Motorstarters uitgelegd: Types, functies en starttechnieken

Types motorstarters en motorstarttechnieken

Wat is een motorstarter?

Een motorstarter is een elektrisch apparaat dat gebruikt wordt om een motor veilig te starten en te stoppen. Vergelijkbaar met een relais, schakelt de motorstarter de stroom AN/UIT, maar in tegenstelling tot een relais biedt hij ook lage-spannings- en overstroombescherming.

De hoofdfuncties van een motorstarter zijn:

• Een motor veilig starten
• Een motor veilig stoppen
• De richting van een motor omkeren
• De motor beschermen tegen lage spanning en overstroom

Een motorstarter bestaat uit twee hoofcomponenten die samenwerken om de motor te bedienen en te beschermen:

• Elektrische contactor: Het doel van de contactor is de stroomvoorziening naar de motor AN/UIT te schakelen door de contactklemmen te maken of te breken.
• Overbelasting beschermingsschakeling: Het doel van deze schakeling is de motor te beschermen tegen potentiële schade door overbelasting. Een enorme stroom door de loper kan de wikkeling en andere aangesloten apparaten beschadigen. Het meet de stroom en breekt de stroomvoorziening.

Waarom we een starter bij een motor nodig hebben

Een motorstarter is essentieel voor het starten van een asynchrone motor. Dit is vanwege de lage loperimpedantie. De loperimpedantie hangt af van de glijding van de asynchrone motor, wat de relatieve snelheid is tussen loper en stator. De impedantie varieert omgekeerd evenredig met de glijding.

De glijding van de asynchrone motor is maximaal, namelijk 1, in stilstand (rustpositie), dus is de impedantie op zijn minimum en trekt het een enorme hoeveelheid stroom, de instroom (inrush current) genoemd. De hoge instroom magnetiseert het luchtgat tussen loper en stator wat een EMK induceert in de loperwikkeling. Deze EMK produceert een elektrische stroom in de loperwikkeling die een magneetveld creëert om koppel in de loper te genereren. Naarmate de lopersnelheid toeneemt, neemt de glijding af en daalt de door de motor getrokken stroom.

De hoge instroom is 5-8 keer de normale gewaardeerde volbelastingstroom. Zo'n hoeveelheid stroom kan de wikkelingen van de motor beschadigen of verbranden, wat de machine onbruikbaar maakt, en kan een enorme dip in de voedingsspanning veroorzaken die andere aan dezelfde lijn aangesloten apparaten kan beschadigen.

Om de motor te beschermen tegen dergelijke enorme stromen, gebruiken we een starter die de initiële stroom voor een korte duur bij opstart beperkt en zodra de motor een bepaalde snelheid bereikt, de normale stroomvoorziening hervat. Zij bieden ook bescherming tegen foutcondities zoals lage spanning en overstroom tijdens normale werking.

Hoewel kleine motoren onder 1 pk (paardenkracht) een hoge impedantie hebben en de initiële stroom kunnen weerstaan, hebben ze dus geen dergelijke motorstarter nodig, wel hebben ze een overstroombeschermingssysteem nodig wat geboden wordt door DOL (Direct On-Line) starters. De bovenstaande uitleg toont waarom we een starter bij een motor nodig hebben.

Hoe een motorstarter werkt

Een starter is een bedieningsapparaat dat gebruikt wordt voor het schakelen van de motor handmatig of automatisch. Het wordt gebruikt voor veilige AN/UIT-bediening van elektrische motoren door contacten te maken of te breken.

De handmatige starter wordt gebruikt voor kleinere motoren waar de handbediende hefboom handmatig bediend wordt (de contactpositie verplaatsen) naar de AN of UIT positie. Het nadeel van dit type starters is dat ze na stroomstoring weer handmatig ingeschakeld moeten worden. Met andere woorden: ze vereisen handmatige bediening voor elke (AN of UIT) operatie. Soms kan deze operatie leiden tot hoge stromen in de motorwikkeling wat de motor kan verbranden. Daarom wordt dit niet aanbevolen in de meeste gevallen waar alternatieve motorstarters met bescherming gebruikt worden zoals automatische starters.

Aan de andere kant worden automatische starters, die bestaan uit elektromechanische relais en contactoren, gebruikt om de motor AN/UIT te schakelen. Wanneer stroom door de contactorspulen vloeit, worden deze geenergiseerd en produceren een elektromagnetisch veld dat de contacten aantrekt of duwt om de verbinding van de motorwikkelingen met de stroomvoorziening te maken.

De start- en stopdrukknoppen verbonden met de motor en starter kunnen gebruikt worden voor AN en UIT bediening van motoren. De contactorspulen kunnen ge-de-energiseerd worden door op de stopknop te drukken wat leidt tot de-de-energisering van de spoel. Op deze manier bewegen de contactorcontacten terug door de veermechanisme naar hun normale positie wat leidt tot het uitschakelen van de motor. Bij stroomstoring of handmatige uitschakeloperatie start de motor niet automatisch totdat we de motor handmatig starten door op de "start drukknop" te drukken. Het volgende diagram toont hoe een DOL motorstarter werkt voor AN/UIT bediening.

Types motorstarters gebaseerd op startmethoden & technieken

In de industrie worden verschillende starttechnieken gebruikt om een asynchrone motor te starten. Voordat we de typen motoren bespreken, hier zijn enkele technieken die in motorstarters gebruikt worden.

Volle spanning of Across The Line Starter

Dergelijke starters verbinden de motor direct met de voedingslijn, waarbij de volledige spanning wordt aangeboden. Motoren aangesloten via dergelijke starters hebben lage vermogensspecificaties zodat ze geen grote spanningsval in de voedingslijn creëren. Ze worden gebruikt in toepassingen waar motoren lage specificaties hebben en in één richting hoeven te draaien.

Volle spanning omkeerbare starter

De richting van een 3-fase asynchrone motor kan omgekeerd worden door twee fasen te wisselen. Zo'n starter bevat twee mechanisch vergrendelde magnetische contactoren met gewisselde fasen voor vooruit- en achteruitrichting. Het wordt gebruikt in toepassingen waar de motor in beide richtingen moet draaien en de contactoren dit bedienen.

Meervoudige snelheid starter

Om de snelheid van een AC-motor te variëren, moet je de AC-voedingsfrequentie variëren of het aantal polen variëren (door de wikkelingen op een bepaalde manier te herverbinden). Dergelijke typen starters laten de motor in een paar vooraf geselecteerde snelheden draaien om aan de toepassing te voldoen.

Verminderde spanning starter

De meest voorkomende starttechniek is het verminderen van de spanning bij het starten van de motor om de instroom te reduceren die de wikkelingen van de motor kan beschadigen en ook een enorme spanningsdip kan veroorzaken. Deze starters worden gebruikt voor hooggewwaardeerde motoren.

Op basis van de bovenstaande beschreven technieken worden de volgende typen motorstarters in de industrie gebruikt.

Type motorstarters:

We bespreken de volgende typen motoren en hun startmethoden gebaseerd op de bovenstaande motorstartmethoden met voor- en nadelen.

1. Direct Online Starter (DOL)
2. Statorweerstand starter
3. Loperweerstand of Glijring motorstarter
4. Autotransformator starter
5. Ster-Driehoek starter
6. Zachte starter (Soft Starter)
7. Variabele frequentie aandrijving (VFD)

Motorstarters hebben veel typen maar zijn hoofdzakelijk ingedeeld in twee typen.

Handmatige starter

Dit type starter werkt handmatig en vereist geen ervaring. Een drukknop wordt gebruikt om de motor die ermee verbonden is UIT en AN te zetten. Het mechanisme achter de knop bevat een mechanische schakelaar die het circuit breekt of maakt om de motor te stoppen of te starten.

Ze bieden ook overbelastingbescherming. Echter, deze starters hebben geen LVP (lage-spanningsbescherming), dus ze breken het circuit niet bij stroomstoring. Dit kan gevaarlijk zijn voor sommige toepassingen omdat de motor herstart wanneer de stroom hersteld wordt. Daarom worden ze gebruikt voor lage vermogensmotoren. Direct On-Line (DOL) starter is een handmatige starter die overbelastingbescherming biedt.

Magnetische starter

Magnetische starters zijn het meest voorkomende type starter en worden meestal gebruikt voor hoogvermogen AC-motoren. Deze starters werken elektromagnetisch zoals een relais dat contacten maakt of breekt met magnetisme.

Het biedt een lagere en veiligere spanning voor starten en bevat ook bescherming tegen lage spanning en overstroom. Bij stroomstoring breekt de magnetische starter het circuit automatisch. In tegenstelling tot handmatige starters bevat het automatische en afstandsbediening wat de operateur uitsluit.

De magnetische starter bestaat uit twee circuits:

• Vermogenscircuit: dit circuit is verantwoordelijk voor het leveren van stroom aan de motor. Het bestaat uit elektrische contacten die de stroom van de voedingslijn naar de motor via de overbelastingrelais AN/UIT schakelen.
• Bedieningscircuit: dit circuit bedient de contacten van het vermogenscircuit om de stroomvoorziening naar de motor te maken of te breken. De elektromagnetische spoel energiseert of de-energiseert om de elektrische contacten aan te trekken of te duwen. Zo biedt het afstandsbediening voor de magnetische starter.

Direct Online (DOL) Starter

DOL, ook Direct Online Starter genoemd, is de eenvormigste vorm van motorstarter die de motor direct met de stroomvoorziening verbindt. Het bestaat uit een magnetische contactor die de motor met een voedingslijn verbindt en een overbelastingrelais voor bescherming tegen overstroom. Er is geen spanningverlaging voor veilig starten van een motor. Daarom hebben motoren gebruikt met dergelijke starters een specificatie onder 5 pk. Het heeft twee eenvoudige drukknoppen die de motor starten en stoppen.

Het indrukken van de startknop energiseert de spoel die de contactoren aantrekt om het circuit te sluiten. En het indrukken van de stopknop de-energiseert de spoel van de contactor en duwt de contacten uit elkaar, wat het circuit breekt. De schakelaar gebruikt voor AN/UIT van de stroomvoorziening kan van elk type zijn zoals draaiend, hefboem, drijver, etc.

Hoewel deze starter geen veilige startspanning biedt, voorziet het overbelastingrelais in bescherming tegen oververhitting en overstroom. Het overbelastingrelais heeft normaal gesloten contacten die de spoel van de contactor energiseren. Wanneer de relais afschakelt, de-energiseert de spoel van de contactor en breekt het circuit.

Voordelen van DOL motorstarter

• Heeft een zeer eenvoudig en kosteneffectief ontwerp.
• Is heel gemakkelijk te begrijpen en te bedienen.
• Biedt hoog startkoppel door de hoge instroom.

Nadelen van DOL motorstarter

• De hoge instroom kan de wikkelingen beschadigen.
• De hoge instroom veroorzaakt spanningsdip in de voedingslijn.
• Niet geschikt voor zware motoren.
• Kan de levensduur van een motor verminderen.

Statorweerstand starter

De statorweerstand starter gebruikt de RVS (verminderde spanning starter) techniek om een motor te starten. Externe weerstand wordt in serie geschakeld met elke fase van de stator van een 3-fase asynchrone motor. De taak van de weerstand is de lijntspanning te verlagen (daardoor de initiële stroom verminderend) die aan de stator wordt aangeboden.

Initiëel wordt de variabele weerstand in maximale positie gehouden wat maximale weerstand biedt. Daarom is de spanning over de motor minimaal (op veilig niveau) door de spanningsval over de weerstand. De lage statorspanning beperkt de start-instroom die de motorwikkelingen kan beschadigen. Naarmate de motor snelheid oppikt, wordt de weerstand verminderd en de statorfase direct verbonden met de voedingslijnen.

Omdat de stroom recht evenredig is met de spanning en het koppel varieert met het kwadraat van de stroom, vermindert een 2 keer daling in spanning het koppel 4 keer. Dus het startkoppel met zo'n starter is erg laag en moet gehandhaafd worden.

Voordelen van statorweerstand motorstarter

• Het biedt flexibiliteit in startkenmerken.
• De variabele spanningstoelevering stelt soepele acceleratie toe.
• Het kan aangesloten worden op zowel ster- als driehoekverbonden motoren.

Nadelen van statorweerstand motorstarter

• De weerstanden dissiperen het vermogen.
• Het startkoppel is erg laag door spanningverlaging.
• De weerstanden zijn vrij duur voor grote motoren.

Loperweerstand of Glijring motorstarter

Dit type motorstarter werkt op een volle spanning motorstarttechniek. Het werkt alleen op een glijring asynchrone motor, daarom ook bekend als glijring motorstarter.

Externe weerstanden zijn met de loper in ster-combinatie verbonden via de glijring. Deze weerstanden beperken de loperstroom en verhogen het koppel. Dit zorgt ervoor dat de startstatorstroom vermindert. Het helpt ook de vermogensfactor te verbeteren.

De weerstanden worden alleen tijdens het starten van de motor gebruikt en worden verwijderd zodra de motor de gewaardeerde snelheid bereikt.

Voordelen van loperweerstand motorstarter

• Het biedt een lage startstroom met volle spanning.
• Door hoog startkoppel kan de motor onder belasting gestart worden.
• Deze methode verbetert de vermogensfactor.
• Het biedt een wijd bereik aan snelheidsregeling.

Nadelen van loperweerstand motorstarter

• Het werkt alleen op glijring asynchrone motor.
• De loper is duur en zwaarder.

Autotransformator starter

Zo'n type motorstarter gebruikt een autotransformator als aftraptransformator om de spanning die aan de stator wordt aangeboden tijdens de startfase te verlagen. Het kan aangesloten worden op zowel ster- als driehoekverbonden motoren.

De secundaire spoel van de autotransformator is met elke fase van de motor verbonden. De meerdere tappings van de autotransformator bieden een fractie van de gewaardeerde spanning. Tijdens het starten staat de relais op de startpositie, namelijk de tap die een verminderde spanning voor de opstart biedt. De relais schakelt tussen de tap-punten om de spanning te verhogen met de snelheid van de motor. Ten slotte verbindt het het met de volledige gewaardeerde spanning.

In vergelijking met andere spanningverlagingstechnieken biedt het een hogere spanning voor een specifieke startstroom. Het helpt een beter startkoppel te bieden.

Voordelen van autotransformator starter

• Het biedt een beter startkoppel.
• Het wordt gebruikt voor het starten van grote motoren met een aanzienlijke belasting.
• Het biedt ook handmatige snelheidsregeling.
• Het biedt ook flexibiliteit in startkenmerken.

Nadelen van autotransformator starter

• Vanwege de grote grootte van de autotransformator neemt zo'n starter te veel ruimte in beslag.
• Het circuit is complex en relatief duurder dan andere starters.

Ster-Driehoek starter

Dit is een andere veelgebruikte startmethode in de industrie voor grote motoren. De wikkelingen van de 3-fase asynchrone motor worden geschakeld tussen ster- en driehoekverbinding om de motor te starten.

Om de asynchrone motor te starten, wordt deze in ster verbonden met een dripoolse dubbeltrek relais. De fase-spanning in sterverbinding wordt verminderd met factor 1/√3 en het vermindert de startstroom alsook het startkoppel met 1/3 van de normale gewaardeerde waarde.

Wanneer de motor versnelt, schakelt een timerrelais de sterverbinding van de statorwikkelingen om in de driehoekverbinding, wat de volle spanning over elke wikkeling toelaat. De motor draait op gewaardeerde snelheid.

Voordelen van ster-driehoek starter

• Het ontwerp is eenvoudig en goedkoop.
• Het vereist geen onderhoud.
• Biedt een lage instroom.
• Wordt gebruikt voor het starten van grote asynchrone motoren.
• Is het best voor lange versnellingstijd.

Nadelen van ster-driehoek starter

• Het werkt op driehoekverbonden motor.
• Er zijn meer draadverbindingen.
• Het biedt laag startkoppel wat niet gehandhaafd kan worden.
• Er is zeer beperkte flexibiliteit in startkenmerken.
• Er is een mechanische ruk bij het schakelen van ster naar driehoek.

Zachte starter (Soft Starter)

De zachte starter gebruikt ook de spanningverlagingstechniek. Het gebruikt halfgeleiderschakelaars zoals TRIAC om de spanning alsook de startstroom die aan de asynchrone motor wordt geleverd te regelen.

Een fase-gestuurde TRIAC wordt gebruikt om variabele spanning te bieden. De spanning wordt gevarieerd door de geleidingshoek of ontbrandingshoek van de TRIAC te variëren. De geleidingshoek wordt op minimum gehouden om verminderde spanning te bieden. De spanning wordt geleidelijk verhoogd door de geleidingshoek te verhogen. Bij maximum geleidingshoek wordt de volle lijntspanning aan de asynchrone motor aangeboden en draait hij op gewaardeerde snelheid.

Het biedt een geleidelijke en soepele toename in de startspanning, stroom alsook het koppel. Dus er is geen mechanische ruk en het biedt een soepel werkende werking die de levensduur van de machine verlengt.

Voordelen van zachte starter

• Het biedt betere controle over startstroom en spanning.
• Het biedt soepele acceleratie, dus geen rukken.
• Het vermindert de vermogenspieken in het systeem.
• Verlengt de levensduur van het systeem.
• Biedt betere efficiëntie en ontzegt de behoefte aan onderhoud.
• De grootte is klein.

Nadelen van zachte starter

• Het is relatief duur.
• Er is energieverlies in de vorm van warmte.

Variabele Frequentie Aandrijving (VFD)

Net als de zachte starter kan een Variabele Frequentie Aandrijving (VFD) de spanning alsook de frequentie van de toevoerstroom variëren. Het wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het regelen van de snelheid van de asynchrone motor aangezien deze afhangt van de toevoervrequentie.

De AC van de voedingslijn wordt omgezet in DC met gelijkrichters. De zuivere DC wordt omgezet in AC met instelbare frequentie en spanning met pulsbreedtemodulatie techniek door krachttransistoren zoals IGBT's.

Het biedt volledige controle over de motortoer van 0 tot gewaardeerde snelheid. De snelheidsinsteloptie met de variabele spanning biedt een betere startstroom en versnelling.

Voordelen van Variabele Frequentie Aandrijving

• Het biedt een betere en soepelere acceleratie voor grote motor.
• Het biedt volledige snelheidsregeling met soepele acceleratie en deceleratie.
• Het vergroot de levensduur door afwezigheid van elektrische en mechanische stress.
• Het biedt vooruit- en achteruitbediening van een motor.

Nadelen van Variabele Frequentie Aandrijving

• Het is relatief duur tenzij snelheidsregeling noodzakelijk is.
• Er is warmteverlies.
• VFD's creëren harmonische in de elektriciteitslijnen wat elektronische apparatuur en vermogensfactor kan beïnvloeden.