Eenfasige motor 1 Gemeentelijk Technisch Instituut Europalaan 1 9120 BEVEREN.. TECHNISCH SECUNDAIR ONDERWIJS Schooljaar: 2007-2008.. GEÏNTEGREERDE PROEF 2 de Leerjaar van de 3 de Graad ELEKTRICITEIT-ELEKTRONICA Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator Van Hoylandt Roel Weverstraat 31 9130 Kieldrecht
Eenfasige motor 2 Woord vooraf Bij deze wil ik de personen bedanken die mij dit jaar geholpen hebben in mijn zesde middelbaar om mijn eindwerk vorm te geven. Dank aan: Dhr. Parrin P. voor het begeleiden van dit eindwerk en het kiezen van het onderwerp; alle andere leerkrachten van het zesde middelbaar voor de steun die ik dit jaar gekregen heb; mijn medeleerlingen; mijn ouders voor hun logistieke en morele hulp. Van Hoylandt Roel
Eenfasige motor 3 Inhoudsopgave Woord vooraf 2 Inhoudsopgave 3 Inleiding 5 Deel I: Theoretische bespreking 6 1 Algemeen 6 1.1 Verklaring van het begrip enkelfasige motor 6 1.2 Toepassingen van de enkelfasige motor 6 1.3 Indeling motoren 7 2 Werking 8 2.1 Onderdelen van de enkelfasige motor 8 2.2 De kooirotor 9 2.2.1 Wat is een kooirotor? 9 2.2.2 Opbouw van een kooirotor 10 2.2.3 Werking van een kooirotor 10 A. Geleider in een magnetisch veld 11 B. Lorentz-kracht 11 C. Faseverschuiving φ 12 D. Aanloopkoppel 12 2.2.4 Samengevat 13 2.3 De stator 13 2.3.1 Wat is een stator? 13 2.3.2 Opbouw van de stator van een enkelfasige motor 13 2.3.3 Werking van de stator van een enkelfasige motor 13 A. Wikkeling op een eenfasig net 13 B. Theorema van Leblanc 15 C. Slipfactor 16 D. Koppelrotatiegrafiek 16 E. Twee wikkelingen op een tweefasig net 18 F. Twee wikkelingen op een enkelfasig net 20 G. Types van schakelaars 22 H. Bepalen van de capaciteit 23 2.4 Toelichtingen 24 2.4.1 Verschillende spanningen 24 A. Ingrepen op de wikkelingen 24 B. Lage spanning 24 C. Hoge spanning 25 2.4.2 Omkeren van de draaizin 25 Deel 2: Praktische proef 27 1 Bespreking 27 1.1 Doel van de proef 27 1.2 Benodigdheden 27 1.3 Bespreking van de meetpanelen en machines 27 1.3.1 Algemene kenmerken 27 1.3.2 Universele voedingseenheid 27 A. Algemeen 27 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel 28
Eenfasige motor 4 1.3.3 Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator 28 A. Algemeen 28 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel 29 1.3.4 Rem- /aandrijfeenheid 29 A. Algemeen 29 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel 30 1.3.5 Stuureenheid 31 A. Algemeen 31 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel 32 1.4 Aansluitschema s 34 1.4.1 Schema opstelling 1: Enkelfasige motor met bedrijfscondensator 34 1.4.2 Schema opstelling 2: Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator 35 1.5 Meetprocedure 35 1.5.1 Algemeen 35 1.5.2 Opnemen van de koppel-toerentalkarakteristiek met bedrijfscondensator 36 1.5.3 Opnemen van de koppel-toerentalkarakteristiek met start- en bedrijfscondensator 36 1.6 Meetresultaten 37 1.6.1 Tabellen met meetresultaten 37 1.6.2 Grafiek met meetresultaten 38 1.6.3 Besluiten uit de praktische meetproeven 38 Biblografie 39
Eenfasige motor 5 Inleiding Het doel van dit eindwerk is het uitleggen van een enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator. Hierdoor is dit eindwerk opgesplitst in twee delen. Het eerste deel is een theoretisch deel dat handelt over de bouw, werking en eigenschappen van de enkelfasige motor. Ook een bespreking van de meetprocedure voor het opnemen van de koppel-toerentalkarakteristiek wordt in dit deel uitvoerig besproken. Verder vindt men in deel één ook nog het aansluitschema, een bespreking van de instellingen van de aandrijfmodule en van de benodigde meetpanelen. Het tweede deel is het praktisch gedeelte waarin de resultaten van de koppeltoerentalkarakteristieken in komen te staan, verder vindt men hier nog een vergelijking van de opgenomen en theoretische karakteristieken.
Eenfasige motor 6 Deel I: Theoretische bespreking 1 Algemeen 1.1 Verklaring van het begrip enkelfasige motor Definitie van een motor: Een motor is een machine die in staat is een bepaalde soort energie om te zetten in bewegingsenergie. Meestal zal de bewegingsenergie een ronddraaiende beweging zijn maar lineaire bewegingen 1 zijn ook mogelijk. Deze machine heeft dus de naam motor (Latijn voor beweging) gekregen omdat zij in staat is om elektrische energie om te zetten in mechanische energie die terug te vinden is in een roterende as. De motor wordt enkelfasig genoemd omdat hij maar 2 aansluitdraden heeft (N en L), in tegenstelling met de driefasige motor, die 3 aansluitdraden heeft (L1, L2 en L3). De motor heeft dus genoeg aan een enkelfasig net als bron. 1.2 Toepassingen van de enkelfasige motor Omdat de enkelfasige motor slechts over twee aansluitdraden beschikt, wordt hij veelvuldig gebruikt in het dagelijkse leven. Dit omdat in de meeste huizen geen driefasig net aanwezig is. En als dit al aanwezig is, zal men dit nooit terugvinden in de huiskamer. De meeste toestellen in huis worden aangesloten op het enkelfasig netwerk. De enkelfasige motoren worden daarom vooral gebruikt voor huishoudtoestellen zoals keukenrobots en mixers of bij werktuigmachines zoals boormachines, slijpschijven Eenfasige motoren kunnen gebruikt worden op plaatsen waar een soepele rotatiefrequentieregeling en/of een groot aanzetkoppel met een hoge rotatatiefrequentie gewenst is. Een ander voordeel van dit type motor is dat het klein gebouwd kan worden. Hierdoor kan men deze motor tamelijk gemakkelijk inbouwen in een toestel. Men zal dit type motoren ook nooit tegenkomen op plaatsen waar veel vermogen nodig is, hiervoor is dit type motoren niet rendabel genoeg. Indien men een groot vermogen nodig heeft zal men overstappen naar een ander type motor 2. 1 Een lineaire beweging vindt men onder andere terug bij lineaire motoren. 2 Bijvoorbeeld een driefasige motor.
Eenfasige motor 7 1.3 Indeling motoren De motor die besproken gaat worden is de enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator of kortweg de condensatormotor. Figuur 1: Indeling motoren Zoals men kan zien op de figuur wordt de condensatormotor gerangschikt onder de elektromotoren. Dit omdat hij gebruik maakt van elektrische energie en niet van energie zoals verbranding, ontploffing en ook niet van chemische of mechanische energie. De tak elektromotoren kan men opsplitsen in twee onderverdelingen, de DCmotoren die gebruik maken van gelijkstroomenergie en AC-motoren die gebruik maken van wisselstroomenergie. De condensatormotor werkt op wisselstroomenergie dus wordt hij ook onder deze tak geplaatst.
Eenfasige motor 8 De tak AC kan op zijn beurt ook nog eens opgesplitst worden in twee takken, namelijk enkelfasig en driefasig. De condensatormotor maakt gebruik van enkelfasige energie, dus men vindt hem ook in deze tak terug. 2 Werking 2.1 Onderdelen van de enkelfasige motor Lijst van de belangrijkste onderdelen Figuur 2: Onderdelen van de enkelfasige motor 3. Voorste lagerschild 4. Voorste lager 5. Stator met bijhorende bekabeling 6. Starter (bijvoorbeeld een stroomgevoelig relais) 14. Start- en bedrijfscondensator 18. Kooirotor 19. Achterste lager 21. Achterste lagerschild 24. Schoepenwiel
Eenfasige motor 9 2.2 De kooirotor 2.2.1 Wat is een kooirotor? Een kooirotor is het ronddraaiende gedeelte van de motor. Hij zet de magnetische energie die ontwikkeld wordt in de stator, om in mechanische energie. Figuur 3: Praktische voorstelling van een kooirotor zonder schoepenwiel De voorkant van de as van de rotor is naar buiten gebracht zodat men een mechanische belasting kan aanbrengen. Aan de andere zijde van de rotor vindt men een schoepenwiel dat dienst doet als een soort ventilator. Dit schoepenwiel ontwikkelt een luchtstroom als de rotor draait. De luchtstroom stroomt tussen de rotor en stator zodat deze hun warmte gemakkelijker kunnen afvoeren. De rotor steunt in de voorste en achterste lagers, die op hun beurt in het voorste en achterste lagerschild hangen. Bij speciale uitvoeringen is de as langs beide kanten naar buiten gebracht zodat men langs alle twee de kanten van de motor iets kan aansluiten. Een kooirotor vindt men zowel terug in enkelfasige als in driefasige motoren. Figuur 4: Reële voorstelling van een kooirotor
Eenfasige motor 10 2.2.2 Opbouw van een kooirotor Een kooirotor bestaat uit twee ringen die een lage elektrische weerstand hebben. Deze ringen worden gemaakt uit metaal, bijvoorbeeld aluminium. Tussen deze ringen worden staven aangebracht die ook een lage elektrische weerstand hebben. Deze staven worden kortgesloten door de beide ringen. Figuur 5: Opbouw van de elektrische kooi Door het midden van de beide ringen loopt de as. De ruimte in de verkregen cilinder wordt meestal opgevuld met gelammelleerde plaatjes, dit om wervelstromen tegen te gaan en ervoor te zorgen dat we statorflux minder weerstand ondervindt. 2.2.3 Werking van een kooirotor Men neemt een kooirotor die vrij rond kan draaien op een as 3. Rond de kooirotor laat men een (elektro-)magneet draaien. Deze magneet simuleert het statordraaiveld dat later wordt opgewekt door de statorwikkelingen van de motor. Figuur 6: Werking van een kooirotor 3 Niet getekend om het overzicht in de figuur te behouden
Eenfasige motor 11 A. Geleider in een magnetisch veld De rotor wordt geblokkeerd. Nu bekijken we één geleider (staaf). Deze geleider heeft een gelijkstroomweerstand R en een zelfinductiecoëfficiënt L. Figuur 7: Geleider in een draaiveld De geleider bevindt zich in een bewegend magnetisch veld. Van een geleider bewegend in een magnetisch veld weten we dat hij een spanning opwekt die gelijk is aan: B. Lorentz-kracht E: Gegenereerde spanning in Volt B: Fluxdichtheid van het magnetisch veld in Tesla v: Snelheid waarmee de geleider de veldlijnen snijdt in meter per seconde l: Lengte van de geleider in het magnetisch veld in meter α: hoek tussen de snelheidsvector van de geleider en de veldlijnen in graden De geleider wekt dus een spanning op, maar de geleider is kortgesloten via de ringen en de andere geleiders van de kooirotor. Er zal dus een stroom I beginnen vloeien door de geleider. Deze stromen wekken een magnetisch veld op dat zich afzet tegenover het veld van de magneet die rond de kooirotor draait (draaiveld van de stator). Hierdoor wordt er een kracht ontwikkeld op de geleider, deze kracht noemen we de Lorentz-kracht. De grootte van de kracht kan men uitrekenen volgens de volgende formule. F: Gegenereerde kracht in Newton B: Fluxdichtheid van het magnetisch veld in Tesla I: Stroom door de geleider in Ampère l: Lengte van de geleider in het magnetisch veld in meter
Eenfasige motor 12 C. Faseverschuiving φ Aangezien de geleider een zelfinductiecoëfficiënt L en een gelijkstroomweerstand R heeft, zal de stroom door de geleider naijlen op de spanning over de geleider. De stroom zal dus ook naijlen op de statorflux. De hoek waarmee de stroom zal naijlen is te herleiden uit de volgende formule: φ: Faseverschuiving tussen de stroom door de geleider en de spanning over de geleider in graden f: Frequentie van de statorflux 4 in Hertz L: Zelfinductiecoëfficiënt van de geleider in Henry R: Gelijkstroomweerstand van de geleider in Ohm Zoals de formule dus aantoont, ziet men dat de faseverschuiving tussen de stroom door de geleider en de spanning over de geleider enkel afhankelijk is van de frequentie van de statorflux. L en R zijn immers constant. Bij stilstand is de faseverschuiving maximaal omdat er geen verschil is tussen de frequentie van de statorflux en de frequentie van de spanning over de geleider, de frequentie is dus maximaal. D. Aanloopkoppel Volgende formule geeft ons de fictieve wisselstroomweerstand van de geleider in functie van de frequentie van de statorflux: X g : Fictieve wisselstroomweerstand van de geleider in Ohm f s : Frequentie van de statorflux in Hertz L: Zelfinductiecoëfficiënt van de geleider in Henry Aangezien f s niet meer kan stijgen is X g maximaal. De stroom door de geleider zal dus minimaal zijn. De stroom door de geleider bij rotorstilstand is dus laag, dit heeft als gevolg dat de Lorentz-kracht ook laag zal zijn (zie formule Lorentz-kracht). Het aanloopkoppel van de kooirotor zal dus laag zijn. 4 Of de frequentie van de spanning over de geleider, deze zijn immers gelijk bij stilstand van de rotor
Eenfasige motor 13 De rotor wordt gedeblokkeerd: door het aanloopkoppel zal de rotor beginnen draaien. Hierdoor zal de faseverschuiving tussen de stroom door de geleider en het statordraaiveld verkleinen. De rotor zal versnellen en de rotatiefrequentie waarmee het statordraaiveld de geleider snijdt, zal dalen. Hierdoor zal de spanning over de geleider dalen. Dit heeft dan weer tot gevolg dat de stroom door de geleider zal dalen, wat op zijn beurt weer nadelige effecten heeft op het koppel (zie formule van Lorentz-kracht). Het koppel zal op een bepaalde snelheid een maximum bereiken. Stel dat de rotor de rotatiefrequentie van het statordraaiveld zou ondervinden, dan zou de faseverschuiving nul zijn, er zou geen stroom meer vloeien en het koppel zou nul worden. Dit zou als gevolg hebben dat de rotor terugzakt in snelheid. Dit terugzakken in snelheid zal tot gevolg hebben dat er terug een koppel zal ontstaan en de rotor terug aangedreven wordt. 2.2.4 Samengevat Het draaiveld van de motorwikkelingen zal de rotorgeleiders snijden waardoor er inductiespanningen worden opgewekt over de rotorgeleiders. Omdat de rotor een gesloten kring vormt, zullen er rotorstromen gaan vloeien. De stroomvoerende rotorgeleider bevindt zich in een magnetisch veld, zodat er Lorentz-krachten ontstaan op de rotorgeleiders. De som van al deze Lorentz-krachten veroorzaakt het koppel van de motor. 2.3 De stator 2.3.1 Wat is een stator? Een stator is het onderdeel van de motor/generator dat stilstaat. De stator bestaat uit één of meerdere wikkelingen die in het geval van een motor een magnetisch veld opwekken. Dit magnetisch veld wordt dan door de (kooi)rotor omgezet naar mechanische rotatie-energie. 2.3.2 Opbouw van de stator van een enkelfasige motor Bij een enkelfasige motor bestaat de stator uit twee wikkelingen, de hoofdwikkeling en de hulpwikkeling. De hulpwikkeling ligt ruimtelijk 90 verschoven tegenover de hoofdwikkeling. De twee wikkelingen zijn identiek. 2.3.3 Werking van de stator van een enkelfasige motor A. Wikkeling op een eenfasig net We nemen één wikkeling en sluiten deze aan op een spanning met een sinusvormig verloop. Dit heeft als gevolg dat door de wikkeling een stroom zal beginnen vloeien die op zijn beurt een wisselveld Φ opwekt. De grootte van Φ
Eenfasige motor 14 zal net zoals de spanning een sinusvormig verloop hebben. De grootte van het wisselveld Φ zal zich dus altijd tussen zijn positief maximum (+Φ m ) en zijn negatief maximum (-Φ m ) liggen, dit wil dus ook zeggen dat Φ op bepaalde momenten nul zal zijn. De richting van het wisselveld zal ongewijzigd blijven, de zin wisselt steeds. In figuur 8 is duidelijk te zien dat de stroom I en het wisselveld Φ in fase zijn. Ook ziet men duidelijk de sinusvorm terug. De polariteit van de polen in de figuur is gezien vanuit de stator. Figuur 8: Wikkeling op eenfasig net
Eenfasige motor 15 B. Theorema van Leblanc Als men het theorema van Leblanc op het wisselveld toepast dan krijgt men twee draaivelden die de helft zijn van Φ m, deze draaivelden zijn Φ L en Φ R. De twee draaivelden zijn gelijk in grootte (Φ m /2), hebben dezelfde rotatiefrequentie ω en draaien in tegengestelde richting. Figuur 9: Leblanc toegepast op het wisselveld op een willekeurig tijdstip In figuur 9 ziet men dus Φ L en Φ R getekend staan, ze vertrekken beide uit het nulpunt. Telt men Φ L en Φ R op dan bekomt men de resultante Φ. Als men figuur 9 bekijkt ziet men dat de totale flux Φ op dat moment bijna gelijk is aan +Φ m. Als men een stap verder in de tijd gaat (zie figuur 10), dan zal men zien dat Φ steeds meer tot nul nadert. Op een bepaald moment zal de richting van Φ L 180 verschillen met de richting van Φ R, nu is Φ gelijk aan nul. Als men Φ L en Φ R verder laat doordraaien, zal de totaalflux Φ van zin veranderen en naar -Φ m toegroeien. Zoals men ziet kan Φ nooit voorbij +Φ m of -Φ m komen. Maar Φ kan wel gelijk zijn aan +Φ m of -Φ m, dit is het geval wanneer de richtingen van Φ L en Φ R identiek zijn.
Eenfasige motor 16 Figuur 10: Theorema van Leblanc verder uitgewerkt C. Slipfactor De slipfactor s duid een afwijking tussen de rotatiefrequentie van het statordraaiveld en de rotatiefrequentie van de rotor aan. De slipfactor is te berekenen met de volgende formule: s: slipfactor in procent n stator : rotatiefrequentie van het statordraaiveld in toeren per minuut n rotor : rotatiefrequentie van de rotor in toeren per minuut Zo zal bij stilstand van de rotor zal de slipfactor 100% zijn, bij een synchrone snelheid 5 zal s gelijk zijn aan 0%. D. Koppelrotatiegrafiek Figuur 11 laat ons de koppelrotatiegrafiek zien van een motor met één wikkeling, aangesloten op een enkelfasige spanning. In de figuur staat het verloop van het opgewekte koppel 6 van Φ L en het opgewekte koppel van Φ R uitgetekend. Als men nu de krommen T L en T R samentelt dan bekomt men de resulterende koppelrotatiegrafiek T. Zoals men ziet is het resulterend koppel T bij stilstaande rotor (s = 100% = 1) gelijk aan nul. Dit heeft als gevolg dat de motor niet uit zichzelf kan beginnen draaien. Als er een externe factor de rotor aan het draaien zou kunnen brengen, dan zal er wel een koppel zijn. Dit beperkte koppel zal de rotor doen 5 Is onmogelijk om te halen, zie laatste alinea Aanloopkoppel bij Werking van een kooirotor 6 Het opgewekte koppel is het koppel dat opgewekt wordt op de kooirotor door de flux
Eenfasige motor 17 versnellen. Bij het versnellen zal de rotor steeds in dezelfde zin blijven draaien. Figuur 11: Koppelrotatiegrafiek Eens de rotor aangelopen is, blijven er nog altijd twee draaivelden aanwezig, namelijk Φ L en Φ R. Eén van deze twee draaivelden gaat tegen de motordraaizin in. De rotatiefrequentie van dit draaiveld lijkt dubbel zo snel tegenover de rotatiefrequentie van het statordraaiveld (s = 200% = 2). Dit inverse veld (Φ invers ) zorgt er nu voor dat er over de geleiders van de rotor een spanning komt te staan die 90 naijlt, deze spanning noemen we E invers. Deze spanning heeft tot gevolg dat er door de rotor een stroom zal beginnen lopen (I invers ). Omdat de rotor zeer inductief is, zal de stroom 90 naijlen op E invers en 180 op Φ invers. Aangezien Φ invers zijn frequentie dubbel zo groot is als de netfrequentie, zal de frequentie van I invers dat ook zijn. De stroom zal tot gevolg hebben dat er een flux Φ zal ontstaan, die in fase is met I invers. Deze flux is dus net zoals de stroom 180 verschoven tegenover Φ invers ; ze zullen elkaar voor een groot deel compenseren waardoor er maar één draaiveld meer over blijft. Figuur 12: Tegengesteld draaiveld
Eenfasige motor 18 E. Twee wikkelingen op een tweefasig net We sluiten de twee wikkelingen aan op een tweefasig net, dit net levert twee sinusvormige spanningen die onderling 90 graden verschoven zijn. Figuur 13: Tweefasig net De twee wikkelingen liggen ruimtelijk 90 van elkaar verschoven. In realiteit zijn beide wikkelingen niet identiek, dit is praktisch onmogelijk om te realiseren. Ook zal er later met één wikkeling, één of twee condensatoren in serie opgenomen worden. Hierdoor zullen de wikkelingen zich niet volledig identiek gedragen. We gaan er nu van uit dat de twee wikkelingen identiek zijn. Beide wikkelingen ziet men getekend in figuur 14A. Uit 2.3.3 weten we dat er een wisselveld in elke wikkeling zal ontstaan. De richtingen van deze wisselvelden zullen ook ruimtelijk 90 van elkaar verschoven zijn. In 2.3.3 hebben we bewezen dat men elke flux Φ kan opsplitsen in twee deelfluxen die gelijk zijn aan de helft Φ m. In figuur 14B ziet men de deelfluxen Φ a en Φ b van Φ 2, in figuur 14C ziet men de deelfluxen Φ a en Φ b van Φ 1. Als men nu de vier fluxen vectorieel gaat optellen bekomt men het vectordiagramma uit figuur 14D. Figuur 14: Twee identieke wikkelingen op een tweefasig net Men ziet dus dat Φ a en Φ c elkaar compenseren, deze zullen dus wegvallen. Φ b en Φ d zullen elkaar daarentegen juist versterken. We krijgen dus één
Eenfasige motor 19 cirkelvormig roterend draaiveld Φ r, met een constante grootte. Het draaiveld maakt één omwenteling per periode van de netfrequentie. Men kan de vorm van het draaiveld ook bewijzen met het principe van Lissajous. Hiervoor plaatst men Φ 1 op de y-as en Φ 2 op de x-as. Men neemt dan voor elk tijdstip een x(waarde van Φ 2 ) en een y(waarde van Φ 1 ) coördinaat en duidt dat punt aan. Doet men dit voor een hele periode dan bekomt men een cirkel. Deze cirkel duidt de vorm van het draaiveld aan. Figuur 15: Draaiveld met Lissajous In figuur 16 ziet men wat er gebeurt bij een praktische opstelling waar beide wikkelingen niet identiek zijn. Hier zal het draaiveld ellipsvormig worden. Figuur 16: Twee niet-identieke wikkelingen op tweefasig net
Eenfasige motor 20 F. Twee wikkelingen op een enkelfasig net Het bovenstaande principe passen we ook toe bij een enkelfasige motor. Om een tweefasig net te simuleren binnen de motor gaan we faseverschuivende elementen toepassen. In het algemeen worden er hiervoor condensatoren gebruikt, omdat deze relatief klein zijn en geen magnetische velden opwekken die het draaiveld kunnen beïnvloeden. Het bijschakelen van een smoorspoel of een aangepaste impedantie zal evengoed een faseverschuiving opbrengen. We gaan er verder vanuit dat er één of meerdere condensatoren gebruikt worden. De condensator plaatsen we in serie met de hulpwikkeling, hierdoor zal de stroom door de hulpwikkeling 90 voorijlen op de stroom door de hoofdwikkeling. Uit punt 2.3.3 weten we dat er een cirkelvormig draaiveld zal ontstaan. Dit draaiveld zal de rotor aan het draaien brengen (zie 2.2.3). We verkrijgen dus het schema vanuit figuur 17. Figuur 17: Schema enkelfasige motor met startcondensator en centrifugaalschakelaar In dit schema ziet men dus dat de hoofdwikkeling L 1 rechtstreeks over het eenfasige net staat. Hulpwikkeling L 2 is aangesloten op het net met een startcondensator en een centrifugale schakelaar in serie. Na aanloop mag de hulpwikkeling aangesloten blijven, maar de hulpwikkeling mag ook uitgeschakeld worden (zie koppelkarakteristiek). Indien hij aangeschakeld blijft zal de arbeidsfactor van het net verbeterd worden. Aan het gebruik van een enkele condensator is wel een nadeel verbonden, het aanloopkoppel kan namelijk niet groter worden dan het nominale koppel. Figuur 18: Koppelrotatiegrafiek met en zonder hulpwikkeling
Eenfasige motor 21 Figuur 18 laat ons de koppelrotatiegrafiek zien met de hulpwikkeling in- en uitgeschakeld. Hier is duidelijk het verschil te zien in het aanloopkoppel met en zonder hulpwikkeling. Men ziet hier duidelijk dat het aanloopkoppel betrekkelijk lager ligt dan het nominale koppel. Om het bovenvermelde nadeel te verhelpen passen we volgend schema toe. Figuur 19: Schema enkelfasige motor met startcondensator en bedrijfscondensator. Door twee condensators parallel te schakelen zal de totale capaciteit verhogen, hierdoor zal het aanloopkoppel verhogen tot 2 à 3 keer het nominale koppel. Bij het aanlopen zullen beide condensatoren ingeschakeld zijn. Hierdoor zal het aanloopkoppel hoog zijn. Later zal C 1 uitgeschakeld worden door de centrifugale schakelaars waardoor het koppel daalt naar het nominale niveau. Figuur 20: Koppelrotatiegrafiek van enkelfasige motor met twee condensatoren In de grafiek uit figuur 20 zien we duidelijk dat het aanloopkoppel hoog is indien C 1 en C 2 ingeschakeld zijn, indien enkel C 2 ingeschakeld is ziet men dat het aanloopkoppel laag is. Deze condensator zorgt ook voor een verbetering van de arbeidsfactor.
Eenfasige motor 22 G. Types van schakelaars Naast de hierboven gebruikte centrifugale schakelaar bestaan er ook nog andere types. Enkele staan afgebeeld in figuur 21. In volgorde: Figuur 21: Types schakelaars handbediende schakelaar: C 1 wordt hier manueel uitgeschakeld, dit maakt dit type schakelaar minder geschikt voor gebruik in automatische processen; tijdrelais: hier wordt C 1 uitgeschakeld na een bepaalde tijd, onafhankelijk van het toerental van de motor; stroomgevoelig relais: een motor neemt bij het aanlopen meer stroom; eens deze stroom gedaald is tot een bepaald niveau, wordt C 1 uitgeschakeld. Het meest gebruikte type schakelaar is de centrifugale schakelaar. Deze schakelaar is opgebouwd uit twee halve van elkaar geïsoleerde ringen, drie aan elkaar kortgesloten borstels, een veersysteem en drie gewichten. De schakelaar schakelt wanneer een bepaal toerental is bereikt. Dit wordt gedaan door de gewichten en het veersysteem op de as te monteren. Door middel van de middelpuntvliedende kracht zullen de gewichten zich naar buiten begeven, op een bepaald toerental zal de kracht zo groot zijn dat de contacten zich openen. De twee halve ringen zullen nu elektrisch van elkaar gescheiden zijn, het contact is geopend. Figuur 22: Praktische opbouw van een centrifugale schakelaar In het elektrisch schema van figuur 24 ziet men duidelijk de werking van de schakelaar. Als de schakelaar gesloten is, zijn alle drie de borstels in geleiding met de halve ringen gebracht, deze zijn dus kortgesloten. Als de schakelaar
Eenfasige motor 23 geopend is, gaan de borstels omhoog en worden de ringen elektrisch gescheiden. Figuur 23: Schematische voorstelling centrifugale schakelaar Figuur 24: Schematische voorstelling van enkelfasige motor met centrifugale schakelaar H. Bepalen van de capaciteit Het bepalen van de capaciteitswaarde kan gebeuren door middel van volgende formule: C: capaciteit van de condensator in µf P: het nuttig vermogen in Watt f: frequentie van het net in Hertz U: spanning van het voedend net in Volt ŋ: rendement van de motor n: effectieve windingsverhouding van hulpfase tot hoofdfase Met de capaciteit wordt de waarde van C 1 en C 2 in parallel bedoeld. Over de condensator(s) komt een spanning te staan, het is dan ook belangrijk dat de condensator deze spanning aankan. Indien het foutieve type van condensator is gekozen, is de kans dat hij beschadigd raakt redelijk groot. Het is dus belangrijk dat op voorhand geweten is hoe groot U c zal zijn. Dit is eenvoudig te berekenen met volgende formule: U c : spanning over de condensator in Volt n: effectieve windingsverhouding van hulpfase tot hoofdfase
Eenfasige motor 24 Als type bedrijfscondensator wordt meestal een elektrolytisch type voor wisselstroom gebruikt. Deze zijn enkel te vinden in genormaliseerde waardes. Indien men dus een waarde uitkomt die niet bestaat, zal men de dichtst bijzijnde waarde moeten nemen. 2.4 Toelichtingen 2.4.1 Verschillende spanningen A. Ingrepen op de wikkelingen Om het toepassingsgebied van de enkelfasige motor nog uit te breiden wordt deze motor soms geschikt gemaakt voor twee spanningen. Om dit mogelijk te maken dient men de hoofdwikkeling op te delen in twee identieke delen. De hulpwikkeling maakt men zo dat deze kan werken voor de kleinste spanning. B. Lage spanning Om de motor te laten werken op een lage spanning schakelt men de twee delen van de hoofdwikkeling (L 11 en L 12 ) in parallel. Deze twee delen zullen dan met elkaar meewerken, zo lijkt het of er maar één wikkeling is aangesloten. Als men één van beide wikkelingen omgekeerd aansluit, zal deze de andere tegenwerken waardoor het wisselveld afgebroken wordt. Dit heeft tot resultaat dat de motor niet zal draaien/aanlopen 7. De hulpwikkeling met bijhorende condensators en schakelaar sluit men aan op de netspanning. Men verkrijgt dan het schema zoals in figuur 25: Figuur 25: Enkelfasige motor aangesloten op lage spanning 7 Als men de motor met een externe factor laat aanlopen zal deze blijven draaien door het wisselveld van de hulpwikkeling.
Eenfasige motor 25 C. Hoge spanning Om de motor op een hoge spanning te laten draaien, dient men de wikkelingen L 11 en L 12 in serie te plaatsen zodat de netspanning verdeeld wordt over beide wikkelingen. In het midden van de twee wikkelingen takt men af voor de schakeling van de hulpwikkeling. De twee hoofdwikkelingen werken nu als spanningsdeler, waardoor ook de hulpwikkeling en bijhorende condensators niet de volledige (hoge) spanning krijgen. De twee hoofdwikkelingen zullen elkaars veld versterken waardoor deze lijken te werken als één enkele wikkeling. Men verkrijgt volgend schema: 2.4.2 Omkeren van de draaizin Figuur 26: Enkelfasige motor aangesloten op hoge spanning Het omkeren van de draaizin van de enkelfasige motor kan op twee manieren bereikt worden. Omkeren van de stroom door de hoofdwikkeling Omkeren van de stroom door de hulpwikkeling Dit is gemakkelijk te bewijzen door middel van Lissajous.
Eenfasige motor 26 Figuur 27: Rechtsdraaiend veld Figuur 28: Linksdraaiend veld Men ziet dat in figuur 27 en figuur 28 de stroom door de hulpwikkeling 180 verschoven is. Dit is het resultaat van het ompolen van de hulpwikkeling. Deze faseverschuiving heeft tot gevolg dat het draaiveld omdraait van zin. Aangezien de rotor de draaizin van het statordraaiveld volgt, zal de rotor ook in de andere richting draaien.
Eenfasige motor 27 Deel 2: Praktische proef 1 Bespreking 1.1 Doel van de proef Het doel van deze praktische proef is het opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek met bedrijfs- en startcondensator. Vooraleer deze proef wordt uitgevoerd worden eerst de benodigde elektrische schema s, meetpanelen, machines, meetprocedures, aansluitschema s, en instellingen besproken. Als de proef is uitgevoerd worden de resultaten vergeleken met de theoretische karakteristieken. 1.2 Benodigdheden Universele voedingseenheid, type 2740 Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator, type 2715 Rem- /aandrijfeenheid, type 2719 Stuureenheid, type 2730 1.3 Bespreking van de meetpanelen en machines 1.3.1 Algemene kenmerken Alle meetpanelen en machines zijn voorzien van een aardeaansluiting, deze moet voor de veiligheid worden doorverbonden tijdens de proeven. Alle meetpanelen en machines (met uitzondering van de rem-/aandrijfeenheid) hebben een blauwe 5 mm dikke kunststofplaat als voorzijde. Deze plaat is voorzien van witte duidelijke symbolen die de opbouw van het paneel schematisch voorstellen. 1.3.2 Universele voedingseenheid A. Algemeen De universele voedingseenheid levert zowel DC als AC spanningen die nodig zijn voor het uitvoeren van diverse proeven op motoren. Een driefasige wisselspanning met neutrale geleider is beschikbaar. In de proef die hier uitgevoerd gaat worden zullen enkel lijn 1 (L1) en de neutrale geleider gebruikt worden zodat een enkelfasige wisselspanning gecreëerd wordt. Het paneel is voorzien van de benodigde zekeringen en een hoofdschakelaar.
Eenfasige motor 28 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel Figuur 29: Universele voedingseenheid Enkel de gebruikte onderdelen en aansluitingen worden beschreven. 1.3.3 1: Hoofdschakelaar 2: Automatische Hoofdzekering (6A) 3: Driefasige Netaansluiting (400V AC/16A), aan de achterzijde van het paneel 9: Driefase uitgang (L1, L2, en L3) met neutrale geleider (N) en aardeaansluiting (PE) (Imax = 6A, U = 230 V / 400 V) Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator A. Algemeen De gebruikte motor is een motor zoals beschreven en het theoretische gedeelte, hij bevat een hoofdwikkeling, hulpwikkeling, start- en bedrijfscondensator. In plaats van een centrifugale schakelaar die uitgebreid gezien werd in deel 1 bevat deze motor een stroomgevoelig relais8. Dit relais dient altijd in serie moet de hoofdwikkeling geplaatst te worden, anders kan deze beschadigd raken. De hoofdwikkeling is niet gemaakt om de volledige netspanning te verdragen, als men stroomgevoelig relais mee in serie plaatst 8 Ook wel Clixon-relais of hulpfasestartrelais genoemd 6EE Van Hoylandt Roel 2007-2008
Eenfasige motor 29 valt hierover een spanning. Nu krijgt de hoofdwikkeling een lagere spanning zodat deze niet beschadigd raakt. De motor die in deze proef gebruikt wordt beschikt ook nog over een thermokoppel dat aangeeft hoe warm de motor is, indien hij te warm wordt kan er worden overgegaan tot uitschakeling van de motor. B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel Figuur 30: Aansluitplaatje van de motor U 1 : Netspanning aansluiting (L1), bovenste aansluitklem stroomgevoelig relais U 1 : Gemeenschappelijke aansluiting stroomgevoelig relais en hoofdwikkeling U 2 : Netspanning aansluiting(n) b 1 : Uitgang stroomgevoelig relais Z 1, Z 2 : Hulpwikkeling C A,C A : Startcondensator C B,C B : Bedrijfscondensator TK,TK: Thermokoppel Aardeaansluiting 1.3.4 Rem- /aandrijfeenheid A. Algemeen De rem- /aandrijfeenheid is een constructie met een driefasige asynchrone motor. Deze kan mechanisch aan een andere testmachine gekoppeld worden doormiddel van een snelopspansysteem. De driefasige asynchrone motor is pendelend opgesteld, zodat een rekstrookjesmeetbrug het ontwikkelde koppel kan meten. De meetbrug is voorzien van een nulinstelling. Verder kan de eenheid het toerental en draaizin van de motor meten.
Eenfasige motor 30 De driefasige asynchrone motor heeft een toerental van 15 tot 3000 toeren en kan draaien in beide richten zodat hij de testmachine kan aandrijven en afremmen. B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel Figuur 31: Voorzijde Figuur 32: Achterzijde Enkel de gebruikte onderdelen en aansluitingen worden beschreven. 1: Pendelmachine 2: Afdekkap over koppeling 3: Opspaninrichting 4: Opspanhefboom 5: Nulinstelling 7: Aansluiting P1, om de pendelmachine (motor) aan te sluiten op de frequentiegestuurde omvormer van de stuureenheid. (4 polige stekker, U, V, W en PE) 8: Aardeaansluiting 9: Aansluiting P2, om de pendelmachine (sensoren) aan te sluiten op de stuureenheid (8 polige stekker)
Eenfasige motor 31 Figuur 33: Rem-/Aandrijfeenheid met een testmachine 1.3.5 Stuureenheid A. Algemeen De stuureenheid wordt gebruikt voor het uittesten van verschillende types motoren en generatoren (zowel DC als AC). Dit doet hij door het toerental en draairichting van de motor in pendelmachine van de rem-/aandrijfeenheid te veranderen. Het toerental van deze motor wordt geregeld door een digitaal gestuurde frequentieregelaar die een frequentie uitgeeft van 0,5 Hz tot 120 Hz, en dit is in beide draaizinnen regelbaar. Op deze manier kan de testmachine aangedreven en afgeremd worden. De stuureenheid bevat ook een indicatie van het toerental en het opgewekte koppel zodat er karakteristieken opgenomen kunnen worden. Op de stuureenheid is een aansluiting voor een temperatuursvoeler voorzien. Deze temperatuursvoeler zit ingebouwd in de testmachine en is een bimetaalcontact, type normaal gesloten. Als er een overhitting is schakelt de frequentiegestuurde omvormer af en gaat er bijhorende rode LED branden. De start/stop functie wordt uitgeschakeld totdat de testmachine terug is afgekoeld. Dan gaat de rode LED uit en de men kan de opstelling terug starten. Ook machines met thermisch contact normaal open kunnen gebruikt worden door gebruik te maken van het de extra massa-aansluiting.
Eenfasige motor 32 B. Aansluitingen en onderdelen van het meetpaneel Figuur 34: Stuureenheid Enkel de gebruikte onderdelen en aansluitingen worden beschreven. 6EE 1: Netaansluiting (220-240V AC, 50-60Hz) 2: Netzekering, smeltzekering (6,3 A T) 3: Gewenste waarde, stelt de gewenste snelheid voor de pendelmachine in 4: Start/Stop, start of stop de pendelmachine 5: Links/Rechts, laat de pendelmachine links of rechts draaien 6: Keuzeschakelaar o MANUAL: Handinvoer van de gewenste waarde o AUTOMATIC: wordt niet gebruikt in de proef o INTERFACE: wordt niet gebruikt in de proef 7: Frequentiegestuurde omvormer, regelt de snelheid van de motor in de pendelmachine. De error-led gaat branden bij volgende fouten: o Eén of meerdere verbindingen met de motor kortgesloten of sluiting met de massa o Steile wijziging van de snelheid van de motor of stuureenheid nadat de voedingsspanning is ingeschakeld o Spanning van de tussenkring valt buiten het toegelaten bereik 9: Draaizin van de testmachine 10: Aanduiding van het toerental van de motor in toeren per minuut [rpm = rounds per minute] 11: Aanduiding van de grote van het koppel in Newtonmeter [Nm], tolerantie 3% Van Hoylandt Roel 2007-2008
Eenfasige motor 33 12: Aansluiting P1, 4 polige stekker (U, V, W, PE) voor het aansluiten van de pendelmachine 13: Aansluiting PE, alleen met ingestoken netstekker en P1-stekker op de stuureenheid is deze bus verbonden met de beschermgeleider. 15: Koppelbegrenzer, bestaat uit een schakelaar en een potentiometer. De schakelaar dient op de stand int. (intern) te staan. De stand interface wordt in deze proef niet gebruikt. Met de potentiometer kan geregeld worden hoeveel het koppel van de pendelmachine verzwakt moet worden. Als de potentiometer op max. gezet wordt heeft dit geen invloed op het koppel van de pendelmachine. 18: Temperatuurvoeler, schakelt de frequentieregelaar uit wanneer de testmachine te warm wordt 20: Aansluiting P2, 8 polige stekker, dient voor het aansluiten van de sensoren in de rem-/aandrijfeenheid op de stuureenheid 22: Maximum snelheid, stelt het naargelang het snelheidsbereik van schakelaar 24 de maximum snelheid traploos in. 24: Keuze snelheidsbereik, keuze tussen 1800 of 3600 rpm
Eenfasige motor 34 1.4 Aansluitschema s 1.4.1 Schema opstelling 1: Enkelfasige motor met bedrijfscondensator In onderstaande figuur staat het schema getekend voor het opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek zonder startcondensator. Figuur 35: Schema opstelling 1
Eenfasige motor 35 1.4.2 Schema opstelling 2: Enkelfasige motor met start- en bedrijfscondensator In onderstaande figuur staat het schema getekend voor het opnemen van de koppeltoerentalkarakteristiek met beide condensatoren. Figuur 36: Schema opstelling 2 1.5 Meetprocedure 1.5.1 Algemeen Aangezien er twee situaties (met en zonder startcondensator) zijn waarin de motor werkt moeten er ook twee koppel-toerentalkarakteristieken opgenomen worden. Dit gebeurt door middel van de hieronder beschreven meetprocedures. De meetresultaten moet worden weergegeven in een tabel en grafiek. Volgende tabel moet ingevuld worden bij beide situaties.
Eenfasige motor 36 Meetpunten met: Toerental [n/min -1 ] Koppel [Nm] Nullast snelheid Nominale snelheid 1 ste tussenwaarde Kipmoment 2 de tussenwaarde 3 de tussenwaarde 4 de tussenwaarde Minimum snelheid Tabel 1: Lege tabel voor koppel-toerentalkarakteristiek 1.5.2 Opnemen van de koppel-toerentalkarakteristiek met bedrijfscondensator Plaats de condensatormotor in de rem-/aandrijfeenheid en trek aan de hendel (richting pendelmachine) om hem vast te klemmen Maak de schakeling zoals getekend in figuur 35 Schakel de universele voedingseenheid in, zodat er 230 V op de testmotor komt Schakel de stuureenheid in, en zet zijn voeding aan, de snelheid, koppel en draaizin worden aangeduid Controleer de draaizin, de testmotor dient rechtsom te draaien, indien hij linksom draait dient men de hulpwikkeling 9 om te polen (eerst voeding uitschakelen) Noteer het nullast toerental en de draaizin Schakel de universele voeding uit Voer de volgende instellingen in op de stuureenheid o Zet keuze schakelaar 6 op MANUAL o Controleer de instelling van de koppelbegrenzer o Zet de keuzeschakelaar op het geschikte snelheidsbereik, afhankelijk van het nullast toerental o Zet de gewenste waarde schakelaar 3 op de stand int. o Zet de draaizin schakelaar 5 op de draaizin die hiervoor genoteerd is Druk kort op de Start/Stop-toets om de pendelmachine te starten Vergelijk het aangeduide toerental met het nullast toerental en regel deze op dezelfde snelheid met de gewenste waarde potentiometer 3 Schakel de universele voedingseenheid in, het koppel zou nu nul moeten zijn, indien niet, corrigeer het toerental met de gewenste waarde potentiometer 3 Schakel eerst de universele voedingseenheid uit en vervolgens pas de stuureenheid 1.5.3 Opnemen van de koppel-toerentalkarakteristiek met start- en bedrijfscondensator Deze procedure is identiek aan de procedure in 1.5.2, alleen moet nu de schakeling uit figuur 36 opgebouwd worden. 9 Mag ook de hoofdwikkeling zijn, maar meestal wordt de hulpwikkeling omgepoolt
Eenfasige motor 37 1.6 Meetresultaten 1.6.1 Tabellen met meetresultaten In volgende tabellen ziet men de meetresultaten die opgenomen zijn tijdens de praktische proef. Meetpunten met: Toerental [n/min -1 ] Koppel [Nm] Minimum snelheid 40 0.75 100 0.88 200 0.95 300 1.08 400 1.25 500 1.45 600 1.68 700 1.88 800 2.15 900 2.44 1000 2.75 1100 2.93 1150 2.99 Kipmoment 1200 3.05 1250 3.04 1300 2.85 1350 2.72 1400 2.30 Nominale snelheid 1430 1.94 1450 1.25 Nullast snelheid 1500 0.25 Meetpunten met: Toerental [n/min -1 ] Koppel [Nm] Minimum snelheid 120 2.40 200 2.55 320 2.79 380 2.92 450 3.11 500 3.27 600 3.38 700 3.66 800 3.93 900 4.25 1000 4.50 1050 4.65 Kipmoment 1100 4.78 1150 3.70 1200 3.10 1250 3.10 1300 2.90 1350 2.30 1400 2.07 Nominale snelheid 1450 1.30 Nullast snelheid 1500 0.20 Tabel 2: Met bedrijfscondensator Tabel 3: Met start- en bedrijfscondensator
Eenfasige motor 38 1.6.2 Grafiek met meetresultaten In onderstaande tabel zijn beide proeven opgenomen. Ter vergelijking is de theoretische karakteristiek eronder geplaatst. Koppeltoerentalkarakteristiek: Enkelfasige motor met (start- en) bedrijfscondensator 5.00 4.00 Koppel [Nm] 3.00 2.00 1.00 0.00 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Toerental [n/min -1 ] Bedrijfscondensator Start- en bedrijfscondensator Grafiek 1: Praktische koppeltoerentalgrafiek Figuur 37: Theoretische koppeltoerentalgrafiek 1.6.3 Besluiten uit de praktische meetproeven Men ziet de gelijkenis tussen de theoretische en praktische koppeltoerentalgrafiek. Het is duidelijk te zien dat rond 1100 rpm het relais wordt uitgeschakeld en beide karakteristieken vervolgens ongeveer dezelfde weg afleggen. Deze kleine verschillen zijn te wijten aan opwarming van de motor. Dit opwarmen gebeurt bij het uittesten van de motor bij lage toerentallen, hierdoor dient de motor overbelast te worden. Het overbelasten van de motor is mogelijk indien men dit slechts kortstondig doet. Het is ook duidelijk te zien dat het aanloopkoppel bij het gebruik van beide condensatoren aanzienlijk hoger is dan bij het gebruik van enkel de bedrijfscondensator.
Eenfasige motor 39 Biblografie Bundel praktische proef 3E Enterprises n.v. Antwerpen Gedifferentieerd leerpakket elektriciteit 4 Wisselstroom machines 3 de druk, 3 de oplage 2004 2004 Uitgeverij De Boeck nv. Antwerpen Verantwoordelijk uitgever: Uitgeverij De Boeck nv, Lamorinièrestraat 31-37, 2018 Antwerpen Wettelijk depot: D/2002/9442/552 ISBN 90 455 0552 5 NUR 178 Alle figuren zijn ofwel ingescand uit bovenstaande referenties, ofwel door mezelf getekend of herwerkt.