Waarom kooianker motor?

Presentatie over: "Waarom kooianker motor?"— Transcript van de presentatie:

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

2 Stator kooianker motor
april 2016

3 Rotor kooianker motor april 2016

4 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

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

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

7 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 b c april 2016

8 Opwekking draaiveld(2-poles)
april 2016

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

10 Table : aantal polen en synchrone snelheid
april 2016 Table : aantal polen en synchrone snelheid F = 50 Hz F = 60 Hz p ns (rpm) 2 3000 3600 4 1500 1800 6 1000 1200 8 750 900 10 600 720 12 500 October 2010 Mechatronics 13-10

11 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

12 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

13 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

14 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

15 Koppel-toerental karakteristiek
Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem,nom nominale koppel Tpull-up : Tem,min minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor april 2016

16 Aantal polen , slip Aantal polen Slip april 2016

17 Koppel op de as Koppel op de as april 2016

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

19 Vermogenbalans AS motor
april 2016

20 Verliezen IJzerverliezen Koperverliezen Hysteresisverlies
Wervelstroomverlies Koperverliezen april 2016

21 Eigenschappen magnetisch materiaal
Hysteresis Eigenschappen magnetisch materiaal april 2016

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

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

24 Regeling Klemspanning stator
Koppel T is evenredig met B2 - T= F.r - Irotor = Urotor / R  T evenredig met B2 april 2016

25 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

26 Regeling spanning door thyristor
april 2016 Regeling spanning door thyristor Transformer Electronic controller ( soft starter)

27 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

28 Koppel-toerental met frequentieomvormer
april 2016

29 Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor
april 2016 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

30 Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor
april 2016

31 Koppel toerental bij verschillende frequenties
Herinner : april 2016

32 Kombinatie met stroom- toerental
april 2016 Kombinatie met stroom- toerental

33 Werkingsprincipe DC motor
Mei 2016

34 Wet van Lorentz Mei 2016

35 Koppel DC motor: . met commutator Mei 2016

36 Werkingsprincipe DC motor
Mei 2016

37 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

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

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

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

41 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

42 Eénfasige Asynchrone motor
Elektrische Voeding : AC 10 W <Vermogens < 800W waarbij snelheid +/- constant Eénfasige Asynchrone motor huishoudapparatuur :ventilator , pomp , wasmachine draaiveld wordt gemaakt door hulpspoelen toerental < 3000t/min Tmax / Tnom =1.4 ɳ = Mei 2016

43 Karakteristiek eénfasige Asynchrone motor
Mei 2016

44 Elektrische Voeding : AC 100 W <Vermogens < 1500W 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 : t/min toentalregeling door spanningsregeling (triac) Tmax / Tnom = 5 ɳ = Mei 2016

45 Opwekking van magneetveld DC motor
Mei 2016

46 Toerental regeling seriemotor door Verandering klemspanning U
Mei 2016

47 Elektrische Voeding : AC Vermogens > 1.5 kW Variende Belasting
AC Asynchrone 3 fase motor aandrijvingen industrie motor goedkoop Toerentalregeling door frequentieregelaar regelaar duur toerental < 3000 t/min Tmax / Tnom = 1.5-3 ɳ = Mei 2016

48 Koppel-toerental karakteristiek
Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem,nom nominale koppel Tpull-up : Tem,min minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor Mei 2016

49 Elektrische Voeding : DC Vermogens < 100W
PM motor zonder borstels of (met ) beperkt volume randapparatuur computers,walkman , videoapparatuur vrij goedkoop PM motor is shunt motor toerental : 2000 – t/min toentalregeling door spanningsregeling (chopper) Tmax / Tnom =6 ɳ = Mei 2016

50 Opwekking van magneetveld
Mei 2016

51 Shunt motor Vervangingsschema rotor Mei 2016

52 PM motor Vervangingsschema rotor Mei 2016

53 Toerentalregeling door verandering klemspanning
Mei 2016

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

55 Data sheet Mei 2016

56 Elektrische Voeding : DC 1000W>Vermogens > 100W
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 elektrische auto’s ɳ : zie 3-fasige AC asynchrone motor Mei 2016

57 Borstelloze DC Motor 1200W Mei 2016

58 Invertor(principe) Mei 2016

59 Voordeel Borstelloze <-> commutator DC motors
Vermogengebied tot 15 kW Groter koppel per gewicht, Hoger rendement Minder onderhoud Geen vonken, (explosie proef) Gunstigere thermische belasting From Wikipedia BLDC motors offer several advantages over brushed DC motors, including more torque per weight, more torque per watt (increased efficiency), increased reliability, reduced noise, longer lifetime (no brush and commutator erosion), elimination of ionizing sparks from the commutator, and overall reduction of electromagnetic interference (EMI). With no windings on the rotor, they are not subjected to centrifugal forces, and because the windings are supported by the housing, they can be cooled by conduction, requiring no airflow inside the motor for cooling. This in turn means that the motor's internals can be entirely enclosed and protected from dirt or other foreign matter. The maximum power that can be applied to a BLDC motor is exceptionally high, limited almost exclusively by heat, which can weaken the magnets. (Magnets demagnetize at high temperatures, the Curie point, and for neodymium-iron-boron magnets this temperature is lower than for other types.) A BLDC motor's main disadvantage is higher cost, which arises from two issues. First, BLDC motors require complex electronic speed controllers to run. Brushed DC motors can be regulated by a comparatively simple controller, such as a rheostat (variable resistor). However, this reduces efficiency because power is wasted in the rheostat. Second, some practical uses have not been well developed in the commercial sector. For example, in the Radio Control (RC) hobby arena, brushless motors are often hand-wound while brushed motors are usually machine-wound. (Nevertheless, see "Applications", below.) Mei 2016

60 Nadeel Borstelloze <-> commutator DC motors
Positiesignaal van rotor nodig (Hall sensor ) Electronica voor regelen statorstroom is gecompliceerd en duur From Wikipedia BLDC motors offer several advantages over brushed DC motors, including more torque per weight, more torque per watt (increased efficiency), increased reliability, reduced noise, longer lifetime (no brush and commutator erosion), elimination of ionizing sparks from the commutator, and overall reduction of electromagnetic interference (EMI). With no windings on the rotor, they are not subjected to centrifugal forces, and because the windings are supported by the housing, they can be cooled by conduction, requiring no airflow inside the motor for cooling. This in turn means that the motor's internals can be entirely enclosed and protected from dirt or other foreign matter. The maximum power that can be applied to a BLDC motor is exceptionally high, limited almost exclusively by heat, which can weaken the magnets. (Magnets demagnetize at high temperatures, the Curie point, and for neodymium-iron-boron magnets this temperature is lower than for other types.) A BLDC motor's main disadvantage is higher cost, which arises from two issues. First, BLDC motors require complex electronic speed controllers to run. Brushed DC motors can be regulated by a comparatively simple controller, such as a rheostat (variable resistor). However, this reduces efficiency because power is wasted in the rheostat. Second, some practical uses have not been well developed in the commercial sector. For example, in the Radio Control (RC) hobby arena, brushless motors are often hand-wound while brushed motors are usually machine-wound. (Nevertheless, see "Applications", below.) Mei 2016

61 Data sheet Brushless motor
Mei 2016

62 Mei 2016

63 Stappenmotor Mei 2016

64 Principe Stappenmotor
Stator met 2 wikkelingen loodrecht op elkaar 2 magnetische circuits : A1 – A2 ; B1 – B2 L1 , L2 ,L3 , L4 na elkaar bekrachtigen(volstapbedrijf )  as draait 360 graden : staphoek 90 graden L1 , L2 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 Mei 2016

65 Stappenmotor <---> DC servomotor
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 Torque: Mei 2016

66 Thermische belasting elektrische machines
verliezen elektrische machines Pverl = Pnul + R I2 Pnul : wrijving + ijzerverliezen R I2 : koperverliezen Mei 2016

67 Verlies evenredig met oppervlakte Verlies evenredig met frequentie f
Hysteresis verlies Verlies evenredig met oppervlakte Verlies evenredig met frequentie f Mei 2016

68 Berekening wervelstroomverlies
d : lameldikte Mei 2016

69 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

70 Temperatuurverhoging en isolatieklassen
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

71 Levensduur Mei 2016

72 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 aan omgeving in dt Differentiaal vergelijking : Mei 2016

73 Berekening temperatuurverhoging
Mei 2016

74 Berekening toelaatbare overbelastingstijd
Mei 2016

75 Toelaatbare overbelasting elektrische machines
Mei 2016

76 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