(Fr.: machine triphasée à collecteur; Du.: Drehstromwendermaschine; Eng.: three phase commutator machine), een elektrische machine bestemd om te worden gevoed vanuit een driefasennet, waarvan de wikkeling op de rotor is verbonden met een commutator.
Alle uitvoeringsvormen hebben het kenmerk dat hun rotatiesnelheid binnen een bepaald gebied op een eenvoudige en efficiënte manier continu kan worden veranderd, dit in tegenstelling tot de asynchrone motor. Hieraan hebben zij, ondanks de vrij gecompliceerde constructie en schakeling, hun bestaansrecht te danken als aandrijfmotoren voor werktuigen met instelbare snelheid. De ontwikkeling van de thyristor echter, die het mogelijk maakt ook van asynchrone machines nagenoeg verliesvrij de snelheid te variëren, zal de betekenis van de betrekkelijk dure en onderhoudsintensieve draaistroomcommutatormachines stellig doen afnemen naarmate de voor deze elektronische regeling benodigde statische frequentieomzetters goedkoper zullen worden.
Opbouw en uitvoeringsvorm.
De gelamelleerde stator van een draaistroomcommutatormachine bevat een normale draaistroomwikkeling met geleiders die liggen in axiale gleuven in het staal en die zijn samengeschakeld tot drie identieke fasewikkelingen. De rotor is eveneens gelamelleerd en draagt een zgn. commutatorwikkeling (zie Collector), waarvan de spoelen ook in axiale gleuven liggen. Men onderscheidt verder de volgende uitvoeringsvormen.
1. Draaistroomshuntmotor (afb. 1). De drie wikkelingsfasen van de stator zijn in ster geschakeld en aangesloten op het draaistroomnet. Op de collector staan 3p (stellen) borstels; de boog tussen twee naburige stellen borstels is 120°/p; p is het aantal paren polen van de machine. De borstelbrug kan worden verdraaid. De borstels zijn verbonden met de secundaire klemmen van een regelbare transformator of van een inductieregelaar. Doordat de primaire wikkeling van de transformator ook met het draaistroomnet is verbonden, kan de spanning aan de borstels veranderd worden ten opzichte van de spanning van het net.
2. Draaistroomseriemotor (afb. 2). Ook bij deze motor staan op de collector 3p borstels op een onderlinge boogafstand van 120°/p. De wikkelingsfasen van de stator zijn nu echter aan één zijde verbonden met het draaistroomnet, aan de andere kant met de borstels, meestal via een aanpassingstransformator.
3. Schragemotor of rotorgevoede draaistroomshuntmotor (afb. 3). Bij het eenvoudigste type ligt in de groeven van de rotor een wikkeling, die op de normale manier is aangesloten op de lamellen van een collector. Tevens is de wikkeling op 3p plaatsen voorzien van aftakkingen, die zijn verbonden met drie sleepringen; de borstels zijn verbonden met het draaistroomnet. Er zijn verder twee borstelbruggen, elk met 3p over een boog van 120°/p uiteen geplaatste borstels, waarlangs de collector beweegt. Beide borstelbruggen kunnen onafhankelijk van elkaar worden versteld. De wikkelingsfasen van de stator zijn elk geschakeld tussen één stel borstels van de ene borstelbrug en één stel van de andere brug.
4. Gecompenseerde asynchrone machine.
Deze is precies eender opgebouwd als de schragemotor, doch de borstels zijn vast ingesteld. Het doel van deze machine is dan ook alleen de verbetering van de arbeidsfactor in vergelijking met een normale asynchrone machine. Daar echter deze zgn. fasecompensatie tegenwoordig eenvoudiger kan worden gerealiseerd door parallel aan de machine een condensator op het net aan te sluiten, is de gecompenseerde asynchrone machine in onbruik geraakt.
Werking van de draaistroomshuntmotor.
Wanneer in de drie wikkelingsfasen van de stator stromen vloeien met een onderlinge faseverschuiving van 120°, ontstaat in de luchtspleet tussen de stator en de rotor een magnetisch draaiveld (zie Elektrische machine), dat in de tijd ronddraait met ten opzichte van de stator een hoeksnelheid ωd, die wordt bepaald door de frequentie ƒ van het net: ωd = 2𝜋ƒ/p. Draait de rotor rond met een hoeksnelheid ωm ≠ ωd, dan worden in de spoelen op de rotor spanningen geïnduceerd waarvan de frequentie bedraagt ƒ2 = |sƒ| met s = (ωd − ωm)/ωd, en de amplitude eveneens evenredig is met s. De spanning tussen twee van de borstelpennen (zie Borstel) is in grootte gelijk aan de som van de spanningen, geïnduceerd in alle spoelen, die tussen de desbetreffende borstels in serie staan.
De in de spoelen van de rotor geïnduceerde spanning heeft de slipfrequentie sf; de spanning die tussen de borstels kan worden gemeten als die geen stroom voeren, heeft de netfrequentie ƒ; m.a.w.: de collector fungeert als frequentieomzetter. Het faseverschil tussen de spanning aan de klemmen van de stator en die aan de gelijknamige borstels op de collector wordt bepaald door de stand van de borstels en kan worden veranderd door de borstelbrug te verdraaien. Er is een stand waarin beide spanningssystemen in fase zijn; voorlopig wordt daarvan uitgegaan.
Verbindt men de borstels onderling door, dan gaat de machine zich in principe eender gedragen als een asynchrone sleepringankermachine waarvan de sleepringen onderling doorverbonden zijn. Sluit men de borstels echter aan op een symmetrisch driefasig wisselspanningssysteem met de (net)frequentie ƒ, de amplitude ûbr en de juiste fasehoek φ, dan zal de machine als zij niet belast is gaan draaien met de hoeksnelheid
ωm = (1 − s0)ωd met s0 = ûbr/ê0).
Normaal zou de machine in nullast draaien met (bijna) de hoeksnelheid ωd; het nullasttoerental wordt dus verschoven. Bij een gewone asynchrone machine is dit principe van het invoeren van een zgn. regelspanning ook realiseerbaar, doch is een frequentieomzetter nodig daar die regelspanning dan de slipfrequentie s0ƒ moet hebben; bij een commutatormotor behoeft men slechts een spanning van de juiste grootte, maar met de netfrequentie, op de borstels aan te sluiten. Dit gebeurt met de regeltransformator of de inductieregelaar. Door vanuit de stand bij een nullasthoeksnelheid die kleiner is dan ωd de borstelbrug over 180°/p te verdraaien of de aansluitingen van de regeltransformator om te polen, kan de nullasthoeksnelheid ook groter dan ωd worden gemaakt (s0 < 0).
Wordt de machine belast dan neemt het toerental, en daarmee de spanning die in de rotorgeleiders wordt geïnduceerd, enigszins af en gaat er een zodanige stroom lopen dat de spanningsval over de impedantie van een rotorwikkelingsfase evenwicht maakt met het verschil tussen de regelspanning en de geïnduceerde spanning.
Voor het vermogen dat de machine omzet gelden dezelfde betrekkingen als bij de asynchrone machine. Als Ps het via de stator toegevoerde vermogen is, en s de slip, dan is afgezien van de verliezen het geleverde mechanische vermogen gelijk aan
Pm = (1 −s)Ps.
Is s < 0 (‘ondersynchroon bedrijf ’) dan is Pm < Ps en gaat het verschil sP−s via de borstels terug naar het net;
is s > 0 (‘oversynchroon bedrijf ’) dan wordt ook via de borstels een vermogen sPs aan de machine toegevoerd (uit het net opgenomen).
Verschuift men de borstels vanuit de stand waarin de spanningen, die in de gelijknamige stator- en rotorwikkelingsfasen (de laatste beschouwd vanaf de borstels) worden geïnduceerd, in fase zijn dan verandert de fasehoek tussen de spanning over en de stroom door de statorwikkelingsfasen; de totale arbeidsfactor kan worden verbeterd. Simultaan met de verdraaiing van de borstelbrug moet de fase van de regelspanning worden veranderd; daartoe is een inductieregelaar nodig. Men kan daarmee echter ook bij een vaste stand van de borstels de fase van de regelspanning wijzigen ten opzichte van die van de geïnduceerde spanning. Daardoor rotorstroom, en daarmee ook de statorstroom, in fase én grootte. Ook op deze wijze kan men de arbeidsfactor verbeteren. Vele draaistroomcommutatormotoren worden dan ook bedreven met een inductieregelaar en gefixeerde borstels.
Werking van de schragemotor.
Door de met de sleepringen verbonden aftakkingen wordt de rotorwikkeling verdeeld in drie wikkelingsfasen. Ligt de machine aan het net, dan lopen in die wikkelingsfasen stromen met een onderlinge faseverschuiving van 120° en ontstaat in de luchtspleet een draaiveld dat nu met de hoeksnelheid ωd beweegt ten opzichte van de rotor. Staan de borstels, waartussen de wikkelingsfasen van de stator zijn geschakeld, axiaal naast elkaar op dezelfde collectorlamellen (dit is de nulstand van de borstels), dan gedraagt de machine zich als een asynchrone machine, met dien verstande dat ze onbelast zijnde draait met de hoeksnelheid ωd tegen de richting waarin het draaiveld over de rotor beweegt in. Wordt de motor belast, dan gaat hij draaien met de hoeksnelheid ωm = (1 − s)ωd < ωd, waardoor in de stator een spanning wordt opgewekt met de hoekfrequentie |sωd| en een amplitude, die evenredig is met s.
Wanneer nu de borstels van beide borstelbruggen niet op dezelfde lamellen staan, werkt de combinatie collector/borstels weer als een frequentieomzetter. De frequentie van de spanning in de rotorspoelen is hier de netfrequentie ƒ; de spanning tussen twee borstels heeft de slipfrequentie |sf|.
Zijn de borstels stroomloos, dan is het spanningsverschil tussen twee borstels gelijk aan de som van de spanningen, die worden opgewekt in de spoelen, die tussen die borstels in serie staan. Draagt de rotor slechts één wikkeling, dan kan de spanning tussen de borstels op de collector in de buurt van de netspanning komen. Vaak is dit bezwaarlijk en wordt de spanning aan de collector lager gemaakt door de rotor van twee wikkelingen te voorzien die in dezelfde groeven in het rotorlichaam liggen, een draaistroomwikkeling die via de sleepringen aan het net is aangesloten, en een commutatorwikkeling. De spoelen van de laatste hebben minder windingen; de spanning tussen twee naburige lamellen van de collector is daardoor lager.
De schragemotor werkt volgens hetzelfde principe als de draaistroomshuntmotor: door van buiten aan de statorwikkeling een bepaalde spanning van de juiste frequentie toe te voeren dwingt men de motor in onbelaste toestand te draaien met een (hoek)snelheid, die verschilt van de synchrone hoeksnelheid ωd. Bij de schragemotor wordt de regelspanning via de borstels op de collector afgenomen van de rotor en door de borstels te verschuiven over de collector. Gaat men uit van een stand van de borstels waarbij de in de statorwikkeling opgewekte spanning in fase is met de spanning die via de borstels op deze wikkeling wordt aangesloten, dan verandert men de rotatiesnelheid door beide borstelbruggen in tegengestelde richtingen over gelijke hoeken te verdraaien. Bij gelijktijdige verdraaiing van beide bruggen in dezelfde richting verandert de fasehoek φ van de stroom, die de machine uit het net opneemt, waardoor men de arbeidsfactor kan verbeteren. Verdraait men slechts één borstelbrug, dan verandert zowel het toerental als de arbeidsfactor.
De grenzen van het regelgebied worden bepaald door de maximale spanning tussen de borstels op de collector en bereikt als de borstels over een boog 90°/p uit de nulstand verschoven zijn. Als de afmetingen van de machine gegeven zijn gaat een vergroting van het regelbereik ten koste van het vermogen.
Werking van de draaistroomseriemotor.
Daar reeds voor de opkomst van de halfgeleidergelijkrichters de draaistroomseriemotor grotendeels is verdrongen door de later ontwikkelde shuntmotor, zij een summiere bespreking van zijn gedrag hier voldoende. Als de machine aan een draaistroomnet is aangesloten, heerst in de luchtspleet een magnetisch veld dat we samengesteld kunnen denken uit een component ten gevolge van de statorstromen en een component ten gevolge van de (daarvan afgeleide) stromen in de rotorwikkeling. Beide componenten zijn (even snel roterende) draaivelden; hun onderlinge ligging wordt bepaald door de stand van de borstels. In de nulstand vallen de maxima en minima samen en ontwikkelt de machine geen moment. Verschuift men de borstels over 180°/p uit de nulstand, dan is de resulterende inductie minimaal en de stroom die de machine opneemt, maximaal. Het koppel is wederom nul. Verschuift men de borstels over een hoek, kleiner dan 180°/p, dan ontwikkelt de machine een moment en gaat draaien tegen de richting, waarin de borstels worden verschoven, in. De grootte van het moment wordt bepaald door de snelheid van het draaiveld ten opzichte van de rotor en door de borstelverschuivingshoek ⍺. Een grote invloed heeft ook de vaak aanwezige, doorgaans sterk verzadigde aanpassingstransformator, die er o.a. voor zorgt, dat in de onbelaste toestand de rotatiesnelheid beperkt blijft.
Regelbereik, vermogens en toepassingen.
Daar ook de draaistroomseriemotor nauwelijks nog gebruikt wordt, beperken we ons tot de shuntmotor en de schragemotor.
Het maximale vermogen en de grenzen waarbinnen het toerental kan worden gevarieerd zijn voornamelijk bepaald door de constructieve eigenschappen van de collector en de borstels, en door de verschijnselen tijdens het commutatieproces. Bij de draaistroomshuntmotor is de amplitude van de spanning, die in de afzonderlijke spoelen op de rotor wordt opgewekt, en die in de door de borstels kortgesloten spoelen het verloop van de stroom tijdens de commutatie bepaalt, minimaal als de machine synchroon draait (ωm = ωd) en groter naarmate de hoeksnelheid ωm meer van ωd afwijkt. Men moet daarom het regelbereik niet groter maken dan strikt nodig is; grenswaarden voor ωm zijn ca. ½ωd en 3/2ωd. De vermogensgrens wordt dan bepaald door het maximale vermogen, dat via de collector kan worden gevoerd. Draaistroomshuntmotoren kunnen worden gebouwd voor vermogens tot ca. 1 MW.
Bij de schragemotor is de amplitude van de inductiespanning in de rotorspoelen nagenoeg constant. De commutatie verloopt slechter naarmate de stroom via de borstels groter wordt. Bovendien moet het totale vermogen van de machine uit het net worden toegevoerd via de sleepringen, aangezien de spanning niet veel groter kan worden gekozen dan 600 V. Het maximale vermogen van schragemotoren ligt daardoor bij 100...200 kW.
Draaistroomcommutatormachines werden vooral vroeger, en worden nu nog wel toegepast, als men een aandrijving voor een variabel toerental verlangt terwijl geen gelijkstroomnet ter beschikking staat en een (statische of roterende) omvormer gecombineerd met een gelijkstroommotor te duur of te groot is. Toepassingsgebieden van deze machines zijn o.a. de textiel- en garenindustrie (spinmachines), en de papierindustrie.