Sleeprinankermotor (rotor en stator) Sleepringankermotor (rotor of anker)

De meest gebruikte motoren in de industrie zijn asynchrone motoren met kortsluitanker, maar deze hebben bepaalde nadelen. De aanloopstroom is zeer hoog: je moet een asynchrone motor zien als een transformator, met een primaire wikkeling (stator) en secundaire wikkeling (rotor). De secundaire wikkeling heeft een zeer lage weerstand. Als een asynchrone motor start, dan vormt het anker nagenoeg een kortsluiting. De aanloopstroom kan zeer hoog zijn (tot 10× de nominale stroom). Om de aanloopstroom te beperken kan met de weerstand van de secundaire wikkeling (het anker) verhogen, bijvoorbeeld door dunnere staven te gebruiken, of door messing in plaats van koper te gebruiken. Dit heeft echter als nadeel dat de motor nooit optimaal werkt omdat er permanent verliezen zijn in het anker.

Door een gewikkeld anker te gebruiken en het anker te verbinden met externe weerstanden bekomt men een sleepringankermotor. Om een soepele werking met gelijkmatige koppel te bekomen is de rotor driefasig gewikkeld, dus met drie sleepringen. Op de foto zijn twee van de drie staven die de stroom van het anker naar de ringen brengen goed zichtbaar.

De stator komt overeen met die van een klassieke kortsluitankermotor. De fotos zijn afkomstig van het mijnmuseum in Lewarde, de motor wordt hier gebruikt om een persluchtcompressor aan te drijven. Achteraan in beeld ziet men de rheostaat om het anker te belasten. Eenmaal dat de motor zijn nominaal toerental bereikt heeft worden de weerstanden kortgesloten.

De schutsluis van Ittre gebruikt een asynchrone motor met gewikkeld anker voor de bediening van de hefdeur (één motor per deur).

Wat heeft het voor nut om ankerweerstanden te gebruiken? Waarom niet gewoon statorweerstanden gebruiken? De nadelen van sleepringen zijn genoeg bekend: ze verslijten en moeten regelmatig onderhouden worden.

Het voordeel is dat het vermogen in de ankerkring beperkter is: men kan dus kleinere weerstanden gebruiken. Met statorweerstanden zou een motor van 200kW (zoals die in Lewarde) ook weerstanden van 200kW nodig hebben. Hier kan het vermogen van de weerstanden beperkt worden tot 5kW.

Waarom geen regelbare transfo gebruiken om de motor aan te zetten? Een regelbare transfo is duur, zeker als die driefasig uitgevoerd moet worden. De contacten moeten regelmatig onderhouden worden. Maar wat de doorslag geeft is dat een sleepringankermotor een hoger aanloopkoppel heeft dan een motor waarvan men de statorspanning verlaagt door weerstanden of een regelbare transfo.

De laatste foto rechts toont ons een oude driefasige asynchrone motor. Als de motor op snelheid gekomen was, konden de weerstanden kortgesloten worden.

De weerstanden worden manueel uitgeschakeld als de motor zijn nominale spanning bereikt, maar grotere motoren kunnen uitgerust worden met een automatische schakelaar. De centrifugaalschakelaar en weerstanden zijn op de rotor zelf gemonteerd.

In tegenstelling met statorweerstanden zijn de ankerweerstanden veel kleiner en bedraagt de spanning slechts een tiental volt bij het starten. De motor is immers een transformator, en door weinig wikkelingen (maar dikke) aan het secundair (de rotor) te gebruiken bekomt men ook een lage, veilige spanning. Het secundair is daarbij volledig geïsoleerd van het primair. Van zodra de motor begint te draaien zakt de opgewekte spanning verder.

De sleepankermotor vertoont grote mechanische gelijkenissen met de Double Fed Induction Generator die als asynchrone generator gebruikt wordt (de werking is natuurlijk volledig anders).

Rechts een bladzijde uit een electriciteitscursus, met alles wat je moest weten overdergelijke motoren: hoe aansluiten, hoe zien de borstels er uit en hoe ziet de rotor er uit.

Motor met sleepringen en Scherbiusmotor om een steenkoolmijnventilator aan te drijven

De curve met R=0 komt overeen met de curve van een motor met kortsluitanker (de volledige curve is te zien op de pagina over de gewone inductiemotor). Als de ankerweerstand hoger wordt, dan daalt de rotatiesnelheid (bij een gelijkblijvende belasting). De omwentelingssnelheid naargelang de belasting blijft redelijk constant bij een kortgesloten anker, maar is minder stabiel als de weerstanden ingeschakeld zijn (paarse aanduiding). Bij een constante belasting kan men de snelheid regelen met de weerstanden.

De verliezen in de weerstand zijn eerder beperkt (voor motoren van een relatief laag vermogen), zelfs als de motor permanent op een lager toerental draait, dit was daarom een manier om het toerental van de motor op een eenvoudige manier te regelen tot men overschakelde op frekwentieregelaars.

Indien de rotorwikkelingen, de weerstanden of de sleepringen onderbroken worden, dan kan de motor niet starten. De motor gedraagt zich als een transformator zonder secundaire belasting. Er is geen risico dat de motor zou verbranden, want er loopt geen stroom door het "secundair". Enkel als de rotorwikkelingen of de sleepringen kortsluiting zouden maken kan de stroom in de rotor sterk oplopen als de motor niet draait. De aanloopstroom van de motor kan daardoor te hoog worden.

Scherbius motoren

Bij een asynchrone motor is de rotor een kortgesloten secundaire wikkeling van een transformator. Bij een zware belasting stijgt de slip, en dus ook de stroom door de rotorwikkeling (kooianker), daarom dat de rotor heet wordt als de motor zwaar belast wordt.

Om de verliezen in de weerstand te reduceren bij een sleepringankermotor kan men die ook gewoon weglaten en vervangen door een extra motor. De rotorspanning stijgt met de slip (en dus ook de belasting), het zou dus ideaal zijn om deze spanning te gebruiken om een extra motor aan te drijven.

De hoofdmotor is aangesloten op dezelfde as als de sleepringmotor. De scherbiusmotor bestaat niet als zelfstandig motor, maar altijd als secundaire motor van een sleepringankermotor.

Als de belasting hoger wordt, dan stijgt de slip van een inductiemotor. Als de slip hoger wordt, stijgt ook de stroom door het anker. Er wordt een hogere stroom afgetapt aan de sleepringen. De secundaire motor krijgt daardoor een hogere spanning, waardoor de motorsnelheid stabiel wordt gehouden ongeacht de belasting.

De eerste foto toont een inductiemotor met sleepringen, gevolgd door een scherbiusmotor. De gecombineerde motor deijft een ventilator van een steenkoolmijn aan (vermogen 440kW).

Door de bekrachtiging van de scherbiusmotor te wijzigen (door middel van een kleine regelbare transfo) kan men het toerental van de installatie regelen.

Tegenwoordig wordt het principe van Scherbius nog steeds toegepast, maar nu om het vermogen dat verloren gaat terug op het net te steken. Dit wordt gedaan met zware motoren die op lage en middelbare snelheid moeten draaien. Als een belaste asynchrone motor op een lagere snelheid moet draaien, dan is er meer slip, en dus ook meer verlies. In de schakeling worden de thyristoren tegenwoordig vervangen door IGBT (insulated gate bipolar transistor).

Men kan het toerental van de motor regelen door minder of meer vermogen terug naar het net te sturen. Het vermogen dat naar het net gestuurd wordt komt overeen met het vermogen dat niet omgezet werd in mechanische kracht.

Een sleepringankermotor volgens het scherbius principe is een betere alternatief op de frekwentieregelaar als het toerental voor de motor vaak gewijzigd moet worden. Bij een frekwentieregelaar gaat het slipvermogen verleren (en die is best groot als de motor op een lage snelheid moet werken). Vanwege de complexiteit van de installatie wordt het scherbius principe echter enkel toegepazst bij grote industrie motoren

Scherbius heeft niet enkel een type motor uitgevonden, hij ligt ook aan de basis van de codeermachine "Enigma" die door de duitsers gebruikt werd in de tweede wereldoorlog. In die tijd was dit de beste codeermachine, en de kode kon enkel gekraakt worden door menselijke fouten (gebruik van dezelfde woordcombinaties zoals "Heil Hitler!" in de gecodeerde berichten).

Ster/driehoek startschakeling

Tegenwoordig gebruikt men liever een gewone kortsluitankermotor met frekwentieregelaar waarbij men de motorparameters kan instellen in de regelaar zelf. Voor hoge vermogens gebruikt men een synchrone motor, een motor met variabele reluctantie of voor de zware belastingen een motor volgens het principe van Scherbius.