De ultieme gids voor de 3-fasen inductiemotor: Constructie en werkingsprincipe

Driefasige inductiemotoren doen tegenwoordig veel van het zware werk in onze wereld. Je vindt deze sterke inductiemotoren op veel plaatsen. Ze zitten in hele grote fabrieksmachines. Ze zitten ook in de pompen die je water geven. Dit artikel is een eenvoudige gids die je zal helpen ze te begrijpen. We zullen aan de hand van eenvoudige stappen uitleggen hoe een 3-fasen inductiemotor is opgebouwd en hoe hij werkt. Tegen de tijd dat je klaar bent met lezen, weet je hoe deze geweldige elektromotor werkt. Je weet ook waarom hij zo vaak wordt gebruikt.

Waardoor draait een 3-fasen inductiemotor eigenlijk?

Een 3-fasen inductiemotor is een soort wisselstroommotor. In deze motor wordt vermogen aan het rotorgedeelte geleverd door middel van elektromagnetische inductie. Dit is hetzelfde idee dat een transformator gebruikt. Daarom worden deze inductiemotoren soms "roterende transformatoren" genoemd. Het belangrijkste om te weten is dat er geen draad is die rechtstreeks verbonden is met het deel dat beweegt, namelijk de rotor.

Dit type motor is beroemd omdat hij op een eenvoudige en sterke manier is gebouwd. Hij heeft geen onderdelen die borstels worden genoemd, wat sommige andere motoren wel hebben. Hierdoor heeft hij niet veel onderhoud of reparaties nodig. Deze inductiemotoren starten ook vanzelf. Dit is een groot pluspunt als je het vergelijkt met een eenfasige inductiemotor. Omdat ze zo eenvoudig zijn en je erop kunt rekenen, zijn 3-fasen inductiemotoren het meest voorkomende type wisselstroommotor in fabrieken. De belangrijkste taak van deze fase-inductiemotor is driefasige elektriciteit omzetten in beweging.

Wat zijn de twee grote onderdelen van inductiemotoren?

Elke fase-inductiemotor heeft twee hoofdonderdelen. Als je deze onderdelen begrijpt, kun je beginnen te begrijpen hoe de hele motor werkt. De inductiemotor bestaat uit twee belangrijke onderdelen:

1. De stator: Dit is het deel van de motor dat stilstaat. Het beweegt helemaal niet. Zijn taak is om een magnetisch veld te maken wanneer je hem aansluit op een driefasige wisselstroombron. De stator is een stalen frame dat spoelen van draad bevat. Deze groep spoelen wordt een wikkeling genoemd.
2. De rotor: Dit is het deel van de motor dat draait. Hij zit in de stator. De rotor heeft zijn eigen set metalen staven of draden. Wanneer het magnetische veld van de stator langs de staven op de rotor beweegt, wordt er binnenin een stroom opgewekt. Deze stroom creëert zijn eigen magnetische veld. Dit is wat de rotor aandrijft en laat draaien. Dit is de magie achter inductiemotoren.

Er is een heel kleine ruimte tussen de stator en de rotor. Deze ruimte is de luchtspleet. De luchtspleet wordt zo klein mogelijk gemaakt om de motor beter te laten werken. Hoe deze twee hoofdonderdelen samenwerken is wat alle inductiemotoren een as laat draaien en werk laat verrichten.

Hoe is de stator van driefasige inductiemotoren opgebouwd?

De stator van driefasige inductiemotoren wordt met veel zorg gebouwd. Hij heeft de vorm van een holle buis en is gemaakt van dunne platen hoogwaardig staal. Deze dunne staalplaten worden op elkaar gestapeld. Door dunne platen te gebruiken, gaat er minder energie verloren. Binnenin de stator zitten uitsparingen die gleuven worden genoemd. De statorwikkeling wordt in deze gleuven geplaatst. De wikkeling is gemaakt van koperdraad met een speciale coating om te voorkomen dat de elektriciteit weglekt.

Deze wikkeling is niet één grote lus van draad. Het zijn eigenlijk drie verschillende sets wikkelingen. Elke wikkeling is voor één fase van de driefasige wisselstroomvoeding. De wikkelingen worden in een heel specifiek patroon in de gleuven geplaatst. Ze zijn 120 graden van elkaar verwijderd. Wanneer je een driefasige wisselstroombron aansluit op deze driefasige wikkeling, maakt deze een speciaal soort magnetisch veld. Dit veld is de sleutel tot de werking van alle inductiemotoren. De stator is gewikkeld voor een bepaald aantal polen. Het aantal polen helpt om de snelheid van de motor in te stellen. De motor bestaat uit dit zeer belangrijke onderdeel.

Wat is een eekhoornkooirotor en waarom gebruiken zo veel motoren deze?

De rotor die je het vaakst ziet is de eekhoornkooirotor. Deze dankt zijn naam aan zijn vorm. Hij lijkt een beetje op een loopwiel voor een klein dier. Deze rotor is gemaakt van een kern van gestapeldedunne stalen platen. Hij heeft sleuven aan de buitenkant. Deze rotor heeft geen draadwikkeling. In plaats daarvan gebruikt hij dikke staven koper of aluminium. Deze staven worden in de sleuven van de rotor geplaatst.

Alle staven zijn aan elk uiteinde met elkaar verbonden. Ze zijn verbonden door dikke metalen ringen die eindringen worden genoemd. Dit maakt een volledig elektrisch pad. De koperen staaf en eindringen zien eruit als een kooi, vandaar de naam eekhoornkooi. Dit ontwerp is erg sterk en niet ingewikkeld. Het heeft geen borstels of sleepringonderdelen die kapot kunnen gaan of slijten. De inductiemotor met eekhoornkooi heeft een zeer robuuste constructie. Hierdoor is het een machine waar je op kunt rekenen en hij is niet duur om te maken. Dit is de reden dat meer dan 9 van de 10 inductiemotoren dit type rotor gebruiken. De rotor van een driefasige inductiemotor is bijna altijd van dit type met eekhoornkooi.

Is er een ander soort rotor? Laten we het hebben over de gewikkelde rotor.

Ja, er is nog een ander soort rotor. Men noemt het een gewikkelde rotor of een sleepringmotor. Dit type rotor is niet zoals de eekhoornkooi versie. Een gewikkelde rotor heeft een volledige 3-fasen wikkeling, net als de wikkeling in de stator. Er worden geen massieve staven gebruikt. De wikkeling is gemaakt van gecoate koperdraad en wordt in de gleuven op de rotor geplaatst. Daarom noemen we het een fasegewikkelde rotor.

De uiteinden van deze rotorwikkeling zijn niet met elkaar verbonden zoals in een eekhoornkooi. In plaats daarvan zijn ze verbonden met drie speciale metalen ringen die op de as zitten. Dit worden sleepringen genoemd. Kleine koolstofblokjes, borstels genoemd, drukken tegen deze sleepringen. Hierdoor kun je onderdelen van buitenaf aansluiten, zoals weerstanden in het rotorcircuit. Door weerstanden toe te voegen, krijg je meer controle over hoe de motor werkt. Het geeft de motor bijvoorbeeld een veel sterker startkoppel dan een eekhoornkooimotor. Een sleepringinductiemotor wordt gebruikt voor taken waarbij veel vermogen nodig is om te starten. Deze gewikkelde motor is moeilijker te bouwen en kost meer geld.

Hoe zorgt het hoofdidee van elektromagnetische inductie ervoor dat deze inductiemotoren werken?

Het werkingsprincipe van alle inductiemotoren komt van een wetenschappelijke regel die Elektromagnetische inductie heet. Deze regel zegt dat als je een draad (een geleider) door een magnetisch veld beweegt, er een spanning (emf) wordt gemaakt, of geïnduceerd, in de draad. Hetzelfde gebeurt als het magnetische veld beweegt en de draad stilstaat. Het gaat erom dat de ene beweegt ten opzichte van de andere. Dit wordt relatieve beweging genoemd.

In een 3-fasen inductiemotor maakt de statorwikkeling een magnetisch veld dat ronddraait. Dit draaiende veld beweegt langs de metalen staven van de rotor. De staven van de rotor zijn allemaal met elkaar verbonden en vormen zo een volledige cirkel voor elektriciteit. De geïnduceerde emf zorgt ervoor dat er een stroom doorheen loopt. Deze stroom vloeit in de rotorstaven. Nu heb je een geleider met stroom erin (de rotor) die in een magnetisch veld (van de stator) zit. Dit zorgt voor een draaikracht, of koppel, op de rotor. Dit koppel is de kracht die de rotor doet draaien. Het vermogen gaat van de stator naar de rotor door middel van elektromagnetische inductie van de stator.

Wat is een roterend magnetisch veld en waarom is het zo belangrijk?

Een roterend magnetisch veld is het geheim waardoor driefasige inductiemotoren zo goed werken. Wanneer je een goede driefasige stroombron aansluit op de statorwikkeling, gebeurt er iets cools. Elk van de drie wikkelingen maakt zijn eigen magnetische veld. Dit veld wordt sterker en zwakker naarmate het wisselstroomvermogen verandert. Maar omdat de wikkelingen 120 graden uit elkaar liggen, vormen hun magnetische velden samen één groot magnetisch veld.

Dit nieuwe, gecombineerde magnetische veld blijft niet op één plaats. Het draait rond de stator met een constante snelheid. We noemen deze snelheid de synchrone snelheid. De synchrone snelheid wordt bepaald door twee dingen: de cyclussnelheid van de wisselstroombron (de frequentie) en het aantal polen waarmee de stator is gemaakt. Het is dit roterende magnetische veld dat langs de geleiders van de rotor beweegt en alles in gang zet. Zonder dit veld zou de fase-inductiemotor niet uit zichzelf kunnen starten. Het magnetische veld van de stator moet draaien.

Wat is 'slip' als we het over een inductiemotor hebben?

De rotor van een inductiemotor zal altijd iets langzamer draaien dan het roterende magnetische veld van de stator. Het verschil in snelheid tussen de synchrone snelheid van het veld en de werkelijke snelheid van de rotor noemen we slip. We hebben het meestal over slip als percentage. Als de rotor met exact dezelfde snelheid zou kunnen draaien als het magnetische veld (met synchrone snelheid), dan zou het veld niet langs de rotor bewegen.

Als er geen beweging tussen beide is, zou het magnetische veld de geleiders van de rotor niet doorsnijden. Dit betekent dat er geen emf wordt gemaakt en dat er geen stroom door de rotor loopt. Als er geen stroom is, is er geen koppel. Zonder koppel zou de rotor vertragen. Om de motor te laten draaien, moet de rotor dus langzamer draaien dan het magnetische veld. Dit is de enige manier om koppel te genereren. Dit is ook de reden waarom een inductiemotor soms een asynchrone motor wordt genoemd (wat betekent niet synchroon). De slip wordt groter naarmate je de motor meer belast. Een normale inductiemotor kan een slip hebben van 3% tot 5% als hij op zijn hardst werkt.

Wat is de juiste manier om een 3-fasen inductiemotor aan te sluiten?

De meeste 3-fasige inductiemotoren hebben een kast met zes aansluitpunten. Deze punten zijn de uiteinden van de drie wikkelingen in de stator. Er zijn twee manieren om ze aan te sluiten: Ster (ook Wye genoemd) en Delta. De manier waarop je ze aansluit, bepaalt hoe de motor zal draaien.

• Sterverbinding (Y): Bij deze aansluiting sluit je één uiteinde van alle drie de wikkelingen op één punt aan. Vervolgens sluit je de 3-fasen voeding aan op de andere drie uiteinden. Mensen gebruiken deze aansluiting vaak om de motor te starten. Het verlaagt de spanning voor elke wikkeling. Hierdoor is de startstroom lager, wat beter kan zijn voor het elektriciteitssysteem van het gebouw. Maar het geeft ook minder startkoppel.
• Deltaverbinding (Δ): Bij deze aansluiting verbind je de windingen kop aan kop. Hierdoor vormen ze een driehoek. Vervolgens sluit je de 3-fasestroom aan op de drie punten waar de wikkelingen samenkomen. Bij een Delta-aansluiting krijgt elke wikkeling de volledige spanning van de voedingslijn. Dit geeft je meer startkoppel, maar het trekt ook veel meer startstroom. Veel grotere inductiemotoren gebruiken een speciale "ster-driehoek-starter". Deze starter begint in Ster-aansluiting en schakelt dan over naar Delta nadat de motor op snelheid is.

Zijn er nadelen? De nadelen van 3-fase inductiemotoren.

Hoewel 3-fasen inductiemotoren geweldige machines zijn, zijn ze niet perfect. Ze hebben een paar zwakke punten waar je van op de hoogte moet zijn. Hier zijn de belangrijkste nadelen van 3-fase inductie.

• Slechte arbeidsfactor bij lichte belasting: De arbeidsfactor van een inductiemotor is niet erg goed als hij draait zonder veel werk te doen. Een lage arbeidsfactor is niet goed voor het energiebedrijf.
• Moeilijk te regelen snelheid: Het is niet eenvoudig om de snelheid van een gewone inductiemotor met eekhoornkooi te wijzigen. De snelheid is nauw verbonden met de frequentie van het vermogen dat hij krijgt. Je hebt speciale, dure apparatuur nodig (zoals een variabele frequentieregelaar) voor een goede snelheidsregeling van 3-fasige inductie.
• Laag startvermogen (voor eekhoornkooi type): In vergelijking met andere soorten motoren (zoals gelijkstroommotoren of sleepringmotoren) heeft de normale inductiemotor met eekhoornkooi geen erg sterk startkoppel. Dit betekent dat het geen goede keuze is voor taken die moeten starten met een zeer zware belasting.
• Hoge startstroom: Wanneer een fase-inductiemotor voor het eerst opstart, kan hij een enorme hoeveelheid elektriciteit opnemen. Dit is vaak 5 tot 7 keer meer dan de normale bedrijfsstroom. Hierdoor kunnen de lichten even gedimd zijn als de spanning in de elektriciteitsleidingen daalt.

Zelfs met deze problemen maken de goede eigenschappen van inductiemotoren, zoals het feit dat ze zeer betrouwbaar zijn en niet veel kosten, ze tot de beste keuze voor vele, vele klussen.

Belangrijke dingen om te onthouden

• Inductiemotoren gebruiken het idee van elektromagnetische inductie. Er zijn geen draden die rechtstreeks verbinding maken met de draaiende rotor.
• De twee belangrijkste onderdelen zijn de stator, die stil blijft staan, en de rotor, die ronddraait.
• De stator maakt een roterend magnetisch veld wanneer hij is aangesloten op driefasenstroom.
• De meest gebruikte rotor is de eekhoornkooirotor. Deze wordt veel gebruikt omdat hij eenvoudig en sterk is en niet veel kost.
• De gewikkelde rotor, ook wel sleepringmotor genoemd, geeft een zeer sterk startkoppel en meer controle. Maar hij is ingewikkelder en kost meer.
• Slip is het snelheidsverschil tussen het veld van de stator en de rotor. Je hebt slip nodig om koppel te maken.
• Je kunt inductiemotoren aansluiten in de vorm van een ster (Y) of delta (Δ). Dit verandert de startstroom en het koppel.