Waarom kooianker motor april 2016 Asynchrone wisselstroom goedkoop

Waarom kooianker motor? • • • april 2016 (Asynchrone wisselstroom) goedkoop Geen elektrische verbinding met rotor Robuust Geen onderhoud 3 fase AC

Stator kooianker motor april 2016

Rotor kooianker motor • april 2016

Werkingsprincipe (1) : geleider beweegt • Faraday law of induced voltage in Conductor moves wit respect to magnetic field § Wet Faraday : geinduceerde spanning in geleider indien de geleider beweegt t. o. v. magnetisch veld geinduceerde spanning -> stroom I § Lorentz kracht : kracht op geleider met stroom I april 2016

Werkingsprincipe (2) : magneten bewegen t. o. v. geleider muur geleider wil in zelfde richting bewegen NB! Er is alleen kracht als er een verschil van snelheid is tussen geleider en magneten april 2016

Opwekking van draaiveld • 3 wikkelingen • 3 -phase systeem aangesloten op wikkelingen 1, 2, 3 1 2 1 3 3 april 2016 2

Set up in de praktijk § 3 gelijke windingen 120° t. o. v elkaar verschoven in luchtspeet § 3 wikkelingen zijn aangesloten aan 3 phase system a april 2016 b c

Opwekking draaiveld(2 -poles) april 2016

Synchrone snelheid n n NB! Snelheid n van as is lager dan ns vanwege slip! p = aantal polen april 2016

a p r i l Table : aantal polen en synchrone snelheid F = 50 Hz 2 0 1 6 October 2010 F = 60 Hz p ns (rpm) 2 3000 2 3600 4 1500 4 1800 6 1000 6 1200 8 750 8 900 10 600 10 720 12 500 12 600 Mechatronics 13 -10

Starten kooianker motor • 3 -phase spanning => draaiveld synchrone snelheid = = rotatiesnelheid draaiveld • Wisselspanning geinduceerd in geleiders van rotor (rotor staven) • Rotor geleiders zijn kortgesloten => grote stromen • Geleiders met stroom in magneet veld => Lorentz kracht (Koppel) op rotor staven • Rotor begint te draaien in richting draaiveld. • Bij toenemende snelheid van rotor vermindert de stroom en de kracht op de staven van de rotor • snelheid van rotor is altijd iets lager dan synchrone snelheid april 2016

Belaste Motor • Belasting => motor vertraagd • Slip =>inductiespanning -> stromen in rotor staven • Stromen => Koppel • Last koppel = Motor Koppel rotor toerental • Grote motoren : kleine slip bij volle belasting (efficiency) april 2016

Stator spanning (per fase) • U : spanning in elke fase N : aantal wikkelingen per fase f : frequentie aangelegde spanning Φmut : mutuele flux per fase • Spanning is : – Evenredig met frequency – Toepassing : (frequentie omzetter) april 2016

Slip • Slip : • Stilstand s = 1 (100%) • Normal bedrijf bij nominale belasting : kleine motoren s = 2 – 6 % grote motoren s < 1% • Geen belasting s = 0 april 2016 •

KOPPEL-TOERENTAL KARAKTERISTIEK Tbreakdown : Tem, maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem, nominale koppel Tpull-up : Tem, minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor APRIL 2016

Aantal polen , slip • Aantal polen • Slip april 2016

Koppel op de as • Koppel op de as april 2016

Verliezen in een AS motor Stator iron loss Rotor resistance ventilation internal + external fan april 2016 Stator resistance Bearing friction

Vermogenbalans AS motor april 2016

Verliezen • IJzerverliezen – Hysteresisverlies – Wervelstroomverlies • Koperverliezen april 2016

Hysteresis Eigenschappen magnetisch materiaal april 2016

Wervelstroomverlies(Eddy currents) 2 d : lameldikte 3 april 2016 4

Reductie van wervelstromen door gelamelleerd magnetisch materiaal • Toerentalsturing AS motoren - Door regeling klemspanning stator - Door regeling frequentie stator april 2016

Regeling Klemspanning stator • Koppel T is evenredig met B 2 - T= F. r - Irotor = Urotor / R T evenredig met B 2 april 2016

Regeling Klemspanning stator • Koppel T is evenredig met (Ustator )2 (boek : (1/2). φmut = B. A Ustator evenredig met B koppel T evenredig met (Ustator )2 april 2016

a p r i l Regeling spanning door thyristor 2 0 1 6 Transformer Electronic controller ( soft starter)

Regeling frequentie stator met frequentie regelaar (omvormer) • Voorwaarde : Topwaarde Φmut blijft konstant of Ustator / fstator konstant • Variabele frequentie met konstante flux – Vorm van Koppel-toerental kromme blijft dezelfde – Koppel is hetzelfde als de slip hetzelfde is ! – Dalende frequentie groter Koppel april 2016

Koppel-toerental met frequentieomvormer april 2016

a p r i l 2 0 1 6 Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor Motor- , Generator- , Dissipatiebedrijf • Motorbedrijf : toerental as is lager dan synchrone snelheid , in zelfde richting als draaiveld • Generatorbedrijf : toerental as is hoger dan synchrone snelheid , t. o. v. de rotor draait het draaiveld andersom , geeinduceerde spanning en stroom en Koppel ook. • Dissipatiebedrijf : Rembedrijf : de as draait in tegenovergestelde richting van het draaiveld

• Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor april 2016

KOPPEL TOERENTAL BIJ VERSCHILLENDE FREQUENTIES Herinner : APRIL 2016

a p r i l 2 0 1 6 Kombinatie met stroom- toerental

Werkingsprincipe DC motor Mei 2016

Wet van Lorentz Mei 2016

Koppel DC motor: . met commutator Mei 2016

Werkingsprincipe DC motor • Mei 2016

WERKINGSPRINCIPE DC MOTOR • De stroom in elk commutator segment is een puls van 60 graden • Na een halve omwenteling (180 ᵒ) verandert de stroom van richting • De 3 wikkelingen zijn als het ware aangestuurd door 3 fasige spanning waarbij de vorm van de spanning rechthoekig is i. p. v. sinusoidaal MEI 2016

Vervangen van commutator door schakelaars • Schakelaars controleren de stroom in de wikkelingen A, B, C Mei 2016

Wikkelingen op stator, magnetisch veld opgewekt door rotor , elektronische schakelaars • Mei 2016

Toepassing DC formules : karakteristiek Koppel-hoeksnelheid shunt motor Mei 2016

TECHNISCHE EN BEDRIJFSMATIGE ANALYSE Analyse mechanische last Is belasting varierend of vrijwel constant Is beweging lineair of roterend Wat is de lastkarakteristiek , gevraagd vermogen Wat is het gewenste regelgebied en eis van nauwkeurigheid Bedrijfsmatige analyse • Kostprijs aandrijfsysteem • Kosten onderhoud • Rendement • levensduur • complexiteit • • MEI 2016 41

ELEKTRISCHE VOEDING : AC 10 W <VERMOGENS < 800 W WAARBIJ SNELHEID +/- CONSTANT • • • Eénfasige Asynchrone motor huishoudapparatuur : ventilator , pomp , wasmachine draaiveld wordt gemaakt door hulpspoelen toerental < 3000 t/min Tmax / Tnom =1. 4 ɳ = 0. 5 -0. 75 MEI 2016 42

KARAKTERISTIEK EÉNFASIGE ASYNCHRONE MOTOR MEI 2016 43

ELEKTRISCHE VOEDING : AC 100 W <VERMOGENS < 1500 W VARIERENDE BELASTING • • • Universeel motor Huishoudelijke apparaten : stofzuiger, mixer Elektrisch gereedschap : boormachine, slijpmachine is een seriemotor die werkt op AC en DC karakteristiek van DC seriemotor bij 50 Hz verandert de stroom elke 10 ms hoog toerental : 3000 - 30000 t/min toentalregeling door spanningsregeling (triac) Tmax / Tnom = 5 ɳ = 0. 3 - 0. 7 MEI 2016 44

Opwekking van magneetveld DC motor Mei 2016 1 -45

TOERENTAL REGELING SERIEMOTOR DOOR VERANDERING KLEMSPANNING U MEI 2016 46

ELEKTRISCHE VOEDING : AC VERMOGENS > 1. 5 KW VARIENDE BELASTING • • AC Asynchrone 3 fase motor aandrijvingen industrie motor goedkoop Toerentalregeling door frequentieregelaar duur toerental < 3000 t/min Tmax / Tnom = 1. 5 -3 ɳ = 0. 5 - 0. 8 MEI 2016 47

KOPPEL-TOERENTAL KARAKTERISTIEK Tbreakdown : Tem, maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem, nominale koppel Tpull-up : Tem, minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor MEI 2016 48

ELEKTRISCHE VOEDING : DC VERMOGENS < 100 W • • • PM motor zonder borstels of (met ) beperkt volume randapparatuur computers, walkman , videoapparatuur vrij goedkoop PM motor is shunt motor toerental : 2000 – 20000 t/min toentalregeling door spanningsregeling (chopper) Tmax / Tnom =6 ɳ = 0. 4 -0. 8 MEI 2016 49

Opwekking van magneetveld Mei 2016 1 -50

SHUNT MOTOR Vervangingsschema rotor MEI 2016 51

PM MOTOR Vervangingsschema rotor MEI 2016 52

Toerentalregeling door verandering klemspanning Mei 2016 1 -53

Chopper dcyc : dutycycle • • PBS : pulsbreedtesturing (PWM) § § Mei 2016 1/Δt cyc = constant : constante werkfrequentie Enkel pulsbreedte Δt aan regelen 1 -54

Data sheet Mei 2016 1 -55

ELEKTRISCHE VOEDING : DC 1000 W>VERMOGENS > 100 W • PM motor met of zonder borstels • AC asynchrone motor met driefasige invertor • VERMOGENS > 1000 W • • • PM motor zonder borstels (borstelloze DC motor) Elektrische scooters, elektrische auto’s ɳ >= 0. 8 AC asynchrone motor met driefasige invertor elektrische auto’s ɳ : zie 3 -fasige AC asynchrone motor MEI 2016 56

BORSTELLOZE DC MOTOR 1200 W MEI 2016 57

Invertor(principe) Mei 2016 1 -58

Voordeel Borstelloze <-> commutator DC motors • • • Mei 2016 Vermogengebied tot 15 k. W Groter koppel per gewicht, Hoger rendement Minder onderhoud Geen vonken, (explosie proef) Gunstigere thermische belasting 1 -59

Nadeel Borstelloze <-> commutator DC motors • Positiesignaal van rotor nodig (Hall sensor ) • Electronica voor regelen statorstroom is gecompliceerd en duur Mei 2016 1 -60

Data sheet Brushless motor Mei 2016 1 -61

Mei 2016 1 -62

Stappenmotor Mei 2016 1 -63

Principe Stappenmotor • • • Mei 2016 Stator met 2 wikkelingen loodrecht op elkaar 2 magnetische circuits : A 1 – A 2 ; B 1 – B 2 L 1 , L 2 , L 3 , L 4 na elkaar bekrachtigen(volstapbedrijf ) as draait 360 graden : staphoek 90 graden L 1 , L 2 tegelijk … bekrachtigen(halfstapbedrijf ) staphoek : 45 graden Aantal pulsen naar respectievelijke windingen bepaalt positie van rotor Verkleining staphoek door meer wikkelingen op stator , meer polen op rotor 1 -64

Stappenmotor <---> DC servomotor • Stappenmotor – heeft laag rendement – positioneringen in het kleinere werk: positioneertafel , kop besturing printers , diskdrives – goedkoper dan DC servomotor – geen feedback regeling nodig -->aantal pulsen bepaalt positie van rotor. – nauwkeurigheid afhankelijk van stapgrootte – Onbekrachtigd is er een koppel (kleefkoppel ) mogelijk • DC servomotor : – positioneringen met meer kracht : grote robots , freesbanken – Feedback regeling voor controle van positie Mei 2016 1 -65

Thermische belasting elektrische machines • verliezen elektrische machines – Pverl = Pnul + R I 2 – P nul : wrijving + ijzerverliezen – R I 2 : koperverliezen Mei 2016 1 -66

Hysteresis verlies • Verlies evenredig met oppervlakte • Verlies evenredig met frequentie f Mei 2016 1 -67

Berekening wervelstroomverlies • d : lameldikte Mei 2016 1 -68

Isolatiemateriaal , levensduurverwachting • Elektrische en mechanische eigenschappen gaan niet achteruit indien Tisolatie<= Tmax – Levensduur 7 jaar ( dagelijkse belasting 8 uur) • Isolatieklasse A : katoen, papier B: glasvezel, draadlak H: siliconenhars Mei 2016 1 -69

Temperatuurverhoging en isolatieklassen • Temperatuurverhoging ϴ : verschil tussen “hot spot”en buitentemperatuur : 40°C ϴ = Tvoorwerp – 40 °C – sensoren in de wikkeling – Meting van de elektrische weerstand van de wikkeling • In onze streken levensduur > 7 jaar (20000 uur) Mei 2016 1 -70

Levensduur • Mei 2016 1 -71

Berekening temperatuurverhoging Temperatuurverhoging als functie van tijd : – Pverl. dt = m. cth. dϴ + αth. A. ϴ. dt [J] • Pverl. dt : ontwikkelde warmte in dt • m. cth. dϴ : warmte opgeslagen in massa van motor • αth. A. ϴ. dt : warmte afgestaan omgeving in dt – Differentiaal vergelijking : Mei 2016 1 -72

Berekening temperatuurverhoging • Mei 2016 1 -73

Berekening toelaatbare overbelastingstijd • Mei 2016 1 -74

Toelaatbare overbelasting elektrische machines • Mei 2016 1 -75

Toelaatbare overbelasting • Voorbeeld : toelaatbare overbelasting • PM motor : • Klemspanning is 72 V DC • Rr = 2, 5 Ω : rotorweerstand • Ir, nom = 5 A • Pnul = 20 W • thermische tijdsconstante = 40 minuten • Vraag : De maksimale tijd dat motor mag overbelast worden om koppel te leveren dat tweemaal zo hoog is ( Ir = 10 A) Mei 2016 1 -76