Draaistroommotor

1 Draaistroom

Om uit te leggen hoe een kortsluitankermotor werkt, bekijken we eerst het ontstaan van draaistroom. Figuur 2 is een tekening van een dynamo of generator.

In de generator zit een spoelenpaar met daarbinnen een permanente magneet. De magneet draait rond en zal in de spoel een spanning opwekken. De opgewekte spanning is sinusvormig. Zie figuur 3.

In figuur 4 is nogmaals een eenvoudige wisselstroomgenerator afgebeeld. Laten we afspreken dat telkens wanneer de noordpool van de magneet voorbij komt de generator een plus afgeeft. Des te sterker het veld is, des te hoger is de uitgangsspanning van de generator. In figuur 4 laten we de magneet rechtsom draaien. Vanuit de beginsituatie wekt de generator geen spanning op. Bij het draaien gaat de noordpool van de magneet naar de bovenkant van de spoel, die daardoor steeds meer magnetisch wordt en daardoor een steeds hogere spanning opwekt.

Draait de magneet verder dan wordt zijn invloed weer minder en neemt de uitgangsspanning weer af. Als de magneet 180° gedraaid is en dus een halve omwenteling achter de rug heeft, is de uitgangsspanning gedaald tot 0 V. Draait de magneet verder dan gaat de noordpool naar beneden waardoor de onderkant van de spoel plus wordt. Tegelijkertijd zorgt de zuidpool ervoor dat de bovenkant van de spoel negatief wordt. Het resultaat is een wisselspanning die echter om de accu te kunnen laden wel moet worden gelijkgericht. Let wel, er is hier sprake van een enkelfasige wisselspanning (zie figuur 3).

In de praktijk werken we met een driefase generator. Het basisprincipe hiervan treft u in figuur 5 aan. De generator bestaat nu niet uit twee halve spoelen zoals in figuur 2, maar uit zes halve spoelen die eigenlijk drie generators vormen. Doordat de magneet ronddraait, worden de spoelen achter elkaar van magnetische energie voorzien met als gevolg dat er drie wisselspanningen worden opgewekt. In figuur 5 staan de spanningen zoals die door de spoelen van de fasen L1, L2 en L3 worden afgegeven wanneer de magneet ronddraait. In dit figuur is tevens aangegeven wanneer de magneet een omwenteling heeft gemaakt.

In figuur 6 treft u de spanningsvormen van de drie spoelparen in één figuur aan. De fasen zijn onderling 120° ten opzichte van elkaar verschoven. Tevens is in dit figuur aangegeven hoe de spoelen zijn opgesteld en onderling doorverbonden bij een driefase generator. Hierbij staan de spoelencombinaties in ster geschakeld. Ten opzichte van de nul wordt drie keer 230 V geleverd. De waarde van de spanning en de polariteit zijn echter niet gelijk. Dit betekent dat tussen twee fasen een hogere spanning dan 230 V kan ontstaan. In figuur 6 is dit te zien aan Uyl tussen L1 en L3. Op deze wijze ontstaat 400 V krachtstroom.

2 Het principe van de synchrone draaistroommotor

Voor het principe van de synchrone draaistroommotor maken we weer gebruik van de generator van figuur 6. In figuur 7 staat nogmaals de generator, maar in een wat vereenvoudigde vorm. De spoelen zijn enkel getekend, terwijl de bijbehorende achterkant is weggelaten.

In figuur 7 wordt de generator rechtsom aangedreven, zal eerst L1 maximaal positief zijn. Hierna wordt L2 positief gevolgd door L3. Na één omwenteling van de generator-as wordt L1 weer maximaal positief. Sluiten we deze spanning aan op een draaistroommotor dan zal deze gaan draaien, omdat de spoelen na elkaar een noordpool vormen. Dit type motor draait exact met het veld mee.
We gaan nu nog eens stap voor stap na hoe de draaiende beweging van de motor ontstaat. Op de spoelen van de motor zijn de verschillende fasen (L1, L2 en L3) aangesloten. Het draaiend gedeelte van een motor wordt een rotor genoemd. In dit geval is de permanente magneet de rotor. Bij de uitleg gebruiken we de figuren 8, 9, 10 en 11.

Op het tijdstip tl in figuur 8 is fase L1 maximaal positief en de beide fasen L2 en L3 een beetje negatief. Spoel a waarop de positieve L1 is aangesloten, vormt een noordpool en de spoelen b en c waarop respectievelijk de negatieve fasen L2 en L3 zijn aangesloten, vormen beide een zuidpool. Twee tegengestelde polen trekken elkaar aan. De permanente magneet van de rotor zal dus in deze stand blijven staan. Zie figuur 9.
Op tijdstip t2 is spoel a veranderd in een zuidpool (L1 wordt negatief) en spoel b in een noordpool. Spoel c blijft een zuidpool. De zuidpool van de rotormagneet wordt nu door spoel a afgestoten en door spoel b aangetrokken. Zie figuur 10. Op tijdstip t3 is L3 positief. Nu is spoel c een noordpool en de spoelen a en b een zuidpool. De permanente magneet van de rotor wordt nu door spoel b afgestoten en door spoel c aangetrokken. Zie figuur 11.
Uit het voorgaande volgt dat drie spoelen, aangesloten op een draaistroomnet, een draaiend magnetisch veld opbouwen. Dit magnetisch veld is het zogenaamde draaiveld. De spoelen vormen het niet bewegende gedeelte van de motor, ook wel stator genoemd.

3 De kortsluitankermotor of asynchrone draaistroommotor

In de praktijk wordt voor grotere motoren geen gebruik gemaakt van een permanente magneet als anker, maar een spoel. Figuur 12 is zo’n motor.

De ankerspoel is eenvoudig kortgesloten. Doordat er een wisselend magnetisch veld om de ankerspoel ontstaat, zal in de ankerspoel een wisselstroom worden opgewekt. Deze stroom zorgt ervoor, dat het anker zich als een elektromagneet gaat gedragen. Het anker zal ‘achter’ het veld aan gaan lopen. Als het veld 3000 omwentelingen per minuut maakt, zal het anker even snel als het veld willen gaan draaien. Ten opzichte van elkaar zal het magnetisch veld dan niet meer wisselen. Er wordt dan geen stroom meer opgewekt in het anker. Het anker zal dus langzamer gaan draaien. Daardoor ontstaat er toch weer een stroom in het anker. Het anker blijft dus draaien. Het toerental ligt echter lager dan het toerental van het draaiende veld. Het verschil tussen beide toerentallen wordt slip genoemd. In de praktijk ligt de slip tussen de 4% en de 8%. Een kortsluitankermotor maakt ongeveer 2850 omwentelingen per minuut. Deze motoren worden ook wel asynchrone motoren genoemd.

4 Tegen-EMK

Ook in een kortsluitankermotor wordt een tegen-EMK opgewekt, net zo als bij de gelijkstroommotor. Het anker draait rond en zal een spanning opwekken in de veldspoelen. Deze spanning is tegengesteld aan de aangelegde spanning. De stroom door de veldspoelen zal dan kleiner zijn. Als de motor wordt ingeschakeld, staat het anker nog stil. Er is dan geen tegen-EMK. De stroom door de veldspoelen is dan groot. Naarmate het toerental stijgt, zal de stroom afnemen. In de praktijk is de aanloopstroom, of inschakelstroom ongeveer 6 maal de stroom bij een normale belasting.

5 Het anker in de praktijk

In de praktijk is het anker van een kortsluitankermotor geen spoel met veel windingen. Figuur 13 is een opengewerkte kortsluitankermotor waarvan het anker goed te zien is.

Figuur 13: Opengewerkte kortsluitankermotor

Het anker is opgebouwd uit een blikpakket waarin gaten zijn gemaakt. In figuur 14 ziet het anker en in figuur 15 een doorsnede.

Figuur 14: Kortsluitanker	Figuur 15: Doorsnede anker

In zo’n pakket worden door middel van een persgiet-procédé aluminium staven aangebracht. De staven gaan aan weerszijden over in zogenaamde kortsluitringen. Staven en ringen vormen samen een kooi en zijn één geheel met het blikpakket. Vandaar de naam kooirotor of kooianker. Aan de kortsluitringen ontleent deze motor de naam kortsluitanker-motor, afgekort tot KA-motor. Wanneer er twee kooien binnen elkaar zijn aangebracht, spreken we van een dubbelkooirotor ofwel speciaal kortsluitanker, afgekort tot SKA-motor. Zie figuur 14.

6 Omkeren van de draairichting

De draairichting van een kortsluitankermotor wordt bepaald door de draairichting van het veld. Als de aansluitingen van twee van de spoelen worden omgedraaid, zal het veld van draairichting wisselen. Het anker draait dan natuurlijk ook de andere kant op.

7 Meerpolige motoren

De motor van figuur 16 bezit één stel spoelen (is één poolpaar) en is aangesloten op een draaistroornnet. Dit net is hier voor de duidelijkheid voorgesteld als een generator.

De generator wordt aangedreven door een motor of een turbine. Het toerental van de motor is exact 3000 toeren per minuut. De as van de generator draait dan precies 50 keer per seconde rond. Dit betekent dat de fasen L1, L2 en L3 na elkaar 50 keer per seconde positief worden. De motor krijgt deze spanning aangeboden. Hierdoor vormen de spoelen na elkaar een noordpool. De rotor van de motor wordt daardoor meegenomen en draait zodoende ook 50 keer per seconde of 3000 keer per minuut, In werkelijkheid zal er afhankelijk van de belasting enige achterstand van de rotor optreden (slip) zodat in de praktijk het toerental tussen de 2800 en 2950 zal liggen.

In figuur 17 is dezelfde motor uitgevoerd met een dubbel stel spoelen (twee poolparen) die gelijktijdig door dezelfde generator gevoedt worden.

Als de generator nu een hele omwenteling maakt, draait de rotor van de motor (zonder slip) slechts een halve omwenteling. Dit komt omdat deze alleen door de eerste drie spoelen wordt meegenomen. Pas bij de tweede omwenteling trekt het tweede groepje spoelen de rotor verder. Draait de generator 3000 toeren dan draait een hierop aangesloten tweepolige motor slechts 1500 toeren. De oorzaak hiervan ligt in het feit dat alle spoelen één keer aan de rotor trekken. In werkelijkheid zal ook hier afhankelijk van de belasting enige slip ontstaan, waardoor het toerental van een tweepolige motor tussen de 1400 en 1490 toeren komt te liggen.

Er zijn ook motoren te koop met drie of vier stel spoelen (drie of vier poolparen). Zie figuur 18. Motoren met nog meer polen komen zelden voor.

In de onderstaande tabel staat het toerental van een motor met verschillend aantal poolparen.

In de praktijk zijn bij meerpolige motoren de onderlinge verbindingen van de spoelen reeds inwendig al gemaakt. Voor het aansluiten van de motor lijkt het alsof de motor maar één poolpaar heeft.

8 Toerental van een draaistroommotor

Een draaistroommotor bezit een ‘vast’ toerental. Het woord vast staat tussen aanhalingstekens, omdat de slip het uiteindelijke toerental van de motor bepaalt. Het aantal toeren dat een draaistroommotor per minuut maakt is standaard 3000, 1500, 1000 of 750. Hierbij is met de slip uiteraard geen rekening gehouden. Het toerental hangt dus van twee factoren af:

• frequentie van de wisselstroom
• aantal poolparen

De stator van de motor van de figuren 9, 10 en 11 heeft drie spoelen. Doordat de spoelen zijn aangesloten op het driefasennet zorgen zij voor één noordpool en één zuidpool in de motor. In dat geval wordt gesproken van twee polen, dus één poolpaar.
De frequentie van de wisselstroom is in Nederland 50 Hz. Een draaistroommotor uitgevoerd met één poolpaar heeft bij 50 Hz een toerental van 3000 0mw/min. Daarvoor geldt de volgende formule:

Wanneer de fasen L1, L2 en L3 zijn aangesloten op twee spoelen in de stator, is er sprake van twee poolparen. Bij drie poolparen is ieder van de fasen op drie spoelen aangesloten. De frequentie van het centrale voedingsnet in Nederland is 50 Hz. Het toerental van een draaistroommotor in

Nederland is, afhankelijk van het aantal poolparen, dan ook altijd 3000, 1500,1000 of 750 omw/min.
Uit de formule blijkt dat het draaiveld-toerental van een draaistroommotor alleen veranderd kan worden door een wijziging van de frequentie of van het aantal poolparen. Voor een motor met een variabel toerental kunt u dus kiezen uit bovenstaande twee mogelijkheden. Kiest u voor verandering van het aantal poolparen dan staat het toerental vast en de keuze is beperkt. Bovendien is een speciale pool-omschakelbare motor nodig.

Conclusie: Daarom wordt vaak gekozen voor een frequentieregelaar om een variabel toerental te krijgen.

Meer Motoren

(bron: ROVC)