Basisprincipes Elektromotoren

Dit tekstfragment behandelt de basisprincipes van elektromotoren, hun werking, en verschillende aspecten die van invloed zijn op hun prestaties. Hier is een samenvatting van de belangrijkste punten:

1. Wat is een elektromotor?

Een elektromotor is een apparaat dat elektrische energie omzet in mechanische energie. Het omgekeerde proces, de productie van elektrische energie uit mechanische energie, wordt uitgevoerd door een generator. Elektromotoren moeten aan verschillende eisen voldoen, zoals robuustheid, betrouwbaarheid, energie-efficiëntie, en prijs, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende types elektromotoren.

2. Basiscomponenten van een elektromotor

De belangrijkste onderdelen van roterende elektromotoren zijn:

Stator: Het stilstaande deel van de motor met wikkelingen van elektrische draad die een magnetisch veld genereren.
Rotor: Het roterende deel dat op de motoras is gemonteerd en waar de elektromagnetische kracht op werkt. In sommige motoren is de rotor extern geplaatst, bijvoorbeeld bij ventilatoren.

3. Vermogen en koppel

Het vermogen van een elektromotor wordt gemeten in kilowatt (kW) of paardenkracht (pk). De motor moet voldoen aan standaarden voor vermogen, afhankelijk van de toepassing.
Koppel verwijst naar de rotatiekrachten die de motor op de as uitoefent. Het vermogen (P) is gerelateerd aan het koppel (T) en het toerental (n) volgens de formule: P=T×(2πn) waarbij P het vermogen in kW is, T het koppel in Nm, en n het toerental in toeren per minuut (tpm).

4. AC- en DC-motoren

DC-motoren werken op gelijkstroom en kunnen eenvoudig in toerental worden geregeld, maar vereisen onderhoud door de mechanische slijtage van borstels en een commutator.
AC-motoren zijn robuuster en eenvoudiger dan DC-motoren, maar hebben vaak een vast toerental en koppel. Ze werken op wisselstroom en gebruiken een draaiend magnetisch veld voor hun werking.

5. Electromagnetische inductie

Elektromotoren werken op basis van elektromagnetische inductie, waarbij stroom door geleiders in een magnetisch veld beweegt en zo kracht opwekt om de rotor te laten draaien.
Dit principe is het omgekeerde van hoe een generator werkt, waarbij beweging een elektrische stroom opwekt.

6. Toerental en synchroniciteit

Het synchrone toerental van een motor is afhankelijk van de frequentie van de voeding en het aantal poolparen in de stator. Bij een synchroonmotor draait de rotor precies op het toerental van het draaiende magnetische veld, terwijl bij asynchrone motoren het toerental van de rotor altijd iets lager is dan dat van het draaiveld.

7. Efficiëntie en verliezen

De efficiëntie van een motor wordt bepaald door de verhouding tussen het mechanische uitgangsvermogen (P2) en het elektrische ingangsvermogen (P1): η=P1/P2
Verliezen in motoren omvatten koperverliezen (door de weerstand van de wikkelingen), ijzerverliezen (door magnetisatie van de kern), ventilatorverliezen (door luchtweerstand) en wrijvingsverliezen (in de lagers van de rotor).

8. Verliesmechanismen

Hystereseverliezen ontstaan door het magnetiseren en demagnetiseren van het ijzer in de motor bij wisselstroom.
Wervelstroomverliezen ontstaan door elektrische stromen die in de ijzeren kern worden opgewekt door het magnetische veld, wat warmteverliezen veroorzaakt. Deze verliezen worden verminderd door de kern op te splitsen in dunne lamellen.

Deze tekst biedt een technische inleiding tot de werking en efficiëntie van elektromotoren, met een focus op inductiemotoren, wat de meest gangbare technologie in industriële toepassingen is.

Inductiemotoren

Draaiveld

Inductiemotoren werken door een draaiend magnetisch veld dat ontstaat wanneer een driefasige wisselstroom wordt toegepast op de statorwikkelingen. Dit veld draait synchroon met de netfrequentie en heeft een snelheid die afhankelijk is van het aantal poolparen in de motor en de frequentie van de voedingsspanning. Het draaiveld genereert krachten in de rotor die deze in beweging zetten, maar het rotortoerental is altijd iets lager dan het snelheid van het draaiveld (synchrone snelheid), een verschil dat wordt aangeduid als “slip”.

Kooiankermotor

De meest gebruikelijke type inductiemotor is de kooiankermotor, waarbij de rotor bestaat uit een reeks aluminium- of koperen staven die aan beide uiteinden kortgesloten zijn. De beweging van de rotor wordt veroorzaakt door het magnetische veld van de stator. Wanneer de rotor zich met een lager toerental dan het draaiveld beweegt, ontstaan er stromen in de rotorstaven die een kracht genereren die de rotor in beweging zet.

Slip, Koppel en Toerental

Het toerental van de rotor in een inductiemotor is altijd iets lager dan de snelheid van het draaiveld, wat resulteert in slip. Slip wordt uitgedrukt als het percentage verschil tussen het synchrone toerental en het werkelijke rotortoerental. Dit verschil is nodig om een koppel op de motoras te genereren. Bij een hogere belasting neemt de slip toe en daalt het toerental van de motor. Het motorkoppel heeft een karakteristieke curve die afhankelijk is van de belasting en de slip.

Typische Bedrijfscondities

Inductiemotoren werken doorgaans met zes inductoren: drie in de stator en drie in de rotor. Het schakelen van de voedingsspanning veroorzaakt stromen in zowel de stator als de rotor. De weerstand van de rotor en de reactantie beïnvloeden het motorvermogen. Bij stationair draaien (zonder belasting) is de slip klein, waardoor er weinig stroom door de rotor loopt, terwijl bij zware belasting de slip toeneemt.

Toerental Wijzigen

Het motortoerental van inductiemotoren kan worden aangepast door:

Aantal poolparen: Door de statorwikkelingen zodanig te wijzigen dat het aantal poolparen verandert, kan het toerental van de motor worden aangepast. Bijvoorbeeld, een motor kan tussen twee verschillende toerentallen schakelen.
Slipregeling: Het toerental kan worden geregeld door de slip te veranderen, bijvoorbeeld door het aanpassen van de voedingsspanning of de rotorconfiguratie.
Frequentiecontrole: Het aanpassen van de voedingsfrequentie verandert de draaisnelheid van het magnetische veld en daarmee het rotortoerental, wat een efficiënte manier is om het toerental te regelen zonder veel extra verliezen.

Motortypeplaatje en Ster- of Driehoekconfiguratie

Elke inductiemotor heeft een typeplaatje met belangrijke informatie zoals het vermogen, de nominale spanning en het toerental. De motor kan zowel in een sterconfiguratie (met een hogere spanning en lagere stroom) als in een driehoekconfiguratie (met een lagere spanning en hogere stroom) worden aangesloten. De keuze van configuratie heeft invloed op de opstartstromen en het vermogen van de motor. Bij het opstarten wordt vaak een ster-driehoekstarter gebruikt om de opstartstroom te beperken.

Samenvattend biedt dit hoofdstuk een gedetailleerd overzicht van de werking van inductiemotoren, de principes achter de draaiveldwerking, de rol van slip in het motorkoppel, en de manieren waarop het toerental van deze motoren kan worden aangepast, inclusief het gebruik van frequentie- en slipregeling.