Yleisvirtakone

Yleisvirtakone on sähkömoottori, joka voi käyttää sekä vaihto- että tasavirtaa. Sen staattorina käytetään laitteen magneettikentän muodostavaa sähkömagneettia. Laite on sarjamoottori, jonka staattorin kenttäkelat on kytketty sarjaan roottorin käämitysten kanssa virrankääntimen läpi, joten sitä kutsutaan myös kommutaattorisarjamoottoriksi. Yleisvirtakoneen rakenne on tasavirtamoottorin kaltainen, mutta sitä on muunneltu siten, että sitä voidaan käyttää oikein myös vaihtosähköllä. Yleisvirtakone toimii hyvin vaihtovirralla, koska sekä kenttäkäämien ja ankkurikäämityksen asento ja niistä seuraavat magneettikentät vaihtuvat virransyötön tahdissa. Tällöin mekaaninen voima kohdistuu tasaisesti pyörimissuuntaan riippumatta käytetyn jännitteen suunnasta; suunnan määrittävät virrankäännin ja kenttäkäämien napaisuudet. 

Yleisvirtakoneiden käynnistysmomentti on suuri, ne voivat pyöriä suurella nopeudella ja ne ovat kevyitä ja pienikokoisia. Niitä käytetään yleisesti kannettavissa työkaluissa ja laitteissa sekä monissa kuluttajalaitteissa. Yleisvirtakoneiden ohjaus on suhteellisen helppoa sähkömekaanisesti tapitettujen kelojen avulla tai sähköisesti. Virrankääntimessä on kuitenkin harjat, jotka kuluvat, joten yleisvirtakoneita ei yleensä käytetä laitteissa, jotka ovat jatkuvassa käytössä. Lisäksi (osin virrankääntimen vuoksi) yleisvirtakoneet ovat tavallisesti todella äänekkäitä ja aiheuttavat sähkömagneettisia häiriöitä.

Ominaisuudet 

Kaikki sarjamoottorit eivät toimi hyvin vaihtosähköllä.  Jos tavallinen tasavirtasarjamoottori kytketään vaihtosähköön, se pyörii todella huonosti. Yleisvirtakonetta on muunneltu monin tavoin kunnollisen vaihtovirtakäytön mahdollistamiseksi. Siinä on kompensointikäämitys yhdessä laminoitujen napakappaleiden kanssa, kun taas tasavirtakoneissa käytetään kiinteitä kohtioita. Yleisvirtakoneen ankkurikäämityksessä on tavallisesti paljon enemmän keloja ja levyjä kuin tasavirtamoottorissa, ja siten vähemmän käämityksiä kelaa kohden. Tämä pienentää induktanssia.

Tehokkuus 
Vaihtovirrallakin käytettynä yleisvirtakoneet pystyvät pyörimään selvästi vaihtovirran taajuutta suuremmalla taajuudella, ja koska nopeus parantaa suurinta osaa sähkömoottorin ominaisuuksista, ne voivat olla kevyitä ja tehokkaita. Yleisvirtakoneiden hyötysuhde on kuitenkin tavallisesti suhteellisen huono: pienillä moottoreilla 30% ja suurilla korkeintaan 70-75%.

Momentti- ja nopeusominaisuudet 
Sarjamoottorit hidastuvat kuormituksen kasvaessa. Virta kasvaa ja vääntömomentti suurenee suhteessa virran neliöön, koska sama virta kulkee sekä ankkuri- että kenttäkäämityksessä. Kun moottori on pysähdyksissä, virtaa rajoittaa ainoastaan käämitysten kokonaisvastus, ja vääntömomentti voi olla todella suuri, jolloin vaarana on käämien ylikuumeneminen. Vastasähkömotorinen voima auttaa ankkurikäämityksen resistanssia rajoittamaan ankkurikäämityksen läpi kulkevaa virtaa. Ankkurikäämitys ei käänny heti, kun moottorille syötetään virtaa. Tässä tilanteessa vastasähkömotorinen voima on nolla, joten ainut ankkurikäämityksen virtaa rajoittava tekijä on ankkurikäämityksen sähköinen vastus. Moottorin ankkurikäämityksen vastus on tavallisesti alhainen, joten sähkövirta kasvaisi hyvin suureksi virransyötön alkaessa. Tämän vuoksi on tarpeen lisätä vastuksia sarjaan ankkurikäämityksen kanssa, jotta virtaa saadaan rajoitettua siihen asti, että moottorin pyörimisliike luo riittävän vastasähkömotorisen voiman. Kun moottorin pyörimisnopeus kasvaa, ylimääräinen resistanssi poistuu vähitellen. Nopeuden ja momentin suhde on lähes suoraan verrannollinen pysähdyksistä kuormituksettomaan huippunopeuteen. Tämä sopii suurille hitauskuormille, koska nopeus putoaa, kunnes moottori alkaa hitaasti pyöriä nopeammin. Yleisvirtakoneilla on todella suuri pysäytysmomentti. 

Nopeuden kasvaessa roottorin induktanssi muuttuu siten, että ideaalinen virrankääntökohta vaihtuu. Pienissä moottoreissa on kuitenkin yleensä kiinteä virrankääntö, ja vaikka osassa suuremmista yleisvirtakoneista käytetään pyörivää virrankääntöä, tämä on harvinaista. Sen sijaan suuremmissa yleisvirtakoneissa on kompensointikäämitys sarjassa moottorin kanssa tai joskus induktiivisesti kytkettynä. Se muodostaa 90 asteen kulman pääkentän akselin kanssa. Tämä vähentää ankkurikäämityksen reaktanssia ja parantaa virrankääntöä. 

Kenttä- ja ankkurikäämitysten sarjaankytkennän eräs hyödyllinen ominaisuus on se, että nopeuden kasvaessa vastasähkömotorinen voima vähentää itsestään jännitettä ja siten kenttäkäämityksessä kulkevaa virtaa, jolloin kenttä heikkenee suurissa nopeuksissa. Tällöin moottorilla ei ole teoreettista huippunopeutta millekään tietylle jännitteelle. Yleisvirtakoneita käytetään yleisesti suurilla nopeuksilla (4 000–16 000 kierrosta minuutissa), ja nopeus voi olla jopa yli 20 000 kierrosta minuutissa  Sen sijaan vaihtovirralla toimivat oravahäkkikäämitystä käyttävät oikosulkumoottorit eivät voi pyöriä kovempaa kuin vaihtosähkön taajuus mahdollistaa. Maissa, joissa käytetään 60 Hz:n vaihtovirtaa, tämä nopeusraja on 3600 kierrosta minuutissa.  

Yleisvirtakoneelle voi aiheutua vahinkoa ylinopeudesta (suunniteltua nopeusrajaa suuremmasta pyörimisnopeudesta), jos moottoria käytetään ilman riittävää mekaanista kuormitusta. Suuremmissa koneissa yhtäkkistä kuorman katoamista tulee välttää, ja tämä huomioidaan yleisvirtakoneen suoja- ja ohjausjärjestelmissä. Pienissä laitteissa on usein moottoriin kytketty tuuletin, joka toimii kuormana rajoittaen yleisvirtakoneen nopeuden turvalliselle tasolle. Se myös jäähdyttää ankkuri- ja kenttäkäämitystä puhaltamalla ilmaa. Jos yleisvirtamoottorissa ei ole mekaanista rajoitinta, se voi teoriassa kiihtyä nopeusrajan yli samalla tapaa kuin tasavirtasarjamoottori. 

Yleisvirtakoneen hyötynä on, että vaihtovirtaa voidaan käyttää moottorissa, jolla on tasavirtamoottorin ominaisuksia, etenkin suuri käynnistysmomentti ja pienikokoinen muotoilu, jos käytetään suuria pyörimisnopeuksia.

Huonot puolet 
Yleisvirtakoneiden huonona puolena on huollon tarve ja lyhyt kestoikä, jotka aiheutuvat virrankääntimestä sekä kipinöinnistä aiheutuvat radiotaajuushäiriöt. Virrankäänninten harjojen suhteellisen suuren huollontarpeen vuoksi yleisvirtakoneet sopivat parhaiten tehosekoitinten kaltaisiin laitteisiin ja työkaluihin, joita käytetään vain hetkellisesti, ja joissa tarvitaan usein suurta käynnistysmomenttia. 

Toinen huono puoli on se, että yleisvirtakoneita voi käyttää vain paikoissa, joiden ilma on puhdasta kaikkina aikoina puhdasta.  Suuren ylikuumenemisvaaran vuoksi täysin suljetut yleisvirtakoneet ovat epäkäytännöllisiä, vaikka niitä onkin valmistettu muutamia. Tällaisessa moottorissa on oltava suuri tuuletin, jotta saadaan kierrätettyä riittävästi ilmaa. Se pienentää hyötysuhdetta, koska moottorin pitää käyttää enemmän energiaa itsensä jäähdyttämiseen. Epäkäytännöllisuus aiheutuu suuresta koosta, painosta ja lämmönhallintaongelmista, joita avoimilla yleisvirtakoneilla ei ole.

Nopeudensäätö 
Vaihtovirtaa käyttävän yleisvirtakoneen portaaton nopeudensäätö on helppo toteuttaa tyristoripiirillä, kun taas kenttäkäämityksen tapituksella saadaan aikaan portaittainen nopeudensäätö. Tavallisissa tehosekoittimissa, jotka toimivat useilla nopeuksilla, on useita tappeja kenttäkäämityksessä sekä diodi, joka voidaan kytkeä sarjaan moottorin kanssa (jolloin kone pyörii vaihtovirran tasasuunnatulla puoliaallolla).

Muunnelmat

Rinnankäämitys 
Yleisvirtakoneissa käytetään sarjakäämitystä. Rinnankäämitystä käytettiin kokeellisesti 1800-luvun lopulla, mutta se oli epäkäytännöllinen virrankäännön ongelmien vuoksi. Tätä yritettiin vähentää erilaisilla sähkövastusta, induktanssia ja antifaasia vähentävillä lisäosilla. Yleisvirtakoneita (sekä rinnan- että sarjakäämitettyjä) suosittiin vaihtovirtamoottoreina tuohon aikaan, koska ne olivat itsekäynnistyviä. Kun itsekäynnistyvät oikosulkumoottorit ja itsetoimivat käynnistimet tulivat saataville, ne korvasivat suuret (yli hevosvoiman) yleisvirtakoneet ja rinnankäämit.

Hylkimiskäynnistys 
Entisaikaan sarjamoottoreiden hylkimiskäynnistyksellä saatiin aikaan suuri käynnistysmomentti, mutta se lisäsi monimutkaisuutta. Niiden roottorit olivat hyvin samankaltaisia kuin yleisvirtakoneissa, mutta harjat oli kytketty ainoastaan toisiinsa. Muuntajan toiminta indusoi roottoriin sähkövirran. Harjojen sijainti suhteessa kentän napoihin tarkoitti, että käynnistysmomentti synnytettiin roottorin ja napojen hylkimisvoimalla. Lähellä ajonopeutta keskipakoinen koneisto yhdisti kaikki virrankääntimen tangot yhteen, mikä teki laitteesta oravahäkkiroottoria vastaavan. Kun tällaista moottori käytetään noin 80 % huippunopeudesta, se voi toimia samalla tapaa kuin oikosulkumoottori.

Käyttökohteita

Kodinkoneet 
Yleisvirtakoneet ovat yleensä alle tuhannen watin tehoisia, kun niitä käytetään tavallisella sähköverkon taajuudella. Yleisvirtakoneiden suuret nopeudet tekevät niistä käytännöllisiä muun muassa tehosekoittimissa, pölynimureissa ja hiustenkuivaimissa, joissa suuri nopeus ja keveys ovat haluttuja ominaisuuksia. Niitä käytetään myös yleisesti kannettavissa sähkötyökaluissa kuten porissa, hiomakoneissa, sirkkeleissä ja pistosahoissa, sille yleisvirtakoneiden ominaisuudet ovat niihin sopivia. Lisähyötynä hitsaajien käyttämissä työkaluissa voidaan käyttää tasavirtageneraattoria ja varavirtana tasavirtaa, esimerkiksi tavallisessa NEMA 5-15:ssä, jota on kotitalouskäytössä. Tasavirta sopii sekä työmaavaloille että porien ja hiomakoneiden yleisvirtakoneille. Monet pölynimureiden ja siimaleikkureiden yleisvirtakoneet pyörivät jopa 10 000 kierrosta minuutissa, ja monet esimerkiksi Dremelin hiomakoneet jopa 30 000 kierrosta minuutissa. 

Yleisvirtakoneiden kanssa voidaan käyttää sähköistä nopeudensäätöä, mikä sopi täydellisesti tavallisiin pesukoneisiin. Moottoria voidaan käyttää rummun pyörittämiseen (sekä eteen- että taaksepäin) kääntämällä kenttäkäämitys ankkurikäämityksen suhteen. Moottori voidaan kiihdyttää myös linkouksen vaatimaan suureen nopeuteen. Nykyisin yleisvirtakoneiden sijaan käytetään enemmän taajuusmuuttajasäätöisiä moottoreita.

Junat 
Yleisvirtakoneet olivat perinteisten sähköjunissa käytettyjen ajomoottoreiden perusta. Tässä tapauksessa vaihtovirran käyttö tasavirtakäyttöön suunnitelluissa moottoreissa olisi huonontanut hyötysuhdetta magneettisia osia kuumentavien pyörrevirtojen vuoksi, sillä tasavirralle suunnitelluissa moottoreiden navoissa olisi käytetty laminoimatonta rautaa. Muuntajien ytimissä käytettiin laminoituja napoja, joilla saatiin aikaan terästä, jolla oli korkea permeabiliteetti. Vaikka kuumenemista saadaan vähennettyä laminoituja napoja käyttämällä, yksi mahdollinen ratkaisu 1900-luvun alussa oli käyttää moottoreita vaihtovirralla todella alhaisella taajuudella, ja 25 ja 16 2⁄3 hertsin käyttäminen olikin hyvin yleistä.

Käynnistysmoottorit 
Polttomoottoreiden käynnistysmoottorit ovat tavallisesti yleisvirtakoneita, koska niiden etuna on pieni koko ja suuri vääntömomentti pienissä nopeuksissa. Osassa käynnistysmoottoreissa käytetään kestomagneetteja, ja osassa yksi neljästä navasta on käämitetty rinnankäämillä sarjakäämityksen asemesta.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Sähkömoottorit