Driefasige asynchrone motor

Van Wikipedia

De driefasen asynchrone motor of driefasen inductiemotor is een asynchrone elektromotor, gevoed door een 3-fasenwisselspanningssysteem. De motor wordt ook wel draaistroommotor of borstelloze motor genoemd. Een groot voordeel van dit type elektromotor is de onderhoudsvrije (geen koolborstels en commutator of collector) en compacte constructie. Asynchrone motoren worden overal toegepast in de aandrijftechniek een ook bij zware machines en tractie-installaties van treinen, trams, metro's en trolleybussen. Door hun aanloopgedrag (hoge aanloopstroom tot ca. 6 à 8 x nominaal) moeten hier dan wel speciale aanloopschakelingen worden toegepast (aanlooptransformatoren, frequentieregelaars, ster-driehoekschakelingen). Ook in het huishouden en de hobbysfeer kom je ze tegen: wasmachines en zelfs bij modelvliegtuigen. In het geval van wasmachines wordt gebruikgemaakt van enkelfase asynchrone motoren. Deze motoren bevatten twee al of niet identieke wikkelingen. Een met één wikkeling in serie geschakelde condensator wordt gebruikt om een faseverschuiving te veroorzaken wat een draaiveld oplevert. 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 (SRA-motor) of sleepringrotormotor.

Inhoud 1 Stator 2 Rotor 3 Slip 4 Motorbedrijf 5 Generatorbedrijf 6 Toerental

[bewerk] Stator

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 ster-driehoekautomaat.

[bewerk] Rotor

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.

[bewerk] Slip

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, a-synchrone=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% )
met:
g = slip in facor of %
nr = toerental rotor in omw/min
ns = toerental stator in omw/min

[bewerk] Motorbedrijf

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:

[bewerk] Generatorbedrijf

Bij het remmen draait het draaiveld langzamer dan de rotor. 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.

[bewerk] Toerental

Het toerental van een draaistroommotor wordt (bij motorbedrijf) bepaald door de frequentie van de 3-fasen wisselspanning. Met een frequentieregelaar kan, binnen zekere grenzen, elke gewenste frequentie 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 een bij een even sterk magneetveld minder statorijzer nodig is.

Het polental is uiteraard steeds even (een noordpool kan niet zonder zuidpool). Veel voorkomende (synchrone)toerentallen zijn 3000 per minuut (twee polig), 1500 per minuut (vierpolig), 1000 (zespolig) enz....(op basis van 50 Hz.)

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 het werktuig verlangt een ander toerental. Wel of niet door het proces vereist of verlangt. De toerental van de elektromotor kan door de volgende wijze aangepast worden:

1. d.m.v. mechanische optie's
   1. door het toerental aan te passen d.m.v. een v-snaar. Op de motor en werktuig wordt een poulli gemonteerd. Door de diameter verhouding tussen motor en werktuig kan het toerental aangepast worden,
   2. door het gebruik te maken van een tandwielkast. De verhouding van de tandwielen bepaalt uiteindelijk het uitgaande toerental
2. d.m.v. conventionel elektrische optie's
   1. 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.
   2. Door het gebruik van een Dahlander-wikkeling. Dit is een wikkeling, die ook twee-toerentallen tot stand brengt, echter alleen mogelijk is met een toerental verhouding van 1:2. In dit geval is ook een grotere motorbehuizing nodig,
   3. er is nog een mogelijkheid tot drietoerentallen. In dit geval wordt er naast de Dahlanderwikkeling, nog een derde wikkeling ingevoegd.
3. d.m.v 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 welke in alle voorgaande gevallen niet mogelijk is. Die traplozen toerental regeling wordt gedaan d.m.v. een frequentieregelaar.

Niet alle toerentallen worden geregeld met een frequentieregelaar, dit zou erg duur uitvallen. Een Dahlandermotor is een motor met twee snelheden die zich verhouden als 1/2. Hier wordt een speciale wikkeling toegepast die over meerdere pooltallen wordt verdeeld en door middel van naar buiten uitgevoerde aftakkingen in de wikkeling kan worden gebruikt met 2 toerentallen. De treinstellen van het type VIRM van de Nederlandse Spoorwegen worden aangedreven door asynchrone draaistroommotoren, waarbij het toerental wordt afgeregeld door middel van frequentieregelaars.

{{{afb_links}}}	Motoren	{{{afb_rechts}}}	{{{afb_groot}}}
draaistroom | verbrandingsmotor | straalmotor | wankel | draaischijf | zuigermotor | diesel | dubbelzuiger | 2-takt | 4-takt | lijn | U-motor | V-motor | V-twin | L-twin | W-motor | kopklep | zijklep | schuivenmotor | ster | bayern | boxer | H-motor | inbouwmotor | K-motor | clip-on | hulp | zijboord | naaf | MR layout | FR layout | Lineaire inductiemotor (LIM)