InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > AC-elektromotor

AC-elektromotor

AC-elektromotor In industriële toepassingen worden verschillende typen elektromotoren gebruikt. Een AC-motor, of inductiemotor, werkt op wisselspanning (AC), en wordt ook wel het werkpaard van de industrie genoemd . In de rotor, het draaiende gedeelte, wordt gebruikt gemaakt van inductie. Daarom gebruikt de motor geen sleepcontacten en is deze minder slijtagegevoelig dan een DC-motor. De eerste inductiemotor werd uitgevonden door Nikola Tesla in 1888.

Elektromotoren en hun toepassingen

Veel industriële installaties en toepassingen worden aangedreven door elektromotoren. Er zijn verschillende soorten motoren in gebruik, de AC-motor of inductiemotor is een veel gebruikte krachtbron. Vermogenselektronica wordt gebruikt om de draaisnelheid van een motor te variëren, systemen die AC-motoren aansturen (zoals 'converters') kunnen worden verdeeld in twee categorieën:
  1. Instelbare-snelheidbesturing (compressoren, pompen, etc.)
  2. Servobesturing (instelbare snelheid en positie, industriële installaties en robots)

-fig 1- / Bron: Tronic-fig 1- / Bron: Tronic

AC-elektromotor

Een AC-elektromotor maakt gebruik van wisselspanning om een wisselend magneetveld Bs op te wekken, dit wisselend magneetveld wordt gemaakt in de stator, het niet-draaiende gedeelte van de motor. Het draaiende gedeelte heet de rotor. Het niet nodig om de rotor elektrisch te verbinden met een wisselspanning, bijvoorbeeld via sleepcontacten (zoals bij een DC-motor).

De rotor bestaat uit gewonden gesloten stroomkringen (spoelen). Het draaiende statorveld Bs wekt in een stroomkring een inductiespanning en inductiestroom (ir) op. Zo ontstaat een koppel (twee krachten in rotatierichting), waardoor de rotor in een draaiende beweging blijft, de rotor gaat Bs 'achterna'.
De rotor is niet via sleepcontacten verbonden met een spanningsbron, dat maakt de motor robuust.

-fig 2-<BR>
(klik voor vergroting) / Bron: Tronic-fig 2-
(klik voor vergroting) / Bron: Tronic
De meerderheid van de AC-motoren maakt gebruik van een driefasenspanning die het magneetveld in de stator aanstuurt. De stator bestaat uit drie paar (of meer) elektromagneten die onderling 120 graden ten opzichte van elkaar zijn opgesteld. De rotor bestaat uit een kooi-achtige structuur van spoelen, die allemaal een gesloten stroomkring vormen.

Inductie
Wanneer in een stroomdraad een veranderende magnetische flux Φ optreedt zal een (inductie)spanning Ui in de draad worden opgewekt:
  • Ui = - d/dt(Φ)

De stator bestaat uit meerdere (magneet) poolparen p; elke elektromagneet in de stator heeft een noord- en een zuidpool. Als de driefasenspanning een frequentie f (of hoeksnelheid ω=2πf) heeft, dan zeggen we de veranderende flux Φag(t) heeft een synchrone frequentie ωs
  • ωs = (2/p) ω
  • Φag(t) = Φag sin(ωs t)

Φag staat voor air gap flux, het gebied tussen rotor en stator noemt men air gap. De air gap flux wekt in de statorwindingen (Ns) een tegenspanning op ter grootte van:
  • (1) E ag = Ns * d/dt(Φag) = Ns * ωs * cos(ωs t) = k1 * f * Φag, (k1 = constante)


-fig 3- / Bron: Tronic-fig 3- / Bron: Tronic
Het elektrische model van de motor is afgebeeld in figuur 3. Ingangspanning Us bepaalt de spanning over de stator. De statorstroom Is levert (direct) een magneetveld en een tegenspanning E ag in de spoel Lm. Het resterende deel van deze stroom wekt (indirect) in de rotor de rotorstroom Ir op. De rotor wordt gemodelleerd als een serie-inductie Lr en een serieweerstand Rr. Stel de rotor gaat draaien met hoeksnelheid ωr. De rotor 'ziet' dan niet een veranderende flux met frequentie ωs, maar met de frequentie (ωs - ωr). Dit frequentieverschil noemt men de slip s.

  • s = ((ωs - ωr) / ωs) * 100%

De inductiespanning in de rotor kan worden uitgedrukt als functie van de slip:
  • (2) Er = Rr Ir + j (s*ωs + ωr) Lr Ir


-fig4- / Bron: Tronic-fig4- / Bron: Tronic
Koppel
De kracht die de rotor in beweging zet is een gevolg van de stroom door de rotor Ir en de magnetische flux Φag. De elektromagnetische theorie stelt dat het koppel T het vector-uitproduct is van de flux en de stroom door de rotor Ir.
  • (3) T = Φag x Ir = k2 * Φag * Ir * sin(δ)

Uitdrukkingen (1, …, 3) gebruiken we om het gedrag van een inductiemotor te bepalen. De totale stroom Is (statorstroom) is de som van Ir en Im. De hoek δ stelt het faseverschil tussen E ag en de stroom Ir voor. De fase van het statorveld is gelijk aan de fase van de stroom door Lm, de fase van de stroom Ir is afhankelijk van de slipfrequentie ωs, dit wordt uitgedrukt in (2).

Grote slip
Stel de slip is groot (de rotor moet een relatief hoge statorfrequentie halen). Uit (2) volgt dat in dat geval de term (j ωs Lr Ir) meer invloed krijgt. De inductiespanning in de rotor is groot, want de veranderende flux is groot. In de rotor gaat een grotere stroom lopen, dit houdt in:
  • de stroom door de rotor wordt inductiever; en hoek δ wordt groter,
  • de totale stroom Is = Im + Ir, en het geleverde koppel T worden groter,
  • bij een grote stroom Is zal, vanwege het spanningsverlies over Rs, flux Φag afnemen.

Kleine slip
Als de slip klein is, is de inductieve term (j ωs Lr Ir) verwaarloosbaar, de rotorstroom Ir loopt in de pas met E ag; de getrokken stroom en het geleverde koppel zijn laag. Daarnaast zal Φag constant blijven, wat een gewenste situatie is, de rotorsnelheid kan zich aanpassen aan de statorsnelheid.
-fig 5- / Bron: Tronic-fig 5- / Bron: Tronic

Aansturing

In figuur 5 is de vereiste stroom en het geleverde koppel als functie van de rotorsnelheid afgebeeld. We willen graag vanuit de begintoestand (ωr = 0) het gewenste koppel (afhankelijk van de belasting) en een zekere snelheid ωr halen. Uiterst rechts in de grafiek is de rotorsnelheid bijna gelijk aan de statorsnelheid (kleine slip), in dat gebied is er bijna een lineair verband tussen ωr en het koppel T. De nominale snelheid (ω nom) en het nominale koppel (Tnom) geven het normale werkgebied van de motor aan.

Toename van de draaisnelheid
Wanneer vanaf ωr = 0 de statorsnelheid ingesteld wordt op een gewenste snelheid in de buurt van de nominale snelheid, dan kan de vereiste stroom wel vijf à zes maal de nominale stroom zijn. Dit is een ongewenste situatie omdat een dermate grote stroom misschien niet geleverd kan worden en onderdelen van het systeem kapot kan maken.
De frequentie van de stator moet stapsgewijs omhoog gebracht worden. De slip is dan in alle gevallen relatief klein, en de rotorsnelheid zal zich telkens aanpassen aan de statorsnelheid, totdat de gewenste eindsnelheid bereikt is. In combinatie met de trapsgewijze statorfrequentie, moet ook de ingangspanning Us stapsgewijs worden vergroot. Op deze manier zorgen we ervoor dat Φag constant blijft (en we dus niet in het verboden gebied terecht komen). Voorwaarde is dat het geleverde koppel telkens groter is, dan de belasting op dat moment vraagt.

Afremmen van de motor
Wanneer een AC-motor afremt, levert het energie terug aan de voeding. Dit betekent dat de motor bij afremmen als een generator (dynamo) werkt; de opgeslagen draaiingsenergie wordt omgezet in een stroom die richting de circuits stroomt die de motor aansturen. Daarom moet de elektronica die voor de aansturing zorgt – converters – in twee kwadranten kunnen werken: energie leveren en energie ontvangen.
© 2017 Tronic, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Elektromotoren (gelijkstroom-, synchroon- & universeelmotor)Elektromotoren zijn motoren die elektrische energie omzet in mechanische energie, hoe dit precies werkt zal in dit artik…
DC-elektromotorDC-elektromotorDC-elektromotoren worden overal toegepast: in onze huishoudens, op industrieel gebied, in de transportsector (aandrijvin…
De Hybride MotorSteeds meer mensen kiezen voor een zuinige hybride auto. Deze wordt aangedreven door een zuinige hybride motor. Deze mot…
Concept Cars - Renault Kangoo Be Bop ZEIn 2011 wil Renault haar eerste elektrisch aangedreven auto op de markt introduceren. Een voorloper van dit model is ech…
Honda Civic HybridDe Civic Hybrid is een van de zuinigste auto’s in omloop. Dit model is in 2006 op de markt gebracht en is een van de wei…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Tronic
  • Electric Machinery, thrid edition, Fitzgerald, Kingsley, Kusko
  • Power electronics, third edition, Mohan, Undeland, Robbins
  • JMesserly / Wikimedia Commons
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic
  • Afbeelding bron 5: Tronic

Reageer op het artikel "AC-elektromotor"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Tronic
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 9
Schrijf mee!