Inleiding tot AC-motoren

Na de introductie van het DC-stroomdistributiesysteem door Edison in de Verenigde Staten, begon een geleidelijke overgang naar het zuinigere AC-systeem. De verlichting werkte zowel op AC als op DC.

Transmissie van elektrische energie overbrugde langere afstanden met een lager verlies met wisselstroom. Motoren waren echter een probleem met wisselstroom. Aanvankelijk werden AC-motoren geconstrueerd als DC-motoren, maar door veranderende magnetische velden deden zich tal van problemen voor.

Familiediagram AC elektromotor

Charles P. Steinmetz droeg bij aan het oplossen van deze problemen met zijn onderzoek naar hysteresisverliezen in ijzeren armaturen. Nikola Tesla stelde zich een geheel nieuw type motor voor toen hij een draaiende turbine visualiseerde, niet rondgedraaid door water of stoom, maar door een roterend magnetisch veld.

Zijn nieuwe type motor, de AC-inductiemotor, is tot op de dag van vandaag het werkpaard van de industrie. Zijn robuustheid en eenvoud zorgen voor een lange levensduur, hoge betrouwbaarheid en weinig onderhoud.

Maar kleine geborstelde AC-motoren, vergelijkbaar met de DC-variant, blijven bestaan ​​in kleine apparaten, samen met kleine Tesla-inductiemotoren. Boven één pk (750 W) heerst de Tesla-motor.

Moderne elektronische schakelingen in vaste toestand drijven borstelloze gelijkstroommotoren aan met AC-golfvormen gegenereerd uit een DC-bron. De borstelloze gelijkstroommotor, eigenlijk een wisselstroommotor, vervangt in veel toepassingen de conventionele geborstelde gelijkstroommotor. En, de stappenmotor , een digitale versie van de motor, wordt aangedreven door wisselstroomblokgolven, opnieuw gegenereerd door halfgeleidercircuits.

De afbeelding hierboven toont de stamboom van de AC-motoren die in dit hoofdstuk worden beschreven.

Cruiseschepen en andere grote schepen vervangen aandrijfassen met een reductietandwiel door grote generatoren en motoren van meerdere megawatt. Dat is al jaren het geval bij dieselelektrische locomotieven op kleinere schaal.

Diagram op motorsysteemniveau

Op systeemniveau (Figuur hierboven) neemt een motor elektrische energie op in termen van een potentiaalverschil en een stroom, en zet deze om in mechanisch werk. Helaas zijn elektromotoren niet 100% efficiënt. Een deel van de elektrische energie gaat verloren aan warmte, een andere vorm van energie, als gevolg van I2R-verliezen (ook wel koperverliezen genoemd) in de motorwikkelingen.

De warmte is een ongewenst bijproduct van deze omzetting. Het moet van de motor worden verwijderd en kan de levensduur nadelig beïnvloeden. Eén doel is dus om de efficiëntie van de motor te maximaliseren en warmteverlies te verminderen. AC-motoren hebben ook een aantal verliezen die niet optreden bij DC-motoren:hysterese en wervelstromen.

Hysterese en wervelstroom

Vroege ontwerpers van AC-motoren ondervonden problemen die te wijten waren aan verliezen die uniek zijn voor wisselstroommagneten. Deze problemen deden zich voor bij het aanpassen van gelijkstroommotoren aan wisselstroombedrijf. Hoewel er tegenwoordig maar weinig AC-motoren zijn die enige gelijkenis vertonen met DC-motoren, moesten deze problemen worden opgelost voordat AC-motoren van welk type dan ook goed konden worden ontworpen.

Zowel rotor- als statorkernen van AC-motoren zijn samengesteld uit een stapel geïsoleerde lamellen. De lamineringen worden gecoat met isolerende vernis voordat ze worden gestapeld en in de uiteindelijke vorm worden vastgeschroefd. Wervelstromen worden geminimaliseerd door de potentiële geleidende lus op te splitsen in kleinere, minder verliesgevende segmenten. (Figuur hieronder)

De stroomlussen zien eruit als kortgesloten secundaire windingen van de transformator. De dunne geïsoleerde lamellen doorbreken deze lussen. Ook verhoogt het silicium (een halfgeleider) dat wordt toegevoegd aan de legering die in de lamineringen wordt gebruikt, de elektrische weerstand, waardoor de grootte van wervelstromen afneemt.

Wervelstromen in ijzeren kernen

Als de lamellen zijn gemaakt van korrelgeoriënteerd staal van een siliciumlegering, hysterese verliezen worden geminimaliseerd. Magnetische hysterese is een achterstand van magnetische veldsterkte in vergelijking met een magnetiserende kracht. Als een zacht ijzeren spijker tijdelijk wordt gemagnetiseerd door een solenoïde, zou je verwachten dat de spijker het magnetische veld verliest zodra de solenoïde is uitgeschakeld. Echter, een kleine hoeveelheid restmagnetisatie , B_R , vanwege hysterese blijft (figuur hieronder).

Een wisselstroom moet energie verbruiken, -H_C , de dwangkracht , door deze resterende magnetisatie te overwinnen voordat het de kern terug naar nul kan magnetiseren, laat staan ​​​​in de tegenovergestelde richting.

Elke keer dat de polariteit van de AC omkeert, treedt hystereseverlies op. Het verlies is evenredig met het gebied dat wordt ingesloten door de hysteresislus op de B-H-curve. "Zachte" ijzerlegeringen hebben lagere verliezen dan "harde" legeringen van hoog koolstofstaal. Siliciumkorrel-georiënteerd staal, 4% silicium, gewalst om de korrel of kristalstructuur bij voorkeur te oriënteren, heeft nog lagere verliezen.

Hysteresecurves voor legeringen met laag en hoog verlies

Toen de hysteresewet van Steinmetz eenmaal ijzerkernverliezen kon voorspellen, was het mogelijk om AC-motoren te ontwerpen die presteerden zoals ontworpen. Dit was vergelijkbaar met het van tevoren kunnen ontwerpen van een brug die niet zou instorten als hij eenmaal gebouwd was.

Deze kennis van wervelstroom en hysterese werd voor het eerst toegepast bij het bouwen van AC-commutatormotoren die vergelijkbaar zijn met hun DC-tegenhangers. Tegenwoordig is dit slechts een kleine categorie AC-motoren. Anderen hebben nieuwe typen AC-motoren uitgevonden die weinig lijken op hun DC-kin.