Eénfasige inductiemotoren begrijpen

Eénfasige inductiemotoren zijn alomtegenwoordig in residentiële en lichte industriële toepassingen, maar hun werking verschilt aanzienlijk van hun drie-fasige tegenhangers. Dit artikel legt uit waarom een éénfasige motor niet zelf kan starten, schetst de diverse hulpwikkelingstrategieën die betrouwbare werking mogelijk maken, en bespreekt moderne cosinus-phi-correctietechnieken die het rendement verbeteren.

Waarom een drie-fasige motor faalt op éénfasige stroom

Wanneer een drie-fasige motor op een éénfasige voeding wordt aangesloten, kan hij handmatig in beide richtingen gestart worden en versnelt naar volle snelheid in een paar seconden. Echter, hij bereikt slechts ongeveer 2/3 van zijn nominale vermogen omdat één van de drie wikkelingen effectief onbenut blijft. De motor produceert een pulserend magnetisch veld in plaats van een draaiend, zodat geen zelfstartkoppel wordt gegenereerd.

Eén-spoel werking en de noodzaak voor een hulpwikkeling

De enkele spoel van een éénfasige inductiemotor genereert een niet-draaiend, pulserend magnetisch veld. Twee tegenovergesteld draaiende fasoren worden geproduceerd, die alleen uitlijnen bij 0° en 180° elektrisch, wat resulteert in geen startkoppel. Als de rotor handmatig wordt gedraaid tot iets onder synchrone snelheid, treedt maximaal koppel op bij ongeveer 10% glijding ten opzichte van de voorwaarts draaiende fasor. Eenmaal gestart, wordt de hulpwikkeling optioneel.

Eénfasige inductiemotoren hebben typisch een koperen of aluminium grijze-eend-kooi rotor binnen een staallaminatenmantel, vergelijkbaar met polyfasige motoren.

Permanent-gesplitste condensatormotor

Door een tweede wikkeling 90° elektrisch uit elkaar te plaatsen en deze te voeden met een 90° gefaseerde stroom, wordt effectief een twee-fasige motor gecreëerd uit een éénfasige voeding. Deze configuratie staat bekend als een permanent-gesplitste condensator (PSC) motor.

PSC-motoren leveren hoger startkoppel en gladder lopende kenmerken tot 1/4 pk (200 W). De condensator wordt klein gehouden om verliezen te minimaliseren en kan omgekeerd worden om de motorrichting te veranderen.

Condensator-start inductiemotor

In grotere motoren wordt een aanzienlijke condensator in serie met een hulpwikkeling geplaatst die door een centrifugale schakelaar wordt verwijderd zodra de motor de bedrijfssnelheid bereikt. Deze ordening levert hoog startkoppel, wat het ideaal maakt voor zware-belasting toepassingen zoals airconditioning-compressoren.

Condensator-run inductiemotor

Een variatie van het condensator-start ontwerp gebruikt een grote startcondensator en een kleinere loopcondensator. De kleinere condensator verlaagt loopverliezen terwijl een nabij-draaiend magnetisch veld gehandhaafd wordt.

Startcondensatoren zijn vaak elektrolytisch en mogen alleen intermittend gebruikt worden vanwege hoge verliezen. Loopcondensatoren zijn polymere of keramische om verliezen laag te houden tijdens continue werking.

Weerstand-gesplitste-fase motor

Wanneer een secundaire wikkeling met minder windingen en hogere weerstand 90° elektrisch uit elkaar wordt geplaatst, creëert dit een 30° fasverschuiving tijdens opstart. De hulpwikkeling wordt door een centrifugale schakelaar ontkoppeld bij ¾ van de synchrone snelheid. Dit eenvoudige, condensator-vrije ontwerp is geschikt voor motoren tot 1/3 pk (250 W).

Cosinus-phi-correctie voor éénfasige motoren

Frank Nola van NASA introduceerde in de jaren 1970 een cosinus-phi-corrector om de lage cosinus phi van lichtbelaste inductiemotoren aan te pakken. Door de cosinus phi te meten en de toegepaste spanning te verlagen, herstelt het apparaat een hogere cosinus phi en verlaagt kernverliezen.

Hoewel drie-fasige motoren al superieur rendement bieden, kunnen éénfasige motoren 2–4× betere prestaties behalen wanneer ze bij volledige belasting worden bedreven. Voor motoren die frequent op rust staan of bij lage belasting werken (≤ 25% volle belasting), kan een cosinus-phi-controller merkbare energiebesparing opleveren, met name in apparatuur zoals transportbanden of zware-belasting pompen.

Belangrijkste punten

• Eénfasige motoren vereisen een hulpwikkeling en een gefaseerde stroom om te starten.
• Permanent-gesplitste condensatormotoren gebruiken een condensator zowel bij opstart als tijdens lopen.
• Condensator-start motoren bieden hoog startkoppel maar gebruiken de condensator alleen tijdens opstart.
• Condensator-run motoren gebruiken een grote startcondensator en een kleinere loopcondensator.
• Weerstand-gesplitste-fase motoren genereren een fasverschuiving via verschillende weerstand, wat matig startkoppel biedt zonder condensator.

Gerelateerde bronnen

• AC-motortheorie werkblad