cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Elektrisk motor
Bruk av likestrømsmotorer uten tilgang på kraftsystem for likestrøm
En tradisjonell løsning er Ward-Leonard systemet (eller bare leonardkoblingen) som egner seg der nøyaktig styring over et stort turtallsområde er nødvendig. Denne kan bestå av en oppstilling av elektriske maskiner som vist i figuren til høyre. Til venstre kommer forsyningen inn med trefase vekselstrøm til en vekselstrømsmotor (1). Dette kan typisk være en asynkronmaskin. Denne har to likestrømsgeneratorer tilknyttet sin aksling, nemlig en egen generator for å lage magnetiseringsstrøm (3) og en styregenerator (2) som produserer strømmen til hovedmotoren (4). Magnetiseringsstrømmen fra generatoren (3) forsyner hovedfeltet både til hovedgeneratoren (2) og hovedmotoren (4).
Ved å endre på reostatens (5) innstilling kan hovedgeneratorens spenning justeres, dermed vil også spenningen Ua til ankret til hovedmotoren kunne reguleres. Dette ble forklart over som en av metodene for å regulere turtallet på likestrømsmotoren. En reostat kan også settes inn i serie med feltviklingen til hovedmotoren, slik at også denne kan reguleres. Med dette oppsettet oppnås gode reguleringsegenskaper, men en opplagt ulempe er behovet for hele tre elektriske maskiner for å håndtere turtallsregulering av kun én motor.
Styring av likestrømsmotorer med kraftelektroisk omformer
Kraftelektroniske motorstyringer begynte sin store utbredelse i siste halvdel av 1900-tallet. . Disse består i hovedsak av halvlederkomponenter som er i stand til å kontrollere den elektriske energistrømmen til en motor. En typisk komponent som benyttes er dioden, som kun leder strøm i én retning. Ved å sette sammen slike enheter kan det konstrueres en likeretter. Likeretteren omformer vekselstrøm til likestrøm, noe som kan være nyttig i forbindelse med en likestrømsmotor. En annen viktig komponent er tyristoren som også slipper strøm gjennom i bare en retning, men som i tillegg kan kontrolleres slik at den leder strøm kun når den får signal om å gjøre det. Tyristorstyrte motordrifter gjør bruk av denne egenskapen. En tegning som viser prinsippet er vist til høyre. Denne motordriften kan brukes til å oppnå det samme som Ward-Leonard systemet, men uten at andre maskiner enn selve hovedmotoren trenges.
Fordeler og ulemper med likestrømsmotorer
Likestrømsmotorer har tradisjonelt hatt stor utbredelse på grunn av sine forskjellige karakteristikker og enkle hastighetsstyring. Tradisjonelle bruksområder er papirmaskiner, valseverk, boreplattformer, heiser, sporvogner og jernbane. Typisk er startmotoren i en bil en likestrømsmotor da bilbatteriet gir likestrøm.
Vekselstrømsmotorer
Asynkronmotoren er den aller mest brukte motoren for vekselspenning, og en regner med at langt de fleste motorer er av denne typen. Typisk produseres disse motorene fra ytelser på noen få watt, og da som enfasemotorer helt opp til 500 W. Disse kan da tilknyttes vanlig nettspenning. For effekter fra 0,5 og opp til rundt 3 000 kW brukes forsyning fra trefase kraftsystem. Tilknytting til høyspent kraftforsyning, altså spenning over 1000 V, er vanlig for motorer fra 200 kW og oppover. Asynkronmotorer er vanlig helt opp til rundt 15 MW, men for så store effekter foretrekkes heller synkronmotorer.
For motorer for de laveste effektnivåene finnes det en rekke forskjellige andre og billigere motortyper.
Helt siden motorer for vekselstrøm ble funnet opp har disse først og fremst vært maskiner best egnet for konstant hastighet. Ikke før utbredelsen av kraftelektroniske omformere tok til for fullt utover på 1980-årene ble enkel og billig turtallstyring av de typiske vekselstrømsmotorene vanlig.
Selv om en snakker om synkron- og asynkronmotorer er det ikke noen prinsipiell forskjell mellom disse om de går som generatorer. I litteraturen snakker en derfor helst om synkron- og asynkronmaskiner. Imidlertid er de alle fleste generatorer synkronmaskiner og de aller fleste motorer asynkronmaskiner.
Vekselsstrøm
Kraftsystemer for trefase vekselstrøm har utviklet seg til å bli praktisk talt enerådende siden introduksjonen i 1890-årene. Generering av vekselspenning skjer i generatorer slik at det oppstår tre spenninger som i tid er innbyrdes forsinket. En sier også at spenningene er forskjøvet. Denne forskyvningen kalles faseforskyvning. Bildet til høyre viser helt generelt en generator vil venstre med tre spenningskilder, tre faseledere og en last til høyre. Lasten kan gjerne være en motor der viklingene for hver fase er representert med de tre impedansene. Generatoren er koblet i stjerne og motorens viklinger i trekant. I senter av stjernekoblingen er et punkt kalt nøytalpunktet, her merket n. På grunn av faseforskyvningen mellom spenningene blir spenningen her null, dermed vil det ikke være noen potensialforskjell mellom dette punktet og jordpotensialet.
Faselederne fører henholdsvis strømmene I1, I2 og I3. Det er vanlig å kalle de tre lederne L1, L2 og L3, eller R, S og T, samt flere andre betegnelser. Mellom to og to faseledere kan en måle de tre spenningene U12, U23 og U31. Legg dermed merke til at det er en større spenning over hver av impedansene i trefasekoblingen enn over spenningskildene i stjernekoblingen.
Belastningen som er vist her kan altså være en trefasemotor. Om det skal tilknyttes en motor for bare enfasestrøm kan denne tilknyttes to faseledere, for eksempel L1 og L2.
Noe av hensikten med kraftsystemer for trefaset strøm er at elektriske motorer skal få et såkalt elektromagnetisk dreiefelt. Dette blir forklart lenger ned er nødvendig for å få jevn effekt og moment fra maskiner for vekselspenning.
Oppbygging og virkemåte
På samme måte som andre motortyper består asynkronmotoren av en ytre stillestående stator og rotoren med tilkoblet aksling. I statorens indre periferi er det spor der viklingene er plassert, disse tilknyttes kraftsystemet, se bildet til høyre. Selve statorhuset kan være utført i lettmetall, mens støpejern eller sveiste stålplater er vanlig for større maskiner. Statorkjernen der viklingene ligger i utstansede spor og som skal lede det magnetiske feltet er laget av blikkplater. Blikket er typisk 0,4 til 0,6 mm tykt og platene er isolert fra hverandre med lakk. Dette er beskrevet tidligere for likestrømsmotorene som laminert blikk. De utstikkende delene av blikket, altså den delen av det utstansede blikket som ligger mellom sporene, kalles ofte for tenner.
Rotoren er som bildet til høyre viser sylindrisk. Det er bygget opp av blikk med spor til lederne. I hovedsak består den av tre deler, nemlig en indre bærende del, laminert blikk bygget opp på samme måte som statorens blikk, i tillegg til rotorledere eller viklinger. For mindre motorer kan blikket være direkte festet til akslingen, mens for større er blikket festet til et såkalt rotorkryss. Når det gjelder viklingene viser ikke bildet til høyre hvordan disse egentlig er konstruert, men illustrasjonen nedenfor viser utformingen når det laminerte blikket er fjernet. Av denne tegningen skjønner en hvorfor typen rotorviklinger kalles burvikling; den ser ut som et bur. Et annet navn er kortslutningsrotor. Kortslutningsviklingene er laget av aluminium eller kobber, de består av staver (rotorstaver) som er parallelle med akslingen og i hver ende kortsluttet av en ring. Rotoren har ikke noe spesielt antall poler, det er andre fysiske forhold som bestemmer dens utformingen. På grunn av rotorens svært enkle form blir motortypen billig ved produksjon, samt at vedlikeholdet blir meget enkelt.
En annen type rotor er den viklede rotoren med sleperinger. Den rotoren har viklinger nesten som på en likestrømsmotor. Viklingenes terminaler er ført ut til tre sleperinger som via børster, ledninger og kontakter kan ha forbindelse med eksterne reostater. Vanligvis er viklingene i denne typen rotor stjernekoblet. I slike maskiner må det være like mange poler i rotoren som i statoren. Hensikten med eksterne motstander tilknyttet rotoren er å påvirke startegenskapene, i tillegg til at også turtallet kan justeres i normal drift. Denne maskintypen er dyrere enn den enklere utgaven med kortslutningsrotor. Lenger ned blir denne motortypen forklart mer inngående.
Magnetisk dreiefelt
Vesentlig for virkemåten for trefase vekselstrømsmotorer er det magnetiske dreiefeltet. Dette fremkommer på samme måte i asynkron- og synkronmaskiner. Diagrammet til høyre nedenfor viser seks spor med viklinger anbrakt i periferien av en stator. Viklinger med samme farge tilhører samme fase, dermed er dette den enklest mulige arrangementet for en stator, en kaller dette for en topolet trefaset statorvikling. At viklingene er tilknyttet hver sin fase vil si at de har terminaler som er tilknyttet de tre faselederne i kraftsystemet. Internt kan viklingene være koblet i stjerne eller trekant. Viklinger tilhørende samme fase er distribuert i rommet slik at det er 120° mellom dem. Om disse tilknyttes trefase elektrisk spenning illustrert med de tre sinuskurvene nede i figuren, vil det gå strøm i viklingene. Denne strømmen vil også ha samme sinusform. Den setter i sin tur opp et magnetfelt, og styrken av magnetfeltene pulserer etter et spesielt mønster.
Dreiefeltet som fremkommer i statoren i en motor skapes av strømmer som er skapt i generatorer. Der er utførelsen av statoren i prinsippet akkurat lik beskrivelsen over, og de tre sinusformede elektromotoriske spenningene er frembrakt ved induksjon fra en rotor som lager et magnetisk felt. Det er nær sammenheng mellom dreiefeltet i motorer og generatorer.
Illustrasjonen til høyre viser en mer komplisert stator. Denne har tolv spor for vinklingene. Den nederste tegningen viser selve statoren med viklingene i omfanget, mens den øverste tegningen viser statoren «brettet ut». Viklingene tilhørende de tre fasene, her benevnt U, V og W, har sine helt spesielle plasser i sporene, der illustrasjonen viser viklingen for fase U. Denne viklingen har to terminaler, merket U1 og U2, det samme har de andre viklingene. Dermed kan for eksempel U1, V1 og W1 være tilknyttet kraftforsyningen. Terminalene U2, V2 og W2 kan enten kobles sammen i stjerne eller trekant, slik som koblingsboksen gir mulighet for som vist i det øverste bildet for dette avsnittet. Som en ser er viklingene til fase U plassert i de røde sporene, merket +U og -U, med tre vindinger (omdreininger) i hvert spor. De fire sløyfene med piler i tegningen under, med både rotor og stator inkludert, viser magnetfeltene som oppstår når spenningen for fase U når har sin toppverdi. En sier at magnetfeltet går fra nord- til sørpol, dermed vil nordpolene være der pilene går ut av statoren og inn mot senter. Sørpolene er der pilene har retning fra senter og inn mot statoren.
Animasjonen til høyre under viser dreiefeltet når det går strøm i statorviklingene fra et trefaset kraftsystem. I rotorens burvikling vil det induseres en elektromotorisk spenning i alle stavene. Fordi stavene er kortsluttet og laget av et god ledende materiale vil det gå store strømmer i dem. Denne strømmen vil være størst om statoren står stille, fordi den relative bevegelsen mellom rotor og dreiefeltet da har sin største verdi. Når det går en strøm i en leder som det virker et magnetfelt på, vil det etter Lenz's lov virke en kraft på lederen. Dermed virker det krefter på alle stavene i rotoren, noe som får den til å rotere. En kaller dette for elektromagnetisk moment.
Sakking og indusert elektromotorisk spenning i rotoren
Det roterende feltet induserer altså en spenning i rotoren, som får det til å gå strøm i den helt uten at rotoren har noen ekstern strømtilførsel. Rotoren vil akselerere opp helt til omdreiningstallet er nesten lik statorens dreiefelt, mens dette skjer avtar strømmene i rotoren. Årsaken til dette er at den relative omdreiningshastigheten mellom rotor og dreiefeltet blir mindre og mindre jo større hastighet rotoren får. Om det var mulig at rotoren kunne få akkurat samme hastighet som dreiefeltet ville indusert spenning vært null, dermed ville det heller ikke gå noen strøm i rotoren. Av dette kan en slutte at rotoren må ha litt lavere hastighet enn dreiefeltet for å kunne rotere, og for at det elektromagnetiske momentet skal oppstå. Dette kalles for asynkront moment. Naturen bak dette elektromagnetiske momentet blir forklart lenger ned.
I praksis stiller det seg inn en likevekt mellom hastighet av rotoren og indusert strøm som er slik at elektromagnetisk moment er stort nok til å dra rundt arbeidsmaskinen som er tilknyttet akslingen. Om motoren ikke er tilknyttet en arbeidsmaskin, sier en at den går i tomgang. Asynkronmaskinen har da sin største hastighet, og momentet som utvikles er kun det som skal til for å motvirke friksjon og luftmotstand.
Den relative hastigheten mellom rotor og stator kalles sakkingen. Rotorens hastighet er som nevnt litt lavere enn dreiefeltets hastighet. For en maskin med to poler, altså en nordpol og en sørpol, som er tilknyttet et kraftsystem for vekselstrøm med frekvens 50 Hz er dreiefeltets hastighet 3000 r/min. Denne hastigheten kalles synkron hastighet. En maskin med fire poler får en synkron hastighet på 1500 r/min Som forklart lengre opp er det arrangementet av viklingene i statoren som avgjør antall poler, og dermed hastigheten motoren konstrueres for. Asynkronmotorens rotor får en hastighet som er bare litt under synkron hastighet. Bildet til øverst til dette kapittelet viser merkeskiltet til en asynkronmaskin. Her står det blant annet at hastigheten er 1480 r/min, dette vil si at hastigheten er rundt 1 % saktere enn synkron hastighet på 1500 r/min. En sier at at sakkingen er 1 % eller 0,01.
Himmelen
Himmelen er en forestilling om menneskets tilstand etter jordelivet som forekommer på varierende måter innen en rekke religioner og filosofiske systemer. De som tror på himmelrikets eksistens anser det gjerne slik at det er dit de gode menneskene kommer når jordelivet er over. Og innen noen religioner eller filosofier tror man at onde mennesker kommer til Helvete.
Elektrisk motor
Elektromagnetisk moment
Som nevnt blir det indusert strømmer i asynkronmotorens rotorviklinger og denne strømmen setter opp en magnetisk fluks. Denne fluksen fra rotor virker sammen med statorens fluks for å gi elektromagnetisk moment. En viktig egenskap med asynkronmotoren er at selv om rotoren roterer med hastighet lavere enn den synkrone, vil feltet fra rotoren allikevel ha synkron hastighet. Med andre ord roterer rotorfeltet i samme hastighet som dreiefeltet fra statoren. Disse to roterende magnetiske feltene vil ha en sterk tendens til å justeres inn på linje i forhold til hverandre, noe som skaper elektromagnetisk moment. I en asynkronmotor vil statorfluksen, om den erstattes med en vektor, være litt foran den vektoren som representerer rotorfluksens vektor. Desto mer statorfluksen er foran rotorfluksen, desto større moment utvikles. Det elektromagnetiske momentet vil være eksakt like stort og motsatt rettet av momentet fra arbeidsmaskinen. Indusert elektromotorisk spenning oppstår også i statorens viklinger. Dermed vil det være en spenning i statoren som er motsatt rettet av spenningen fra det tilknyttede kraftsystemet.
Start av asynkronmotoren med stjerne trekant-vender
Et typisk problem for en asynkronmaskin er den store startstrømmen når rotoren skal settes i bevegelse. Typisk kan strømmen ved stillestående rotor være fire til åtte ganger større en merkestrømmen. Startstrømmen forandrer seg lite inntil det såkalte kippturtallet er nådd, se fremstilling av moment og turtall i figuren nede til høyre. Om arbeidsmaskinen tar lang tid å akselerere opp, trekker motoren stor strøm over lengre tid, noe som kan forstyrrer øvrige forbrukere tilknyttet kraftnettet. Vanligvis vil også motoren trekke overveiende reaktiv effekt ved start. Til tross for stor startstrøm kan derfor startmomentet ved start være lavt. Dette er typiske dårlige egenskaper for en motor. Ikke bare fører dette til forstyrrelser på nettet, det fører også til stor oppvarming i motoren.
Det enkleste er selvsagt at motoren kan kobles direkte til kraftnettet ved at bryteren legges rett inn. Imidlertid vil dette ikke kunne tillates om problemene som er beskrevet over er for store, for eksempel kan elverket ha krav til hvor store motorer som tillates direktestartet. En løsning på dette er stjerne/trekant-start, som har vært mye brukt. Som nevnt over vil vanligvis begge terminalene til viklingene for hver fase være tilgjengelige i motorens koblingsboks. Dermed kan det foretas kobling av motorens viklinger mens den er under oppstart. Bildet øverst til høyre viser hvordan dette utføres for en motor som i normal drift er beregnet for trekantkobling. For å forbedre oppstartegenskapene kobles maskinen i stjerne ved oppstart, det vil si at bryteren merket K2 kobles inn først, deretter legges selve hovedbryteren K1 inn. Først når motoren har fått tilnærmet normalt turtall skjer en omkobling fra bryter K2 til K3. Som moment/turtall-karakteristikken i illustrasjonen til høyre viser kan motoren etter at K3 er koblet inn belastes betydelig mer: I stjerne-kobling kan den ikke en gang belastes opp til merkemoment (100 %), mens den i trekant-kobling kan belastes betydelig mer (opp mot 300 %).
Årsaken til at effekten er så mye lavere ved sternekobling er at spenningen over motorviklingene bare er. Strømmen i hver ledning til motoren blir lik strømmen i hver vikling, og blir en tredjedel av strømmen i trekant-kobling. Motormomentet er proporsjonalt med kvadratet av spenningen, dermed blir det redusert til en tredjedel av momentet ved full spenning over viklingene.
Brytere og releer som er nødvendig for at disse omkoblingene skal skje kan monteres i et eget koblingsskap ved siden av motoren. Ved hjelp av turtallsmåling direkte på motoren kan riktig tidspunkt for omkoblingen skje helt automatisk via et turtallsrele.
Start av asynkronmotor med startmotstander
Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor også er vanlig for asynkronmaskiner. Denne har sleperinger for tilknytting av eksterne regulerbare motstander. Ved å regulere disse motstandene kan motorens karakteristikk ved start påvirkes ved at startmomentet økes, samt at startstrømmen og det reaktive effektopptaket reduseres. Til høyre er det vist symbolet til en motor med sleperinger og regulerbare startmotstander. Startmotstanden består av tre resistanser som med en regulerbar enhet kan reguleres fra stor til liten verdi. Startmotstandene kan også være delt opp i mange enheter som kobles ut og inn av brytere som styres automatisk under startforløpet.
I bildet under til høyre er det vist moment/turtall-karakteristikken for en motor med syv startmotstander. Under oppstartforløpet kobles disse ut etter tur, og momentet endres som den blå kurven viser. Den åttende og siste kurven viser momentkarakteristikken etter at det syvende og siste startmotstandstrinnet er koblet ut. Her er viklingene helt kortsluttet og normale forhold for drift inntrer.
Arbeidsmaskinens moment/turtall-karakteristikken er vist med svart kurve. I dette spesielle tilfellet kjennetegnes den av meget stort moment ved lavt turtall, faktisk er momentet ved omtrent en tredjedels turtall større enn ved normalt turtall. Uten startmotstandene ville ikke motoren kunne greid å starte opp denne arbeidsmaskinen. Det sees ved at moment/turtall-karakteristikken ved normal drift, altså kurven med kippmoment lengst til høyre, har et område som ligger under arbeidsmaskinens kurve.
Noen andre startmetoder for asynkronmotorer
Noen andre startmetoder er primærimpedansstart der det kobles inn motstander i faselederne til motoren. Dette fører til lavere spenning for motoren som igjen gir redusert strøm, turtall og moment. Starttransformator er en metode som brukes for motorer med burvikling og ytelse typisk over 500 kW. Transformatoren har gjerne flere trinn slik at oppstarten skjer i flere tinn med redusert spenning. Helt til slutt i startforløpet kobles transformatoren helt ut. En annen startmetode er Kusa-kobling der en motstand settes inn i bare en av faselederne. Dette brukes blant annet for å redusere startmomentet.
Start av asynkronmotor med kraftelektronisk omformer
Startmetodene beskrevet over er tradisjonelle metoder, men med kraftelektronikk har nye metoder blitt vanlige. Bildet til høyre viser et eksempel på en såkalt «soft-starter», eller på norsk «mykstarter». Tyristorene som blir styrt av enheten kalt «Softstart controller» sørger for at spenningen til asynkronmotoren blir redusert til et lavere nivå enn normalt. Hver av disse enhetene slipper strøm og spenning gjennom i bare en retning. Dermed kan «pulser» av sinusformet strøm og spenning slippes gjennom. Softstarteren kan være så enkel at den øker spenningen fra null til full spenning, uten å ta hensyn til størrelsen av strømmen og motorens turtall. En mer avansert enhet kan kontrollere oppstartsekvensen med hensyn på turtall eller strøm. Dette skjer ved at parametrene måles, slik at ønskes respons kan oppfylles.
I tillegg til alle disse kompliserte startmetodene forklart i de siste avsnittene over, er det viktig å være klar over at motorfabrikanten en gang for alle har bestemt asynkronmaskinens strøm- og momentkarakteristikk ved konstruksjonen. Det er nemlig slik at forholdet mellom resistans og reaktans i rotoren bestemmer disse egenskapene. En annen ting er at frekvensen i rotoren endres fra nettfrekvens (50 eller 60 Hz) når rotoren står stille (med det samme spenningen slås på), til å få en verdi på mellom 2 eller 3 Hz ved normal hastighet. Ved å utnytte skinneffekten kan resistansen gjøres avhengig av denne frekvensen, som igjen blir en avhengighet av rotorens turtall. Skinneffekt vil si at for en leder som fører strøm med stor frekvens, vil strømmen tendere mot å gå i lederens overflate. Dermed blir den ohmske motstanden stor. Derimot vil motstanden bli liten ved lav frekvens når strømmen ikke lenger bare går i lederens overflate. Motorkonstruktøren kan dermed påvirke karakteristikkene en hel del bare med å velge utforming av rotorstavene.
Bremsing av asynkronmaskinen
Ved drift av for eksempel verktøymaskiner kan det være nødvendig å stanse driften meget hurtig. En asynkronmotor kan hurtig bremses ned ved at to av faseledningene byttes om. Dette bevirker at dreiefeltet plutselig skifter retning, noe som gir et stort bremsende moment. Motoren må da forhindres i å akselerere opp i motsatt retning, om det er hurtig stans som er ønsket. Et turtallsrele som måler turtallet og kobler fra bryterne sørger for ønsket funksjon. Brytere som styres med releer kan gjøre dette automatisk ved at operatøren kun trykker på en knapp.
I en heisekran der en last skal senkes kontrollert ned er bremsing viktig. Med en asynkronmotor med viklet rotor kan det settes inn stor ekstern motstand i rotorkretsen ved senking av lasten. Om en tenker seg motoren i normal drift der en gradvis øker rotormotstanden vil den til slutt stoppe. Dette skjer når motorens moment er likt momentet fra arbeidsmaskin; i dette tilfellet lasten i en heisekran. Økes motstanden enda mer vil motoren rotere i motsatt retning, og lasten i heisekranen senkes, noe som kalles motstrømsenkebremsekobling. Denne metoden kan kombineres med å snu om på to av motorens tilførselsledninger, noe som kalles oversynkron sakbremse med sakkingsresistans. I disse tilfellene vil asynkronmotoren levere effekt til nettet, med andre ord virker den som generator.
Styring av omdreiningstallet i trinn
En asynkronmotor er i hovedsak en maskin for konstant hastighet, der turtallet for en maskin med burvikling har et fall på typisk 5 % fra tomgang til fullast. En meget enkelt metode for å regulere turtallet er å endre antallet poler, dette ble forklart lenger opp å være bestemmende for synkronhastigheten. Som forklart har ikke asynkronmotorens stator synlige poler, disse roterer og antallet er bestemt av hvordan viklingene i statoren er utført. Det er dermed mulig å lage viklingene slik at antallet poler kan endres i trinn. Tegningen til høyre viser Dahlander-koblingen der to koblinger er mulig for viklingene i en og samme maskin. Her er det seks viklingsgrupper og seks terminaler. I tegningen til venstre er viklingene koblet i trekant for lavt turtall, mens de til høyre er koblet i parvis parallell med dobbel stjernekobling. I det siste tilfellet får motoren to poler og om frekvensen er 50 Hz blir synkront turtall 3000 r/min, mens i det første tilfellet blir synkront turtall 1500 r/min.
Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor kan brukes for endring av egenskapene ved start. Ved å regulere disse motstandene kan hastigheten til rotoren styres i normal drift. Virkemåten er at økt motstand i rotoren fører til lavere strøm, lavere strøm fører igjen til at sakkingen øker, samtidig som momentet avtar. En ulempe med denne metoden er dårlig virkningsgrad ved lav hastighet og dårlig hastighetskontroll ved endring av arbeidsmaskinens effektbehov.
Asynkronmaskin uten trefaseforsyning
En trefase asynkronmotor i drift vil kunne fortsette å gå selv om en av faselederne kobles fra, men turtallet vil synke alt etter hvor stort moment arbeidsmaskinen krever. Om motoren med bare to faseledere blir tilkoblet nettet vil den ikke kunne starte, men om den gis en vridning kan den dyttes i gang, forutsatt at lastmomentet ikke er for stort. Den kan da starte å rotere i begge retninger, alt etter hvilken retning den dyttets. Lenger ned blir forholdene i enfasede asynkronmotorer forklart.
I spesielle tilfeller kan en trefase asynkronmotor kobles opp slik at den får startmoment selv om den tilknyttes et enfase-nett. Dette kan være nyttig der det ikke er tilgang til et trefase kraftsystem. Det kan for eksempel være at en abonnent kun har enfase tilførselsledninger (to faseledninger i IT-system eller faseleder og N-leder (nøytralleder) i TN-system).
En løsning på dette er den såkalte Steinmetz-koblingen der en kondensator kobles til motorens ene terminal, slik som illustrasjonen til høyre viser. Det som oppnås med dette er faseforskyvning av strømmene i motorens statorviklinger, noe som gir et dreiefelt som får motoren til å løpe rundt. En ulempe med dette er redusert moment. Det finnes flere variasjoner for hvordan dette konseptet kan utnyttes: Kondensatoren kan enten være tilkoblet kontinuerlig, eller bare ved start.
Asynkronmaskinens turtall styrt med kraftelektronikk
Med utviklingen av kraftelektronikk har asynkronmotoren fått enkle og billige løsninger for hastighetskontroll. Bildet til høyre viser en enkel frekvensomformer for asynkronmotordrift. Som navnet sier blir trefaset vekselstrøm omformet til høyere eller lavere frekvens enn nettfrekvensen. Dette påvirker direkte hastigheten til statorens dreiefeltet, altså den synkrone hastigheten til dreiefeltet. Andre metoder har også blitt brukt, og en stadig utvikling på dette feltet skjer.
På mange måter erstatter denne typen kraftelektronikk alle de tradisjonelle metodene nevnt over for oppstart, stopp, bremsing og kontroll av turtallet for asynkronmaskiner. Det er heller ikke nødvendig å tilføre asynkronmotoren trefase strøm, den kan tilknyttes et kraftnett med enfase eller likestrøm. Derfor er denne typen motordrift brukt i tog og trikker, som kan ha strømforsyning med enfase 50 Hz, enfase 16,7 Hz eller likestrøm.
Fordeler og ulemper med asynkronmotoren
Asynkronmotoren er på grunn av sin enkle oppbygging svært driftsikker og billig. Den kan konstrueres for meget høy virkningsgrad, over 95 % for maskiner av en viss størrelse er ikke uvanlig. Typisk kan virkningsgraden være over 95 % for asynkronmotorer større enn 15 kW, men en del lavere for små motorer. Lenger ned blir normer for virkningsgrad beskrevet.
En ulempe med asynkronmotoren er at den trekker en del reaktiv effekt for magnetisering. En annen ulempe er startkarakteristikker som kan være problematiske, spesielt meget store strømmer ved direkte start av store arbeidsmaskiner. Disse ulempene kan imidlertid i stor grad unngås med kraftelektroniske omformere, eller med de andre metodene som er nevnt.
En asynkronmotor kan også brukes for generatordrift, spesielt i mikro- mini- og småkraftverk er den mye brukt på grunn av mulighet for enkel tilknytningsform. I slike tilfeller går den alltid i tilknytning med overliggende kraftsystem som sørger for konstant spenning og frekvens, samt forsyner generatoren med nødvendig reaktiv effekt.
Synkronmotoren
Synkronmaskinen er så å si enerådende som generator i kraftverk, men nokså sjeldent brukt som motor. Der den brukes som motor er det ofte behov for konstant og gjerne også lavt turtall, samt store effekter. I slike tilfeller kan den tilby høy virkningsgrad.
Tradisjonelt har turbiner vært anvendt for motordrifter i industrisammenheng som krever svært høy effekt, men i de siste årene har synkronmotorer vunnet innpass også her, da som firepolte maskiner.
Oppbygging og virkemåte
For en synkronmaskin er det ingen prinsipielle konstruksjonsmessige forskjeller på motor- og generatorer. I for eksempel et pumpekraftverk er det gjerne den samme generatoren som drives av turbinen, som går over i motordrift og drar pumpen når magasinet skal fylles.
Bare med svært få unntak er ankeret, altså viklingene som er tilkoblet det eksterne kraftnettet, i statoren. Feltviklingen er på rotoren og blir matet med likestrøm via sleperinger. Statoren og dens viklinger utformes i prinsippet helt likt med asynkronmaskinen, som ble forklart over. Når denne tilknyttes et trefaset kraftnett produseres et magnetisk dreiefelt som roterer med synkron hastighet, der hastigheten er bestemt av antallet poler og nettets frekvens. Ofte har rotoren utpregede poler med konsentrerte viklinger, eller om hastigheten er stor kan sylindrisk rotor anvendes. Sylindrisk rotor er laget av massivt stål med utfresende spor for viklingene. Den har typisk liten diameter i forhold til lengden. Rotor med utpregede poler er sammensatt av flere deler, derfor er den mekanisk sett ikke så godt egnet for store hastigheter som den sylindriske.
Ligninger for synkron- og asynkronmotoren
Rotasjonshastigheten n (r/min) til dreiefeltet er gitt av frekvensen f (Hz) i kraftsystemet og antallet poler P i statoren er gitt av:
Indusert elektromotorisk spenning i statoren (ankeret) er gitt av uttrykket:
der π er pi (3,14) og Φ er magnetisk luftgapsfluks per pol (Wb), de andre parametrene er de samme som definert over. E er forøvrig effektivverdien (rms) av spenning i volt. Sammenhengen blir noe mer komplisert med såkalte distribuerte viklinger. Som formlene viser er både rotasjonshastighet og indusert spenning bestemt av frekvensen og antallet poler i statoren.
Elektrisk effekt avgitt på akslingen P kan en finne om en kjenner motorens tilknyttede spenning og strøm:
der η er virkningsgraden, I er strømmen, U er spenningen, og cos φ er effektfaktoren. Dette gjelder for en trefasemotor, for en enfasemotor (som er mest aktuelt for en asynkronmotor, og ikke for synkronmotorer) blir uttrykket:
Som nevnt tilføres rotoren likestrøm via sleperinger som er elektrisk tilknyttet viklingene der strømmen overføres via kullbørster. Dette er mye likt utformingen forklart for kommutatoren i en likestrømsmotor, forskjellen er at sleperingene, som navnet antyder, består av glatte ringer. Effekten som trengs for magnetisering av rotoren er bare én til noen få prosent av ytelsen til hele maskinen. Ofte blir denne likestrømmen produsert av en likestrømsgenerator som står på aksling til generatoren. Denne kalles for magnetiseringsmaskinen. I mer moderne maskiner er det vanlig at denne magnetiseringsutrustningen består av likerettere i form av kraftelektronikk. Uansett utforming er det vanlig at utrustningen for magnetisering har en spenningsregulator. Denne skal sørge for at spenningen og reaktiv effektproduksjon holdes konstant ved varierende belastning av motoren. Regulatoren kan også i noen tilfeller mangle helt.
Rotoren, eller polhjulet som det oftest kalles for synkronmaskiner, setter opp en roterende magnetisk fluks som virker til å indusere en elektromotorisk spenning i statorens ankerviklinger. For en generator vil denne spenningen være årsak til at det går strøm i statoren når den eksterne kretsen, altså kraftsystemet den er en del av, er tilknyttet. Statoren vil på sin side også sette opp en roterende magnetisk fluks når den fører strøm. Disse to dreiefeltene vil ha en sterk tendens til å innrette seg på linje i forhold til hverandre, noe som forårsaker et elektromagnetisk moment. I en generator virker dette momentet mot bevegelsen fra turbinen, mens i en motor vil momentet virke til å dreie en tilknytte arbeidsmaskin rundt. En kan si at det elektromekaniske momentet er selve mekanismen som forårsaker energikonvertering.
Ikke bare ved generatordrift induseres det elektromotorisk spenning i statorens ankerviklinger, det samme skjer i motordrift. Forskjellen er at spenningen på maskinens terminaler, altså spenningen som det tilknyttede kraftsystemet gir, er større enn indre indusert elektromotorisk spenning. Ved generatordrift er forholdet motsatt mellom spenningen på terminalene og indre spenning.
Ved motordrift under stabile forhold vil det elektriske momentet være i eksakt balanse og i motsatt retning av arbeidsmaskinens moment. Den magnetiske fluksen fra strømmen i stator roterer litt foran fluksen fra polhjulet. Det motsatte er tilfelle i en generator. I både generator og motordrift produseres elektromekanisk moment, den eneste forskjellen er at ved motordrift er det fluksen fra statorstrømmen som ligger foran polhjulet. Tenker en seg den magnetiske fluksen fra statoren representert med en vektor, og fluksen fra rotoren som en annen vektor, vil disse to vektorene ha en vinkel mellom seg. Denne kalles for polhjulsvinkel, og størrelsen av denne vinkelen er avhengig av hvor stort det elektromagnetiske momentet er. Om polhjulsvinkelen er positiv eller negativ avhenger av om synkronmaskinen går som motor eller generator.
Sleperinger og børster er gjenstand for slitasje og feil, derfor har det blitt stadig mer vanlig med såkalte børsteløse synkronmaskiner. Dette går ut på at det istedenfor børster settes på en liten trefase generator på akslingen, denne er tilknyttet en diodelikeretterbro som tilfører rotoren likestrøm. Til denne ekstra generatoren kan statoren være tilknyttet likestrøm som forsynes utenfra, altså har den et stillestående anker. Energien til magnetisering av rotoren overføres dermed via magnetiske felter, helt uten mekanisk kontakt. Konseptet kalles derfor også roterende likeretter. Andre utforminger enn den som er nevnt her finnes også.
Som nevnt har synkronmotoren synkront turtall bestemt av frekvensen i kraftnettet, dermed vil heller ikke endringer av belastningen, altså momentet fra arbeidsmaskinen, kunne påvirke turtallet. Om derimot motoren blir overbelastet kan den «slippe», eller «falle ut av synkronisme». Da reduseres det drivende momentet og motoren slutter å rotere. Samtidig oppstår kraftige mekaniske vibrasjoner som kan være skadelige.
Om det er ønskelig med turtallsregulering kan synkronmotoren tilknyttes en kraftelektronisk frekvensomformer på omtrent samme måte som asynkronmotoren.
Oppstart av synkronmotoren
Synkronmotoren er vanligvis ikke selvstartende, det vil si at selv om statoren tilknyttes kraftnettet og det oppstår et dreiefelt, vil rotoren som i utgangspunktet står stille, ikke greie å følge med.
Oppstart av synkronmotoren kan skje ved hjelp av de såkalte dempeviklingene. Disse viklingene er staver som er lagt inn i rotorens poler i aksiell retning, i hver ende er de tilknyttet en kortslutningsring. Disse ligner med andre ord på asynkronmotorens burvikling. Hensikten med dempeviklingene er å dempe svingninger i rotoren som har sin årsak i forhold i kraftsystemer. Disse dempeviklingene gjør at synkronmotoren kan startes som en asynkronmotor. I magnetiseringsviklingene i rotoren vil det under oppstarten bli indusert en vekselspenning, denne avtar mot null når hastigheten nærmer seg synkront turtall. Når denne spenningen er nærmer null er det riktig tidspunkt for å koble inn magnetiseringsstrømmen. Dermed kan denne spenningen måles og brukes som indikasjon på at synkron hastighet er oppnådd ved automatisk oppstart. Først når magnetiseringen er innkoblet fortsetter maskinen å gå med synkron hastighet, også om belastningen øker.
Fordeler og ulemper med synkronmotoren
Synkronmaskinen har som nevnt høy virkningsgrad og gir mulighet for regulering av reaktiv effektproduksjon. Dette kan i det lange løp gi økonomiske fordeler. Den egner seg best for motordrifter med lavt turtall. Som beskrevet over har den visse utfordringer ved oppstart. Den er også mer kostbar enn asynkronmaskinen med sin svært enkle rotor.
Spesielle motorer for mindre ytelser eller bruk
På engelsk er det definert en samlebetegnelse for små motorer med ytelse under en hestekraft, de såkalte fractional horsepower motors, som direkte oversatt betyr «brøkdels hestekraft-motorer». En passende norsk betegnelse kan være motorer med liten ytelse. Felles for disse er at de er billige å produsere for bruk i forskjellige typer apparater i husholdninger, kontorer og industri. Mange av disse små motorene lages for enfase strømforsyning. Det finnes mange flere typer og variasjoner av motorer innenfor denne kategorien enn for store motorer. En av årsakene til at disse motorene er billige er at de produseres i svært store serier.
Enfase asynkronmotorer benyttes i stor utstrekning, da disse er støysvake og vedlikeholdsfrie. Seriemagnetiserte likestrømsmotorer kan tilknyttes vekselspenning, de kalles da for universalmotorer, og brukes i stor utstrekning der det er behov for hastigheter over 3000 r/min. Flere av motortypene i dette kapittelet er nødvendigvis ikke små, for eksempel kan motorer med permanente magneter brukes der det er behov for store effekter.
De spesielle motorenes virkemåte er i stor grad basert på de samme prinsippene som hovedtypen av motorer presentert over, men de er gjerne kombinasjoner av konsepter og konstruksjonsdetaljer fra flere av disse.
Enfaset asynkronmotor
Enfase asynkronmotorer har burvikling og stator som ligner mye på utformingen i en trefase motor. Forskjellen er at statorviklingene lages for forsyning for kun en fase (to faseledere) fra kraftsystemet. På sitt aller enkleste kan en slik motor ha viklinger distribuert i spor langs statoren. Det oppstår da ikke noe dreiefelt med kun én vekselstrøm tilført, snarere ett pulserende felt, dermed starter ikke rotoren av seg selv ved tilkobling til kraftnettet. Men rotoren kan settes i bevegelse ved eksterne anordninger, noe som får maskinen i gang. Dette er mye likt tilfellet som ble nevnt lenger opp, der det ble forklart hva som skjer i en trefase asynkronmotor om en av faselederne fjernes Enfase asynkronmotorer klassifiseres etter den metoden som brukes for å få dem til å starte. Valg av metode kommer an på ønsket turtall-momentkarakteristikk, moment ved start, driftssyklus, ønske om å begrense startstrømmen, samt kostnader.
Tegningen til høyre viser skjematisk oppbyggingen av en enfase asynkronmaskin med hovedvikling, merket U1 – U2 og hjelpevikling eller også kalt startvikling, merket V1 – V2. I en slik maskin er rundt 2/3 av sporene i statoren benyttet til hovedviklingen, resten er benyttet til hjelpeviklingene. Som tegningen antyder har hjelpeviklingen sin akse 90° på hovedviklingens akse. For å få maskinen til å bli selvstartende må det være en tidsforskyvning mellom de magnetiske feltene fra hver av viklingene, det er nemlig dette som gir et dreiefelt fra statoren. Tegningen viser en kondensator C, som gir den nødvendige faseforskyvningen når denne er innkoblet via bryteren S. Når motoren har oppnådd en viss hastighet kobles kondensatoren ut og maskinen fortsetter å gå med hjelpeviklingen utkoblet. Denne typen hjelpefasemotor med startkondensator brukes for kompressorer, pumper, kjøleskap og luftkondisjoneringsanlegg der det kreves høyt moment ved start. En ulempe med denne motoren er lav effektfaktor, typisk cos φ = 0,5 – 0,6.
Det er utviklet andre motortyper der kondensatoren ikke kobles ut ved drift, eller der det er to kondensatorer, en for start og en som alltid er tilkoblet.
Vekselstrøms universalmotor
Den seriemagnetiserte likestrømsmotoren kan også tilknyttes vekselstrøm. Årsaken til dette er at det magnetiske feltet fra polene skifter polaritet samtidig som feltet fra ankret skifter retning. Dette gjør riktignok at momentet pulserer i takt med vekselspenningens sinuskurve, men motoren har allikevel én rotasjonsretning. Motorens pulsering vil ha frekvens som er dobbelt så stor som frekvensen til kraftnettet. Til tross for dette vil denne typen motorer ha en karakteristikk mye lik en tilsvarende likestrømsmotor. Disse motorene brukes der liten vekt er viktig, som for eksempel i støvsugere, kjøkkenutstyr og elektrisk verktøy der hastigheten gjerne ligger i intervallet 1500 til 15 000 r/min.
Når det gjelder kostnad i forhold til ytelse, er disse motorene de gunstigste av alle små-motorer. Imidlertid er ulempene mye støy, kort livslengde og store hastigheter. Hastigheten til universalmotoren kan enkelt kontrolleres ved hjelp av tyristorer som regulerer spenningen. Dette kan gjøres enkelt manuelt av brukeren uten at noen regulator er del av utrustningen.
Repulsjonsmotor
En universalmotor som omtalt ovenfor kan kobles opp uten at rotorviklingene er tilknyttet den eksterne kretsen. Det er mulig å koble sammen børstene med en leder med liten motstand, noe som gir en repulsjonsmotor. Når så statorviklingene tilknyttes vekselstrøm fra kraftsystemet vil det oppstå et pulserende magnetisk felt som induserer spenning i rotoren, når så kommutatoren via børstene er kortsluttet går det strøm i rotorviklingene. I neste omgang fører dette til at det oppstår et drivende moment på rotoren.
Fordelen med repulsjonsmotoren er at rotasjonshastigheten kan varieres innen vide grenser uten bruk av noen hjelpeapparater. Den brukes for drifter med lavt ytelse, og der det er ønsket med enkel hastighetsstyring.
Skyggepolmotor
Skyggepolmotoren, eller også kalt spaltepolmotoren, er sammensatt av en kortslutningsrotor på samme måte som asynkronmotoren. Selv om den tilknyttes enfase vekselspenning, oppstår et roterende felt fra statoren ved hjelp av de spesielle skyggepolene. Statoren er laget med utpregede poler med konsentrert vikling, men en del av polen har en spesiell spalte med en unnsatt ring av kobber. Det øverste bildet viser dette for en utførsel med hele to ringer på hver side av statoren. Det pulserende magnetiske feltet som settes opp av magnetfeltet blir forsinket i den del av statoren med ringene. Her blir det nemlig skapt et motindusert felt på grunn av strømmen som induseres i ringene. Resultatet av dette er noe som ligner et dreiefelt som får rotoren til å rotere.
Denne motoren har lav virkningsgrad, gjerne ikke større enn 30 – 40 %, lav effektfaktor på typisk cos φ = 0,3 – 0,4, men den er meget billig og enkel. Dens bruksområde er leketøy, hårtørkere og små vifter.
Reluktansmotor
De asynkromotorene som til nå er beskrevet kan gjøres om til en selvstartende synkronmotor av reluktanstypen. Magnetisk reluktans er nevnt tidligere, og er et begrep fra analysen av magnetiske kretser. Reluktans kan sammenlignes med ohmsk motstand i en elektrisk krets. Altså en parameter som sier noen om motstanden for den magnetiske fluksen. En reluktansmotor har en rotor som gjør at reluktasen for den blir en funksjon av dens vinkel i forhold til aksen til statorens dreiefelt. En slik rotor kan en tenke seg konstruert ved at noen av tennene i en kortslutningsrotor tas vek. Altså en del av blikket i tverrsnittet av rotoren fjernes, slik at den til forveksling ligner noe på en rotor med utpregede poler. Rotoren må dessuten være symmetrisk, dessuten slik at stavene med kortslutningsringer fremdeles er tilstede. Selve statoren kan være av typen som for en asynkronmaskin for trefase eller enfase.
Motoren vil da starte som en asynkronmotor der rotoren har et slipp i forhold til synkron hastighet. Det vil være et reluktansmoment tilstede på grunn av rotorens tendens til å stille seg i den posisjonen i forhold til det roterende magnetiske fluksen som gir minst reluktans. Om lasten som virker på motoren ikke er for stor, vil den akselerere videre fra slipphastighet til synkronhastighet.
Hysteresemotor
Fenomenet hysterese kjennetegnes ved at et ferromagnetisk materiale som jern ikke har et lineært forhold mellom den magnetiske feltstyrken H og den magnetiske flukstettheten B. Den magnetiske feltstyrken kan være satt opp av en elektrisk spole som omslutter materialet. Om denne spolen tilknyttes en spenningskilde slik at det går en sinusformet strøm gjennom spolen, vil den magnetiske fluksen gjennomløpe en spesiell kurve: En S-formet kurve for økende strøm og en annen, noe forskjøvet kurve, for minkende strøm. Disse to forskjøvne S-formede kurvene kalles hysteresekurve. Dette forklares ved at de atomære dipolene som er i jernet stiller seg i posisjon i forhold til magnetfeltets flukslinjer, men at de motsetter seg forandring. Selv om magnetfeltet tas bort vil en del av denne posisjoneringen til dipolene bli stående. En sier at jernet er magnetisert, og det kan være i denne tilstanden lenge.
Hysteresemotoren har en sylindrisk rotor som er helt glatt, uten spor eller vindinger. Den er laget av et såkalt hardt magnetisk materiale. Det vil si at det ikke så lett lar seg magnetisere. Statoren har spor med vindinger, for eksempel kan stator som for den enfasede asynkronmotoren med startvikling og -kondensator brukes.