Rendement bij inductiemachines: motor versus generator Focus Inductiemachines vinden meestal hun toepassing als motoren, hoewel er een groeiende markt is voor kleine elektrische generatoren (bijvoorbeeld voor WKK s), waar de inductiemachine als generator een volwaardige concurrent is voor andere machinetypes. Deze markt is echter nog jong, waardoor fabrikanten van inductiemachines meestal enkel het motorrendement vermelden in de catalogi en wordt helemaal geen informatie gegeven met betrekking tot generatorwerking. Voor- en nadelen van inductiemachines Klassieke inductiemachines hebben, voor wat betreft kleinschalige elektriciteitsproductie, enkele nadelen ten opzichte van synchrone en dubbelgevoede inductiemachines. Ze hebben ondermeer een iets lager rendement dan de andere twee machinetypes en voor toepassing in windenergie kunnen ze enkel gebruikt worden bij vast toerental, wat niet toelaat om een optimale vermogenproductie te bekomen. Voordelen van de klassieke inductiemachine zijn dan weer de eenvoud, de robuustheid en lage onderhoudskosten, wat zeker voor lage vermogens (onder 200 kw) opweegt tegen de eerder vermelde nadelen. Inductiemachines met kooirotor kunnen zonder speciale synchronisatieapparatuur met het net gekoppeld worden. Teneinde de transiënte stromen bij het uitvoeren van de netkoppeling te beperken, is het aangeraden de machine voor het aansluiten op het net op een snelheid dichtbij het synchrone toerental te brengen. In geval van een kortsluiting op het net levert de inductiemachine met kooirotor weinig tot geen energie, aangezien de bekrachtiging wegvalt (hierbij wordt wel het remanente magnetische veld in het blikpakket van de machine verwaarloosd). Men dient wel op te letten voor zelfbekrachtiging indien er in de buurt van de machine condensatoren voor het verbeteren van de arbeidsfactor zijn geïnstalleerd.
Bepaling van het rendement Om het rendement van verschillende inductiemachines met kooirotor voor generatorwerking te kunnen vergelijken, dient dit rendement uiteraard met dezelfde methode bepaald te worden. Een Input-Output methode, waarbij alle verliescomponenten met behulp van metingen van spanningen, stromen, vermogens, koppel en snelheid worden gemeten of geschat lijkt hiervoor de beste kandidaat. Nadelen hiervan zijn de nood aan een nauwkeurige (en dus dure) koppelmeting en de relatief tijdsintensieve procedure voor het opstellen, kalibreren en bemeten van de machine. Voordeel is dan weer dat men met deze methode met hoge betrouwbaarheid kan stellen dat alle verliesvermogens accuraat zijn bepaald en gereflecteerd in het uiteindelijke rendement. Het rendement bij motorwerking wordt bepaald als de verhouding van het mechanische uitgangsvermogen tot het elektrische ingangsvermogen. Bij generatorwerking is het gegeven als de verhouding van het elektrische uitgangsvermogen tot het mechanische ingangsvermogen. De vraag stelt zich nu op welke basis het rendement in motor- en generatorwerking kan worden vergeleken. Er zijn verschillende opties: Metingen bij gelijke statorstroom vermits de Jouleverliezen in de statorwikkelingen de grootste verliescomponent is. Metingen bij gelijk elektrisch vermogen in dit geval mogen de verliezen in generatorwerking groter zijn dan deze bij motorwerking. Dit volgt uit een analyse van de formules voor het rendement bij motor- versus generatorwerking. Een overzicht van de verschillende verliesvermogens laat toe te analyseren wat de verschillen zijn tussen motor- en generatorwerking vanuit het oogpunt van rendement: De wrijvings- en ventilatieverliezen, alsook de kernverliezen, worden verondersteld constant te blijven over het volledige werkingsgebied en worden vooraf bepaald aan de hand van een nullastproef. De Jouleverliezen in de stator- en rotorwikkelingen verschillen wel tussen motor- en generatorwerking. De rotorverliezen zijn gelijk aan het slip-percentage s (maat voor de afwijking tussen het werkelijke en het synchrone toerental) maal het luchtspleetvermogen P LS. Dit luchtspleetvermogen wordt bepaald als: P = P P P ( motor) LS elek Joule, stator ijzer P = P + P + P ( generator) LS elek Joule, stator ijzer Bij motorwerking levert het net zowel de Jouleverliezen in rotor en stator als het benodigde magnetisatiestroom (de ijzerverliezen).
Tijdens generatorbedrijf dient de mechanische aandrijfmotor echter de Jouleverliezen te leveren, terwijl het net nog steeds het reactieve vermogen voor de magnetisatie (de ijzerverliezen) levert. Motor versus generator Bij een motor neemt bij toenemende belasting de statorstroom en dus ook de spanningsval over de statorweerstand toe (die zeker bij kleine machines niet verwaarloosbaar is), waardoor de beschikbare spanning voor het opwekken van de EMK (U LS ) daalt, en hiermee ook de magnetisatiestroom (ijzerverliezen) en de kernverliezen. Bij een generator, gekoppeld aan een net met constante spanningsamplitude, leidt een toenemende belasting tot een grotere statorstroom (de uitgangsstroom van de machine naar het net) en een grotere spanningsval over de statorweerstand. Hierdoor stijgt de beschikbare spanning voor het opwekken van de EMK (U LS ) en stijgen de magnetisatiestroom en de kernverliezen. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van het equivalente schema in Figuur 1. Bemerk dat de stroom i ijzer verantwoordelijk is voor de ijzerverliezen. Figuur 1: Equivalent schema met vermogenstromen voor motor- (rood) en generatorbedrijf (blauw) Er kan dus gesteld worden dat bij gelijk actief elektrisch vermogen (P elek ) de statorverliezen groter zijn in generatormode dan bij motorwerking, omdat de statorstroom bij een generator een grotere reactieve component bevat door de toegenomen magnetisatiestroom. De rotorverliezen lijken eveneens groter te zijn bij generatorwerking (door het grotere luchtspleetvermogen P LS ), maar het effect van de slip s dient in rekening te worden gebracht. De verliezen bij generatorwerking zijn dus groter dan deze bij motorbedrijf, maar zoals eerder vermeld mogen ze een factor 1/η motor groter zijn om eenzelfde rendementswaarde voor motor- en generatorwerking te bekomen.
Meetresultaten Ter illustratie worden nu enkele meetresultaten getoond die een vergelijking maken tussen het rendement in motor- en generatorbedrijf. Figuur 2: Rendement volgens IEEE 112-B met gelijk actief elektrisch vermogen in beide modes Figuur 3: Rendement volgens IEEE 112-B met gelijke statorstroom in beide werkingsmodes Uit figuren 2 en 3 blijkt dat niet voor alle inductiemachines geldt dat het rendement als generator lager is dan dit als motor. Algemeen kan worden gesteld dat het generatorrendement lager is dan het motorrendement voor inductiemachines met een magnetische kern die dichtbij verzadiging werkt, in combinatie met een niet-verwaarloosbare statorweerstand. Deze kenmerken zijn vooral eigen aan machines uit de medium tot lage efficiëntieklassen. Machines met een hoger vermogen hebben meestal een
kleinere statorweerstand en vertonen een generatorrendement dat tot 1% hoger kan zijn dan het motorrendement. Inductiemachines met een koperen rotor hebben typisch een hoger rendement (zowel in motor- als generatormode) als deze met een aluminium rotor. Bron: departement Electrotechniek (ESAT)-ELECTA, K.U.Leuven Auteur: ir. W. Deprez en ir T.Loix, ESAT-ELECTA KU Leuven