Asynchrone motor
meest voorkomende motortype
 
De asynchrone motoren zijn het meest gebruikte type motoren. Ze zijn eenvoudig en zeer betrouwbaar. Een asynchrone motor wordt ook inductiemotor of kooiankermotor genoemd.
-

-

Asynchrone motor


1 — Principe kortsluitanker (squirrel cage rotor)


2 — Stator en rotor van een motor met kortsluitanker

De meeste motoren die op wisselspanning werken zijn asynchrone motoren vanwege hun eenvoud. Deze motoren kunnen ook gebruikt worden als hypersynchrone generator. De andere types asynchrone generatoren worden op deze pagina verder besproken.

De asynchrone motor wordt ook inductiemotor genoemd (gebaseerd op de inductie) of kooiankermotor (want het anker bestaat uit een soort geleidende kooi). De engelse benaming is induction motor of sqirrel cage motor.

Rechts de doorsnede van een inductiemotor uit de industrie.
De motor is spatwaterdicht uitgevoerd (stator en rotor). Er is een ventilatorkap zodat de luchtstroom over de koelgleuven van de motor gestuurd wordt. Ook de rotor zelf heeft schoepen om een interne luchtstroming te veroorzaken. De rotor wordt zeer warm als de motor maximaal belast wordt.

Het vermogen van een asynchrone motor kan oplopen tot meer dan 50kW. Voor nog hogere vermogens kiest men meestal een andere type motor die een hoger rendement heeft.

Werking van een asynchrone motor

Asynchone motoren zijn gebaseerd op de ankerreaktie. De ankerreaktie moet gecompenseerd worden in dynamos en grote gelijkstroommotoren, maar wordt nuttig gebruikt in amplidynes en metadynes. Dezelfde ankerreaktie wordt in asynchrone motoren gebruikt. Deze motoren werken niet met een (electro-)magneet. De rotor is niet gemagnetiseerd, er is zelfs geen stroomtoevoer naar het anker.

Het anker bestaat uit dikke koperen wikkelingen om een hoge stroom te veroorzaken (en dus ook een sterke ankerreaktie). De lussen liggen in kortsluiting (kortsluitanker). In de praktijk vormt het anker een kooi (squirrel cage rotor). Om het magnetisch veld te versterken vormt de rotor een cylinder bestaande uit dunne stalen platen, met daartussen de koperen kooi. Uitwendig lijkt de rotor op een deegrol. De deegrolmotor heeft verschillende namen: kortsluitankermotor, asynchrone motor,...

Afbeelding 1: principeschema van een kortsluitanker en afbeelding 2: praktische realisatie. Het kooianker heeft schuine staven om een gelijkmatig koppel te leveren ongeacht de positie van de rotor.

Het kooianker gedraagt zich als het secundair van een transfo waarvan de stator het primair is. Het wisselend magnetisch veld in de stator veroorzaakt eveneens een wisselend magnetisch veld in de rotor. Daardoor wordt er een stroom gegenereerd in de wikkelingen van de rotor. Omdat de wikkelingen in kortsluiting liggen is de stroom zeer hoog. Door de stroom in de rotorwikkelingen wordt er een magnetisch veld geproduceerd. Dit geïnduceerd magnetisch veld heeft een omgekeerde polariteit als het statorveld.

Maar het statorveld is niet constant, maar draaiend, waardoor de rotor de neiging heeft het statorveld te volgen (hoe een draaiend veld geproduceerd wordt wordt later uitgelegd).

De rotor zal versnellen, maar nooit synchroniseren met het statorveld. Als de rotor immers aan dezelfde snelheid als de stator draait, dan is er geen wisselend veld meer (gezien vanaf de rotor) en ontstaat er dus geen wisselend magnetisch veld meer in de rotor. De vertraging van de rotor ten opzichte van het draaiend veld is kenmerkend voor de inductiemotor; deze vertraging heet slip.

Om een richtwaarde te geven: de rotor draait op 95% van de synchrone snelheid, de snelheid zakt wat als de motor zwaarder belast wordt. De effektieve snelheid hangt ook sterk af van de constructie van de rotor, en met name hoe de kortsluitringen gebouwd zijn.

De stator van een inductiemotor is identiek aan die van een synchrone motor. Men kan in theorie een synchrone motor ombouwen tot een asynchrone motor (en omgekeerd) door het anker te vervangen. Synchrone motoren die een zeer zwak aanloopkoppel hebben, hebben vaak een kortsluitanker om te starten als een asynchrone motor. Eenmaal dat de rotor draait heeft het veel sterkere synchrone koppel de overhand en draait de motor op synchrone snelheid. Immers als de rotor op synchrone snelheid draait is er geen wisselend magnetisch veld meer in de rotor, en ontstaat er ook geen inductie meer.

De rotor van een asynchrone motor heeft geen eigen veld: het is de ankerreaktie die het veld opwekt. Men maakt gebruik van deze eigenschap om op eenvoudige manier motoren te bouwen die op twee snelheden kunnen draaien: de poolomschakelbare motoren of dahlander motoren.


3 — Een draaiveld produceren met stroomringen (spleetpoolmotor)


4 — Asynchrone motor met kortsluitanker en ring van Frager
(subsynchroon of hyposynchroon)

Draaiveld produceren met monofasé

Als men monofasig wisselspanning in de stator stuurt, dan ontstaat er een wisselend magnetisch veld, dat echter geen draaiend effekt produceert. Het kortsluitanker werkt als het kortgesloten secundair van een transfo en warmt sterk op.

Als een driefasige motor dus met monofasé gevoed wordt, dan zal die niet draaien, maar heel snel verbranden. Dit is bijvoorbeeld het geval als een fase onderbroken is.

Een draaiend magnetisch veld kan gerealiseerd worden

  • door een driefasige spanning (grote motoren), vermogen van meer dan 500W (richtwaarde)

  • door een bifasige spanning die ontstaat door een condensator in serie met één van de wikkelingen te plaatsen (motoren met gemiddeld vermogen, 100 à 500W)

  • door een spleetpool met ring van Frager te gebruiken (kleine motoren die geen sterk aanloopkoppel moeten hebben zoals kleine ventilatoren).
Voor kleine vermogens (tot ongeveer 2kW) kan men een driefasige spanning opwekken met een frekwentieregelaar die monofasig gevoed wordt (met een regelaar die daarvoor geschikt is).

Afbeelding 3 toont het principe van de spleetpool met ring van Frager die voor een faseverschuiving zorgt. Afbeelding 4 toont een asynchrone motor met gespleten polen zoals die gebruikt wordt in kleine motoren (ventilatoren en afvoerpompen van wasmachines).

De ring van frager veroorzaakt een faseverschuiving (vertraging) van het magnetisch veld. Als het hoofdveld vermindert stijgt het veld in de frager wikkeling en zo ontstaat er een draaiveld.

Een spleetpoolmotor heeft een grote slip (tot 40%) en een laag rendement (10 à 20%) en wordt enkel gebruikt voor lage vermogens of bij intermitterend gebruik.

Afremmen van een asynchrone motor

Het afremmen van een asynchrone motor kan op een zeer eenvoudige manier gebeuren met een gelijkspanning. De gelijkspanning wordt op de wikkelingen aangelegd, ongeveer 1/10 van de nominale spanning (hangt af van het gewenst remvermogen). Het remmen is zeer krachtig en hangt af van de rotatiesnelheid van de motor en de aangelegde spanning. In tegenstelling met een mechanische rem verslijt de electro-magnetische rem niet.

De electrische rem werkt niet als mechanische rem en het is niet mogelijk de motor volledig te blokkeren. Er moet immers altijd een zekere slip zijn om inductie in de rotor te hebben. Je kan het remeffekt ervaren door een autobatterij aan te sluiten op één spoel van de motor (meet eerst de spoelweerstand en kies de spanning zodat je een stroom van 2 à 3A bereikt voor een kleine motor en tot 10A voor een motor van meer dan 100W). Hoe sneller dat de motor draait, hoe sterker dat die afgeremd wordt.


Kortsluitanker met trapezevormige staven


Verhouding koppel ten opzichte van de rotatiesnelheid naargelang het type kortsluitanker

  • ▄ ▄ ▄ Enkelvoudige kooi
  • ▄▄▄▄ dubbele kooi
  • ▄▄▄▄ resistieve kooi

Kooianker

De eigenschappen van de motor worden in grote mate bepaald door het kortsluitanker. De staven in het anker hoeven niet cylindrisch te zijn. In hoog vermogen motoren hebben die een trapezevorm, zodat de motor kan starten met een lagere aanloopstroom en toch een hoger koppel hebben bij het nominaal toerental.

Dergelijke motoren gebruiken het skin effekt. Als de motor niet draait of slechts traag draait, dan is er een snelle wisseling van het magnetisch veld (ten opzichte van de rotor). Door het skin effekt dringt het veld slechts 1cm in het koper. Als de snelheid hoger wordt dan is er minder skin effekt en de volledige koperoppervlakte wordt gebruikt. De weerstand van het anker vermindert, waardoor het koppel sterker wordt.

Blauw: dunne ijzerplaten (transfoblik) die de rotor vormen
Geel/rood: koperen staven met in het rood het effekt van het magnetisch veld naargelang de rotatiesnelheid. Links op lage snelheid, het magnetisch veld dringt slecht weinig in de staaf en de weerstand is hoog, rechts bij de nominale snelheid, het magnetisch veld dringt volledig in de staaf en de ankerweerstand is minimaal.

In plaats van trapezevormige koperen staven kan de rotor ook bestaan uit twee kooien: een buitenste kooi bestaande uit messing of aluminium (minder goed geleidend) en een binnenste kooi bestaande uit koper. Hier ook wordt een variatie op het skin effekt gebruikt: bij een snelle wisseling van het magnetisch veld (grote slip) is enkel de buitenste kooi aktief.

Er bestaan ook motoren met enkel een aluminium of messing kooi (resistieve kooi) of een gewikkeld kooianker waarvan de aansluitingen naar buiten gevoerd worden (sleepringankermotor). De motoren met resistieve kooi hebben een lage aanloopstroom nodig en het koppel daalt als de snelheid toeneemt (dit kan nuttig zijn voor bepaalde toepassingen).

De sleepringankermotoren combineren de voordelen van een normale koperen kooi (hoog koppel op nominaal toerental) en die van een aluminium kooi (lagere aanloopstroom) en hebben een bijkomend voordeel: men kan de snelheid instellen door de weerstand van het ankel te wijzigen (zie sleepringankermotor, link onderaan de pagina).

Dergelijke motoren hebben een lagere aanloopstroom nodig, maar door de verliezen hebben ze een lager rendement op nominaal toerental. Er zijn echter veel verschillende motoren (die enkel verschillen in de constructie van de kooi).

Rechts een paar voorbeelden van kooiankers:

  • (a): een kooi uit gegoten aluminium (resistief) voor vermogens tot 15kW
  • (b): rotor met diepe sleuven voor vermogens van 5 tot 60kW
  • (c): rotor met dubbele kooi (wordt tegenwoordig het meest gebruikt)

Hoe hoger de slip, hoe lager het rendement van de motor. De slip veroorzaakt immers een kortsluitstroom in het anker. Dit is een electrisch verlies (zoals ook een kortgesloten secundaire wikkeling van een transformator een verlies veroorzaakt). Als de motor zwaar belast wordt en de slip toeneemt, dan kan de temperatuur van het anker enorm oplopen.

Het is onmogelijk de slip te vermijden, de inductiemotor is gebaseerd op dit effekt. Indien men een zeer hoog rendement nodig heeft, dan zal men eerder kiezen voor een synchrone motor of een reluctantiemotor.

De synchrone motor is zeer duur (gebruikt permanente magneten of een anker die gevoed moet worden) en wordt gebruikt in zeer grote installaties waarbij de motor permanent draait. De extra aanschafkosten worden terugbetaald door het hoger rendement van de motor.

De reluctantiemotor heeft een aangepaste frekwentieregelaar nodig en wordt gebruikt in continue toepassingen (airco's) waarbij een variabele snelheid gewenst is. De reluctantiemotor wordt ook in electrische auto's gebruikt vanwege zijn hoog rendement. Hier is een frekwentieomvormer altijd nodig vanwege de snelheidsverschillen en het feit dat de batterijen een gelijkspanning leveren.

Voor- en nadelen van de asynchrone motoren

De motor wordt zeer veel gebruikt vanwege zijn eenvoud en betrouwbaarheid. De motor kan aangepast worden aan het soort belasting door een andere rotor te monteren. Men kan een motor bouwen die op twee snelheden kan draaien zonder rendemenstsverlies.


Voor een gegeven vermogen is de motor groter dan alle andere motortypes. Het aanloopkoppel is eerder beperkt en de aanloopstroom is hoog. De motor heeft een slechte arbeidsfactor. Het rendement is lager dan de meeste andere motortypes.

Men kan de nadelen van de inductiemotor opvangen door een ster-driehoekschakeling of een frekwentieregelaar, enkel het lager vermogen is eigen aan de motor.

Koelkastmotor

Men gebruikt een asynchrone motor in koelkasten en diepvriezers. De motor wordt monofasig gevoed, maar een condensator zorgt voor een draaiveld. Met zijn relatief laag aanloopkoppel kan de motor enkel onbelast starten, dus als er geen drukverschil is aan beide kanten van de compressor.

Als de motor juist gedraaid heeft, dan is er een drukverschil tussen de zuigleiding en de persleiding en kan de motor niet starten. De stroom loopt dan op en een thermische zekering onderbreekt de kring gedurende een paar minuten zodat het drukverschil kan verminderen.

De sleepringankermotoren worden op een andere pagina besproken. Dit is een manier om de hoge aanloopstroom van de motor te beperken.

De dahlander motor (een kortsluitankermotor die op twee snelheden kan draaien) wordt op een volgende pagina besproken.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-