϴ.dt [J]
• Pverl .dt : ontwikkelde warmte in dt
• m . cth . dϴ : warmte opgeslagen in massa van
motor
• αth .A.ϴ.dt : warmte afgestaan aan omgeving in
dt
– Differentiaal vergelijking :
Pverl  Cth .
Mei 2016
d 
1
d


( th .
 )
dt Rth Rth
dt
1-72
Berekening temperatuurverhoging
t  0 begintempv erhoging : 0 degr K
•
  Pverl .Rth (1  e t / )   t   (1  e t / )
th
th
 klas   t    Pverl .Rth bij eindtemp
t  0 begintempv erhoging : t 0 degr K
  t 0  ( t     t 0 ).(1  e t / th )
Mei 2016
1-73
Berekening toelaatbare
overbelastingstijd
•
Mei 2016
Pverl1
t1   th ln
Pverl1  Pverl nom
1-74
Toelaatbare overbelasting
elektrische machines
•
Mei 2016
1-75
Toelaatbare overbelasting
• Voorbeeld : toelaatbare overbelasting
• PM motor :
• Klemspanning is 72 V DC
• Rr = 2,5 Ω : rotorweerstand
• Ir,nom = 5 A
• Pnul = 20 W
• thermische tijdsconstante = 40 minuten
• Vraag : De maksimale tijd dat motor mag overbelast
worden om koppel te leveren dat tweemaal zo hoog
is ( Ir = 10 A)
Mei 2016
1-76