Roterende apparatuur komt zo vaak voor, maar wordt zo verkeerd begrepen, dat zelfs zeer ervaren elektriciens en technici vaak geplaagd worden door vragen over de werking ervan. In dit artikel worden zeven van de meest gestelde vragen beantwoord. De uitleg is kort en praktisch vanwege de beperkte ruimte; maar ze zal u in staat stellen deze apparatuur beter te begrijpen.
Vraag nr. 1: Armatuur, veld, rotor, stator: wat is wat?
De stator omvat per definitie alle niet-roterende elektrische onderdelen van een generator of motor. Eveneens per definitie omvat de rotor alle roterende elektrische delen.
Het veld van een machine is het deel dat het directe magnetische veld opwekt. De stroom in het veld wisselt niet. De ankerwikkeling is de wikkeling die een wisselspanning opwekt of waarop een wisselspanning wordt aangelegd.
In het algemeen worden de termen “anker” en “veld” alleen toegepast op wisselstroomgeneratoren, synchrone motoren, gelijkstroommotoren en gelijkstroomgeneratoren.
Wisselstroomgeneratoren. Het veld van een synchrone generator is de wikkeling waarop de gelijkstroombekrachtigingsstroom wordt aangelegd. Het anker is de wikkeling waarop de belasting is aangesloten. In kleine generatoren bevinden de veldwikkelingen zich vaak op de stator, en de ankerwikkelingen op de rotor. De meeste grote machines hebben echter een roterend veld en een stilstaand anker.
Een synchrone motor is vrijwel identiek aan een synchrone generator. Het anker is dus de stator en het veld is de rotor.
DC-machines. Bij gelijkstroommachines, zowel motoren als generatoren, is het anker de rotor en het veld de stator. Omdat het anker bij gelijkstroommachines altijd de rotor is, denken veel elektriciens en ingenieurs ten onrechte dat het anker bij alle motoren en generatoren de rotor is.
Vraag nr. 2: Ik heb de veerspanning op mijn borstels verminderd, maar ze slijten nog steeds te snel. Waarom?
Borstelslijtage heeft twee basisoorzaken: mechanische wrijving en elektrische slijtage. Mechanische wrijving wordt veroorzaakt door het wrijven van de borstels op de commutator of sleepring. Elektrische slijtage wordt veroorzaakt door de vonkvorming en vonken van de borstel als deze over de collector beweegt. Mechanische wrijving neemt toe met de borsteldruk; elektrische slijtage neemt af met de borsteldruk.
Voor een bepaalde borstelinstallatie is er een optimale borsteldruk. Als de druk onder deze hoeveelheid wordt verlaagd, neemt de totale slijtage toe omdat de elektrische slijtage toeneemt. Als de druk boven de optimale hoeveelheid wordt verhoogd, neemt de totale slijtage weer toe omdat de mechanische wrijving toeneemt.
Zorg er altijd voor dat de borsteldruk is ingesteld op het door de fabrikant aanbevolen niveau. Als de slijtage nog steeds buitensporig is, moet u het type en de grootte van de gebruikte borstel onderzoeken. Vergeet niet dat de stroomdichtheid (ampère per vierkante centimeter borstel) correct moet zijn voor de toepassing. De juiste stroomdichtheid is nodig om ervoor te zorgen dat zich een smerende, geleidende film vormt op de collector of sleepring. Deze film is samengesteld uit vocht, koper, en koolstof. Onvoldoende stroomdichtheid remt de vorming van deze film en kan resulteren in overmatige borstelslijtage.
Ook bieden omgevingen met een zeer lage luchtvochtigheid niet voldoende vocht voor de vorming van de smeerfilm. Als overmatige borstelslijtage in een dergelijke omgeving een probleem is, moet u de omgeving waar de machine in bedrijf is wellicht bevochtigen.
Vraag nr. 3: Wat is de bedrijfsfactor?
De bedrijfsfactor is de belasting die op een motor mag worden uitgeoefend zonder de toegestane nominale waarden te overschrijden. Bijvoorbeeld, als een motor van 10 pk een servicefactor van 1,25 heeft, zal hij met succes 12,5 pk (10 x 1,25) leveren zonder de gespecificeerde temperatuurstijging te overschrijden. Merk op dat wanneer de motor op deze manier boven zijn nominale belasting wordt aangedreven, de motor moet worden gevoed met de nominale spanning en frequentie.
Bedenk echter dat een motor van 10 pk met een servicefactor van 1,25 geen motor van 12,5 pk is. Als de motor van 10 pk continu op 12,5 pk draait, kan de levensduur van de isolatie tot tweederde van de normale levensduur afnemen. Als u een motor van 12,5 pk nodig hebt, koop er dan een; de servicefactor mag alleen worden gebruikt voor kortstondige overbelasting.
Vraag nr. 4: Wat is een roterend magnetisch veld, en waarom roteert het?
Een roterend magnetisch veld is een veld waarvan de noord- en zuidpool in de stator bewegen, net alsof een staafmagneet, of magneten, in de machine worden rondgedraaid.
Kijk naar de stator van de 3-fasenmotor die in bijgaand schema is afgebeeld. Dit is een 2-polige stator met de drie fasen op 120 afstand van elkaar. De stroom van elke fase komt binnen in een spoel aan één kant van de stator en gaat eruit door een spoel aan de andere kant. Als dus een van de spoelen een magnetische noordpool opwekt, zal de andere spoel (voor dezelfde fase) een magnetische zuidpool opwekken aan de andere kant van de stator.
Op positie 1 creëert de B-fase een sterke noordpool aan de linkerbovenzijde en een sterke zuidpool aan de rechteronderzijde. A-fase creëert een zwakkere noordpool linksonder en een zwakkere zuidpool onderaan. C-fase creëert een algemeen magnetisch veld, met zijn noordpool linksboven en zijn zuidpool rechtsonder.
Op positie 2 creëert de A-fase de sterke noordpool linksonder en een sterke zuidpool rechtsboven; de sterke polen zijn dus 60 tegen de klok in gedraaid. (Merk op dat deze magnetische draaiing van 60 precies overeenkomt met een elektrische verandering van 60 in de fasestromen). De zwakke polen zijn ook 60 tegen de wijzers van de klok in gedraaid. Dit betekent in feite dat het totale magnetische veld vanaf Positie 1 60 is gedraaid.
Met een meer gedetailleerde analyse kunnen we laten zien dat de magnetische veldsterkte vloeiend van Positie 1 naar Positie 2 draait als de stromen in elk van de fasen over 60 elektrische graden varieert. Analyse van de posities 3, 4, 5 en 6 laat zien dat het magnetisch veld blijft roteren.
De snelheid waarmee het magnetisch veld roteert wordt de synchrone snelheid genoemd en wordt beschreven door de volgende vergelijking:
S = (f x P) / 120 waarbij S = rotatiesnelheid in omwentelingen per minuut f = frequentie van de geleverde spanning (Hz) P = aantal magnetische polen in het roterende magnetische veld
Als een permanente magneet in deze stator zou worden geplaatst, met een as die hem kon laten draaien, zou hij met synchrone snelheid worden voortgeduwd (of getrokken). Dit is precies hoe een synchrone motor werkt, behalve dat het magnetische veld van de rotor (het veld) wordt gecreëerd door elektromagnetisme in plaats van door een permanente magneet.
Een rotor van een inductiemotor bestaat uit kortgesloten wikkelingen, en in de rotorwikkelingen wordt een stroom geïnduceerd wanneer het roterende magnetische veld ze doorsnijdt. Deze stroom creëert een veld dat tegengesteld is aan het roterende veld. Als gevolg daarvan wordt de rotor door het draaiveld rondgeduwd (of getrokken). Merk op dat de rotor van de inductiemotor niet met synchrone snelheid kan draaien, omdat het roterende veld door de rotorwikkelingen moet snijden om het koppel te creëren. Het verschil tussen het synchrone toerental en het werkelijke toerental van de rotor wordt de procentuele slip genoemd; deze wordt uitgedrukt in een percentage.
Eenfasemotoren hebben ook een roterend magnetisch veld. Het roterende veld dat nodig is om de motor te starten, wordt opgewekt door een tweede wikkeling, de startwikkeling. Nadat de motor op snelheid is, wordt de startwikkeling losgekoppeld, en wordt het draaiveld ontwikkeld door interactie van de statorhoofdwikkeling en de rotor.
Vraag nr. 5: Hoe werkt een inductiegenerator?
Een inductiegenerator is qua constructie identiek aan een inductiemotor. De statorwikkelingen zijn aangesloten op een 3-fasen stroomnet, en de drie fasen creëren een roterend magnetisch veld. De rotor van de inductiegenerator wordt rondgedraaid door een prime mover, die sneller draait dan de synchrone snelheid. Wanneer de rotorwikkelingen door het roterende veld snijden, wordt er stroom in geïnduceerd. Deze geïnduceerde stroom creëert een veld dat op zijn beurt de statorwikkelingen doorsnijdt om vermogen naar de belasting op te wekken.
De inductiegenerator haalt zijn bekrachtiging dus uit het stroomnet waarop hij is aangesloten. De inductiemotor moet synchrone generatoren hebben die op zijn stator zijn aangesloten om te beginnen met opwekken. Nadat de inductiegenerator in bedrijf is, kunnen condensatoren worden gebruikt om de bekrachtiging te leveren.
Vraag nr. 6: Waarom zijn generator- en motorlagers geïsoleerd?
Het magnetisch veld in een motor of generator is niet volledig uniform. Als de rotor draait, wordt op de as in de lengterichting (recht langs de as) een spanning ontwikkeld. Deze spanning veroorzaakt microstromen die door de smeermiddelfilm op de lagers lopen. Deze stromen veroorzaken op hun beurt kleine vonkvorming, verhitting en uiteindelijk lageruitval. Hoe groter de machine is, hoe erger het probleem wordt.
Om dit probleem te voorkomen, wordt de rotorzijde van het lagerhuis vaak geïsoleerd van de statorzijde. In de meeste gevallen wordt ten minste één lager geïsoleerd, meestal het lager dat zich het verst van de primaire aandrijving bevindt bij generatoren en het verst van de belasting bij motoren. Soms zijn beide lagers geïsoleerd.
Vraag nr. 7: Hoe regelen wisselstroomgeneratoren var, spanning en vermogen?
Hoewel de regelingen van een generator op elkaar inwerken, zijn de volgende algemeenheden waar.
* De vermogensafgifte van een generator wordt geregeld door zijn prime mover.
* De spannings- en/of var-bijdrage van een generator wordt geregeld door het stroomniveau van de bekrachtiger.
Nemen we als voorbeeld dat een extra belasting is aangesloten op de uitgang van een generator. De toegevoegde stroom zal de sterkte van het magnetische veld van het anker doen toenemen en de generator doen vertragen. Om de frequentie te handhaven zal de regulateur van de generator het ingangsvermogen naar de prime mover verhogen. Het extra vermogen dat van de generator wordt gevraagd, wordt dus geregeld door de input van de prime mover.
In ons voorbeeld hier zal de netto magnetische flux in de luchtspleet afnemen, omdat de toename van de anker tegengesteld is aan de veldflux. Als de veldflux niet wordt verhoogd om deze verandering te compenseren, zal de uitgangsspanning van de generator dalen. De bekrachtigingsstroom wordt dus gebruikt om de uitgangsspanning te regelen.
Laten we eens naar een ander voorbeeld kijken als verdere verduidelijking. Stel dat een extra var-belasting aan onze generator wordt toegevoegd. In deze omstandigheid zal de uitgangsstroom van de generator weer toenemen. Maar omdat de nieuwe belasting geen “echte” stroom is, hoeft de prime mover slechts genoeg te worden verhoogd om de extra IR-verlaging te overwinnen die door de extra stroom wordt veroorzaakt.
Als laatste voorbeeld nemen we aan dat we twee of meer generatoren hebben die parallel lopen en een belasting voeden. Generator 1 (G1) draagt alle belasting (reëel en reactief) terwijl Generator 2 (G2) op nul watt en nul vars draait. Als de operator van G2 de gashendel van de prime mover opent, begint G2 vermogen aan het systeem te leveren. Aangezien de aangesloten belasting niet is veranderd, zullen beide generatoren sneller gaan draaien, tenzij G1 gas terugneemt.
Als G2 een groter deel van de belasting op zich neemt, heeft hij een grotere veldflux nodig. Als de G2-operator het G2-veld niet verhoogt, zal G2 zijn extra bekrachtiging uit G1 halen, waardoor G1 zijn bekrachtigingsniveau moet verhogen. Als noch G1 noch G2 het bekrachtigingsniveau verhoogt, zal de totale systeemspanning dalen.
Cadick, P.E. is president, Cadick Professional Services, Garland, Tex, en lid van de National Electrical Testing Assoc. (NETA).