Samenvatting EAT: Motoren
Labo DC motor- algemene werking
Kennen (schriftelijke test)
1. Werkingsprincipe van de dc-machine verklaren
Essentie (Slides 26, 28, 29):
o Om beweging (rotatie) te krijgen, is een koppel nodig. Een
koppel ontstaat door een kracht die over een zekere afstand
werkt.
o De fundamentele kracht is de Lorentzkracht: F = B * I * L (of
vectorieel dF = I * dl x B). Deze kracht werkt op een stroom
voerende geleider (I) in een magnetisch veld (B).
o Componenten:
Bekrachtigingsstroom (Im) (veld stroom): Creëert via de
bekrachtigingswikkelingen een magnetisch veld
(bekrachtigingsflux Φ) in de stator. (Slide 28)
Ankerstroom (Ia): Stroomt door de rotorwikkelingen
(anker).
o Interactie: De ankerstroom in het magnetisch veld van de
stator ondervindt de Lorentzkracht, wat een koppel op de rotor
veroorzaakt.
o Commutator (Collector): Essentieel voor continue rotatie. De
rotorwikkelingen ervaren een wisselend magnetisch veld (of
draaien in een statisch veld), wat intern een AC spanning en
stroom induceert. De commutator, samen met de borstels,
fungeert als een mechanische gelijkrichter. Het zorgt ervoor
dat de stroom in de ankerwikkelingen die onder een bepaalde
pool liggen altijd in dezelfde richting vloeit t.o.v. dat veld,
waardoor het koppel continu in dezelfde draairichting werkt, ook
al wordt de machine extern met DC gevoed. (Slide 29)
o Tegen-EMK (Elektromotorische Kracht E): Als de rotor draait
in het magnetisch veld, wordt er een spanning geïnduceerd in de
ankergeleiders, tegengesteld aan de aangelegde spanning (E =
kΦΩ). Deze tegen-EMK beperkt de ankerstroom.
2. Dimensioneren van de aanzetweerstand
Essentie (Slides 32, 33, 34):
, o Probleem bij start: Als een DC-motor start (n = 0 rpm), is de
tegen-EMK (E) gelijk aan nul. Zonder aanzetweerstand zou de
startstroom (Ia) zeer hoog zijn: Ia = U/ (Ra + Rh). Dit kan de
wikkelingen beschadigen of de voeding overbelasten. (Slide 32)
o Oplossing: Een aanzetweerstand (R_aan) wordt tijdelijk in
serie met het anker geschakeld om de startstroom te beperken.
(Slide 33)
o Dimensionering: De waarde van R_aan wordt zo gekozen dat
de startstroom (I_aan_max) beperkt blijft tot een aanvaardbare
waarde (bv. 2 tot 2.5 keer de nominale ankerstroom I_nom).
o Formule: Uit U = E + Ia(Ra + Rh + R_aan), met E = 0V bij start:
R_aan = U / I_aan_max - Ra - Rh (Slide 34)
Je hebt dus de voedingsspanning U, de gewenste maximale
startstroom I_aan_max, en de ankerweerstand Ra en
hulppoolweerstand Rh nodig.
3. Eigenschappen van de seriemotor verklaren
Essentie (Slides 8, 14, 15, 38, 39):
o Bouw: De bekrachtigingswikkeling (serie wikkeling) staat in serie
met het anker. Dus, de ankerstroom (Ia) is gelijk aan de
bekrachtigingsstroom (Im). (Slide 8, 38)
o Flux: De magnetische flux (Φ) is (voor verzadiging) evenredig
met de ankerstroom: Φ = f(Ia) ≈ kf * Ia.
o Koppel (T): T = k * Φ * Ia. Omdat Φ ≈ kf * Ia, geldt T ≈ k * k_f *
Ia² = k' * Ia².
Zeer groot aanzetkoppel: Bij start is Ia hoog, en omdat
het koppel kwadratisch afhangt van Ia, is het startkoppel
erg groot. Dit maakt seriemotoren geschikt voor
tractietoepassingen (treinen, trams). (Slide 38)
o Toerental (Ω of n): Ω = (U - Ia(Ra + Rh + Rm_serie)) / (kΦ).
Gedrag bij nullast (onbelast): Als de belasting klein is,
is Ia klein. Daardoor is Φ ook klein. Een kleine Φ in de
noemer van de snelheidsformule leidt tot een zeer hoog,
potentieel gevaarlijk toerental. Een onbelaste
seriemotor "slaat op hol". Daarom moeten seriemotoren
altijd mechanisch gekoppeld zijn aan een last. (Slide 39)
o Wikkeling: De seriewikkeling heeft weinig windingen van dikke
draad om de weerstand laag te houden, aangezien de volle
ankerstroom erdoorheen gaat. (Slide 15)
,4. Verschil in bekrachtigingswikkeling tussen shunt en serie motor
verklaren
Essentie (Slides 8, 14, 15, 25):
o Shuntmotor:
Aansluiting: De bekrachtigingswikkeling (shuntwikkeling)
staat parallel (in shunt) met het anker, of wordt
onafhankelijk gevoed.
Stroom: Er loopt een relatief kleine bekrachtigingsstroom
(Im) door, onafhankelijk van de ankerstroom Ia. Im = Um /
Rm.
Doel: Een (relatief) constante flux creëren.
Constructie: Om met een kleine stroom voldoende flux te
genereren, heeft de shuntwikkeling veel windingen van
dunne draad. Dit resulteert in een hoge weerstand (bv.
314Ω op slide 25, 330Ω op slide 31).
o Seriemotor:
Aansluiting: De bekrachtigingswikkeling (seriewikkeling)
staat in serie met het anker.
Stroom: De volledige (vaak grote) ankerstroom (Ia) loopt
door de seriewikkeling.
Doel: Een flux creëren die evenredig is met de
ankerstroom (voor de kwadratische koppelkarakteristiek).
Constructie: Om de spanningsval en koperverliezen te
beperken bij hoge ankerstromen, heeft de seriewikkeling
weinig windingen van dikke draad. Dit resulteert in
een lage weerstand (bv. 0,8Ω op slide 14). De Wet van
Pouillet (R = ρl/A) verklaart dit: grote draaddoorsnede (A)
en korte draadlengte (l door weinig windingen) → lage R.
(Slide 15)
5. Schakelingen van de verschillende opstellingen kunnen tekenen
Essentie (Slides 8, 31, 33, 36, 38, 48, 49, 54):
o Onafhankelijke bekrachtiging (Slide 8, 48):
Ankerkring: Spanningsbron U, anker (E, Ra), hulppool Rh,
(optioneel R_aan).
Veldkring: Aparte spanningsbron Uf (of Um), veldwikkeling
wf (of Rm), (optioneel veldregelweerstand Rv).
o Seriebekrachtiging (Slide 8, 38):
, Eén kring: Spanningsbron U in serie met anker (E, Ra),
hulppool Rh, seriewikkeling Rm_serie (of ws), (optioneel
R_aan).
o Shuntbekrachtiging (Slide 8, 31, 33, 36):
Ankerkring: Spanningsbron U parallel aan veldkring. Anker
(E, Ra), hulppool Rh, (optioneel R_aan).
Veldkring: Parallel aan ankerkring, gevoed door U (of
aparte Um). Veldwikkeling Rm (of wp), (optioneel
veldregelweerstand Rv).
o De schema's op de slides (bv. 31 voor shunt, 38 voor serie, 48
voor onafhankelijk/shunt-achtig met aparte veldvoeding) zijn de
basis. Let op de correcte symbolen voor anker (cirkel met
borstels, E), weerstanden, en wikkelingen.
6. Het gedrag van demo 1, 2, 3 en 4 kunnen verklaren
Demo 1: Onafhankelijke bekrachtiging (Slides 47-50)
o Setup: Anker en veld apart gevoed. R_aan in serie met anker.
o Stappen & Gedrag:
i. R_aan max: Beperkt startstroom.
ii. Veldspanning (Um) opdrijven tot Im = 0,7A: Magnetisch
veld Φ wordt opgebouwd.
iii. Ankerspanning (U_a) naar 100V: Motor start. Piekstroom
(Ia) wordt gemeten (hoog, want E is initieel 0).
iv. R_aan naar 0Ω: Spanningsval over R_aan verdwijnt, E kan
stijgen (bij gelijkblijvende Ia en U_a), dus toerental Ω =
E/(kΦ) stijgt. Snelheid is afhankelijk van U_a (ongeveer Ω ≈
U_a/(kΦ)).
Demo 2: Links en rechtsdraaiende machine (Slides 51-52)
o Setup: Onafhankelijke bekrachtiging.
o Gedrag: Om de draaizin om te keren, moet de polariteit van óf
de ankerspanning óf de veldspanning worden omgekeerd, maar
niet beide tegelijk. Slide 52 toont omkering van
ankerspanning. Dit keert de richting van de Lorentzkracht om.
Demo 3: Snelheidsregeling via veldweerstand Rv (Slides 53-55)
o Setup: Shuntmotor (of onafhankelijk bekrachtigd) met regelbare
weerstand Rv in serie met de veldwikkeling.
o Gedrag:
Rv verhogen → veldstroom Im daalt → flux Φ daalt.
Omdat Ω = (U - IaRa) / (kΦ), zal bij dalende Φ het toerental
Ω stijgen (dit heet veldverzwakking).
Labo DC motor- algemene werking
Kennen (schriftelijke test)
1. Werkingsprincipe van de dc-machine verklaren
Essentie (Slides 26, 28, 29):
o Om beweging (rotatie) te krijgen, is een koppel nodig. Een
koppel ontstaat door een kracht die over een zekere afstand
werkt.
o De fundamentele kracht is de Lorentzkracht: F = B * I * L (of
vectorieel dF = I * dl x B). Deze kracht werkt op een stroom
voerende geleider (I) in een magnetisch veld (B).
o Componenten:
Bekrachtigingsstroom (Im) (veld stroom): Creëert via de
bekrachtigingswikkelingen een magnetisch veld
(bekrachtigingsflux Φ) in de stator. (Slide 28)
Ankerstroom (Ia): Stroomt door de rotorwikkelingen
(anker).
o Interactie: De ankerstroom in het magnetisch veld van de
stator ondervindt de Lorentzkracht, wat een koppel op de rotor
veroorzaakt.
o Commutator (Collector): Essentieel voor continue rotatie. De
rotorwikkelingen ervaren een wisselend magnetisch veld (of
draaien in een statisch veld), wat intern een AC spanning en
stroom induceert. De commutator, samen met de borstels,
fungeert als een mechanische gelijkrichter. Het zorgt ervoor
dat de stroom in de ankerwikkelingen die onder een bepaalde
pool liggen altijd in dezelfde richting vloeit t.o.v. dat veld,
waardoor het koppel continu in dezelfde draairichting werkt, ook
al wordt de machine extern met DC gevoed. (Slide 29)
o Tegen-EMK (Elektromotorische Kracht E): Als de rotor draait
in het magnetisch veld, wordt er een spanning geïnduceerd in de
ankergeleiders, tegengesteld aan de aangelegde spanning (E =
kΦΩ). Deze tegen-EMK beperkt de ankerstroom.
2. Dimensioneren van de aanzetweerstand
Essentie (Slides 32, 33, 34):
, o Probleem bij start: Als een DC-motor start (n = 0 rpm), is de
tegen-EMK (E) gelijk aan nul. Zonder aanzetweerstand zou de
startstroom (Ia) zeer hoog zijn: Ia = U/ (Ra + Rh). Dit kan de
wikkelingen beschadigen of de voeding overbelasten. (Slide 32)
o Oplossing: Een aanzetweerstand (R_aan) wordt tijdelijk in
serie met het anker geschakeld om de startstroom te beperken.
(Slide 33)
o Dimensionering: De waarde van R_aan wordt zo gekozen dat
de startstroom (I_aan_max) beperkt blijft tot een aanvaardbare
waarde (bv. 2 tot 2.5 keer de nominale ankerstroom I_nom).
o Formule: Uit U = E + Ia(Ra + Rh + R_aan), met E = 0V bij start:
R_aan = U / I_aan_max - Ra - Rh (Slide 34)
Je hebt dus de voedingsspanning U, de gewenste maximale
startstroom I_aan_max, en de ankerweerstand Ra en
hulppoolweerstand Rh nodig.
3. Eigenschappen van de seriemotor verklaren
Essentie (Slides 8, 14, 15, 38, 39):
o Bouw: De bekrachtigingswikkeling (serie wikkeling) staat in serie
met het anker. Dus, de ankerstroom (Ia) is gelijk aan de
bekrachtigingsstroom (Im). (Slide 8, 38)
o Flux: De magnetische flux (Φ) is (voor verzadiging) evenredig
met de ankerstroom: Φ = f(Ia) ≈ kf * Ia.
o Koppel (T): T = k * Φ * Ia. Omdat Φ ≈ kf * Ia, geldt T ≈ k * k_f *
Ia² = k' * Ia².
Zeer groot aanzetkoppel: Bij start is Ia hoog, en omdat
het koppel kwadratisch afhangt van Ia, is het startkoppel
erg groot. Dit maakt seriemotoren geschikt voor
tractietoepassingen (treinen, trams). (Slide 38)
o Toerental (Ω of n): Ω = (U - Ia(Ra + Rh + Rm_serie)) / (kΦ).
Gedrag bij nullast (onbelast): Als de belasting klein is,
is Ia klein. Daardoor is Φ ook klein. Een kleine Φ in de
noemer van de snelheidsformule leidt tot een zeer hoog,
potentieel gevaarlijk toerental. Een onbelaste
seriemotor "slaat op hol". Daarom moeten seriemotoren
altijd mechanisch gekoppeld zijn aan een last. (Slide 39)
o Wikkeling: De seriewikkeling heeft weinig windingen van dikke
draad om de weerstand laag te houden, aangezien de volle
ankerstroom erdoorheen gaat. (Slide 15)
,4. Verschil in bekrachtigingswikkeling tussen shunt en serie motor
verklaren
Essentie (Slides 8, 14, 15, 25):
o Shuntmotor:
Aansluiting: De bekrachtigingswikkeling (shuntwikkeling)
staat parallel (in shunt) met het anker, of wordt
onafhankelijk gevoed.
Stroom: Er loopt een relatief kleine bekrachtigingsstroom
(Im) door, onafhankelijk van de ankerstroom Ia. Im = Um /
Rm.
Doel: Een (relatief) constante flux creëren.
Constructie: Om met een kleine stroom voldoende flux te
genereren, heeft de shuntwikkeling veel windingen van
dunne draad. Dit resulteert in een hoge weerstand (bv.
314Ω op slide 25, 330Ω op slide 31).
o Seriemotor:
Aansluiting: De bekrachtigingswikkeling (seriewikkeling)
staat in serie met het anker.
Stroom: De volledige (vaak grote) ankerstroom (Ia) loopt
door de seriewikkeling.
Doel: Een flux creëren die evenredig is met de
ankerstroom (voor de kwadratische koppelkarakteristiek).
Constructie: Om de spanningsval en koperverliezen te
beperken bij hoge ankerstromen, heeft de seriewikkeling
weinig windingen van dikke draad. Dit resulteert in
een lage weerstand (bv. 0,8Ω op slide 14). De Wet van
Pouillet (R = ρl/A) verklaart dit: grote draaddoorsnede (A)
en korte draadlengte (l door weinig windingen) → lage R.
(Slide 15)
5. Schakelingen van de verschillende opstellingen kunnen tekenen
Essentie (Slides 8, 31, 33, 36, 38, 48, 49, 54):
o Onafhankelijke bekrachtiging (Slide 8, 48):
Ankerkring: Spanningsbron U, anker (E, Ra), hulppool Rh,
(optioneel R_aan).
Veldkring: Aparte spanningsbron Uf (of Um), veldwikkeling
wf (of Rm), (optioneel veldregelweerstand Rv).
o Seriebekrachtiging (Slide 8, 38):
, Eén kring: Spanningsbron U in serie met anker (E, Ra),
hulppool Rh, seriewikkeling Rm_serie (of ws), (optioneel
R_aan).
o Shuntbekrachtiging (Slide 8, 31, 33, 36):
Ankerkring: Spanningsbron U parallel aan veldkring. Anker
(E, Ra), hulppool Rh, (optioneel R_aan).
Veldkring: Parallel aan ankerkring, gevoed door U (of
aparte Um). Veldwikkeling Rm (of wp), (optioneel
veldregelweerstand Rv).
o De schema's op de slides (bv. 31 voor shunt, 38 voor serie, 48
voor onafhankelijk/shunt-achtig met aparte veldvoeding) zijn de
basis. Let op de correcte symbolen voor anker (cirkel met
borstels, E), weerstanden, en wikkelingen.
6. Het gedrag van demo 1, 2, 3 en 4 kunnen verklaren
Demo 1: Onafhankelijke bekrachtiging (Slides 47-50)
o Setup: Anker en veld apart gevoed. R_aan in serie met anker.
o Stappen & Gedrag:
i. R_aan max: Beperkt startstroom.
ii. Veldspanning (Um) opdrijven tot Im = 0,7A: Magnetisch
veld Φ wordt opgebouwd.
iii. Ankerspanning (U_a) naar 100V: Motor start. Piekstroom
(Ia) wordt gemeten (hoog, want E is initieel 0).
iv. R_aan naar 0Ω: Spanningsval over R_aan verdwijnt, E kan
stijgen (bij gelijkblijvende Ia en U_a), dus toerental Ω =
E/(kΦ) stijgt. Snelheid is afhankelijk van U_a (ongeveer Ω ≈
U_a/(kΦ)).
Demo 2: Links en rechtsdraaiende machine (Slides 51-52)
o Setup: Onafhankelijke bekrachtiging.
o Gedrag: Om de draaizin om te keren, moet de polariteit van óf
de ankerspanning óf de veldspanning worden omgekeerd, maar
niet beide tegelijk. Slide 52 toont omkering van
ankerspanning. Dit keert de richting van de Lorentzkracht om.
Demo 3: Snelheidsregeling via veldweerstand Rv (Slides 53-55)
o Setup: Shuntmotor (of onafhankelijk bekrachtigd) met regelbare
weerstand Rv in serie met de veldwikkeling.
o Gedrag:
Rv verhogen → veldstroom Im daalt → flux Φ daalt.
Omdat Ω = (U - IaRa) / (kΦ), zal bij dalende Φ het toerental
Ω stijgen (dit heet veldverzwakking).
