SYNCHRONE MOTOREN I. Claesen / R. Slechten

Transcriptie

1 ELEKTRICITEIT THEORIE SYNCHRONE MOTOREN I. Claesen / R. Slechten versie:30/05/ SYNCHRONE MOTOREN Bepaling Samenstelling Werkingsprincipe Werkingsprincipe synchrone motor met draaiveld in de rotor (Zie lab.) Motor - generator werking... Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd. 2 Aanzetten van de synchrone motor Aanzet met hulpmotor met een gelijkstroommotor: met een asynchrone motor: Asynchrone aanzet Aanzet door frequentieregeling De V-curven van de synchrone motor Verbeteren van de arbeidsfactor Toepassingsgebied...8

2 1 SYNCHRONE MOTOREN 1.1 Bepaling Een synchrone motor is een elektrische machine die driefazen wisselstroomenergie omzet in mechanische rotatie-energie, met een constante draaisnelheid. 1.2 Samenstelling De constructie is identiek met de constructie van de synchrone wisselstroomgenerator volgens het binnenpooltype en ze worden gebouwd voor lage vermogens. De rotor bezit uitspringende polen en is voorzien van dempingswikkelingen. 1.3 Werkingsprincipe De statorwikkeling van de synchrone motor wordt aangesloten op een driefazen spanning, waardoor in de motor een magnetisch draaiveld ontstaat. De rotor bevat uitspringende polen, waarvan de veldwikkelingen gevoed worden met gelijkstroom, aangevoerd via sleepringen en borstels. Bij stilstand heeft de rotor de neiging aan te lopen in de zin a, doordat de polen van de stator en rotor mekaar beïnvloeden (aantrekkende en afstotende krachten). Een halve periode later is het magnetisch veld van de stator 180 verder gedraaid, zodat de rotor nu de neiging heeft aan te lopen in de zin a', omdat de krachten nu tegengestelde zin hebben van zojuist. De snelheid van het statordraaiveld en de traagheid van de rotor zijn er de oorzaak van dat de rotor niet aanloopt (de motor trilt). lndien we de rotor vooraf een snelheid geven in de zelfde zin en gelijk aan de snelheid van het statordraaiveld, dan blijven de krachten werken in dezelfde zin, waardoor de rotor onderworpen is aan een constant koppel. De rotor blijft draaien met dezelfde snelheid (= synchroon) als het statordraaiveld. Vandaar de benaming synchrone motor. De draaisnelheid wordt bepaald met de uitdrukking: n r 60. f = ns = (1) p De synchrone motor loopt niet vanzelf aan; hij draait met een snelheid gelijk aan de snelheid van het statorveld. Synchrone motoren 2

3 Bij een onbelaste synchrone motor valt de aslijn van de statorpolen samen met de aslijn van de rotorpolen. Wanneer de rotor meer belast wordt zullen de aslijnen van de rotorpolen meer en meer verschuiven t.o.v. de aslijnen van de stator polen. Onbelast Belast De verschuiving is echter beperkt. Bij overbelasting haakt de rotor af en is de synchrone werking verstoord. We zeggen de motor geraakt uit de pas. Synchrone motoren 3

4 1.4 Werkingsprincipe synchrone motor met draaiveld in de rotor (Zie lab.) Stel we sluiten de onderstaande stromen aan op de driefasige wikkeling in de rotor. We sluiten een gelijkspanning aan op de polen in de stator zodat vanboven een zuidpool en vanonder een noordpool wordt gevormd. - Teken de zin van het magnetisch veld in de rotor voor de stromen bij 0. - Stel het magnetisch veld in de rotor voor d.m.v een Noord en Zuidpool. - Teken de krachtwerking van de stator op de rotor. U V W Laat de rotor 90 verdraaien in de aandrijfzin. - Teken de zin van het magnetisch veld in de rotor voor de stromen bij Stel het magnetisch veld in de rotor voor d.m.v een Noord en Zuidpool. - Teken de krachtwerking van de stator op de rotor. +o DC o- - Laat de rotor nogmaals 90 verdraaien. - Teken de zin van het magnetisch veld in de rotor voor de stromen bij Stel het magnetisch veld in de rotor voor d.m.v een Noord en Zuidpool. - Teken de krachtwerking van de stator op de rotor. Synchrone motoren 4

5 1.5 Motor - generator werking. MOTOR GENERATOR Besluit : Synchrone motoren 5

6 2 Aanzetten van de synchrone motor Als op de statorwikkeling van de synchrone motor met stilstaande rotor een driefazen spanning toegepast wordt, dan zal de stroom zeer groot worden, terwijl de rotor toch niet gaat aanlopen, omwille van de grote inertie. Er zijn dus hulpmiddelen nodig om de motor aan te zetten. 2.1 Aanzet met hulpmotor met een gelijkstroommotor: Een synchrone motor vereist een gelijkstroomvoeding voor het opwekken van de magnetische polen in de rotor. De gelijkstroom ervoor is afkomstig van een gelijkstroomgenerator, die op dezelfde as van de synchrone motor gekoppeld is. Daar de werking omkeerbaar is, kan de gelijkstroommachine als motor werken. Op de gelijkstroommotor wordt een afzonderlijke gelijkstroombron aangesloten (S1) en kan de synchrone machine onbelast op de synchrone snelheid aangedreven worden. Vervolgens wordt de veldstroom geleverd aan de veldwikkeling van de synchrone (S2) machine. Deze werkt nu als synchrone generator en genereert in zijn statorwikkeling een driefazen spanning. Als de 4 vereiste voorwaarden voldaan zijn, wordt de statorwikkeling parallel aangesloten op het driefazen net. (S3) De gelijkstroombron wordt nu afgekoppeld van de gelijkstroommotor, die dan gaat werken als gelijkstroomgenerator. De synchrone machine kan tenslotte als synchrone motor op normale wijze belast worden met een asynchrone motor: Het aantal poolparen van de asynchrone motor moet 1 lager zijn dan van de synchrone motor. De asynchrone motor, gekoppeld op de as van de synchrone motor, kan dan de synchrone motor aandrijven tot boven zijn synchrone snelheid. Of we 1 worden beide machines gekoppeld via een snelheidsreductie, zodanig dat de synchrone snelheid juist bereikt wordt. Ook hier worden de synchronisatiehandelingen uitgevoerd voor het aansluiten van de synchrone machine op het driefazen net. Na aanloop wordt de asynchrone hulpmotor van het driefazen net losgekoppeld, zodat de synchrone machine nu werkt als motor Asynchrone aanzet Deze methode kan toegepast worden voor synchrone motoren die voorzien zijn van een dempingswikkeling in de poolschoenen. Synchrone motoren 6

7 Het is de meest toegepaste aanzetmethode. De statorwikkeling wordt via aanzetweerstanden of via een driefazen (regelbare) aanzettransfo aangesloten op een verlaagde spanning. Omdat in de bekrachtigingswikkelingen tijdens de aanloop grote spanningen kunnen geïnduceerd worden door het statordraaiveld, worden deze kortgesloten om isolatie doorslag te vermijden. In de kortgesloten dempingswikkelingen induceert het statordraaiveld eveneens spanningen en zullen de stromen die hiervan het gevolg zijn lorentz-krachten ondervinden. Het asynchroon draaikoppel drijft de motor aan op een snelheid die bijna gelijk is aan de synchrone snelheid. Op dat ogenblik wordt de kortsluiting van de veldwikkeling opgeheven en een gelijkstroom erin gestuurd. De rotorpolen zullen dan met een kleine schok aanhaken aan het statordraaiveld. De motor draait nu synchroon Aanzet door frequentieregeling De statorwikkeling van de synchrone motor wordt aangesloten op een driefazen synchrone generator waarvan de snelheid langzaam wordt opgedreven. Of we 1 sluit men de statorwikkeling aan op een frequentieomvormer (zie asynchrone motoren). De veldwikkeling van de synchrone motor wordt bekrachtigd met een stroom die kleiner is dan normaal. Bij stijgende frequentie (en meestijgende toegepaste spanning) komt de rotor geleidelijk aan op snelheid en synchroon met de rotatiesnelheid van het draaiveld. Naarmate de snelheid stijgt wordt ook de bekrachtigingstroom groter gemaakt. 2.2 De V-curven van de synchrone motor (Zie G.) De V-curven geven grafisch het verband tussen de opgenomen stroom I en de bekrachtigingstroom Im bij constant opgenomen vermogen P: I = f(im) IP = cte Synchrone motoren 7

8 Indien we de curve grafisch weergeven, ontstaat een V-vorm. Als we de punten van de minimum stroom bij verschillende belastingen met elkaar verbinden, verkrijgen we een lijn r' waarvoor de arbeidsfactor 1 is. Links van deze lijn werkt de motor inductief (onderbekrachtiging) en rechts ervan werkt de motor als capacitieve verbruiker (overbekrachtiging). 2.3 Verbeteren van de arbeidsfactor Omdat de synchrone motor kan werken als een inductieve en capacitieve verbruiker, kan hij aangewend worden voor de verbetering van de arbeidsfactor van zowel capacitief als Inductief belaste netten. Tegelijkertijd kan de machine ook mechanische energie afleveren. Als hij daarentegen uitsluitend bij nul last wordt gebruikt spreken we over een synchrone condensator. Meestal zal hij de arbeidsfactor van inductieve netten moeten verbeteren. Dit verbeteren kan gebeuren op een continue wijze door de bekrachtigingstroom te regelen. 2.4 Toepassingsgebied Het toepassingsgebied van de driefazen synchrone motor is eerder beperkt, omdat: - De constructie ingewikkeld is en duur tegenover asynchrone motoren; - De motor niet onder belasting aangezet kan worden; - De motor bij overbelasting onmiddellijk tot stilstand komt. Hij wordt aangewend: - Voor aandrijvingen waarvan de snelheid constant moet zijn zoals compressoren, pompen - Voor de verbetering van de arbeidsfactor van driefazen netten; - Als aandrijfmotor in aggregaten voor frequentieomzetting; - Om zijn zeer hoog rendement. Synchrone motoren 8