Roterend magnetisch veld
Het fundamentele werkingsprincipe van wisselstroommachines is de opwekking van een roterend magnetisch veld, dat de rotor doet draaien met een snelheid die afhangt van de rotatiesnelheid van het magnetisch veld.
We zullen nu uitleggen hoe een roterend magnetisch veld in de stator en luchtspleet van een wisselstroommachine kan worden opgewekt door middel van wisselstromen.
Beschouw de in figuur 1 afgebeelde stator, die de wikkelingen a-a′, b-b′ en c-c′ draagt. De windingen liggen op een geometrische afstand van 120◦ van elkaar en er wordt een driefasespanning op de windingen gezet. De door een driefasige bron opgewekte stromen hebben eveneens een onderlinge afstand van 120◦, zoals geïllustreerd in figuur 2 hieronder.
De fasespanningen gerelateerd aan de nulklem zouden dan worden gegeven door de uitdrukkingen //
waarbij ωe de frequentie van de wisselstroomtoevoer is, of netfrequentie. De spoelen in elke wikkeling zijn zodanig gerangschikt dat de fluxverdeling die door elke wikkeling wordt gegenereerd, bij benadering sinusoïdaal is.
Een dergelijke fluxverdeling kan worden verkregen door groepen spoelen voor elke wikkeling op de juiste wijze over het statoroppervlak te rangschikken. Aangezien de windingen 120 ◦ uit elkaar staan, is de fluxverdeling die het resultaat is van de som van de bijdragen van de drie windingen, de som van de fluxen afkomstig van de afzonderlijke windingen, zoals getoond in figuur 3.
Dus draait de flux in een driefasige machine in de ruimte volgens het vectordiagram van figuur 4, en de flux is constant in amplitude. Een stationaire waarnemer op de stator van de machine zou een sinusoïdaal variërende fluxverdeling zien, zoals weergegeven in figuur 3.
Aangezien de resulterende flux van figuur 3 wordt gegenereerd door de stromen van figuur 2, moet de rotatiesnelheid van de flux gerelateerd zijn aan de frequentie van de sinusvormige fasestromen. In het geval van de stator van figuur 1 bedraagt het aantal magnetische polen als gevolg van de wikkelingsconfiguratie 2.
Het is echter ook mogelijk de wikkelingen zodanig te configureren dat zij meer polen hebben. Figuur 5 geeft bijvoorbeeld een vereenvoudigd beeld van een vierpolige stator.
In het algemeen, wordt de snelheid van het roterende magnetische veld bepaald door de frequentie van de bekrachtigingsstroom f en door het aantal polen in de stator p volgens
waarbij ns (of ωs) gewoonlijk de synchrone snelheid wordt genoemd.
Nou, de structuur van de wikkelingen in de voorgaande bespreking is hetzelfde of de wisselstroommachine nu een motor of een generator is. Het onderscheid tussen de twee hangt af van de richting van de krachtstroom. In een generator is het elektromagnetische koppel een reactiekoppel dat zich verzet tegen de rotatie van de machine; dit is het koppel waartegen de prime mover werkt.
Zoals hierboven beschreven roteert het magnetische veld van de stator in een wisselstroommachine, en daarom kan de rotor het statorveld niet “inhalen” en is hij er voortdurend mee in de weer.
De rotatiesnelheid van de rotor zal daarom afhangen van het aantal magnetische polen dat in de stator en in de rotor aanwezig is.
De grootte van het in de machine geproduceerde koppel is een functie van de hoek γ tussen de magnetische velden van de stator en de rotor. Nauwkeurige uitdrukkingen voor dit koppel hangen af van de wijze waarop de magnetische velden worden opgewekt en zullen afzonderlijk worden gegeven voor de twee gevallen van synchrone en inductiemachines.
Wat alle roterende machines gemeen hebben, is dat het aantal stator- en rotorpolen identiek moet zijn, wil er enig koppel worden opgewekt. Verder moet het aantal polen gelijk zijn, omdat er voor elke noordpool een corresponderende zuidpool moet zijn.
Een belangrijke gewenste eigenschap van een elektrische machine is het vermogen om een constant elektromagnetisch koppel op te wekken.
Met een machine met constant koppel kunnen koppelpulsen worden vermeden die tot ongewenste mechanische trillingen zouden kunnen leiden in de motor zelf en in andere mechanische componenten die aan de motor zijn bevestigd (bijvoorbeeld mechanische belastingen, zoals spindels of riemaandrijvingen). Een constant koppel kan niet altijd worden bereikt, hoewel zal worden aangetoond dat het mogelijk is dit doel te bereiken wanneer de bekrachtigingsstromen meerfasig zijn.
Een algemene vuistregel in dit verband is dat het wenselijk is, voor zover mogelijk, een constante flux per pool te produceren.
Belangrijke video van roterend magnetisch veld