Elektriske industrielle anlegg 8256235403 [PDF]

Zitiervorschau

Halvor Glenne

Elektriske industrielle anlegg Bokmål

ENKI Forlaget

© NKI Forlaget 1997

1. utgave 1. opplag 1997 Utgiver: NKI Forlaget, Hans Burums vei 30 Postboks 111, 1341 Bekkestua Tlf.: Sentralbord: 67 58 88 00 Ordrekontor: 67 58 89 00 Telefaks: 67 58 19 02

Omslag: PrePress as Sats: PrePress as Trykk: GCS as Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i januarl997 til bruk i vide­ regående skole på studieretning for mekaniske fag, VKI elektromekaniske fag, i faget elektriske industrielle anlegg (modul 8).

Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av september 1994, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndrag­ ning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

ISBN 82-562-3540-3

Forord

Denne boka følger læreplanen for videregående skole, studieretning for håndverk og industri og dekker faget elektriske industrielle anlegg (modul 8) i studieretning for mekaniske fag VK1. Boka bygger videre på faget elektroteknikk fra grunnkurset. Boka tar for seg de samme emnene, men gjør det mer grundig og utdypende, og emnene blir i hoved­ sak sett fra et industrisynspunkt. Det er tatt med stoff om hvordan utstyr som bru­ kes i automatiserte anlegg, er bygd opp og virker, og hvilke bruksområder det har.

Ikke alle emner er like utdypende forklart. Elevene må derfor også bruke andre informasjonskilder for å få full forståelse av noen av emnene. Det er spesielt nød­ vendig for å kunne svare på spørsmålene og løse oppgavene i slutten av kapitlene. Vi vil i denne forbindelse nevne at Reform 94 nettopp forutsetter at elevene skal skaffe seg informasjon utover det som er tatt med i læremidlene. Det er viktig å gjøre oppmerksom på at det er læreplanen som er styringsdoku­ mentet for undervisningen, ikke selve læreboka. Viktige hjelpemidler i tillegg til læreboka vil derfor være blant annet leverandørkataloger og brosjyremateriell. Læreboka må altså suppleres med opplysninger fra leverandørene, alt etter hvilket utstyr det er aktuelt å bruke. Reform 94 legger også vekt på at elevene skal kunne bruke brosjyremateriell og bruksanvisninger på engelsk. Vi har derfor laget et vedlegg der en del engelske ord og uttrykk er forklart.

Målet med faget er å lære elevene å forstå den praktiske nytten av elektrisk energi. Det er lagt størst vekt på den praktiske bruken, ettersom det er elever i elektromekaniske fag som er målgruppen. Det er derfor lagt vekt på valg av motor, start- og styreinnretninger, valg av vern og dimensjonering av kabler. I dette bildet hører «Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m.» (FEB) naturlig med. For å friske opp den elektrotekniske teorien fra grunnkurset har vi tatt med et eget kapittel om elektroteknikk. Det er også med et eget vedlegg med formler og sym­ boler som benyttes i elektroteknikken. Frogn, august 1996

Halvor Glenne

5

Innhold

1 Elektroteknikk................................................................................................. 11 Seriekopling................................................................................................... 11 Parallellkopling............................................................................................... 12 Serie-parallellkopling....................................................................................... 13 Kontrollspørsmål......................................................................................... 13 Oppgaver..................................................................................................... 13 Stjemekopling................................................................................................. 15 Trekantkopling................................................................................................. 16 Trefaseeffekt................................................................................................... 18 Kontrollspørsmål........................................................................................ 20 Oppgaver..................................................................................................... 20 Virkningsgrad, energi og effekt...................................................................... 22 Kontrollspørsmål........................................................................................ 23 Oppgaver..................................................................................................... 23 Middelverdi og effektivverdi.......................................................................... 24 Vekselspenning over en motstand................................................................ 25 Vekselspenning over en kondensator............................................................ 26 Vekselspenning over en spole....................................................................... 28 Motstand og kondensator i serie...................................................................... 29 Motstand og spole i serie................................................................................ 31 Definisjonen av impedans.............................................................................. 32 Kontrollspørsmål........................................................................................ 34 Oppgaver..................................................................................................... 34 Måleinstrumenter og måling.......................................................................... 35 Kontrollspørsmål........................................................................................ 36 2 Transformatorer...............................................................................................37 Enfasetransformator........................................................................................ 37 Trefasetransformator...................................................................................... 38 Effekten i transformatorer.............................................................................. 40 Oppgaver..................................................................................................... 41

3 Vekselstrømsmotorer...................................................................................... 42 Motorprinsippet.............................................................................................. 42 Asynkronmotoren............................................................................................ 43 Konstruksjon.............................................................................................. 44 Statoren....................................................................................................... 44 Rotoren......................................................................................................... 46 Start............................................................................................................. 47 Drift............................................................................................................. 47 Sakking....................................................................................................... 47 Lagre........................................................................................................... 49 Dreiemoment.............................................................................................. 49 Sleperingsmotoren.......................................................................................... 50 Driftsforhold.................................................................................................50 Trefasemotor i tofasenett (steinmetzkopling)................................................. 51

7

Startmetoder..................................................................................................... 52 Direkte start................................................................................................. 53 Stjerne/trekant-start.................................................................................... 53 Sleperingsstart.............................................................................................55 Starttransformator...................................................................................... 56 Kontrollspørsmål........................................................................................ 57 Oppgaver..................................................................................................... 57 Hastighetsregulering...................................................................................... 59 Motor med atskilte viklinger...................................................................... 59 Dahlanderkopling........................................................................................ 60 Trinnløs turtallsregulering.......................................................................... 61 Kontrollspørsmål........................................................................................ 67 4 Likestrømsmotorer...........................................................................................68 Shuntmotoren................................................................................................... 69 Seriemotoren................................................................................................... 70 Kompoundmotoren........................................................................................ 71 Kontrollspørsmål........................................................................................ 71 Oppgaver..................................................................................................... 71

5 Kapslinger - mekanisk utførelse, montering og vedlikehold72 Kapslinger....................................................................................................... 72 Byggeformer og montasjemåter...................................................................... 77 Isolasjonsklasser og kjøling............................................................................ 78 Motorens merkeskilt.................................................................................... 78 Valg og utførelse av motorer.......................................................................... 80 Feilkilder og driftsforstyrrelser...................................................................... 81 Vedlikehold og reparasjoner............................................................................ 81 Demontering og montering av lager............................................................85 Kontrollspørsmål.........................................................................................87 Oppgaver..................................................................................................... 87

6 Fordelingssystemer.........................................................................................89 Kontrollspørsmål.........................................................................................94 Oppgaver..................................................................................................... 94 7 Forskrifter og krav...........................................................................................95 Jordingssystemer.............................................................................................95 Beskyttelsesjording.........................................................................................95 Driftsjording..................................................................................................... 96 Driftsstrømkretser...........................................................................................96 Berøringsspenning...........................................................................................97 Jordfeilbryteren............................................................................................. 100 Jordfeilvarsleren............................................................................................. 101 Jordelektroder............................................................................................... 103 Kontrollspørsmål....................................................................................... 104 Oppgaver................................................................................................... 104 8 Kortslutningsbeskyttelse............................................................................... 105 Selektivitet..................................................................................................... 106 Vern................................................................................................................ 110 Automatsikringer....................................................................................... 110 Høyeffektsikringer..................................................................................... 112 Effektbrytere............................................................................................. 112

8

Eksempel på dimensjonering av kabel og vern......................................... 112 Spenningsfallsberegning.............................................................................118 Skjøting, endeavslutning og tilkopling av kabler................................... 119 Skjøting ved krymping............................................................................ 119 Skjøting med muffe................................................................................. 120 Endeavslutning og tilkopling.................................................................. 121 Kontrollspørsmål..................................................................................... 122 Oppgaver................................................................................................. 122 9 Dimensjonering og valg av komponenter................................................... 123 Driftsforhold............................................................................................... 123 Kabler..........................................................................................................124 Kontaktor, termisk vern............................................................................... 127 Kortslutningsvern..................................................................................... 127 Start/stopp-signallamper.......................................................................... 129 Givere......................................................................................................... 129 Mekaniske givere..................................................................................... 129 Pressostater, termostater............................................................................ 130 Ni våbr ytere................................................................................................131 Funksjonsprinsipp og avfølingsmetoder................................................... 133 Fotoelektriske givere................................................................................. 135 Kontrollspørsmål..................................................................................... 136 Oppgave..................................................................................................... 136 Sikkerhet......................................................................................................136 Personsikkerhet......................................................................................... 136 Brannsikkerhet........................................................................................... 138 Driftssikkerhet........................................................................................... 139

10 Dokumentasjon............................................................................................. 141 Hva er anleggsdokumentasjon? .................................................................... 141 Plantegning................................................................................................... 142 Enlinjeskjema................................................................................................. 143 Hovedstrømsskjema og styrestrømsskjema................................................. 143 Rekkeklemmetabell....................................................................................... 145 Intern koplingstabell.................................................................... 146 Arrangementstegning..................................................................................... 146 Symboler................................................................................................... 147 Referansesystem....................................................................................... 147 Kontrollspørsmål....................................................................................... 151 Oppgaver................................................................................................... 151 Datateknologi, skjemategning...................................................................... 151 Kontrollspørsmål....................................................................................... 154 Oppgaver................................................................................................... 154 11 Feilsøking....................................................................................................... 155 Feilsøking i hovedstrømskretsen.................................................................. 157 Feilsøking i styrestrømskretser...................................................................... 159 Kontrollspørsmål....................................................................................... 161 Oppgaver................................................................................................... 161 12 Arbeid under spenning (AUS)...................................................................... 162 Oppgaver................................................................................................... 163

9

13 Lover, forskrifter og sikkerhetstiltak............................................................ 164 Grunnlaget for FEB....................................................................................... 164 Lovhjemmel og gyldighetsområde................................................................ 164 Sikkerhetstiltak............................................................................................. 165 Kontrollspørsmål.......................................................................................166 Oppgaver................................................................................................... 166 14 Krav til kvalifikasjoner...................................................................................167 Kontrollspørsmål....................................................................................... 168 Oppgaver................................................................................................... 168

Vedlegg A: Vedlegg B: Vedlegg C: Vedlegg D:

Formler i elektronikken................................................................... 169 Symboler i elektronikken................................................................. 181 Engelsk-norsk ordliste..................................................................... 186 Stikkordliste.................................................................................... 194

1 Elektroteknikk Seriekopling Ved seriekopling blir to eller flere belastninger koplet i serie. Strømmen får altså bare én mulig vei å gå. F1 = 300Q

R> = 100Q

h /

------------------------------------- Il--------------------------------------------------

17=40 V

Figur 1.1 Seriekopling På figuren må den strømmen som går gjennom Rx, også gå gjennom R2. Strømmen I er den samme overalt i kretsen. Spenningen fordeler seg derimot over motstand­ ene. Det kalles spenningsdeling. Det ligger en liten spenning over en liten mot­ stand og en stor spenning over en stor motstand.

I en seriekrets har vi: Total resistans i kretsen: R = R} + R2

Strømmen i kretsen:

Spenningsfallet over Æp

Spenningsfallet over R2:

Ur1 =

' ^2

Summen av spenningsfallene skal være lik den drivende spenningen.

Effekten i kretsen:

P = Ul Bruk verdiene gitt på figur 1.1 og regn ut

a) strømmen i kretsen b) spenningsfallet over Rx og R2 c) det totale spenningsfallet i kretsen d) effekten som utvikles i kretsen

11

Parallellkopling 180Q

120 Q

F U=36V -r-

Figur 1.2 Parallellkopling

Figur 1.2 viser hvordan vi kan parallellkople motstander. Ved parallellkopling gjelder det at den samme spenningen ligger over alle motstandene. Vi har altså at (/ = t/A1 = C/Æ2

Hovedstrømmen i kretsen er lik summen av greinstrømmene gjennom de enkelte belastningene: R\ "r 'Æ2

Hovedstrømmen er

Rp er den totale resistansen i kretsen som enkeltresistansene utgjør.

Vi kan sette greinstrømmene, uttrykt ved spenning og resistans, inn i ligningen for hovedstrømmen. Vis at vi da får

1 = J_ R

*2

og videre at _ Rx • R2 P

R1 + R2

Bruk verdiene gitt på figur 1.2 og regn ut a) den resulterende resistansen R? b) strømmen gjennom hver av motstandene c) hovedstrømmen d) effekten som utvikles i kretsen

12

Serie-parallellkopling En serie-parallellkopling er en kombinasjon av en seriekopling og en parallell­ kopling. Figur 1.3 viser en enkel slik kopling. Ved beregning av slike kretser må vi gå trinnvis fram.

Figur 1.3 Serie-parallellkopling

Vi regner først ut den resulterende resistansen Rp av parallellkoplingen med mot­ standene R2 og R3. Vi får

R = R2'R3 P R2 +R3 Kretsens totale resistans:

Æt = Æi+7?p

Hovedstrømmen:

Bruk verdiene gitt på figur 1.3 og regn ut a) hovedstrømmen i kretsen b) greinstrømmene gjennom R2 og R3 c) spenningsfallet over hver av de tre motstandene d) effektutviklingen i kretsen

Kontrollspørsmål a) Hva mener vi med parallellkopling? b) Hva mener vi med spenningsdeling? c) Hva mener vi med serie-parallellkopling av motstander?

Oppgaver 1 En krets består av fire seriekoplede motstander på 20, 40, 60 og 100 Q. Kretsen forsynes av en strømkilde på 230 V. Tegn oppkoplingen og regn ut a) den samlede resistansen i kretsen b) strømmen gjennom kretsen c) spenningsfallet over hver av motstandene d) effekten som blir omsatt i kretsen

13

2 Tre motstander på 2, 4 og 5,95 £2 er seriekoplet til en strømkilde ved hjelp av 1,5 mm kabel. Den totale resistansen R er målt til 12 £2. Strømkilden har en spenning på 24 V. Tegn oppkoplingen og regn ut a) resistansen i tilførselskabelen b) strømmen gjennom kretsen c) spenningsfallet over hver av motstandene og i kabelen 3 To motstander på 6 og 10 £2 er koplet i parallell til en spenning på 10 V. Regn ut a) resultantresistansen b) hovedstrømmen c) greinstrømmene Hvilken av Kirchhoffs lover bruker vi her?

4 I en strømkrets trenger vi en resistans på 2,1 £1 Vi har tre motstander, en på 3 £2, en på 5 £2 og en på 7 £2. Hvordan kan du få til en oppkopling som gir den rette resistansverdien?

5 Tre varmeelementer, ett på 500 W, ett på 1000 W og ett på 1500 W, er koplet i parallell til en spenning på 230 V. Regn ut a) den samlede effekten b) strømmen gjennom tilførselskabelen c) resistansen i hvert element d) strømmen gjennom hvert element

En strømkrets er koplet slik figuren viser. Regn ut a) den samlede resistansen i kretsen b) hovedstrømmen c) spenningen mellom A og B d) strømmen gjennom R2 e) effekten som blir omsatt i R3 H3 = 6Q R2 = 3,4Q

/?4 = 9Q

R, = 1,45Q ---------

R5 = 13Q

£7

h / -O

U=60V

jO

Fem motstander er koplet slik figuren viser. Hvor stor blir strømmen gjennom hver enkelt av motstandene?

14

Stjemekopling Når vi kopler de tre faseledningene LI, L2 og L3 slik figur 1.4 viser, har vi en stjemekopling. På en asynkronmotor er viklingsuttakene U2, V2 og W2 ført fram til motorens klemmebrett. Der er de koplet sammen i det vi kaller et stjernepunkt. Fra Kirchhoffs første lov vet vi at summen av strømmene i et greinpunkt er lik null. Stjernepunktet i et trefasesystem er et eksempel på det.

Spenningen U kalles hovedspenningen. Spenningene £7f, som ligger over fasene, kalles fasespenninger. Strømmen I, som kalles hovedstrømmen, og strømmene /f er like i en stjemekopling. Som du ser av figuren, har ikke hovedstrømmen noen annen vei å gå enn gjennom faseviklingene.

På figur 1.4 ser vi at to og to av faseviklingene i motoren er koplet i serie, for eksempel viklingene Uj og U2 og Vj og V2. Vi ser at faseforskyvningen mellom de to fasene er 120°. Hovedspenningen er vektorsummen av fasespenningene.

Figur 1.5 Vektordiagram På figur 1.5 ser vi at er hypotenus og — katet i den ene av de to trekantene. Fra trigonometrien har vi

cos 30° = £ * uf

15

Vi får

y =

• cos 30°

/3

Ved å sette inn cos 30° = — får vi 2 ~U
= 0,8 11 Hvilken formel benytter vi når vi skal bestemme effekten i et trefasesystem med symmetrisk, induksjonsfri (resistiv) belastning? Hvilken formel bruker vi når belastningen er induktiv? 12 Tegn en skisse av tre viklinger som er stjernekoplet. Ta med utgående linjer. Hvor stor blir hovedspenningen (linjespenningen) U når fasespenningen U[ = 133 V? 13 Tegn en skisse av tre viklinger som er trekantkoplet. Ta med utgående linjer. Hvor stor blir hovedspenningen når fasespenningen er 133 V?

14 Fasestrømmen /f i en stjernekoplet motor er 100 A. Hvor stor er strømmen I i en av tilledningene?

15 Hvor stor blir hovedstrømmen (linjestrømmen) I hvis motoren i oppgaven ovenfor er trekantkoplet? 16 Den vanlige nettspenningen hos oss er 230 V. Hvor stor blir spenningen mot jord når elverket har jordet nullpunkt?

17 En trefaset vekselstrømsgenerator er koplet i stjerne og leverer 960 A ved 230 V hovedspenning. Belastningen har en effektfaktor på 0,85. a) Regn ut fasespenningen og fasestrømmen i generatoren. b) Hvor stor er generatorens tilsynelatende effekt S? c) Hvor stor er generatorens virkelige effekt P? d) Hvor stor blir fasespenningen og fasestrømmen i belastningen når den er koplet i trekant?

18 Vi har tre like store motstandsspiraler på 22 Q som blir koplet i trekant til et 230 V trefasenett. a) Hvor stor blir strømmen gjennom hver motstandsspiral (Zf)? b) Hvor stor blir strømmen i tilførselsledningen (Z)?

21

Virkningsgrad, energi og effekt En elektrisk motor omformer elektrisk energi til mekanisk energi. I denne omformingsprosessen blir det et visst tap. Bare en del av den elektriske energien blir til mekanisk energi. En motor som er i drift, blir varm. Fordi varme er energi, betyr det at ikke all tilført energi blir omformet til mekanisk energi. Varmen oppstår for eksempel på grunn av friksjon i lagre. Vi har et effekttap. På merkeskiltet på en motor er den angitte merkeeffekten, eller den avgitte effekten, den effekten moto­ ren avgir på motorakselen. Når vi skal bestemme motorstørrelsen for en gitt belastning, er det merkeeffekten vi går ut fra. I tillegg må vi ta hensyn til virk­ ningsgraden til motoren.

Med virkningsgrad mener vi forholdet mellom den avgitte effekten P2 og den til­ førte effekten P}. Virkningsgraden betegnes med den greske bokstaven r/ (eta). Formelen for virkningsgrad blir da 77 =

. Den effekten som er angitt på merke­

skiltet på et apparat, merkeeffekten, er den avgitte effekten.

Figur 1.12 Tilført effekt, avgitt effekt og effekttap

Eksempel 1 En elektrisk motor har en tilført effekt på 20 kW og en merkeeffekt på 15 kW. Regn ut virkningsgraden. P2

Vi har: 77 = — Vi får: T] = i? = 0,75 eller 75 %

Eksempel 2 Effekten som en motor trekker fra nettet, er 8 kW. Virkningsgraden er 0,8. Regn ut den avgitte effekten P2. Vi har: P2 = P} • t]

Vi får: P2 = 8 kW • 0,8 = 6,4 kW

Eksempel 3 En motor med en avgitt effekt på 4,6 kW trekker en strøm på 23 A ved en spen­ ning på 230 V. Regn ut effekttapet og virkningsgraden.

22

Den tilførte effekten: Pt = U • I = 230 • 23 W = 5290 W

Effekttapet: P{ = P\ — P^ — 5290 W — 4600 W = 690 W = 0’87 eller 87 %

Virkningsgraden: 7] = ^ =

Effekt er arbeid per tidsenhet. Joule fant ved målinger den varmemengden som utvikles i en resistans når det går en strøm gjennom den. Han viste at varmemeng­ den er proporsjonal med kvadratet av strømmen, resistansen og tiden: Q = f-R-t

Enheten for varmemengde er joule (J), som er det samme som wattsekund (Ws) i SI-systemet.

Kontrollspørsmål a) Hva mener vi med virkningsgrad? b) Hva mener vi med effekttap? c) Hva er SI-systemet?

Oppgaver 1 Vi har et merkeskilt for en elektrisk motor som har de dataene figuren viser. Gå ut fra at virkningsgraden for motoren er 89 %.

ASEA Motor Typ 37

3 50 Hz MBRF 21 kW

50

N.

4970568 2910

hp Class E

Prim. Y

380 67

V A

Prim. A Sec.

SEN 260402: 225 S 55 SEN 2601

IEC 34-1

s 43

r/m

cos~ +

VCDC

A~ /

eller

Vi har

U = ZI Z er den motstanden kretsen yter mot vekselstrømmen. Z kalles impedans, og enheten er ohm (Q).

Vi ser av vektordiagrammet at matespenningen U i kretsen på figur 1.23 ligger etter strømmen I i fase. Vi snakker om en kapasitiv krets.

Eksempel Vi har den oppkoplingen som er vist på figur 1.25. Kildespenningen U er 200 V, og frekvensen er 50 Hz. Regn ut a) den kapasitive reaktansen b) impedansen mellom a og b c) strømmen I

Løsning:

a) X = — = ----------- - Q æc IOOti • 10 Xc = 3,18 kQ

Den kapasitive reaktansen er 3,18 kQ.

30

b) Z =

2

R +

i y cocJ

Z = 7r2 + 3,182 kQ

Z = 5,1 kQ

Impedansen er 5,1 kQ.

Strømmen er 43 mA.

Motstand og spole i serie Figur 1.26 viser en oppkopling av en motstand og en spole i serie. Figur 1.27 viser vektordiagrammet for denne oppkoplingen. Spenningen er i fase med strøm­ men, mens spenningen UL ligger 90° foran strømmen.

300 Q

U

Figur 1.26 RL-krets med sinusgenerator

Figur 1.27 Vektordiagram for en RL-krets

Vi får 2

2

U = (R- /) + (co-L- /) U = I- 7r2+ (co-L):

2

I samsvar med definisjonen av impedans får vi for denne kretsen z = 7r2+ (cd r)2 Spenningen U ligger foran strømmen i fase. Vi har en induktiv krets.

31

Eksempel Vi har kretsen på figur 1.27. Spenningen U = 100 mV, og vinkelfrekvensen cd = 1000 rad/s. Tegn vektordiagram for U og I. Vi finner først I:

1 =

100- 10' J3OO2+ (3000-0,3)2

Strømmen I ligger vinkelen (p etter spenningen. Vi har

(p = 59° For å tegne vektordiagrammet lar vi 1 cm svare til 10 mV og til 20 /uA. U = 100 mV svarer da til 5 cm, og I = 171,4 svarer til 8,6 cm.

Figur 1.28

Definisjonen av impedans I en vilkårlig vekselstrømskrets er impedansen definert som forholdet mellom spenning og strøm. Vi har

For de fem kretsene vi har sett på, har impedansen disse tallverdiene: R ■ krets : I z I = R

( 1 V R + —

1 C • krets : lz 1 = —

RC • krets : lz I =

L ■ krets : lz I =

RL ■ krets : lz I = ^R + (coL)

(DC

odL

I 2 M /

\(DC7

2

2

Vi har tegnet et vilkårlig vektordiagram på figur 1.29. Formlene vi har satt opp for Z, uttrykker forholdet mellom lengden av spenningsvektorene og lengden av strømvektorene, men de sier ingen ting om vinkelen mellom dem, det vil si faseforskyvningene.

32

Figur 1.29 Vektordiagram

Leddet cos (p kaller vi effektfaktoren. Vi kan formulere regelen slik:

For en vilkårlig impedans er den forbrukte effekten lik spenningen over impe­ dansen multiplisert med strømmen gjennom den multiplisert med cosinus til fasevinkelen mellom spenningen og strømmen. Dette er den virkelige effekten som utvikles i en vekselstrømskrets, og den kalles ofte aktiv effekt. Som regnestørrelser har vi også definert begrepene tilsynelatende effekt og reaktiv effekt. Se tabell 1.1.

Tabell 1.1 Betegnelse

Aktiv effekt Reaktiv effekt Tilsynelatende effekt

Symbol

P Q S

Definisjonslikning

P-UI costp Q = UI sintp S= Ul

Benevning W VAr VA

Fordi sin2 (p + cos2 (p = 1, får vi denne sammenhengen mellom de tre størrelsene:

S2 = P2 + Q2

Denne sammenhengen kan vises med effekttrekanten, se figur 1.30. Legg merke til at kondensatoren og spolen bare gir reaktiv effekt (sin 90° = 1, cos 90° = 0). Motstanden gir bare aktiv effekt (sin 0° = 0, cos 0° = 1).

Figur 1.30 a) Vektordiagram for en RL-krets b) Samme diagram som i a, men med andre betegnelser på størrelsene c) Effekttrekant

33

Eksempel Vi har en kapasitiv belastning der tallverdien av impedansen er 150 Q og effekt­ faktoren er 0,80. Hvor stor er effektutviklingen i belastningen når den blir koplet til 230 V?

Vi har P = U • I • cos (f) der

U z og det gir

p = 230 •

230

• 0,80 W = 0,28 kW

Den aktive effekten er 0,28 kW. Vi får en tilsynelatende effekt på S = U I = U

= 0,35 kW

Den reaktive effekten blir

Q = U • I • sin (p = 0,21 kVAr

Kontrollspørsmål a) Hvilken formel gir sammenhengen mellom vinkelfrekvens og frekvens? b) Hvilken formel gir sammenhengen mellom kapasitiv reaktans, frekvens og induktans? c) Hvordan lyder Ohms lov for vekselstrøm? d) Tegn en impedanstrekant for en krets med resistans, kapasitiv reaktans og impedans. Hvor i trekanten finner vi faseforskyvningsvinkelen? e) Tegn en impedanstrekant med resistans, induktiv reaktans og impedans.

Oppgaver 1 En kondensator er koplet til en spenning på 200 V/50 Hz. Strømmen blir målt til 20 mA. a) Finn reaktansen til kondensatoren. b) Finn kapasitansen til kondensatoren. En motstand koples i serie med kondensatoren. Strømmen blir da 15 mA. c) Hvor stor er impedansen i kretsen? d) Hvor stor resistans har motstanden som ble koplet til kondensatoren? e) Hvor stor er faseforskyvningsvinkelen? f) Tegn impedanstrekanten. Målestokk: 1 cm = 1 kQ. 2 En spole er koplet til en spenning på 230 V/50 Hz. Det reaktive spenningsfallet i spolen er 150 V. Regn ut a) faseforskyvningen mellom spolens reaktive spenning og strømmen b) faseforskyvningen mellom spenningsfallet over resistansen i spolen og strømmen c) spenningsfallet over resistansen i spolen d) faseforskyvningsvinkelen

34

3 En kondensator har en kapasitans på 300 F. Kondensatoren koples til en spen­ ning på 133 V/50 Hz. Regn ut a) reaktansen til kondensatoren b) strømmen fra spenningskilden c) impedansen i hele oppkoplingen når vi kopler inn en motstand på 78 Q i serie med kondensatoren d) strømmen fra spenningskilden etter innkopling av motstanden e) faseforskyvningsvinkelen 4 a) Hvor stor blir impedansen Z i en spole når resistansen er 8 Q og reaktansen XLer 15 Q? b) Spolen blir koplet til en vekselspenning på 85 V. Hvor stor blir strømmen gjennom spolen?

5 En resistans på 22 Q er seriekoplet med en spole med så liten resistans at vi kan se bort fra den. Kretsen er koplet til en spenning på 220 V/50 Hz. Strøm­ men i kretsen er da 4,4 A. a) Hvor stor er induktansen L i spolen? b) Hvor stor er effektfaktoren cos (p i kretsen? 6 Hva mener vi med induktansen i en spole, og hva er målenheten for induktans?

7 Hva kaller vi den motstanden som finnes i en vekselstrømskrets, og hvilket størrelsessymbol bruker vi for denne motstanden? 8 Induktansen i en spole er 0,02 H. Hvor stor er reaktansen XL (den induktive motstanden) når spolen blir koplet til en vekselspenning med a) frekvensen 25 Hz b) frekvensen 50 Hz 9 En kondensator har en kapasitans på 100 pF. Hvor stor er reaktansen Xc (den kapasitive motstanden) når kondensatoren blir koplet til en vekselspenning med a) frekvensen 25 Hz b) frekvensen 50 Hz 10 Hva kaller vi den motstanden som oppstår i vekselstrømskretser på grunn av selvinduktans, og hvilket størrelsessymbol bruker vi for denne motstanden?

Måleinstrumenter og måling Vi bruker måleinstrumenter til å måle forskjellige verdier i strømkretser. Ved feil­ søking er det helt nødvendig å ta i bruk forskjellige måleinstrumenter for å drive feilsøkingen på en logisk måte. Dette kommer vi tilbake til i et senere kapittel.

Vi trenger et solid universalinstrument, et tangamperemeter og en spenningsprøver. En spenningsprøver er i virkeligheten et helt enkelt voltmeter. Hvis vi skal foreta isolasjonsmåling, bruker vi en megger. Ved all måling er det viktig a) å velge riktig instrument til den målingen som skal utføres b) å velge riktig måleområde (A, V eller Q) c) å stille inn på et høyt måleområde hvis du er usikker på størrelsesordenen av måleverdien. Ikke la instrumentet gå i «pigg». Det kan det ta skade av.

35

Et amperemeter brukes til strømmålinger og må alltid koples i serie med belast­ ningen. Hvis det koples som et voltmeter, er det stor fare for at instrumentet blir ødelagt. Amperemeteret har liten indre resistans. Grunnen er at kretsen ikke skal bli påvirket av måleinstrumentet.

Tangamperemeteret bruker vi for eksempel ved måling av motorstrømmer som er større enn det et vanlig universalinstrument tåler. Fordelen med et tangamperemeter er at det ikke er nødvendig å foreta koplingsarbeid i den kretsen som skal måles. Et voltmeter brukes til å måle spenninger. Voltmeteret skal koples i parallell med belastningen. Voltmeteret har stor indre resistans for at det skal gå minst mulig strøm gjennom instrumentet.

Meggeren bruker vi til å prøve om isolasjonsnivået i de enkelte strømkretsene til­ fredsstiller kravene i forskriftene. Kravene er fastlagt i FEB, det vil si «Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m.». Den sikreste metoden når du skal måle på et anlegg i forbindelse med feilsøking, er å gjøre anlegget spenningsløst. Da får du ikke støt når du leter etter feilen.

Kontrollspørsmål a) Hva er det generelle kravet til isolasjonsnivået mellom fase og jord? b) Hvor stor skal isolasjonsresistansen være i et 400/230 V-anlegg?

36

2 Transformatorer Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til

- prinsippet for og oppbygningen av enfase- og trefasetransformatorer - kopling og drift av transformatorer - enkle beregninger i forbindelse med transformatorer

Både i krafttekniske og i teletekniske anlegg har vi bruk for å omforme strømmer og spenninger. For å løse denne oppgaven bruker vi transformatorer. Ved overføring av energi over lange avstander har vi et tap i ledningsnettet som er proporsjonalt med kvadratet av strømmen. Det er derfor lønnsomt å opptransformere spenningen ved kraftverket for dermed å redusere strømmen. En overføringsspenning på 400 kV er ganske vanlig. Når vi skal ta i bruk den elektriske kraften i industrianlegg, kontorbygg, boliger osv., må vi transformere spenningen ned til et nivå vi kan bruke.

Til husholdningsbruk er i dag IT-fordelingssystemet vanlig. I industrien blir TNsystemet mer og mer brukt. Dette systemet er også på vei inn som forsyningssystem i boligområder. Disse systemene skal vi se nærmere på senere i boka.

Enfasetransformator En enfasetransformator består av en sluttet jernkjeme med to viklinger som er galvanisk atskilt fra hverandre. Det betyr at viklingene ikke har forbindelse med hverandre. Viklingene er derimot «koplet» sammen magnetisk med tynne blikkplater av bløtt jern som er lagt oppå hverandre. Platene er isolert fra hverandre for at det ikke skal oppstå virvelstrømmer i blikket. Figur 2.1 viser i prinsipp hvordan en transformator er bygd opp.

Transformatorer virker etter induksjonsprinsippet. Når vi kopler primærviklingen N} til en vekselspenningskilde, lager strømmen en vekslende magnetisk fluks i jernkjernen. Dette magnetfeltet, som altså veksler, gir en egenindusert veksel­ spenning i sekundærviklingen. Når transformatoren belastes, får strømmene ret­ ning slik at de motvirker hverandre.

Ux = primærspenning U2 = sekundærspenning V] = antall vindinger på primærsiden N2 = antall vindinger på sekundærsiden

Figur 2.1 Transformator

37

I en transformator som ikke er belastet, er forholdet mellom spenningene på primærsiden og sekundærsiden lik forholdet mellom antall vindinger på primærsiden og sekundærsiden:

W, = £, ,V2 U2

Dette forholdet kalles transformatorens omsetningsforhold. Forholdet mellom strømmene i en transformator er det omvendte av forholdet mellom antall vindinger:

W, = W2 /, Det gjelder også at spenningen for hver vinding er like stor på primærsiden som på sekundærsiden.

Trefasetransformator I en trefasetransformator har kjernen tre bein eller kjerner. Figur 2.2 viser prinsip­ pet for hvordan en trefasetransformator er bygd opp. Primærviklingen er tegnet til venstre på figuren. Som vi ser, er viklingene koplet sammen slik at vi på primær­ siden har en stjernekopling.

Sekundærsiden er tegnet til høyre. Vi ser at viklingene også her er koplet i stjerne. Vi ser også at nøytralpunktet er trukket ut og har betegnelsen N. Både enfasetransformatoren og trefasetransformatoren som er beskrevet, er av typen fulltransformatorer. Transformatorer som skal levere kraft til bruksformål, skal ifølge sikker­ hetsforskriftene være av denne typen.

Figur 2.2 Stjerne/stjerne-koplet (Y/Y-koplet) trefasetransformator

Eksempel 1 Vi har en transformator med et vindingstall på 300 på primærsiden. Sekundær­ siden har 150 vindinger. Primærspenningen er 100 V. Vi skal finne sekundærspenningen.

Vi har formelen

u2

38

= n2

Når vi setter inn tallverdier, får vi 100 V = 300 U2 ~ 150 som gir

v = 50 v Eksempel 2 En trefasetransformator på 100 kVA har en primærspenning på 3000 V og en sekundærspenning på 400 V. Transformatoren er koplet i trekant/stjeme (A/Y). Virkningsgraden er 92 %. Regn ut a) omsetningsforholdet b) strømmen transformatoren trekker ved full last, spenningen i viklingene og spenningen i linjene ut fra transformatoren

Løsning: a) Omsetningsforholdet: £i = 3000 = 7 5 U2 400

b) Sekundærstrømmen:

S2 = 73 • U2 • Z2

= 100 • 1q3 a

= • U2

2

73 - 400

Vi får: I2 = 144,3 A Sekundær fasestrøm:

Z2/=Z2=144,3A Sekundær fasespenning:

U 2f

~

£2 = 400 v 73 73

Vi får: U2f= 230,9 V Primærstrømmen:

Vi har

Sj = 73 • Ux ■ Ix Når vi tar hensyn til virkningsgraden 7], får vi S2 r = T]

1

1

Z] = 20,9 A

Primær fasestrøm:

Ilf= 12,1 A

39

Primær fasespenning: Ulf = t/j = 3000 V

Oppgaver 1 En enfasetransformator med 1150 vindinger på primærsiden er tilkoplet en spenning på 230 V. Sekundærspenningen er 48 V. a) Hvor mange vindinger er det på sekundærsiden? b) Hvor stor er spenningen per vinding? 2 En enfasetransformator skal transformere ned spenningen fra 460 V til 230 V. Tegn koplingsskjema og regn ut omsetningsforholdet.

3 En enfasetransformator på 4 kVA har en primærspenning på 500 V og en sekundærspenning på 100 V. Primærviklingen har 250 vindinger. Transforma­ torens virkningsgrad er 95 %. Regn ut a) omsetningsforholdet b) antallet vindinger på sekundærsiden c) sekundærstrømmen og primærstrømmen ved full last når cos (p = 1 4 En trefasetransformator er på 200 kVA og har en spenningsomsetning på 5/0,4 kV. Transformatoren er koplet i A/Y. Virkningsgraden er 85 %. Regn ut a) omsetningsforholdet b) strømmen ved full last i viklingene c) spenningen ved full last i viklingene d) strømmen og spenningen på uttakene på sekundærsiden

Effekten i transformatorer En del av effekten som mates inn i en transformator, går tapt. Den gjøres om til varme, noe i viklingene og noe i jemkjemen. Virkningsgraden er høy og ligger mellom 90 og 99 %. Transformatorer med høy ytelse har best virkningsgrad. Effektfaktoren ved full last er omtrent like stor på primær- og sekundærsiden. Effektfaktoren til lasten bestemmer også effektfaktoren på primærsiden. Hvis for eksempel en last har en effektfaktor på 0,85, har primærsiden også omtrent den samme effektfaktoren. Figur 2.3 viser dette.

Figur 2.3 Virkningsgrad og effektfaktor

40

Effekten P} som mates inn i transformatoren, er gitt ved formelen

P} = U} • li • cos Effekten

som vi kan ta ut av transformatoren, er gitt ved formelen

P2 - U2 • ?2 • cos (p2

Virkningsgraden er gitt ved formelen

Vær oppmerksom på at merkeeffekten til transformatorer oppgis i tilsynelatende effekt S med målenheten voltampere (VA) og ikke i aktiv effekt P med mål­ enheten watt (W).

Oppgaver 1 En trefasetransformator på 20 kVA og med en spenningsomsetning på 10/0,4 kV er belastet med 14 kW. Cos (p til lasten er 0,65. Regn ut a) belastningen j kilovoltampere (kVA) b) den største belastningen transformatoren kan ha uten å bli overbelastet c) den sekundære merkestrømmen 2 a) Hvorfor kan ikke likestrøm transformeres? b) Hva mener vi med «aktivt» jern i en transformator? c) Hva mener vi med jerntap? d) Hva mener vi med koppertap? e) Hvilken oppgave har transformatoroljen i en oljefylt transformator? f) Hva er omsetningsforhold og vindingsforhold? Er det noen forskjell på disse to begrepene?

3 En transformator har en primær hovedspenning på 240 V og en sekundærspenning på 24 V Sekundærstrømmen er 1 A. a) Hvor stor er ytelsen i voltampere (VA)? b) Hvor stor er primærstrømmen? c) Hvilket omsetningsforhold har transformatoren? 4 En 104 kVA trefasetransformator har en primær hovedspenning på 6600 V og en sekundær hovedspenning på 220 V. Transformatoren er stjernekoplet på pri­ mærsiden og trekantkoplet på sekundærsiden. Virkningsgraden er 95 %. Trans­ formatoren mater et nett med effektfaktor 0,8. a) Hvor mange kilowatt leverer transformatoren? b) Regn ut hoved- og fasestrømmen på primærsiden. c) Regn ut hoved- og fasestrømmen på sekundærsiden. d) Hvilket omsetningsforhold har transformatoren?

5 En trefasetransformator har disse dataene: Primært: Sekundært: Trekantkoplet Stjernekoplet Hovedspenning 22 000 V Hovedspenning 220 V Hovedstrøm 20 A Virkningsgraden er 95 %, og transformatoren mater et nett med effektfaktor 0,9. Regn ut a) transformatorens avgitte ytelse i kilovoltampere og kilowatt b) den primære fasestrømmen c) den sekundære hovedstrømmen og fasespenningen d) transformatorens omsetningsforhold

41

3 Vekselstrømsmotorer Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til

-

motorprinsippet egenskaper ved og virkemåten til vekselstrømsmotorer kopling og drift av vekselstrømsmotorer forskjellige startmetoder hastighetsregulering enkle beregninger i forbindelse med motorer

Vi skal gjennomgå de enkelte typene av installasjoner, og vi skal se på dem ut fra praktikerens synsvinkel. Elektriske motorer er i bruk i svært mange sammenhenger. I moderne industri er det den trefasete asynkronmotoren som er den dominerende når det gjelder vek­ selstrømsmotorer. En del industriinstallasjoner krever imidlertid svært god hastig­ hetsregulering av motorene. I slike sammenhenger benyttes det likestrømsmotorer, som shuntmotorer og fremmedmagnetiserte motorer.

Motorene har effekter fra de helt små på bare noen watt og opp til de store på flere megawatt. Det finnes ingen maskin som må tilfredsstille så mange forskjellige krav som den elektriske motoren. Det stilles krav til driftsdata, arbeidsegenskaper, mekanisk utførelse, monteringsmåte osv. Små og middels store motorer lages i flere mekaniske varianter. Den vanligste er utførelsen med føtter. Andre varianter kan ha flens på skjold eller stator, flens og føtter for sammenbygging med for eksempel pumper og tannhjulsveksler, eller festeflater på statoren for direkte sammenkopling med blant annet vifter. Det fin­ nes også påbyggingsmotorer som ikke har lagerskjold, og innbyggingsmotorer uten statorhus, lagerskjold og aksel.

De fettsmurte kulelagrene tillater at motorene monteres i en hvilken som helst stilling.

Motorprinsippet Ved forsøk ser vi at en strømførende leder som befinner seg i et magnetfelt, påvir­ kes av en kraft (F), som vi måler i newton (N). Kraften er proporsjonal med både flukstettheten (5) og strømstyrken (Z). Lengden (Z) av lederen som befinner seg i magnetfeltet, har også betydning. Vi har

F = BIl Det er denne egenskapen vi drar nytte av i elektriske motorer. Figur 3.1 viser motorprinsippet og retningen på kraften når strømretningen er inn mot papirplanet.

42

Figur 3.1 Motorprinsippet

Rotoren i en motor er bevegelig, og kraften vil skyve på lederne som er i magnet­ feltet. Rotoren settes dermed i rotasjon i kraftretningen. Det oppstår da en indu­ sert spenning (E) i de lederne (Z) som befinner seg i magnetfeltet, som har en viss flukstetthet (B). Hastigheten (v) som lederne har gjennom magnetfeltet, har også betydning for den induserte spenningen. Vi har

E = B-l-v Denne spenningen motvirker bevegelsen til lederne. Den har altså motsatt retning av spenningen (U) som vi mater motoren med. E kalles derfor motindusert spen­ ning.

Feltet i en vekselstrømsmotor beveger seg rundt statoren. Lederne er plassert i spor i ytterkant av rotoren og kan ha forskjellig utforming. I motorer med kortslutningsrotorer er lederne utformet som staver. Disse stavene er kortsluttet, og det er denne konstruksjonen som har gitt navnet til motortypen. Vi skal se nær­ mere på utformingen av sporene og hvilken betydning det har for dreiemomentet til en motor.

Asynkronmotoren Asynkronmotoren med kortslutningsrotor er den mest brukte trefasete elektromo­ toren. Konstruksjonen er enkel og billig, robust og driftssikker. Vedlikeholdsut­ giftene er minimale, og den forårsaker ikke radiostøy.

I prinsippet er det bare et lager i hver ende av rotoren som kan bli slitt. Derfor er det også lagt mye arbeid i å utforme nettopp denne delen så robust som mulig for å øke levetiden til motoren. Fordi motoren har spesielle startegenskaper, krever det en best mulig tilpasning av motor, arbeidsmaskin og nett.

Ved direkte start har motoren et kraftig dreiemoment. Med direkte start mener vi at motoren koples direkte til nettet med kontaktor eller bryter. Denne metoden har imidlertid den ulempen at det blir et stort startstrømsjokk. Det kan virke uheldig på nettet. Det kan også gi skadelige rykk i ømtålige maskiner. Særlig av hensyn til nettet må vi for motorer i størrelser fra 4-5 kW og oppover ofte bruke andre startmetoder enn den direkte. Dette er krav som stilles av elverkene.

I større industriinstallasjoner har man ofte løst problemet ved å installere en eller flere transformatorer på eget område. Dermed kan nettet gjøres sa kraftig at det går bra med direkte start også av større asynkronmotorer.

43

Konstruksjon 1 2 3 4 5

8 11 12 13 14 15 16

Akseltappskrue Akseltappskive Kile Labyrinttetningsring Forskaling (ventilatordeksel) Ventilator Mutter Fjærskive Pinneskrue Rotor Lagerskjold (NS) Spennring

Figur 3.2 Oppbygningen av en asynkronmotor

Dagens asynkronmotorer er oftest støpt i lettmetall. Fordi lettmetall er nokså bløtt, må vi være spesielt forsiktige når vi skal skifte lagre, slik at lagerskjoldet ikke blir skadd. Lettmetall har også den fordelen at det ikke korroderer så lett. Motorer i støpe­ jern, eller med stålkapsling, har mye lettere for å bli angrepet av rust.

Statoren Statoren er bygd opp av en pakke med blikk, som er stanset ut av transformatorblikk. Dette er tynne plater av bløtt jemblikk. Blikkplatene er isolert fra hverandre med lakk eller papir. Statorviklingene er lagt inn i spor i disse blikkpakkene. Vik­ lingene er avgjørende for de elektriske dataene for motoren. De bygger primært opp det magnetiske feltet, slik at det roterer med synkront turtall, for eksempel 3000 min-1.

I løpet av en periode dreier feltet én omdreining i en topolt maskin (ett polpar). Ved en frekvens på 50 Hz dreier feltet altså 50 ganger i sekundet (50 s-1). Antall omdreininger i minuttet blir da 3000, som vi skriver 3000 min-1.

44

Tabellen viser dreiefeltets turtall ved/= 50 Hz ved forskjellige antall polpar. p

n (i min 1)

1

3000

2

1500

3

1000

4

750

5

600

Her er

f — n = —:Lf—p- eller n = —— p (5 ) p • 60 (min ) n = dreiefeltets turtall (omdreiningsfrekvensen) f= frekvensen p = antallet polpar Figur 3.3 viser en motor med ett polpar, og figur 3.4 viser dreiefeltet for en motor med ett polpar.

° 1

T

1 °

Typ AD W 1 D-Motor II Nr 2080 i A 400 VII 166 AI 90 kW 53 ||cos y 0.89i| 1460 /minJ| 50 Hz] Isol.-KI.B lUPU 11 0.6 ll o

FVDE

0530/12.88_________ |

o

Figur 3.3 Motor med ett polpar

Figur 3.4 Dreiefelt for motor med ett polpar

45

Strømmen i statoren lager et dreiefelt som går rundt med synkron hastighet og

med en omdreiningsfrekvens på n = f • —. Dette magnetiske dreiefeltet p min skjærer rotorstavene, og det blir indusert en strøm i rotorstavene. Denne strøm­ men polariserer rotoren, som igjen forsøker å dreie i samme retning og med samme hastighet som feltet i statoren.

Når dreiefeltet i startøyeblikket passerer den stillestående rotoren, induseres det en spenning i rotorviklingen. På grunn av spenningen vil det flyte en strøm i vik­ lingen. Strømmen forårsaker en magnetisk fluks som ifølge Lenz’ lov er rettet mot dreie­ feltet. Resultatet er at når en nordpol i dreiefeltet nærmer seg en av rotorens poler, blir denne polen en nordpol, og de to polene frastøter hverandre. Når en nordpol i dreiefeltet fjerner seg fra rotorpolen, blir denne polen en sørpol, og de to ulike polene tiltrekker hverandre. På denne måten får rotoren alltid en polaritet slik at den dreier i samme retning som dreiefeltet. Motoren blir dermed selvstartende.

Rotoren vil likevel aldri oppnå samme hastighet som det magnetiske dreiefeltet. Det vil alltid være en viss sakking i forhold til det synkrone turtallet.

Rotoren Rotoren består av en aksel som det ofte er laget et bur rundt. Vi snakker i så fall om en burrotor. Rotorviklingene kan ha staver enten av kopper, av aluminium eller av bronse. Stavene er støpt ned i blikkpakken, som er av samme type som blikkpakken rundt statorviklingene. Stavene kortsluttes i endene. Rotoren kan utformes på flere måter avhengig av hvilke dreiemomentegenskaper man er inter­ essert i. Figur 3.5 viser eksempler på stavformer ved forskjellige rotortverrsnitt. Formen eller betegnelsen sier ikke noe om den virkelige størrelsen på motormomentet. Sporene kan utformes på forskjellige måter for å oppnå den effekten på strømfortrengningen som man ønsker.

Vi ønsker å påvirke strømfortrengningen, fordi vi vil ha en lavest mulig startstrøm og størst mulig moment. Figur 3.6 viser feltfortetningen i en rotor i dobbeltburutførelse. 1 Enkeltbur. Motorer med ytelse under 50 kW

2 og 5 Dobbeltbur. Motorer med ytelse mellom 30 og 400 kW 3 Kilestav. Motorer med ytelse over 400 kW

Dobbeltspor

De andre er forskjellige typer høystaver.

Figur 3.5 Forskjellige rotortverrsnitt

46

- ~ Stator

Rotor

Feltfortetning rundt den nederste rotorstaven

Figur 3.6 Feltfortetning i rotor i dobbeltburutførelse

Start I startøyeblikket står rotoren stille, mens dreiefeltet går rundt med synkron hastig­ het. I dette øyeblikket skjærer dreiefeltet rotorstavene med stor hastighet og indu­ serer «sterke poler» i rotoren. Det innebærer at startmomentet er høyt. Startstrømmen kan komme opp i fem til åtte ganger motorens merkestrøm.

Drift Etter hvert som rotorhastigheten øker, skjærer feltlinjene rotorstavene med lavere hastighet, fordi den relative hastighetsforskjellen mellom stator og rotor synker etter hvert som turtallet øker. Den høye startstrømmen synker og blir liggende på en verdi mellom tomgangsstrømmen og merkestrømmen. Strømmen er avhengig av belastningen på motoren.

Sakking Hastigheten til rotoren er alltid lavere enn hastigheten til dreiefeltet. Det må alltid være noen magnetfelter som skjærer rotorstavene. For å få et dreiemoment må det induseres strøm og dermed dannes poler i motoren. Den eneste måten det kan skje på, er at magnetfeltet skjærer rotorstavene.

Forskjellen mellom hastigheten til dreiefeltet og hastigheten til rotoren kalles sak­ king. Størrelsessymbolet er s. Sakkingen ved tomgang regnes å være 0,2-0,5 %, mens sakkingen ved merkeeffekt er 3-8 %.

Vi har

eller i prosent:

n -n S = -- ----- 100 % ns

Her er s = sakkingen ns = det synkrone turtallet (dreiefeltets hastighet) n = rotorens hastighet

47

Endene på viklingene, se figur 3.7, er ført ut til koplingsbrettet som ligger inne i klemmekassen, se figur 3.8. Klemmekassen kan ofte snus 90° eller 180° i forhold til plasseringen den har fra fabrikken. Det gjør at det er lettere å tilpasse innførin­ gen av tilførselskabelen (eller kablene) til klemmebrettet. Lederne i tilførselskabelen er merket L1? og L3. (71

1/1

14/1

Figur 3.7 Merking av viklingene i en trefaset asynkronmotor

(71 0

1/1 O

0 W2

O (72

W1

o

o V2

Figur 3.8 Merking av klemmebrettet på en trefaset asynkronmotor

På klemmebrettet gjøres også tilkoplingen av motorviklingene, enten i stjerne eller i trekant. Viklingene i motoren er ført fram til klemmebrettet og merket slik figur 3.8 viser. Det leveres løse lasker med motoren. Vi kan derfor kople viklin­ gene slik vi ønsker, enten i stjerne eller i trekant, slik figur 3.9 viser. Tilkoplingen til nettet gjøres også her.

Figur 3.9 Stjemekopling ( Y) og trekantkopling (A) av en trefaset asynkronmotor

Figur 3.10 Forskjellige rotorutførelser

Hvis vi skal snu dreieretningen på en trefaset asynkronmotor, må vi bytte om to av tilførselsledeme.

48

Lagre En asynkron kortslutningsmotor er nesten alltid utstyrt med kulelagre. Fra fabrik­ ken er lagrene smurt med litiumforsåpet fett. DIN 51825 angir kravene.

Topolte og firepolte motorer som ikke skal ettersmøres, kan gå vedlikeholdsfritt i minst 10 000 driftstimer. For motorer med høyere poltall regner man med minst 20 000 driftstimer. Erfaringsmessig er driftstiden ofte lengre. Vi kan nevne at det finnes motorer som har gått kontinuerlig i 47 år uten smøring og lagerskift. Det vil si en driftstid på over 400 000 timer! For motorer som skal ettersmøres, er det viktig å følge bruksanvisningen. Opplys­ ninger om fettmengde og smøreintervaller angis på et eget skilt. Det er gjerne de større motorene som skal ettersmøres. For å kontrollere tilstanden til lagrene er det utviklet måleutstyr som måler vibra­ sjonene i lagre. Det er dermed mulig å hindre totale lagerhavarier. Utstyret er dyrt, så det er mest aktuelt å overvåke større motorer.

Motorene bygges etter en standard for den ytre utformingen og den måten moto­ ren skal monteres på. DIN 42950 angir blant annet mål for hullavstander på lab­ ber og flenser, diameteren på akselen og høyden på akseltappen. Fordelen ved slik normering er at motorer av forskjellig fabrikat kan brukes om hverandre. For å gjøre kjøleforholdene så gode som mulig er rotoren ofte utformet med en slags «vifte» i hver ende, se figurene 3.10b og c. I tillegg er det montert inn en vifte for å lede bort den varmen som utvikles under drift av motoren. Se figur 3.2, som viser hvordan en trefaset asynkronmotor er bygd opp.

Dreiemoment Figur 3.11 viser dreiemomentkurvene for en trefaset asynkronmotor koplet i stjerne og trekant, og dessuten lastmomentkurven for en last som forandrer seg med turtallet. a) Momentkurve for motor med enkeltstavrotor, med direkte start i trekantkopling b) Momentkurven for den samme motoren koplet i stjerne

Ma = startmoment Ms = sadelmoment Mk = kippmoment Mn = merkemoment = lastmoment Mb = akselerasjonsmoment nN = merketurtall ns = synkront turtall

49

I det øyeblikket motoren får spenning, virker rotoren hovedsakelig som en ren induktiv motstand. Den ohmske motstanden er så liten at strømmen kan komme helt opp i ti ganger merkestrømmen. Etter hvert som turtallet stiger, minker den induserte rotorspenningen og strømmen i rotoren. Faseforskyvningen mellom rotorspenningen og rotorstrømmen minker også.

Momentkurven viser økningen i motormomentet når turtallet øker. Den høyeste moment verdien kalles kippmomentet. Deretter virker reduksjonen av den indu­ serte strømmen i rotoren slik at momentet synker. Ved merkemomentverdien, det vil si ved merkelast, har motoren sitt merketurtall. Vi ser også at det ved merketurtallet ikke finnes noe akselerasjonsmoment, for her skjærer motorens momentkurve og momentkurven til lasten hverandre.

Ved tomgang når motoren nesten opp til det synkrone turtallet. Endringer i belast­ ningen i dette turtallsområdet har direkte innvirkning på sakkingen. Vi ser at motormomentkurven må ligge over lastmomentkurven. Hvis det ikke er tilfellet, er motoren ikke i stand til å drive lasten. Det må alltid finnes et over­ skudd av kraft for å øke turtallet; vi må ha et akselerasjonsmoment. Vi ser av momentkurvene for last og motor at en motor som er koplet i trekant, vil være i stand til å drive lasten. Er motoren koplet i stjerne, ligger motorens moment lavere enn lastmomentet. Motoren klarer altså ikke å drive lasten, for det finnes ikke noe akselerasjonsmoment.

Sleperingsmotoren Rotoren i en sleperingsmotor er bygd opp på samme måte som rotoren i en asyn­ kron kortslutningsmotor. Den består av selve akselen med blikkpakken og sleperingene. I sporene i rotoren finner vi rotorviklingene. Det er nesten alltid tre viklinger (trefasevikling). De er for det meste koplet i stjerne, sjelden i trekant. Rotorviklingene er ført fram og koplet til sleperingene. Forbindelsen med de tre sleperingene sørger kullbørstene for. Startmotstandene ligger i serie med rotorvik­ lingene, slik figur 3.12 viser. De er nødvendige for starten av en sleperingsmotor og koples ut og inn i rotorkretsen via kullbørstene.

Figur 3.12 Sleperingsmotor

Driftsforhold Hvis en sleperingsmotor drives med kortsluttet rotor, tilsvarer den en asynkron kortslutningsmotor. Ved belastning, og med startmotstandene koplet inn i rotor­ kretsen, øker sakkingen. Er startmotstandene trinnløst regulerbare, kan vi dermed oppnå trinnløs hastighetsregulering ved å forandre sakkingen.

50

Turtallet til en sleperingsmotor reguleres ved hjelp av motstandene i rotorkretsen. Turtallsreguleringen krever en belastning med konstant dreiemoment.

Det er også verdt å merke seg at når det gjelder store motorer i kontinuerlig drift, er det på grunn av varmetapet uøkonomisk å senke turtallet med motstander.

Trefasemotor i tofasenett (steinmetzkopling) Vi kan bruke trefasemotorer i tofasenett ved å kople inn en kondensator parallelt med en av viklingene. Figur 3.13 viser en steinmetzkopling. Vekselstrømsmotorer lager et dreiefelt nar de koples til nettet. Dette dreiefeltet er forskjøvet 120°, som er vinkelen mellom viklingene. Ved vanlig trefasedrift er strømmene like store i hver fase. Magnetfeltene i de tre viklingene er derfor like sterke. Figur 3.14 viser dette. Når vi kopler inn en kondensator parallelt med en av viklingene, forårsaker kondensatoren en faseforskyvning i forhold til nettstrømmen. Det fører til at strømmene i hver fase ikke lenger er like store. Dreie­ feltet forandrer styrke periodisk for hver omdreining. Vi får en elliptisk form på dreiefeltet, slik figur 3.15 viser.

Det elliptiske dreiefeltet gjør at belastningsevnen til en trefasemotor i et tofasenett blir mindre enn i trefasenettet. Motoren kan bare belastes med omtrent 70 % av merkeeffekten. Startmomentet synker omtrent til det halve.

Størrelsen på kondensatoren er avhengig av nettspenningen. Ved 230 V/50 Hz regner vi 70 pF per kilowatt motoreffekt. Ved 400 V/50 Hz regner vi 22 pP per kilowatt motoreffekt. Vi kan forandre dreieretningen ved å flytte nettilkoplingen for kondensatoren, slik figur 3.13 viser.

Høyrerotasjon

Venstrerotasjon

Figur 3.13

51

6

Elliptisk dreiefelt

Magnetisk dreiefelt i viklingen

Dreieretning

Retning og styrke

Figur 3.14

Figur 3.15

Trefasemotorer kan brukes i tofasenett, både i stjerne- og trekantkopling, hvis fasespenningen kan tilpasses nettspenningen.

Motorer på opptil 2 kW kan brukes i steinmetzkopling. Det vil være aktuelt å foreta en slik omkopling av en motor der det bare finnes tofasenett. Disse moto­ rene blir blant annet brukt til små betongblandere, mindre kompressorer og sirkulasjonspumper i varmeanlegg.

Startmetoder Som nevnt tidligere må lastmomentet være lavere enn motorens startmoment der­ som motoren i det hele tatt skal kunne starte. Vi ser videre at dersom motoren skal komme opp i turtall, må motorens moment også være større enn sadelmomentet. Vi må sørge for at det finnes et akselerasjonsmoment i hele turtallsområdet til motoren. Figur 3.16 viser typiske kurver for kortslutningsmotorer med ytelse mellom 2 og 5 kW.

0 Tomgang

0,5

1 1,5 Merkemoment relativt moment M/MN -------------- ►

Figur 3.16 Typiske driftsdatakurver for kortslutningsmotorer mellom 2 og 5 kW

Det er selvfølgelig lasten som bestemmer valget av motor. Vi må derfor først inn­ hente informasjon om lastens momentkurve. Deretter må vi se i motorleverandørenes kataloger for å finne informasjon om motorenes dreiemomentkurver.

52

Når vi skal vurdere startforholdene for en motor, tillater ikke elverkene at motorer større enn 4-5 kW startes direkte. Vi må derfor inn med andre startmetoder. Stjerne/trekant-start er den mest vanlige. Det som er sagt ovenfor, er generelle krav som må oppfylles for at det skal bli rik­ tig forhold mellom dimensjoneringen av en motor og den lasten den skal drive. Målet er å få motoren til å trekke maskinen opp til full hastighet innen rimelig tid, og dermed uten skadelig oppvarming. Forutsetningen er at spenningen er riktig, og at den er stabil. Ved alle startmetoder må vi oppfylle forskriftenes krav til vern og lederdimensjonering. Det kommer vi tilbake til senere.

Direkte start Den enkleste startmetoden er den direkte. Da koples motoren direkte til nettet med kontaktor eller med bryter, slik det er vist på figur 3.17. Motoren får full spenning med en gang nettet koples inn. Motoren har sitt største dreiemoment i trekantkopling. Det er derfor naturlig at motoren er koplet i trekant. Motorene leveres som oftest fra fabrikken koplet i trekant.

Figur 3.17 Direkte start av asynkronmotor med kontaktor

Stjerne/trekant-start Vi har tidligere sett på spennings- og strømforholdene ved stjernekopling og tre­ kantkopling av trefasekretser. Det er slik at dersom motorviklingen i trekant til­ svarer nettspenningen på stedet, kan vi bruke stjerne/trekant-start. Innkoplingen foregår med motorviklingene koplet i stjerne. Det har samme virkning som start med redusert spenning. Vi får altsa nettspenningen U dividert nied a/3 , eller U • 0,58. Den strømmen motoren trekker fra nettet, blir redusert til 1/3 av strøm­ men ved direkte start. Motoren får en startstrøm som er to ganger merkestrømmen

53

istedenfor seks ganger. Vi forutsetter at vi har en motor som trekker seks ganger merkestrømmen ved direkte start. Dreiemomentet reduseres også til 1/3 sammenlignet med direkte start. Vi får der­ med oppfylt ønsket om en mykere start enn ved direkte innkopling av motoren. Det gjør at vi må sørge for at motoren er minst mulig belastet i stjemeperioden. Det ser vi på figur 3.11.

En annen måte å gå fram på ved stjerne/trekant-start er å sørge for avlastet start. Det har vi ved start av for eksempel verktøymaskiner og pumper, og ved start av kompressorer med trykkavlastningsventiler. Selv om motorens stjememoment er lavt, må maskinens lastmoment (motmoment) være enda lavere. Vi får en jevn og skånsom akselerasjon opp til nesten fullt turtall. Da koples motoren om til trekantdrift uten høyt strømsjokk. På figur 3.11 vil i dette tilfellet lastmomentet ligge mellom momentkurvene ved stjemekopling og momentkurven ved trekantkopling. Hvis vi har en situasjon med start ved full belastning, slik figur 3.18 viser, får vi problemer. Vi ser at momentkurven for lasten stiger lineært og skjærer motormomentkurven når motoren er stjernekoplet. Motoren starter riktignok, men når tur­ tallet når ca. 60 % av fullt turtall, stanser den. Hvis vi prøver å løse problemet ved å kople om til trekant ved et lavere turtall, blir ikke strømsjokket særlig mindre enn ved direkte start. En riktig stjerne/trekant-start er ikke mulig i denne driftssi­ tuasjonen.

Figur 3.18 Start ved full belastning

Det er dessverre en god del motorer som startes ved for høy belastning. Man har da ikke oppnådd hensikten med stjeme/trekant-metoden. Enkelte maskiner har kvadratisk stigende lastmoment. Det er ofte tilfellet for ven­ tilatorer. Vi kan her komme opp i nærmere 90 % turtall i stjemekopling. I slike til­ feller er stjemekopling mulig, men den strømløse pausen mellom stjerne- og trekantomkoplingen må ikke bli for lang. Da risikerer vi nemlig at hastigheten, på grunn av det høye motmomentet til lasten, synker før trekantmomentet rekker å virke. Det kan lett skje ved manuelle stjeme/trekant-vendere. Resultatet blir at vi får et strømsjokk i omkoplingsøyeblikket fra stjerne til trekant som er omtrent like stort som ved direkte start. Automatiske stjerne/trekant-vendere hjelper til å løse dette problemet.

54

I praksis ser vi ofte at stjeme/trekant-vendere svikter etter kort tid. Vi kan raskt få kontaktslitasje og brente eller fastsveiste stjerne- eller trekantkontakter. Ofte ser vi store kortslutningsskader og «uforklarlige» utkoplinger av automatiske ven­ dere. Det skjer selv om venderen er riktig dimensjonert for den aktuelle motoren. Når vi går nærmere inn på slike tilfeller, finner vi nesten alltid at driftsmessige forhold ikke har vært viet nok oppmerksomhet. For eksempel faller venderen ut idet den kopler om fra stjerne til trekant. Det kan være at motoren akselererer langsomt i stjernekopling på grunn av for høyt motmoment. Omkoplingen fra stjerne til trekant skjer etter innstilt tid, som kan være lang. De termiske releene er da blitt så varme at omkoplingssjokket er nok til at vernet løser ut. Ved svake nett kan strømsjokket forårsake så stort spenningsfall at kontaktorene faller ut av den grunn. Feil eller svakheter i venderen er mer sjeldne. Når det gjelder innstilling av motorvemet, kan forholdene variere. Normalt står vernet i motorens fasekrets. Det er motorstrømmen ZN • 0,58 som da går gjennom vernet. Anvisning om innstilling av vernet følger vanligvis med venderen. Forutsetningene for vellykket bruk av stjeme/trekant-start er - avlastet motor i startperioden - omkopling fra stjerne til trekant på riktig tidspunkt

Sleperingsstart Vi starter en sleperingsmotor ved hjelp av startmotstander som ligger i serie med viklingene i rotorkretsen. Med startmotstandene fullt innkoplet blir strømmen i startfasen betraktelig redusert. På grunn av den høye aktive strømkomponenten stiger startmomentet sterkt. Momentkurven blir flatere; kippmomentet forskyver seg. Dette er vist på figur 3.19.

Figur 3.19 Turtallsregulering med innkopling av motstander i rotor­ kretsen i en sleperingsmotor

Sleperingsmotorer har høyt startmoment ved lav startstrøm. Sleperingsmotorer kan starte med belastning.

Vi kopler ut motstandene i trinn i starten. Ved riktig dimensjonering av startmot­ standene kan en sleperingsmotor starte mykt selv med stor belastning. Vi unngår på denne måten strømspisser i starten. Motorer over 20 kW har som oftest en anordning for å løfte børstene. Idet børstene løftes opp, blir sleperingene samtidig kortsluttet. Figur 3.20 viser en sleperingsmotor med en tretrinns kontaktorstyrt startmotstand. Rx, R2 og Rt, er startmotstandene som ligger i serie med rotorviklingene i hver enkelt fase. Kq er en kontaktor som kopler statoren til nettet. K2, K3 og K4 er kon­ taktorer som kopler ut deler av startmotstandene etter hvert som turtallet øker.

55

Figur 3.21 viser dreiemomentkurven for en sleperingsmotor med denne tretrinns startmotstanden.

Figur 3.20 Turtallsstyring av en sleperingsmotor med motstand i rotorkretsen 1 2-6 7 As

Momentkurve med den største motstandsverdien koplet inn Momentkurver ved trinnvis utkopling av motstandene Momentkurve med startmotstanden helt koplet ut Område som turtallsreguleres med endring i motorens sakking

As

Turtall

Figur 3.21 Dreiemoment og startmotstand for sleperingsmotor med tretrinns startmotstand

Sleperingsmotorer lages i effektområdet fra ca. 5 kW til 500 kW. De brukes for eksempel i vannverk, til drift av pumper, i steinknuseverk og i store verktøymas­ kiner. De brukes også i maskiner som skal startes med full last og har tung start, for eksempel heiser. På grunn av brannfaren er det ikke tillatt å bruke sleperingsmotorer i driftsbygninger i landbruket.

Starttransformator En starttransformator senker motorspenningen og dermed startstrømmen. Startstrømmen som motoren tar opp fra nettet, minker med kvadratet av spenningsreduksjonen. Starttransformatorer brukes gjeme til høyspenningsmotorer og til store motorer. På grunn av prisen brukes det for det meste sparetransformatorer.

56

Figur 3.22 Trefaset asynkronmotor med starttransformator

Kontrollspørsmål a) Hva er det som bestemmer om vi kan bruke stjerne/trekant-start? b) Hva mener vi med avlastet start? I hvilke tilfeller bruker vi denne startmetoden? c) Hva kan skje hvis den strømløse perioden ved stjeme/trekant-omkoplingen blir for lang? d) Hvordan kan en trefasemotor brukes i et tofasenett?

Oppgaver 1 Tegn et prinsippskjema som viser merkingen av faseviklingene i en trefaset asynkronmotor og hvilke forbindelser de har til koplingsbrettet når motoren er koplet i a) trekant b) stjerne 2 a) Hva mener vi med synkron og asynkron hastighet? b) Hva mener vi med sakking (slipp)? c) Nevn noen eksempler på hvordan vi kan redusere det kraftige strømstøtet vi får i tilledningen til en asynkron motor i startøyeblikket? d) Kjenner du andre navn på asynkronmotoren?

3 a) Hva er betingelsene for at en trefaset asynkronmotor skal kunne startes ved hjelp av en stjeme/trekant-vender? b) Tegn en skisse av en stjeme/trekant-vender og koplingsbrettet til en trefase­ motor. Sett på klemmebetegnelser og foreta en kopling av motoren. c) Hva mener vi med motorens merkestrøm? 4 En trefaset asynkronmotor gir 4,8 kW ved full last ved 220 V spenning. Moto­ rens effektfaktor er da 0,8. Hvor stor er strømmen i motorens tilledninger når motoren har en virknings­ grad på 80 %?

5 En trefaset vekselstrømsmotor (kortslutningsmotor) gir 10 hk ved full last ved 220 V. Effektfaktoren er da 0,9 og motorens virkningsgrad 80 %. a) Hvor mange kilowatt trekker motoren fra nettet? b) Hvor stor blir strømmen i tilførselsledningene? 6 En trefaset asynkronmotor har tre polpar. Ved full last har den en sakking på 0,05 (5 %). Hvor stor hastighet har motoren når frekvensen er 50 Hz?

7 En 6,3 kW trefaset kortslutningsmotor har en virkningsgrad på 90 %. a) Hvor mange kilowatt blir tilført motoren?

57

b) Hvor stor er motorens avgitte effekt i hestekrefter? c) Hvor stort effekttap har motoren? 8 a) En trefaset asynkron motor har en merkestrøm på 12,7 A ved full last. Ved en feil blir det brudd i en fase slik at motoren bare får tilført enfaset strøm. Belastningen forblir uforandret. Hvor stor strøm vil motoren nå trekke fra nettet? b) Når en motor på grunn av en slik feil trekker mer strøm enn den er beregnet for, blir den så varm at viklingene kan bli ødelagt. Hvordan kan vi beskytte viklingene? c) Kan du nevne et annet vern som beskytter motoren dersom strømmen skulle bli spesielt høy, for eksempel ved kortslutning? 9 En trefaset, firepolt asynkronmotor for 50 Hz vekselstrøm har ved full last en sakking på 0,05 (5 %). Ved tomgang er sakkingen 0,004 (0,4 %). Hvor stor er motorens hastighet ved full last og ved tomgang? 10 En trefaset asynkronmotor for 220 V har et effektforbruk på 10 kW ved full belastning. Normalstrømmen er da 33 A. Ved tomgang trekker den en effekt på 1140 W, og strømmen er 10 A. a) Hvor stor er motorens effektfaktor ved full belastning og ved tomgang? b) Hvor stor er motorens avgitte effekt i kilowatt og hestekrefter ved full last når motorens virkningsgrad er 90 %? c) Motoren er topolt, og nettfrekvensen er 50 Hz. Hvor stor hastighet har motoren ved full last når sakkingen (5) da er 0,03 (3 %)?

11 Vi har gitt disse dataene for en firepolt trefaset asynkronmotor: Spenning: 230 V Strøm: 10 A Effektfaktor: 0,8 Virkningsgrad: 0,8 Sakking: 0,05 (5 %) Frekvens: 50 Hz Beregn a) den avgitte effekten (P2) i kilowatt b) den tilførte effekten (PØ c) motorens omdreiningstall (n) d) det dreiemomentet motoren utvikler (T)

12 En trefaset asynkronmotor for 230 V har en avgitt effekt på 4 kW ved full last. Effektfaktoren er da 0,85. Motorens virkningsgrad er 80 %. a) Hvor stor strøm trekker motoren? b) Motoren er trekantkoplet. Hvor stor strøm går det i hver av statorviklingene?

13 En enfaset asynkronmotor med hjelpefase og kondensator som blir koplet fra etter at motoren er satt i gang, gir en effekt på 1,38 kW ved 230 V. Motorens effektfaktor er 0,75, og virkningsgraden er 80 % ved full last. a) Hvor stor er strømmen i tilførselsledningene? b) Hvor stor er motorens tilsynelatende effekt 5? c) På hvilken måte blir hjelpefasen (startfasen) og kondensatoren koplet fra etter at motoren er satt i gang? d) Hvorfor må vi ta i bruk spesielle midler for å få en enfaset motor i gang?

58

Hastighetsregulering Kortslutningsmotoren er vanskelig å hastighetsregulere sammenlignet med slepe­ ringsmotoren. Det er likevel utviklet forskjellige metoder for å oppnå turtallsregulering også av denne motortypen. Den vanligste metoden, som benyttes når det ikke er nødvendig med trinnløs regulering, er polomkoplingsløsningen. Det er to måter å gjøre dette på, enten ved å bruke atskilte viklinger eller ved dahlanderkopling. Metodene kan brukes hver for seg eller i kombinasjon. Det gir som regel valget mellom to eller, mer sjelden, tre hastigheter. For å oppnå trinnløs regulering blir frekvensomformeren mer og mer tatt i bruk. Den har ingen bevegelige deler, den er etter hvert blitt rimelig, og den kan brukes til å turtallsregulere vanlige kortslutningsmotorer.

Motor med atskilte viklinger Fordi nettfrekvensen i forsyningsnettet er fast, kan vi endre turtallet på asynkrone trefasemotorer ved å endre poltallet i motoren. Ved denne formen for regulering av hastigheten i to trinn forandrer vi poltallet i statoren. En vikling kan være utført som en firepolt motor, som gir et synkront turtall på 1500 min-1. Den andre viklingen kan være viklet som en sekspolt motor, som gir et synkront turtall på 1000 min-1.

Når man benytter to atskilte viklinger med forskjellig poltall, kan man velge hvil­ ket forhold man vil ha mellom de to turtallstrinnene, men det blir alltid et forhold mellom to hele tall, for eksempel 3 : 4. Løsningen kan ikke brukes der det er behov for turtall i forholdet 1:2. Merkingen av klemmene er standardisert og følger reglene gitt i IEC 34-8. Prin­ sippet er at det laveste førstesifferet angir det laveste turtallet og det høyeste førstesifferet det høyeste turtallet.

Normalt føres bare begynnelsen av viklingen fram til klemmebrettet. Dreiemomentet er omtrent det samme for begge turtallene. Effekten til motoren er omtrent proporsjonal med turtallet.

p=8

p=6

Figur 3.23 Polomkoplbar asynkronmotor med to atskilte viklinger, med åtte og seks poler

59

Dahlanderkopling 1 en dahlanderkoplet motor (koplingen har sitt navn etter oppfinneren) er viklin­ gene i hver fase delt i to. Ved å kople om disse viklingshalvdelene fra serie til parallell blir antallet poler halvert. Dermed blir dreiefelttallet fordoblet. Dahlanderkoplingen regulerer altså turtallet i forholdet 1 : 2.

Den mest vanlige dahlanderkoplingen er trekant/dobbeltstjeme-koplingen. Selv om vi får det dobbelte turtallet, øker motoreffekten bare med omtrent det halve. Dreiemomentet er likt ved begge koplingsmåtene. Dahlanderkoplingen passer derfor særlig godt til å drive maskiner med konstant dreiemoment, for eksempel verktøymaskiner. Klemmebrettet på en dahlanderkoplet motor har tre klemmer for hvert poltall. De enkelte viklingsdelene er som oftest koplet sammen inne i viklingene. Motorene kan derfor bare koples til en nettspenning. Klemmene for det laveste turtallet er merket 1U, IV og 1W. Klemmene for det høyeste turtallet er merket 2(7, 2V og 2W. Allerede fra fabrikken er klemmebetegnelsene 1U og 1W byttet om. Denne ombyttingen er nødvendig for å få den samme koplingen i begge turtallsområdene med tanke på dreieretningen.

I spesielle tilfeller blir det også laget motorer som er viklet for dobbeltstjerne/trekant-omkopling (YY/A). Det finnes også en utførelse for stjeme/dobbeltstjerneomkopling (YY/Y). Motorer med YY/A-omkopling har den samme effekten ved begge turtall. Motorer som er viklet for YY/Y-omkopling, har et fire ganger så stort dreiemoment ved det høyeste turtallet som ved det laveste. Denne løsningen brukes for eksempel ved drift av vifter.

L1 L2 L3

2U •

2V 2W • •

1U

-• 1V

1W

P=2

Y : høyt turtall

Figur 3.24 Polomkoplbar asynkronmotor med dahlanderkopling (trekant/dobbeltstjerne)

60

Trinnløs turtallsregulering Når vi skal hastighetsregulere trefasemotorer, kan vi bruke frekvensomformere. De kan styre både turtallet og dreiemomentet. Det gjøres ved å omforme frekven­ sen og spenningen fra forsyningsnettet til verdier som kan forandres trinnløst. Grunnen til at frekvensomformeren er blitt så populær, er at den kan styre vekselstrømsmotorer uten særlig effekttap. Frekvensomforming passer særlig godt til motordrift der det benyttes asynkronmotorer. Motortypen er billig, enkel og robust. Hvis vi kan brake en asynkronmotor, velger vi altså den.

Det er utviklingen av elektronikken som har gjort at det etter hvert er blitt utviklet både bedre og billigere frekvensomformere. Typiske bruksområder er -

pumpeanlegg transportbånd dosering heisanlegg ventilasjonsanlegg papirmaskiner

Vi har allerede brakt uttrykkene styring og regulering. Vi bruker ofte disse beteg­ nelsene om hverandre, men det er forskjell på styring og regulering. Frekvensomformer

La oss slå fast at styring av en prosess innebærer at vi stiller inn en verdi som gir et fast resultat, for eksempel turtallet på en motor eller en fast vannstrøm ut av en kran. Når det foregår en regulering, melder selve prosessen tilbake om den er for­ nøyd eller ikke med resultatet av de innstilte verdiene. Det kan for eksempel gjelde hastighet, vannstrøm ut av en kran, nivå eller trykk. Hvis det er forskjell på det som er forutsatt i prosessen, og det som virkelig skjer, gir prosessen tilbake­ melding. Det utføres en regulering, en korreksjon av innstillingssignalet, i vår sammenheng en endring av signalet til motoren. Denne reguleringen foregår hele tiden helt til motoren går med det turtallet som prosessen krever.

61

Vi kan bruke en frekvensomformer både til å styre og til å regulere en prosess. Det er oppbygningen av anlegget som avgjør om vi har en styring eller en regule­ ring. For at vi skal kunne regulere turtallet, må vi altså hele tiden ha en tilbakemelding til reguleringsutstyret som forteller om prosessen går som den skal. Vi må ha utstyr både for å måle turtallet og for å sende den målte verdien tilbake til frekvensomformeren.

Til dette bruker vi en turtallsmåler, et takometer. Det er en liten generator som er montert på drivmotoren eller arbeidsmaskinen, og som derfor roterer med samme turtall som disse har. Takometeret kan være analogt eller digitalt. Et analogt takometer sender ut en spenning som er proporsjonal med turtallet. Dette er vist på figur 3.26. Hvis vi snakker om et 0-20 V takometer, betyr det at takogeneratoren gir 0 V når motoren står stille, mens den gir 20 V når motoren går med fullt turtall. Hvis vi har en motor som har fullt turtall på 3000 min”1, er spenningen ut fra takometeret 10 V hvis motoren går med en hastighet på 1500 min”1. Vi snakker også om en prosentinndeling, nemlig 0-100 % av full hastighet.

Figur 3.26 Signalverdier fra et analogt takometer

Et digitalt takometer sender ut firkantpulser som varierer med frekvensen. Høyt turtall gir høy frekvens og lavt turtall lav frekvens. Signalet fra takometeret må bearbeides videre før det kan brukes i reguleringsutrustningen. En PLS, en datamaskin eller en mottaker direkte på frekvensomfor­ meren kan gjøre om signalet slik at vi får en endring av turtallet til motoren.

Frekvensregulering En frekvensregulator er en statisk omformer i motsetning til en roterende omfor­ mer. Den statiske omformeren har disse egenskapene: -

ingen bevegelige deler stort reguleringsområde høy reguleringshastighet nøyaktig kan plasseres «hvor som helst»

Fordelen ved drift med frekvensomformer er at vi får et startforløp som er mykt. Det gjør at det blir mindre slitasje på arbeidsmaskinen som motoren driver. Ved­ likeholdsutgiftene kan dermed reduseres.

62

Produksjonsprosessene kan optimaliseres ved at turtallet alltid er riktig, slik at vi får best mulig resultat. Det kan føre til både en økning av produksjonshastigheten og en høyning av kvaliteten på produktene.

Vi kan spare energi ved at vi tilpasser motorturtallet og ikke kjører med full has­ tighet hele tiden. Frekvensomformerdrift gir altså - reduserte vedlikeholdsutgifter - optimalisering av prosessen - energisparing Virkemåte: Det finnes flere typer frekvensomformere. Det er to metoder for vekselretting vi skal se litt nærmere på:

- pulsbreddemodulering (PWM) - pulsamplitudemodulering (PAM)

Den mest brukte løsningen er PWM.

PAM-metoden virker slik at mellomkretsen eller vekselretteren varierer amplitu­ den på utgangsspenningen. Vekselretteren styrer frekvensen på spenningen. Spen­ ningspulsene som går ut til motoren, har altså varierende spenning og frekvens. Selv om det ikke er en ren sinusspenning, registrerer motoren spenningen som en tilnærmet sinusformet spenning. Se figur 3.29.

PWM-metoden virker slik at størrelsen og frekvensen på den spenningen som til­ føres motoren, varieres. Vekselretteren tar seg av det og leverer en spenning til motoren som består av firkantpulser. Motoren oppfatter likevel denne formen på spenningen som en tilnærmet sinusform. Se figurene 3.31 og 3.32. PAM- og PWM-frekvensomformere virker etter det samme hovedprinsippet, som er vist på figur 3.27. Nettet er koplet til en likeretter, som enten kan være styrt eller ikke styrt. Likeretteren omformer vekselspenningen til en likespenning. En styrt likeretter er bygd opp av tyristorer, for en tyristor må ha en styrepuls for at den skal lede. En likeretter som ikke er styrt, er som oftest bygd opp av dioder.

Likeretteme i en frekvensomformer kan enten være enfaset eller trefaset. Til små frekvensomformere med ytelse på omtrent 2 kW brukes det enfaselikerettere. For større omformere brukes det vanligvis trefaselikerettere.

Likespenningen som likeretteren leverer, er ikke helt glatt. I mellomkretsen glattes den. Vekselretteren omformer den forbedrede likespenningen til en veksel­ spenning med varierende frekvens. Av figuren ser vi at styrekretsen gir signaler både til likeretteren, til mellomkret­ sen og til vekselretteren. Styrekretsen gir beskjed til halvledeme i vekselretteren om de skal lede eller sperre. Styre- og reguleringskretsen styrer systemet slik at utgangsspenningen og den varierende utgangsfrekvensen passer sammen. Forholdet mellom spenning og frekvens skal holdes konstant. Da kan motoren avgi det nominelle dreiemomentet uavhengig av turtallet. Frekvensomformeren må altså endre frekvensen og spen­ ningen i det samme forholdet.

63

Hovedelementene er

-

likeretter, styrt eller ikke styrt mellomkrets med glatting vekselretter med tyristorer eller transistorer styrekrets for likeretter, mellomkrets og vekselretter

Signalinngang

Figur 3.27 Statisk frekvensomformer, prinsippskjema

Inngangssignal

Figur 3.28 PAM-frekvensomformer med styrt likeretter

Pulsamplitudemodulering (PAM) Figur 3.28 viser en pulsamplitudemodulert (PAM) frekvensomformer med styrt likeretter. Spenningen reguleres i den styrte likeretteren. Frekvensen styres direkte av inngangssignalet og er uavhengig av spenningen. Vekselspenningen ut fra en PAM-frekvensomformer er omformet fra firkantpulser til en tilnærmet sinusspenning. Ved seks pulser per periode får vi en kurveform som vist på figur 3.29. Vi får således ikke en ren sinusspenning ut fra vekselretteren til motoren. Dette har den ulempen at vi får en uønsket oppvarming av motorviklingene. Figur 3.30 viser kurveformen på motorstrømmen med en amplitudemodulert frek­ vensomformer som gir seks pulser per periode.

64

5

I

6

15

16

Figur 3.29 Maksimal spenning og maksimal frekvens ved sekspulssignal (PAM)

Figur 3.30 Motorstrømmen ved sekspulssignal (PAM)

Pulsbreddemodulering (PWM) En pulsbreddemodulert frekvensomformer har den egenskapen at spenningen er konstant helt fram til vekselretterdelen. Det innebærer at både spenningen og frekvensen skal kunne endres i vekselretteren. Poenget er jo at motoren skal bli tilført varierende spenning og frekvens.

Figur 3.32 Firkantpulser. PWM-omformer

Figur 3.33 Motorstrømmen. P WM - omfo rmer

65

Styre- og reguleringskretsen styrer tyristorene i vekselretteren slik at fasestrøm­ men kan ha et utseende som vist på figur 3.33. Det er et resultat av spenningen som tilføres motoren i form av firkantpulser, slik figur 3.32 viser. Motoren oppfat­ ter altså denne spenningen som bortimot en sinusformet spenning.

Vi vet fra tidligere at effektfaktoren for en sinusformet spenning betegnes med cos cp. Effektfaktoren angir hvor stor del av den tilsynelatende effekten S = U ■ 1 som blir aktiv effekt, det vil si hvor stor den delen vi kan nyttiggjøre oss, er.

p For alle andre kurveformer gjelder det at effektfaktoren er -. Den kalles gjerne den totale effektfaktoren og har størrelsessymbolet Å. I forbindelse med strøm- og frekvensomformere snakker vi alltid om den totale effektfaktoren Å. Grunnen er at nettstrømmene som oftest er langt fra sinusformet.

En stor fordel ved drift med frekvensomformer sammenlignet med likestrømsmotordrift er at vi kan ta en vanlig standardmotor og kople den til en frekvensomfor­ mer. Har vi da fått en drift som fungerer fra stillstand og opp til fullt turtall? Ikke helt, men nesten.

Eksempel Ved frekvensomformerdrift har vi disse forholdene, som er vist på figur 3.34:

- Utspenningen fra frekvensomformeren inneholder ofte ganske mange høyfrek­ vente komponenter som gir tilleggstap i motoren. Den aktive effekten minker derfor med mellom 5 og 15 %. Kontroller dataene for den aktuelle motoren/ omformeren.

- En standardmotor er dimensjonert for å gå med merketurtall. Den påbygde kjøleviften, som også roterer med merketurtallet, skal kunne fjerne det varmetapet som oppstår. Når turtallet synker, reduseres kjøleevnen. Motortapene er likevel omtrent konstante og uavhengige av turtallet. Kommer motoren under et visst turtall, må vi redusere lastmomentet. - Det hjelper ikke i det hele tatt å utstyre motoren med separat kjøling. En stor del av rotorvarmen føres bort til statoren med den lufta som sirkulerer i moto­ ren. Det er de små «vingene» som sitter på kortslutningsringen, som sørger for luftsirkulasjonen. Ved redusert turtall minker sirkulasjonen, slik at rotoren kan nå overtemperatur selv om statoren er riktig kjølt.

Figur 3.34 Forholdet mellom moment og turtall ved frekvensomformerdrift

66

Kontrollspørsmål a) Hvilke hoveddeler er en frekvensomformer bygd opp av? b) Hvilke to hovedtyper av frekvensomformere er omhandlet i boka? Forklar for­ skjellen mellom de to. c) Hvilke fordeler er det ved å bruke frekvensomformerdrift?

67

4 Likestrømsmotorer Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til - egenskaper ved og virkemåten til likestrømsmotorer - kopling og drift av shuntmotoren, seriemotoren og kompoundmotoren - enkle beregninger i forbindelse med likestrømsmotorer

Både turtallet og dreiemomentet til en likestrømsmotor er enkelt å regulere. Like­ strømsmotorer brukes derfor i driftssituasjoner som krever nettopp gode reguleringsegenskaper. Det kan for eksempel være en papirmaskin der mange motorer er med i produksjonsprosessen. Likestrømsmotorer har høyt startmoment og kan turtallsreguleres trinnløst. Ulem­ pen er at de er dyre, og at de krever et mye mer omfattende vedlikehold enn asyn­ kronmotorer. De vanligste likestrømsmotorene er

- shuntmotoren - seriemotoren - kompoundmotoren

Virkemåte: Likestrømsmotoren bygger på de samme prinsippene som vekselstrømsmotoren. Den har de samme hoveddelene, magnetsystem og anker. Det er vekselstrøm som induseres i ankerviklingen.

Likestrømsmotorer har liten ankermotstand. Ved innkopling av nettet går det en startstrøm som er mange ganger større enn merkestrømmen. Ved større motorer må vi bruke en startmotstand, som koples inn i ankerkretsen. Startmotstanden kan enten koples trinnløst eller i trinn og har til oppgave å begrense strømmen under startforløpet. Likestrømsmotorene har en klemmemerking som er forskjellig fra merkingen på asynkronmotorene. Tabellen nedenfor viser denne klemmemerkingen.

Klemmemerking for likestrømsmotorer: Ankervikling Vendepolvikling/kommuteringsvikling Kompensasjonsvikling Serievikling Shuntvikling Fremmedmagnetisering

A B C D E F

Klemmene nummereres, for eksempel A]? A2 osv.

Vi skal se på enkle skjemaer for hver av de tre motortypene.

68

Shuntmotoren Shuntmotoren er den mest brukte av likestrømsmotorene. Vi har også en type likestrømsmotor som kalles fremmedmagnetisert. I virkeligheten er shuntmotoren en variant av denne motortypen, og vi tar den derfor ikke med her.

Shuntviklingen eller feltviklingen er koplet parallelt med ankeret. Turtallet er lett å regulere. Det gjør vi med en regulerbar motstand R^ som er koplet i serie med shuntviklingen. Shuntmotoren har omtrent konstant turtall fra tomgang og opp til full belastning. Motoren startes ved hjelp av startmotstanden /?v. Figurene 4.2, 4.3 og 4.4 viser skjemaer for en shuntmotor.

Figur 4.1 Shuntmotor - prinsippskjema Kopling for

Figur 4.2 Shuntmotor -fullstendig skjema

Figur 4.3 Begrensning av startstrømmen med femtrinns startmotstand

69

ua=ue

+ ia-ra

' (Pe’ n UA = ankerspenning UE = ankermotspenning ZA = ankerstrøm = magnetfeltfluks RA = ankermotstand n = ankerturtall

Figur 4.4 Shuntmotor - erstatningsskjema for ankeret

Eksempel 1 En likestrømsmotor har en ankermotstand på 0,5 Q. Ankerstrømmen IA = 10 A. Ankerspenningen UA = 230 V. Spisstrømmen skal ikke overskride 1,5 ganger ankerstrømmen. Hvor stor må startmotstanden være?

Samlet motstand i ankerkretsen er u\

230 = 1,5 10° = 15’33 Q

Startmotstanden Rv = R - RA = (15,33 - 0,5) Q = 14,83 £2.

Eksempel 2 En likestrømsmotor har en ankermotstand RA på 0,5 Q. Ved UA = 230 V anker­ spenning går det en ankerstrøm IA = 10 A. Hvor stor er den virksomme ankermotspenningen?

Vi har [/E-RA-/A= (230-0,5 • 10) V = 225 V

Ankermotspenningen får en verdi opp mot ankerspenningen, ofte over 95 %, når motoren når merketurtallet. Da flyter det en begrenset ankerstrøm på grunn av den lille ankermotstanden. For å snu dreieretningen til en likestrømsmotor snur vi strømretningen i ankeret.

Seriemotoren Som navnet sier, ligger magnetiseringsviklingen i serie med ankerviklingen. Det er vist på figur 4.5, som illustrerer prinsippet og dreiemomentkurver. Av figuren ser vi at dreiemomentet er høyt ved lavt turtall. Seriemotoren er faktisk den moto­ ren som har det kraftigste startmomentet. Motoren passer derfor godt til bane- og heisdrift. Turtallet er sterkt avhengig av belastningen. Hvis motoren får full spen­ ning ved tomgang, vil den ruse. Vi må derfor sørge for at det ikke skjer. Av den grunn må ikke en seriemotor brukes til å drive maskiner med reimdrift. Reimene kan ryke, og motoren vil da ruse.

70

Figur 4.5 Seriemotor - prinsippskjema og dreiemomentkurver

Kompoundmotoren Kompoundmotoren er en kombinasjon av serie- og shuntmotoren. Figur 4.6 viser prinsippet for en kompoundmotor med dreiemomentkurve. Motoren har én vik­ ling i serie med ankerviklingen og én i parallell. Ved tomgang oppfører motoren seg som en shuntmotor. Kompoundmotoren har et kraftig startmoment, og moto­ ren brukes i de tilfellene der en shuntmotor har for lavt startmoment.

Figur 4.6 Kompoundmotor - prinsippskjema og dreiemomentkurve

Generelt må vi erkjenne at likestrømsmotorene taper terreng i forhold til trefasete kortslutningsvekselstrømsmotorer. Grunnen er at det etter hvert er utviklet elek­ tronisk utstyr i form av frekvensomformere som regulerer turtall og moment for disse motortypene svært effektivt. Prisen for slikt utstyr er blitt lavere, og vekselstrømsmotorene er enklere å bruke enn likestrømsmotorer.

Kontrollspørsmål a) Hvilke motortyper er de vanligste likestrømsmotorene? b) Forklar virkemåtene til kompoundmotoren.

Oppgaver 1 Hvordan kan vi endre dreieretningen til en likestrømsmotor? 2 Tegn et koplingsskjema for en shuntmotor med igangsetter og shuntregulator og forbindelse til nettet.

3 Hvorfor må en seriemotor aldri gå ubelastet ved full spenning?

71

5 Kapslinger - mekanisk utførelse, montering og vedlikehold Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til

- kapslingsgrader slik de er beskrevet i «Forskrifter for elektriske bygningsin­ stallasjoner m.m.» (FEB) - byggeformer og montering av motorer - kilder til feil og driftsforstyrrelser

Kapslinger «Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m.» (FEB) beskriver i § 202 kravene til kapsling. Kravene er gitt i IEC 34-5. Her er kapslingsgraden angitt som beskyttelsesgrad med bokstavene IP pluss to sifre, for eksempel IP54.

Det første sifferet angir beskyttelse mot berøring. Det andre sifferet angir beskyt­ telse mot inntrengning av vann. For øvrig heter det i § 202 i FEB:

Beskrivelsen av kapslingsgrader (IP-systemet) er hentet fra IEC-publikasjonen 529 (1976): «Classification of degrees of protection provided by enclosures».

Med kapslingsgrad mener vi en betegnelse for beskyttelsesgrad gitt av bokstavene IP pluss karakteriserende siffer. Det første sifferet angir beskyttelse som gjør at mennesker unngår å berøre eller komme nær spenningsførende deler eller deler i bevegelse (bortsett fra glatte rote­ rende akslinger o.l.) innenfor kapslingen, og dessuten beskyttelse av utstyret mot inntrengning av faste legemer. Det andre sifferet angir beskyttelse av utstyret innenfor kapslingen mot skadelig inntrengning av vann. Når beskyttelsesgraden er angitt med bare ett siffer, erstattes det andre med X, for eksempel IP2X, IPX5. Når normen for en spesiell type utstyr tillater det, kan ytterligere informasjon gis med en tilleggsbokstav. Bokstavene S, M og W er tatt i bruk for roterende maski­ ner og skal bare benyttes i disse betydningene:

S: Prøvd mot skadelig inntrengning av vann når utstyret ikke er i drift (for eksempel stillestående maskin).

72

M: Prøvd mot skadelig inntrengning av vann når utstyret er i drift (for eksempel i mekanisk drift).

W: Utstyr konstruert for bruk under spesielle værforhold og forsynt med tilleggs­ beskyttelse. Både spesifikasjonen av de spesielle værforholdene og selve til­ leggsbeskyttelsen skal være avtalt mellom fabrikant og bruker. Tabell I viser beskyttelsesgrader angitt av det første sifferet. Tabell II viser beskyttelsesgrader angitt av det andre sifferet.

Beskyttelsesgrader - det første sifferet

Det første sifferet angir kapslingens grad av beskyttelse både for mennesker og for utstyret innenfor kapslingen. I tredje kolonne i tabell I er det gitt en kortfattet beskrivelse av hva slags gjenstander osv. som hver kapslingsart skal hindre å trenge gjennom, angitt av det første sifferet i kapslingsbetegnelsen. Med «hindre å trenge gjennom» menes det at en kroppsdel, et verktøy eller en tråd holdt av et menneske ikke kan trenge gjennom kapslingen.

Hvis kroppsdelen eller gjenstanden trenger gjennom, skal det være tilstrekkelig avstand bak kapslingen slik at man ikke når inn til spenningsførende deler eller til farlige deler i bevegelse. Glatte roterende akslinger og lignende regnes ikke som farlige i denne sammenhengen. I kolonnen er også minimumsstørrelsen på faste fremmedelementer som kapslingen skal hindre i å trenge gjennom, angitt.

Veiledning: For utstyr med første siffer 1, 2, 3 eller 4 skal kapslingen hindre både regelmessig og uregelmessig formede faste gjenstander å trenge gjennom ved at tre innbyrdes vinkelrette tverrmål skal være større enn det oppgitte minstemålet. At en kapsling oppfyller kravene som stilles for en bestemt beskyttelsesgrad, innebærer at den også tilfredsstiller kravene for alle lavere beskyttelsesgrader i henhold til tabell I.

73

Tabell 1. Beskyttelsesgrader angitt av det første sifferet

Første siffer

Beskyttelsesgrad Forklaring

Kort beskrivelse

0

Ubeskyttet

Ingen spesiell beskyttelse.

1

Beskyttet mot faste fremmed­ legemer > 50 mm

En større del av kroppen, for eksempel en hånd (ikke beskyttet mot bevisst inntrengning). Faste fremmed­ legemer med diameter > 50 mm.

2

Beskyttet mot faste fremmed­ legemer >12 mm

Fingrer eller lignende gjen­ stander med lengde < 80 mm. Faste fremmedlegemer med diameter >12 mm.

3

Beskyttet mot faste fremmed­ legemer > 2,5 mm

Verktøy, tråder o.l. med dia­ meter eller tykkelse > 2,5 mm. Faste fremmedlegemer med diameter >1,0 mm.

4

Beskyttet mot faste fremmed­ legemer > 1,0 mm

Tråder, strimler o.l. med dia­ meter eller tykkelse >1,0 mm. Faste fremmedlegemer med diameter > 1,0 mm.

5

Støvbeskyttet

Inntrengning av støv ikke full­ stendig utelukket, men i så små mengder at det ikke påvirker normal drift av utstyret.

6

Støvtett

Ingen inntrengning av støv.

NB! 1 Beskrivelsen i tabellen er bare en forenklet versjon og må ikke benyttes til å definere beskyttelsen.

2 For første siffer 3, 4 og 5 er bruk av denne tabellen for utstyr med drenshull et ansvar for den aktuelle normkomité.

Beskyttelsesgrader - det andre sifferet Det andre sifferet angir kapslingens grad av beskyttelse mot skadelig inntrengning av vann. I tredje kolonne i tabell II gis det en forholdsvis detaljert beskri­ velse av hva slags beskyttelse hver kapslingsart gir, angitt av det andre sifferet i kapslingsbetegnelsen. At en kapsling oppfyller kravene som stilles for en bestemt beskyttelsesgrad, inne­ bærer at den også tilfredsstiller kravene for alle lavere beskyttelsesgrader i henhold til tabell II.

74

Tabell II. Beskyttelsesgrader angitt av det andre sifferet Andre siffer

Beskyttelsesgrad Kort beskrivelse

Forklaring

0

Ubeskyttet

Ingen spesiell beskyttelse.

1

Beskyttet mot dryppende vann

Dryppende vann (dråper som faller vertikalt) skal ikke ha skadelige virkningen

2

Beskyttet mot dryppende vann når skråstilt opptil 15°

Vertikalt dryppende vann skal ikke ha skadelig virkning når kapslingen skråstilles 15° i forhold til normal stilling.

3

Beskyttet mot regn

Regnvann som faller i en vinkel opptil 60° i forhold til verti­ kalen, skal ikke ha skadelig virkning.

4

Beskyttet mot vannsprut

Vann som spruter mot kaps­ lingen fra alle retninger, skal ikke ha skadelig virkning.

5

Beskyttet mot vannstråler

Vann som sprøytes mot kaps­ lingen fra et munnstykke, uansett retning, skal ikke ha skadelig virkning.

6

Beskyttet mot tung sjø

Vann fra tung sjø eller som sprøyter mot kapslingen med stort trykk, skal ikke trenge inn i kapslingen i skadelige mengder.

7

Beskyttet ved neddykking

Vann i skadelig mengde skal ikke trenge inn i kapslingen når den er neddykket i vann en bestemt tid og ved et bestemt trykk.

8

Beskyttet ved nedsenking

Utstyret skal kunne tåle lang­ varig nedsenking i vann under forhold som er nærmere angitt av fabrikanten.

Veiledning: Beskyttelsesgrad 8 vil vanligvis innebære at utstyret er hermetisk for­ seglet. For visse typer utstyr kan det likevel bety at vann kan trenge inn, men slik at det ikke har skadelig virkning. NB! Beskrivelsen i tabellen er bare en forenklet versjon og må ikke benyttes til å definere beskyttelsen. Når det gjelder beskyttelsesarter for elektrisk utstyr i eksplosjonsfarlige områder, viser vi til § 808 i FEB.

75

Eksempel Selv om vi har IP-klassene å holde oss til, setter de bare minstekrav. I tillegg er det viktig at vi viser praktisk skjønn ved valg av kapslingsgrad. Vi må ta mer hen­ syn til det miljøet motoren skal plasseres i, enn vi gjør ved en ren teoretisk vurde­ ring av kapslingsgraden. Kapslingsgrad IP54 sier at en kapsling skal tåle vann­ sprut fra alle retninger. Mengden skal være ti liter per minutt med et trykk på 80 kN/m“. Prøven skal vare i ti minutter. Vannet «skal ikke ha skadelig virkning» ifølge kravene i forskriftene.

Dette er prøver som gjøres i laboratorier, men praksis er noe helt annet. Det finnes mange eksempler på brente motorer som har vært utsatt for en mye mildere behandling enn den som foreskrives i forbindelse med prøving.

I laboratoriet undersøkes gjerne motorene like etter at prøven er avsluttet. Da har vannet ennå ikke rukket å trenge inn i motoren. Forholdet er et helt annet når en motor utsettes for fuktighet i praksis. Da er det ingen som tørker av motoren etter at den har vært kjørt en periode. Fuktigheten får god tid til å trenge inn. Hvis motoren er i kontinuerlig drift, tørker den jo av seg selv. Hvis den kjøres i intermittent drift, er faren for havari svært stor hvis den har vært utsatt for sprut i noen grad.

Figur 5.1 Motor i tøft industrimiljø

DIN IEC 34, del 7 Code 1 Code II

1001 1011 1031 1051

B3 V5 V6 B6

IM B7 IM B8

IM 1061 IM 1071

B7 B8

IM B35 IM B 34

IM 2001 IM 2101

B3/B5 B 3/B 14

IMB5 IM V 1 IM V3

IM 3001 IM 3011 IM 3031

B5 V 1 V3

IM B 14 IM V 18

IM 3601 IM 3611

B 14 V 18

IM IM IM IM IM

IM IM IM IM IM

V B V V V

IM IM IM IM

B3 V5 V6 B6

V B V V V

19 10 10 14 16

IM B9 IM V 8 IM V9

Figur 5.2 Byggeformer og montasjemåter for motorer

76

DIN 42950 tidligere

IM IM IM IM

3631 4001 4011 4031 4131

IM 9101 IM 9111 IM 9131

19 10 10 14 18

B9 V8 V9

Byggeformer og montasjemåter Byggeformen for en motor angir de fysiske målene til motoren. Montasjemåten er også med i dette klassifiseringssystemet. Det er fastsatt i IEC kode 34, del 7 hvor­ dan denne klassifiseringen er gjort. Dette er vist på figur 5.2. Her ser vi for eksem­ pel at en vanlig motor i grunnutførelse for fotmontasje har betegnelsen IM B3. Denne betegnelsen finner vi på merkeskiltet til motoren. Merkeskiltet gir alle nødvendige opplysninger om motoren. De forskjellige elektriske data og fysiske dimensjoner for den enkelte motor finner vi i katalogene fra motorfabrikantene. Byggeformen og montasjemåten er en internasjonal standard som motorfabrikant­ ene må følge. Vi kan altså bruke motorer fra forskjellige fabrikanter om hverandre. Det er selvsagt en stor fordel. Sammenkoplingen av en motor og den maskinen som motoren skal drive, er en viktig del av montasjearbeidet. Kraftoverføringsaksler kan være et problem. Det er bare én måte å montere dem på, og det er den riktige. De ytre og indre «krykkene» i kardangleddet skal ligge i samme plan innbyrdes. Alt annet gir urolig drift og ekstra slitasje. Se figur 5.3.

Figur 5.3 Montasje av kraftoverføringsaksel

Motordrift med reimoverføring skal monteres sammen som vist på figur 5.4. Reimskivene på motoren og på arbeidsmaskinen skal ligge på linje (a). Valg av riktige kilereimer (c) er en del av montasjearbeidet. Motorer rettes opp og rei­ mene strammes ved hjelp av strammeskinner (b). Det er viktig å passe på at stramme skruene ikke står på samme side, for da kan motoren vippe. Strammeskinnen nærmest reimskiva skal være mellom motoren og arbeidsmaskinen.

Motor

Arbeidsmaskin

C) Feilfri kilereim og feilfritt spor

Utslitt kilereim og utslitt spor

Figur 5.4 Motordrift med kilereimoverføring

77

Isolasjonsklasser og kjøling Isolasjonsklassen angir den høyeste driftstemperaturen for isolasjonen. Isolasjonsklassen angis med en bokstav (A, E, B, F eller H), der A representerer den laveste klassen og H den høyeste. Klassene A og E, der isolasjonen er av plantefibermateriale, for eksempel bomull, brukes nesten ikke lenger. De mest brukte isolasjonsklassene er B og F, men H forekommer også. Mange fabrikanter bruker Hmaterialer, men klassifiserer motorene som F-motorer. Det gir en ekstra sikker­ hetsmargin.

I en motor forekommer det mange forskjellige temperaturer. Vi har temperaturer fra foten eller flensen, via temperaturen på kapslingen og gjennomsnittstempera­ turen, til «hot spot» eller «termisk margin» i statorviklingen. Vi har av og til høye temperaturer i rotoren. Temperaturklassene angir «hot spot»-temperaturen.

Figur 5.5 Isolasjonsklasser og temperaturforhold

Temperaturen måles ved at resistansen i viklingen måles. Temperaturendringen regnes ut etter formelen D

AT? =

_ D

---- — ■ 235

°kald

Enkelte prøver seg med å måle motorens temperatur på kapslingen ved hjelp av termometer. Denne metoden er så usikker at den ikke kan anbefales.

Motorens merkeskilt Merkeskiltet som du finner på motoren, angir motorens forskjellige data. De er nødvendige når du skal velge den riktige motoren til en spesiell oppgave. Det er også viktig å kjenne til motorens egenskaper når du for eksempel skal reparere den og kanskje bestille reservedeler. En god regel sier at riktig, fullstendig motortype og riktig motomummer/katalognummer gir riktig reservedel. Erfaring fra industrien viser at du kan aldri være nøyaktig nok med å notere data ved bestilling av reservedeler. Feilleveranser koster både tid og penger.

78

Nedenfor på figur 5.6 ser du et merkeskilt for en elektrisk motor fra den svenske fabrikken ASEA, eller som navnet er nå: ABB Motors. O ASEA

Molor MBK 250 M 75-4 50 Hz 3

90

No

kW

Prim, o-o-o

Y l$4-£J

O

MADE IN SWEDEN FABRlOUE EN SUEDE

380 175

Sec V IEC 34-1-1969

6493 201 1465

V A

Prim o o o A Li-HJ

A

Cl

Cat. No. MK 371 009-AA

B

r/min

| cos n =0.87

SEN 2601 + 260 402 IP 23 S | 420

O----------------------- -----

-

V A

220 305

kg

V

Figur 5.6 Merkeskilt på en asynkron kortslutningsmotor

Vi skal se nærmere på hva de enkelte betegnelsene betyr.

Motor MBK 250 M 75- 4

MBK er motortypen, og 250 angir senterhøyden til akseltappen. M betyr at akseltappen har medium lengde, og 4 viser at det er en firepolet motor. Legg merke til at det er antall poler som oppgis, ikke polpar.

3

Motoren er beregnet for tilkopling til trefaset vekselstrømsnett.

50Hz

Motoren kan koples til nett med frekvens 50 Hz.

90 kW

Merkeeffekten, det vil si at den avgitte effekten til motoren er 90 kW.

1465 r/min

Merketurtallet, det vil si at turtallet ved merkeeffekt er 1465 omdreininger per minutt. Den nye skrive­ måten er endret til min-1.

PrimY380V 175A

380 V angir spenningen og 175 A strømmen som motoren trekker i stjernekopling (Y). På skiltet ser du også at selve koplingsbildet er vist med plassering av de løsbare laskene i stjernekopling.

Prim A220V 3O5A

220 V angir spenningen og 305 A strømmen som motoren trekker i trekantkopling (A). Koplingsbildet med laskene er også vist her for trekantkoplingen.

Som du ser, er motoren merket med spenningene 380 V og 220 V. De nye normerte spenningsverdiene er 400 V og 230 V. En motor som er merket bare med 50 Hz, kan normalt også brukes i et nett med 60 Hz. Turtallet n øker i dette tilfellet med forholdet 60/50 sammenlignet med turtallet n ved 50 Hz (n x60/50).

Cl. B

Angir isolasjonsklassen som for klasse B er 130 °C. De forskjellige isolasjonsklassene og temperaturfor­ holdene er vist på figur 5.5.

costp = 0,87

Angir motorens effektfaktor når motoren avgir mer­ keeffekt. Effektfaktoren er faseforskyvningsvinkelen mellom den strømmen motoren trekker, og den spen­ ningen motoren er koplet til.

79

IEC 34- 1- 1969

Angir at motoren er konstruert og bygd i henhold til IEC norm 34-1. IEC står for International Electrotechnical Commission. IEC koordinerer og sørger for at de nasjonale standardene blir enhetlige.

SEN 2601+260402

Angir svenske normer, som i dag ikke er så interes­ sante lenger.

Cat. No. MK 371 009-AA Angir katalognummeret/serienummeret som du fin­ ner i motorkatalogen.

IP 23S

Angir kapslingsgrad/beskyttelsesgrad, som du finner mer om i «Forskrifter for elektriske bygningsinstalla­ sjoner m.m.» (FEB) § 202. Bokstaven S angir at motoren er prøvd mot skadelig inntrengning når den ikke er i drift. Det vil si ved stillestående motor.

420 kg

Angir motorens vekt.

Valg og utførelse av motorer Sammenlignet med andre kraftmaskiner, for eksempel en forbrenningsmotor, er en elektrisk motor enkel. Den består av relativt få deler. Kortslutningsmotoren, som er den mest brukte, er også den enkleste. Det er imidlertid viktig at vi velger den motoren som passer best til den arbeidsoppgaven den skal gjøre. Dette ansva­ ret ligger hos den som skal dimensjonere motoren ut fra den lasten motoren skal drive. Vi trenger opplysninger om følgende når vi skal velge ut en motortype: - hvilket moment lasten krever Dette er informasjon som vi ofte må skaffe oss fra leverandøren av arbeidsmas­ kinen. - hvilken driftsart som er aktuell Skal motoren gå kontinuerlig, eller er det snakk om drift bare i perioder, såkalt intermitterende drift? - hvor motoren skal monteres I hvilket miljø skal motoren arbeide? Vi må ta hensyn til temperatur, fuktighet og korrosjon. For eksplosjonsfarlige områder kreves det helt spesielle motorer. Vi må bestemme IP-klassen. Systemet består av de to bokstavene IP og to sifre. Det første sifferet angir beskyttelse mot inntrengning av faste legemer og det andre beskyttelse mot inntrengning av vann. Jo høyere verdi sifrene har, desto bedre er motoren beskyttet.

- hvordan motoren skal monteres, det vil si hvilken byggeform motoren skal ha Skal den stå på føtter eller kanskje skrus direkte på arbeidsmaskinen med en flens? Vi må også finne ut om motoren skal monteres med akselen horisontalt eller vertikalt. Byggeformen blir angitt med bokstavene IM og to sifre.

80

Feilkilder og driftsforstyrrelser Den mest vanlige feilkilden ved havari av elektromotorer er lagerskader. Vanlige rulle- og glidelagre har svært lang levetid. Erfaring viser at levetiden kan være flere hundre tusen timer. Forutsetningen er at lagrene får lov til å arbeide under de driftsforholdene de er konstruert for. Ofte forkortes levetiden på grunn av feilak­ tig montering eller bruk av feil smøremiddel. Forurensninger i smøremidlene er også en vanlig årsak. Det er således viktig å følge fabrikantenes smøreanvisninger nøye. Unøyaktig oppretting av koplinger mellom motoren og den maskinen motoren driver, er også en hovedårsak til motorhavarier.

I industrianlegg er det blitt mer og mer vanlig å bruke prefabrikkerte stålkonstruk­ sjoner som motordriftene monteres på. Det man ikke tenker på, er at disse kon­ struksjonene ikke er stabile.

Gjør det noe at det vibrerer? Ja, det oppstår svingninger som overføres til motorer og annet utstyr. Vibrasjoner har mange negative følger. Noen av de mest åpenbare er

-

høyere lydnivå lagerskader skader på koplinger skader på girkasser at skrueforbindelser løsner dårligere kommutering og økt børsteslitasje i likespenningsmotorer utmattingsbrudd på elektriske kabler skader på givere for posisjon og hastighet støy i signalene og av og til klipping fra visse givertyper at vibrasjoner forhindrer optimal innstilling av visse givere

Som vi skjønner, må vi prøve å unngå vibrasjoner i et anlegg. Vibrasjoner er den verste fienden som finnes. Den utløsende årsaken er svært ofte ubalanse i vifter. Offer for vibrasjonene er elektronisk utstyr og strømrettere som er montert i apparatskap. Kortkontakter slites fordi de utsettes for små bevegelser som sliter av gullsjiktet på stifter og hylser. Dette forårsaker kontaktfeil og «mystiske» feil. Små flatstiftkontakter (2,8 mm) har en tendens til å gli ut etter lengre tid med høyt vibrasjonsnivå. IC-er med mange bein klatrer opp fra soklene, og kabler med massive ledere får tretthetsbrudd.

Vedlikehold og reparasjoner Før vi går nærmere inn på vedlikehold, skal vi se litt pa anleggseffektivitet og driftssikkerhet. I industrien er vi på jakt etter å få til en så høy anleggseffektivitet som mulig. Med det mener vi at det er den totale kvaliteten på for eksempel en produksjonslinje som er interessant, og ikke bare de enkelte anleggsdelene.

81

Figur 5.7 Produksjonslinje

Figuren viser et anlegg der produksjonsresultatet for ulike situasjoner er vist som et transportbånd med de produserte produktene på båndet. På bånd 1 ser du en jevn strøm av produkter. Ingen avbrudd eller andre uregelmessigheter forekom­ mer. Situasjonen viser altså et anlegg med 100 % anleggseffektivitet. På bånd 2 ser du at det finnes brudd i produktstrømmen. Disse bruddene har sin årsak i feil på utstyret. Det vil si at anlegget har feil. Det må repareres eller kan­ skje justeres. Vi sier at anlegget har en dårligere tilgjengelighet. Disse driftsav­ bruddene repareres gjeme av vedlikeholdspersonalet. På bånd 3 ser du at det i tillegg til brudd i prosessen på grunn av dårlig tilgjenge­ lighet også forekommer små forstyrrelser. Disse forstyrrelsene skjer fordi anleg­ get ikke kan kjøres med riktig hastighet, eller fordi det har oppstått mindre funksjonsfeil. Dette kaller vi anleggsutnyttelse. Vedlikeholdsavdelingen får som oftest ikke kjennskap til disse driftsforstyrrelsene. En vurderer dem som små, eller de oppfattes som «produksjonstekniske» og bør rettes av produksjonspersonalet. På bånd 4 ser du at det er produsert like mange enheter som på bånd 3. Forskjellen er at det er enkelte enheter som ikke har den kvaliteten vi krever. Produktene må kasseres, justeres eller gjøres om igjen. Det vil si tapt produksjon, og det betyr igjen tapt tid og tapte penger. Dette kaller vi anleggsutbytte.

Det er ofte slik at små kvalitetsutbyttetap blir akseptert, eller de blir rettet direkte av produksjonspersonalet. Bare i alvorligere tilfeller tilkalles vedlikeholdspersonale. Erfaringen viser at en svært ofte vurderer det slik at produksjon er noe som gir inntekter, mens vedlikehold bare koster penger. Men det bør være en målsetting at vi ser på produksjonen og driftssikkerheten samlet, slik at vi kan produsere til rik­ tig kostnad. Det krever et 100 % samarbeid. For at personalet skal forstå sammenhengen og ta hensyn til konsekvensene ved at produksjonen ikke går som den skal, bør de vite dette:

82

- Hvor mye penger taper bedriften på hver time maskinen eller utstyret ikke er i drift? - Hvor stort er tapet for hver produsert enhet som ikke kan selges? - Hva er kostnaden for et feilaktig produkt som når ut til kunden? - Hva er konsekvensen om bedriften ikke kan levere til riktig tid? - Hva koster et produkt som ligger på et mellomlager? - Hva koster en ny maskin? Vi må erkjenne at vedlikehold er en produksjonsfaktor som er like viktig som blant annet råvarer og energi. Mange bedrifter har innsett dette og driver en bevisst kvalitetssikring for å få til en «produksjon til en riktig kostnad».

VEDLIKEHOLD

Figur 5.8 Vedlikehold er viktig

Hvis vi ser på en produksjonsprosess, vil vi finne at det inngår elektriske motorer i forskjellige utførelser for å få prosessen til å virke. Det er jo motorene som får hjulene til å gå rundt. Vedlikehold av utstyr og maskiner starter egentlig på planleggingsstadiet. Det lig­ ger derfor et stort ansvar både på selger og innkjøper slik at en velger riktig maskin og/eller motor. Altså er det viktig å kjøpe riktig. Både under transporten til montasjestedet og under lagringen før motoren skal monteres, må motoren behandles slik at den ikke blir skadet. Støt og slag kan for eksempel ødelegge lagrene. Støv og andre forurensninger kan skade kommutatoren eller sleperingene. For mye fuktighet kan føre til feil i viklingene. Slike feil kan ofte forebygges når vi bruker riktig vern og startmetode. Det er ikke nok at det er montert vern. Vernet må også prøves med jevne mellomrom for å kontrol­ lere at det virkelig funksjonerer.

Den personen som skal ha ansvaret for vedlikeholdet av maskinen, må læres opp i hvordan en motor virker og oppfører seg. Når han foretar inspeksjoner, må han være i stand til straks å avgjøre om det er nødvendig å foreta seg noe, eller om driften kan fortsette. Der det er viktig å hindre driftsavbrudd og produksjonstap, er det fornuftig å ha reservedeler på lager. Faktorer som standardisering og reservedelslager er av stor betydning for sikker drift av anleggene. Jo mer en bedrift kan standardisere, desto mindre reservedelslager er nødvendig.

83

Arbeidet i den elektriske avdelingen i en bedrift skal være forebyggende vedlike­ hold og ikke reparasjoner. Derfor gjelder det å passe på utrustningen slik at funksjonssikkerheten tas vare på. Det oppnår vi best ved periodisk vedlikehold. Notater om tidspunkt for og omfanget av de seneste inspeksjoner på de ulike mas­ kinene bør derfor inngå i en vedlikeholdsplan. Det må lages en logg for hver motordrift der resultatene føres inn. Det finnes for øvrig utmerkede PC-baserte programmer for vedlikehold som er utviklet i samarbeid med brukere i industrien.

Aktuelle målinger er - isolasjonsmålinger av viklingene Vi sammenligner målingene for å kontrollere om det er forandringer i isolasjonsnivået. Både fabrikanten og FEB § 512 gir retningslinjer for isolasjonsverdier og isolasjonsnivåer. Dermed kan vi avgjøre om det er nødvendig å foreta oss noe. Rengjøring er enkelt å gjøre, men det syndes dessverre ofte her. Vi ser ganske enkelt om det er nødvendig. Rene motorer har bedre kjøleforhold enn tilsmussede og gjør at motoren lever lenger.

- vibrasjonsmålinger for å motvirke lagerskader Vibrasjoner er den verste fienden for roterende maskiner. Det finnes gode instrumenter som måler vibrasjoner. Ut fra måleresultatene kan vi avgjøre om det er snakk om et begynnende lagerhavari. Spørsmålet er om vi må skifte lager for å hindre lagerhavari, og om motoren blir helt ødelagt. - smøring Fabrikanten av motoren gir anvisninger om hvordan smøring skal gjøres, og hvilke smøremidler som anbefales. I alle fall bør smøringen utføres under drift. Det gir den riktige fordelingen av fettet rundt i lageret. Hvis motoren må smø­ res mens den står, bør bare halve fettmengden presses inn. Deretter starter vi motoren, og den går i noen minutter. Resten av fettet kan nå presses inn. Hvis alt fettet presses inn under stillstand, er det fare for at en del av fettet trenger inn i motoren gjennom den indre lagertetningen.

Et godt planlagt reservedelslager gjør det mulig å drive et rasjonelt og regelmes­ sig vedlikehold. Der det er mulig, bør vi med jevne mellomrom kople fra de ulike utrustningene for å ta en nøyere gjennomgang. I industrier med kontinuerlig drift kan det være vanskelig å få til dette. Da må en benytte de mulighetene en har. I stedet må en ofte bruke ferier til mer omfattende vedlikeholdsarbeider.

Målinger på motoren forteller deg om den er i orden rent elektrisk. Du må bruke en megger (megohmmeter) og et ohmmeter. For en trefasemotor er det ni målin­ ger du må gjøre. Noter måleresultatene. Hvis du må reparere en motor, er det noen generelle regler du bør følge:

- Når du kopler fra de elektriske tilførselskablene, bør du merke deg hvor de var koplet til. - Når du demonterer motoren, bør du merke deg i hvilken rekkefølge du demon­ terer de enkelte delene. Det hjelper deg til å sette motoren riktig sammen igjen.

- Motoren rengjøres med white-spirit, både utvendig og innvendig. Bruk en pen­ sel slik at du kommer til overalt. Lager som har beskyttelsesplater på begge sider, skal du bare tørke av utvendig.

84

- Etter at en motor er vasket og rengjort, må den tørkes godt. Det finnes spesielle tørkeapparater, eller du kan for eksempel bruke en varmluftsvifte. Tørkingen tar opptil et par døgn, for store motorer enda lengre tid. Når tørkeprosessen er ferdig, tar du nye målinger for å forsikre deg om at du har gjort et godt arbeid.

Demontering og montering av lager Når du skal skifte et lager, bør du først og fremst bruke riktig verktøy. Sørg også for at det ikke kommer fremmede partikler som kan skade det nye lageret som skal monteres. Bruk avdrager slik figuren viser.

Figur 5.9 Bruk av avdrager ved lagerdemontering For motorer er pasningen vanligvis relativt løs i lagerhuset og fast på akselen. Derfor bør avtrekkingskraften rettes mot innerringen. Hvis derimot ytterringen har fast pasning, må kraften rettes mot ytterringen. Bare der det er umulig å komme til den faste ringen, er det tillatt å rette kraften mot den ringen på lageret som har løs pasning. I dette tilfellet er det for eksempel kuler eller ruller i lageret som overfø­ rer kraften til den faste ringen. I slike tilfeller er det lett å skade lageret. Rett ikke kraften mot et punkt på lagerringen, men drei lageret for å fordele kraften. Så snart den faste ringen er kommet så langt at det er mulig å få en avdrager til å gripe, må du selvsagt bruke den. Om du slår på lageret i den ene enden, må du passe på at lageret i den andre enden ikke skades. Et skadet lager som er demon­ tert, bør undersøkes før det kastes. Ofte forteller skadens utseende årsaken til lagerhavariet. Du har dermed en mulighet til å forhindre at det samme skjer om igjen. Når du skal montere et nytt lager, må du undersøke om akselen har fått skade. Det er viktig at lagersetet er slik at pasningen verken blir for hard eller for løs. Når et lager skal monteres på en aksel, bruker vi enten kald eller varm montering. Kald montering brukes fortrinnsvis ved små lager. Ved varm montering bør lageret var­ mes opp til ca. 70 °C over romtemperatur. Deretter presses lageret på ved hjelp av en monteringshylse som passer mot innerringen. Se figuren.

Figur 5.10 Montering av lager med hylse mot innerringen

85

Oppvarmingen kan gjøres enten i et elektrisk varmeskap eller i et oljebad. For høy temperatur i et lengre tidsrom kan påvirke stålets egenskaper. Legg heller ikke lageret direkte på bunnen av det karet som oljen er i, hvis karet varmes opp nedenfra. Hvis ytterringen skal ha fast pasning, kan du varme opp lagerskjoldet til mellom 30 og 40 °C over romtemperaturen. Etter monteringen legger du inn fett i lageret og eventuelt i lagerlokkene.

Husk at ved alt arbeid med lager og lagerdeler er renslighet et absolutt krav.

I mange tilfeller skal det også monteres koplinger og reimskiver på akseltappen. En koplingshalvdel som er tilpasset akselen med sugepasning, festes med en kile. I slike tilfeller kan vi skyve den omtrent halvveis inn på tappen. For å få presset den inn mot ansatsen på akselen bruker vi enten et påpresningsverktøy eller en helgjenget bolt, en mutter og et flatjem.

Figur 5.11 Montering av koplingshalvdel eller reimskive

Hvis det ikke er hull i akseltappen, varmer vi opp koplingshalvdelen til ca. 80 °C og skyver den inn på tappen. Koplingshalvdelen låses med en skive. Når du er kommet så langt at selve motoren er klargjort, skal den monteres ute i anlegget. Hvis du skal bruke strammeskinner, er det vist på figur 5.4 hvordan du skal gjøre dette.

Ofte er oppgaven å montere sammen en motor og en arbeidsmaskin som står på en felles bunnplate, med for eksempel en klokopling. Det beste instrumentet for å kontrollere at opprettingen er riktig, er å bruke indikatorklokker slik figuren viser. Klokkene sitter på hver sin koplingshalvdel og måler forskjellen mellom halv­ delene både i radial og aksial retning. Koplingene skal bare være løst skrudd sammen under opprettingen.

Figur 5.12 Kontroll av oppretting med indikatorklokker

86

Kontrollspørsmål a) Hvilken kapslingsgrad vil du bruke for utstyr i vått eller fuktig område hvor utstyret ikke blir utsatt for regn eller vannsprut? b) Hvilken kapslingsgrad vil du velge for utstyr som skal monteres i det fri uten overdekning? c) Hva menes med betegnelsene: -IP54 -IPX4 -IP2X d) I forbindelse med kapslingsgrader finner vi de tre bokstavene S, M og W. Hva slags utstyr brukes bokstavene sammen med, og hva angir de? e) Beskyttelsesgraden for kapslinger betegnes med to bokstaver og to sifre. Hva angir de to bokstavene? f) Figur 5.2 viser en oversikt og eksempler på byggeformer og montasjemåter for motorer. Hva menes med disse to uttrykkene? g) Hvorfor er det viktig at kraftoverføringsaksler monteres riktig, og hvordan skal det gjøres? h) Hvordan kan du finne ut om en kilereim er utslitt og må skiftes? i) Hvilke opplysninger trenger du når du skal velge den riktige motortypen for en bestemt arbeidsmaskin? j) Hvilken feilkilde er oftest årsak til lagerhavari på elektriske motorer? k) Hva mener vi med anleggseffektivitet? l) Hvorfor er det ofte så vanskelig å få penger til vedlikehold av for eksempel produksjonsutstyr? m) Hva må du passe spesielt på når du arbeider med lager og lagerdeler til en motor?

Oppgaver 1 I FEB kapitel 202 finner du definisjoner og oversikt over kapslingsgrader som er laget ut fra IEC-publikasjon 529. Forklar hvordan disse definisjonene er bygd opp. 2 I FEB paragraf 512.2 finner du kravene som avgjør romklassifiseringen avhen­ gig av de ytre påvirkningene. - Hvilken nytte har vi av denne klassifiseringen? - Studer tabell 51 A. Hva forteller den deg?

3 Ta for deg en elektrisk motor og noter det som står på skiltet. Forklar hva de enkelte betegnelsene betyr. 4 I ventilasjonsrommet på skolen din finner du sannsynligvis vifter med kilereimdrift. Kontroller at motoren er rettet opp slik det skal gjøres. Hva må du passe på når en motor og en arbeidsmaskin med reimdrift skal monteres sammen? 5 Isolasjonsmålinger er aktuelle i forbindelse med reparasjon av elektriske moto­ rer. Utfør målinger på en motor. Du trenger en megger og et ohmmeter. Hvor mange målinger må du gjøre? Noter måleresultatene i en tabell.

6 Hvilke krav til minimum kapslingsgrad, det vil si IP- klasse skal vi sette til en motor som skal brukes i et rom hvor vi må regne med vannsprut og små meng­ der støv?

87

Motoren skal være beskyttet mot skadelig inntrengning av vann også under drift.

7 Du skal velge utstyr som skal monteres i et rom som er beskrevet slik: -Type: kjølerom - Temperatur: ned til +2 °C - Luftfuktighet: Gjør din egen vurdering - Vann: ubetydelig - Korrosjon: ubetydelig - Mekanisk påkjenning: liten - Vibrasjon: svak

88

6 Fordelingssystemer Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til

- fordelingssystemer for vekselstrøm: TN-S-, TN-C-S- og IT-systemer - formålet med og bruksområdene for de ulike fordelingssystemene

FEB tar for seg fordelingssystemene i § 312. Vi har flere valgmuligheter når vi skal velge fordelingssystem:

Av vekselstrømssystemer er det tillatt å velge mellom enfase-, tofase- og trefasesystemer, med eller uten uttrukket nøytralleder (N-leder) eller midtpunktleder. Av likestrømssystemer kan vi bruke et toleder- eller treledersystem.

Når FEB snakker om fordelingssystemets jord, refererer de til sekundærsiden på forsyningstransformatoren. Bruksområdene for de forskjellige fordelingssystemene:

Vekselstrømssystemer:

TN

TN-S

til og med 230/400 V

TN-C-S TN-C

til og med 230/400 V bare ført fram til første fordeling i forbrukerinstallasjonen ikke lovlig som fordelingssystem i forbrukerinstallasjonen

TT

til og med 230 V

IT

til og med 230/400 V for industriinstallasjoner og spesielle formål: 400, 690 og 1000 V

Når det gjelder TN-C-S- og TN-C-systemet, er det mange elverk som ikke bruker disse systemene fram til den første fordelingen i forbrukerens installasjon. Isteden bruker man TN-S-systemet, ettersom det gir sikkerhet for at det ikke skjer sam­ menblanding mellom systemene. Det er jo bare TN-S-systemet som er tillatt som fordelingssystem i forbrukerens installasjon. I tillegg leverer elverkene også PElederen med i sin kabeltilførsel (stikkledning). Det fritar for øvrig ikke forbruke­ ren fra å sørge for jording av sin installasjon etter de kravene som er stilt i FEB.

Likestrømssystemer: TN og TT

til og med 220 V; med jordet midtpunkt til og med 440 V

IT

til og med 220 V; for spesielle industriformål til og med 1500 V

89

Betydningen av bokstavene: Den første bokstaven står for systemets forhold til jord. Det vil i praksis si forhol­ det til jord på forsyningstransformatorens sekundærside. - T står for «terra», som betyr jord, og innebærer at det er direkte forbindelse til jord. - I står for «isolated», som betyr isolert, og innebærer at systemet ikke har for­ bindelse til jord. I IT-systemet er det koplet inn en høyohmig forbindelse som gjør samme nytten som et brudd. Den andre bokstaven står for forbrukerens installasjon til jord. FEB angir nær­ mere hvilke krav som gjelder for de enkelte fordelingssystemene.

- T innebærer at utsatte deler har direkte forbindelse til jord. - N innebærer at utsatte deler har direkte ledende forbindelse til det jordede nøytralpunktet på forsyningstransformatoren.

Eventuelle etterfølgende bokstaver: - S står for «separate» og innebærer at funksjonene til PE-lederen (protective earth) og nøytrallederen (N) er atskilte. Det vil si at de er to separate ledere. - C står for «common» (felles) og innebærer at funksjonene til N- og PE-ledeme er kombinert i én leder (PEN).

Forsyningstransformatorens sekundærvikling

UTSATT DEL

Figur 6.1 TN-S-systemet

90

TN-C

TN-S

Figur 6.2 TN-C-S-systemet

FORDELINGS­ SYSTEMETS JORD

Figur 6.3 IT-systemet

91

Figur 6.4 Hvilket fordelingssystem skal jeg velge?

FEB del 3 angir nærmere i hvilke installasjoner de forskjellige fordelingssyste­ mene kan brukes.

Som ledd i planleggingen av et elektrisk anlegg er det viktig å få kartlagt en rekke karakteristiske forhold som vil avgjøre valget av egnet utstyr. Disse forholdene er omtalt i del 5 i FEB og dreier seg om - hva som er anleggets formål og bruksområde, og hvordan strømtilførselen og den generelle utførelsen er - hvordan vi klassifiserer de ytre påvirkningene og påkjenningene som anlegget kan bli utsatt for - hvordan vi sørger for at det utstyret som blir brukt i anlegget, er tilpasset, slik at det ikke får skadelig innvirkning på andre anlegg - hvordan vi vurderer nødvendige vedlikeholdsrutiner og tilgjengelighet i anleg­ get - hvordan vi sjekker om anlegget må utstyres med nødstrøms- eller reservestrømsforsyning Del 3 i FEB er i virkeligheten en videreføring av de kravene til planleggingen av et elektrisk anlegg som er nevnt i § 113. Med utgangspunkt i denne paragrafen og de kravene som blir stilt i denne delen, kan vi sette opp en kontrolliste over de faktorene som vi må innhente nærmere opplysninger om. Det er

-

92

installert effekt samtidighetsfaktor nominell spenning, vekselspenning/likespenning frekvens, dersom vi har vekselspenning antall og type strømførende ledere systemjording, fordelingssystem jordingssløyfeimpedans type og grad av nødvendige vern og beskyttelsesinnretninger arrangement av hovedtilførselen antall og type fordelingskurser vedlikeholdsrutiner reservestrøms- og nødstrømstilførsel

I IT-systemet er alle spenningsdeler og strømførende deler isolert fra jord ved nor­ mal drift. Systemet er isolert fra jord, eller det er forbundet med jord over en til­ strekkelig høy impedans (gjennomslagsvem). Denne isolasjonen gjøres enten i stjernepunktet (nøytralpunktet) eller i et kunstig stjernepunkt. Normalt er lavspenningsnettet tilkoplet høyspenningsnettet via en transformator. Nøytralpunktet eller et punkt på lavspenningsviklingene skal i så fall være tilkop­ let jord over en gjennomslagssikring. Gjennomslagssikringen, eller disneuteren (kombinert avleder og sikring), sørger for at nøytralpunktet er isolert fra jord så lenge alt er normalt. Dersom det skulle inntreffe et overslag mellom høyspen­ nings- og lavspenningsviklingene i transformatoren, danner sikringen varig kon­ takt mellom nøytralpunktet og jord. IT-systemet kan benyttes til alle formål med en nominell spenning på opptil 230 V. Fram til i dag har nesten alle elverk i Norge basert sin strømleveranse til alminnelig forbruk på dette systemet.

TN-C-S-systemet kan benyttes for alle formål med nominell spenning til og med 230/400 V. Dette gjelder likevel ikke for sykehus og i eksplosjonsfarlige områder.

Normalt er det bare i et begrenset område nær transformatoren i tilknytning til forsyningsanlegget at TN-C-systemet er tillatt brukt. Tilknyttede installasjoner skal utføres etter TN-S-systemet med separat nøytralleder (N) og beskyttelsesleder (PE).

Figur 6.5 Tilpasning

Forskriftene stiller krav til planleggeren av et elektrisk anlegg om at han eller hun må ta hensyn til at utstyr som blir valgt, er tilpasset forsyningsanlegget. Det betyr at utstyret ikke må ha noen skadelig virkning på andre elektriske installasjoner som er tilknyttet det samme forsyningsanlegget.

93

Kontrollspørsmål Vi har to hovedtyper av fordelingssystemer: direkte og isolerte systemer. For­ skjellen på systemene er hvordan de oppfører seg når det oppstår en jordfeil. a) Hva mener vi med et direkte jordet fordelingssystem? b) Hva mener vi med et isolert fordelingssystem? c) Forklar hva disse kjenningsbokstaver står for: Når første bokstav er: -I -T Når andre bokstav er: -T -N Når eventuelle påfølgende bokstaver er: -C

-s

d) Hva mener vi med et IT-system? e) I hva slags installasjoner og for hvilke spenningsområder kan vi bruke et ITsystem? f) Hva skjer med et IT-system ved første jordfeil? g) Hva mener vi med et TN-S-system? h) I hva slags installasjoner og for hvilke spenningsområder kan vi bruke et TN-Ssystem? i) Hva skjer med et TN-S-system ved første jordfeil? j) Hva innebærer det at det utstyret som velges til en installasjon, er tilpasset for­ syningsanlegget?

Oppgaver 1 Er det tillatt å bruke et IT-system som fordelingssystem til en motor med 690 V merkespenning? 2 Tegn et flerlinjeskjema for et 400 V TN-system hvor du har: - en trefasemotor - en trefaset stikkontakt - en trefaset lyskurs - en enfaset motor - en enfaset stikkontakt - en enfaset lyskurs

3 Studer FEB og finn ut hvilke beskyttelsesinnretninger vi kan bruke i - IT-nett? - TN-nett?

94

7 Forskrifter og krav Mål: Målet med kapitlet er å gi deg kjennskap til -

jordingssystemer, beskyttelsesjording og driftsjording berøringsspenning jordfeilbryteren og jordfeilvarsleren jordelektroder

«Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m.» (FEB) fastsetter de kra­ vene vi må utføre elektriske installasjoner etter. Hovedkravet er definert i § 112.1: Elektriske installasjoner og utstyr skal være slik at mennesker, husdyr og eiendom er beskyttet mot fare og skader ved normal og fornuftig drift og bruk.

Det er således viktig med god systemforståelse, og det er viktig å kunne tolke for­ skriftene og kunne bruke dem i praksis. Forskriftene krever gode kunnskaper om dokumentasjon og kontroll av elektriske installasjoner. Det kreves kunnskaper om dimensjonering av ledere og vern med hensyn til strømføringsevne, spenningsfall, kortslutningsstrømmer, en- og topolt jordslutning, berøringsspenning og utløsetider for vern. Vi må vite hvordan vi beregner kortslutningsstrømmer, og hvordan og når vi skal bruke maksimums- og minimumsverdier for en-, to- og trepolte kortslutningsstrømmer i de forskjellige nettsystemene. For IT-systemet er det særlig viktig å kjenne til feilstrømmen ved topolt jordslut­ ning. Det er denne feilstrømmen som er farligst. Den har lavere verdi enn andre kortslutningsstrømmer, og den blir stående lengst. Det er derfor viktig å kontrol­ lere om denne feilstrømmen gir utkopling av det minste vernet i feilsløyfen. Dette tas opp i punkt 413.1.5.5 i FEB.

Jordingssystemer Jordingen er en svært viktig del av en elektrisk installasjon. Det er utførelsen av jordingen som i høy grad avgjør om en installasjon oppfyller de kravene FEB stil­ ler til sikkerhet, slik det er uttrykt i § 112.1.

I del 2 i FEB finner vi en hel del definisjoner som skal hjelpe oss til å forstå hva som er ment med de uttrykkene som brukes. Disse definisjonene er viktige for for­ ståelsen av beskrivelsen av de enkelte anleggsdelene.

Beskyttelsesjording I praksis kan det ikke med rimelige midler forhindres at utsatte deler får en viss spenning overfor andre ledende gjenstander som har forbindelse med jord. Ved å forbinde de utsatte delene med jord kan vi forhindre at berøringsspenningen under

95

alminnelige forhold overstiger de grensene som er fastsatt i FEB. Det er dette som i forskriftene kalles beskyttelsesjording.

Driftsjording En driftsjording er en god ledende forbindelse mellom driftsstrømkretsen i et anlegg og jord. For anlegg med spenning over 50 V er driftsjording bare tillatt etter særskilt skriftlig tillatelse fra NVE. Ved trefaseanlegg foretas driftsjording vanligvis i nøytralpunktet. Beskyttelsesleder og jordleder (PE-leder) er betegnelser for ledninger eller ledere som er forbundet med jord i forbindelse med enten beskyttelsesjording eller driftsjording. På figurene 7.1-7.5 er det vist eksempler som forklarer en del av de begrepene som er nevnt.

Driftsstrømkretser Med redusert driftsspenning forstår en driftsspenning som ikke er over 50 V, og som er nedtransformert ved hjelp av en vemetransformator eller omformer med atskilte viklinger, og der sekundærviklingen ikke er jordet. De kravene forskrif­ tene stiller, er angitt i § 411.1 i FEB: Beskyttelse ved SELV og i § 411.3: Beskyt­ telse ved FELV. Med driftsspenning eller systemspenning mener vi spenningen mellom to ytterledere eller faseledere.

Figur 7.1 Oppbygningen av et IT-nett

For høy spenning i driftsstrømkretsen kan oppstå av flere grunner: - overledning fra en annen strømkrets (isolasjonsfeil for eksempel mellom vik­ lingene i en transformator, overslag eller kontakt mellom kryssende ledninger) - atmosfæriske overspenninger (lynnedslag e.l.) - enpolt jordslutning. Kapasitiv oppladning kan også oppstå i sekundærkretsen i en transformator ved enpolt jordslutning i primærkretsen, eller i en parallell linje - koplingsoverspenninger ved fra- eller tilkopling av strømmen i samme strøm­ krets eller i induktivt koplede kretser Skadelige overspenninger kan i en viss utstrekning forhindres ved fornuftig plan­ legging av anlegget og ved god isolasjon. Men de atmosfæriske overspenningene kan få så høye verdier at det av økonomiske grunner ikke er mulig å isolere anleg­

96

gene tilstrekkelig til å tåle slike spenninger uten å bli skadd. Da har vi den utveien at vi kan sette inn overspenningsavledere i anlegget. Det er ikke praktisk gjennomførlig å sikre anleggene helt mot skadelige overspenninger. For å begrense skadevirkningene som kan oppstå ved en overledning mel­ lom høyspennings- og lavspenningsviklingene i en transformator, er det i forskrif­ tene fastsatt bestemmelser om at lavspenningsviklingens nøytralpunkt, eller en driftspol (fase), skal forsynes med gjennomslagssikring hvis viklingen ikke er driftsmessig jordet (driftsjording). Gjennomslagssikringen skal være utført slik at det blir gjennomslag i den og dan­ ner varig jordforbindelse ved spenninger mellom 500 V og 600 V i lavspenningsviklingen, se figur 7.1. Den må tåle gjennomslag og strømgjennomgang uten at det medfører fare for omgivelsene. Gjennomslagssikringer skal vanligvis ha sepa­ rat jordelektrode og isolert, opplagt jordledning atskilt fra beskyttelsesjordingen for høyspennings- og lavspenningsdelene. Det er flere grunner til at lavspenningsanlegg vanligvis ikke skal ha driftsjording. I industrianlegg kan driften da holdes i gang selv om det ved en isolasjonsfeil skulle oppstå enpolt jordslutning. I slike anlegg vil enpolt jordslutning føre til sikringsbrudd og dermed driftsavbrudd hvis nøytralpunktet er direkte jordet. En jordslutning i et slikt anlegg med driftsjording vil dessuten kunne forårsake kraf­ tige lysbuer som kan skade anlegget eller personer som arbeider i bedriften. Slike forstyrrelser unngår man hvis systemets nøytralpunkt er isolert eller forsynt med gjennomslagssikring.

Berøringsspenning Er nøytralpunktet isolert eller forsynt med gjennomslagssikring, og det ikke er jordslutning på en av de andre fasene, avhenger den utsatte delens potensial av nettets kapasitet. Er det derimot jordslutning på en av de andre fasene, får den utsatte delen hele driftsspenningen mot jord. Se figurene 7.2 og 7.3.

Forventet berøringsspenning

Maksimal utkoplingstid (s) oo

5 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,03

Vekselspenning (a.c.), effektivverdier (r.m.s.) (V)

Likespenning (d.c.) (V)

1 time < 1 time

io-4

1,45-4

> 1 time < 1 time

8-4

1,05 -4

1,05 -4

1,13-4 1,13-4

1,13-4

1,05 -4

Løser senest ut ved

Utløsetid

5,25-Zn

>0,1 sek 0,1 sek 0,1 sek < 0,1 sek

io-4

>0,1 sek 1 time < 1 time

3,36 • 4

1’75-4

> 1 time < 1 time

3,12-4

1’6'4

1,05-4 1,35-4

1,05-4

1,35-4

> < >
0,1 sek < 0,1 sek

4,55-4

>0,1 sek < 0,1 sek

io-4

>0,1 sek < 0,1 sek

7-4

> 0,1 sek 3'4

C

6-63 A

1’45-4

6-63 A

som B

< 1 time

Figur 9.5 UtløseforholdforL-, G-, B- og C-automater

128

t

>0,1 sek 5,25-44 1 time

1’13'4

Utløsetid

5-4 5'4

< 0,1 sek

> 0,1 sek

Start/stopp-signallamp er For å styre inn- og utkoplingen av kontaktoren bruker vi svært ofte start/stoppknapper med holdekopling. Det er mer sjelden å bruke varige kontaktgivere. Hvis kontaktorsystemet løses ut av en eller annen grunn, må vi trykke på startknappen for å få i gang motoren igjen. Dette er i seg selv en sikkerhet. Hvis vi bruker en varig kontaktgiver, vil motoren starte uten varsel hvis spenningen kommer tilbake etter å ha vært borte. Dette kan selvfølgelig innebære et faremoment. Betjenings­ utstyret finner vi gjerne ved motoren eller for eksempel i et kontrollrom.

Standard start/stopp-knapper har to sett med kontakter. De har en lukkekontakt, NO-kontakt (NO = normally open), også kalt arbeidskontakt, og en åpnekontakt, NC-kontakt (NC = normally closed), også kalt hvilekontakt. For å overvåke motorkretsen bruker vi gjeme signallamper. Vi vil gjeme vite om motoren er i drift eller ikke. Dessuten vil vi gjerne ha beskjed hvis motorvemet har løst ut. En standard styre-/kontrollkrets inneholder derfor disse enhetene. Det er også grun­ nen til at motorkontaktorene/hovedstrømskontaktorene er utstyrt med en holdekontakt som standard. Den kontakten har kontaktmerkingen 13, 14. I forbindelse med styrestrømkretser er det viktig å merke seg at ved vekselstrømsstyringer setter lengden på ledningene en begrensning når det gjelder å få sikker funksjon. Fabrikantene av styrereleer og kontaktorer oppgir maksimums lengder. Blir lengdene noe særlig over 100 m, må vi kontrollere at vi får en sikker funk­ sjon. Grunnen til det er at det er en viss kapasitans i kabelen. Det kan gå en så høy kapasitiv lekkstrøm at kontaktoren eller releet ikke slipper selv om kretsen åpnes. Vi må også kontrollere at spenningsfallet i styrekabelen er så lite at kontaktoren/ releet får høy nok spenning til at det trekker til. De maksimale lengdene på styre kablene er avhengige av hvilken styrespenning anlegget har.

Givere Begrepet givere kan defineres som en omformer eller enhet som gjør om en form for signal til en annen form for signal med samme verdi eller til en annen stør­ relse. Ordene giver og sensor brukes om hverandre i moderne språkbruk.

Når vi snakker om givere, tenker vi ofte på styring og kontroll av forskjellige pro­ sesser for eksempel i industrien. Givere dekker et stort område med forskjellige typer «signalinnretninger». Vi skiller gjerne mellom mekaniske og berøringsløse givere. Av mekaniske givere er endebrytere, mikrobrytere, trykkbrytere/pressostater og termostater velkjente komponenter. De berøringsløse giverne er av nyere dato og kom inn i industrien for omtrent 25 år siden. De aller mest brukte berø­ ringsløse giverne er enten av typen induktiv eller kapasitiv. Signaler fra prosessen i en industribedrift er vanligvis ikke av elektrisk art. Signa­ lene som skal overføres, må derfor som oftest omformes slik at de kan sendes over et ledningsnett. Slike signaler kan for eksempel være informasjon om hastig­ het, posisjon av produkter i en transportkjede, trykk, nivå og mengde. Av hensyn til automatisering av maskiner og komplette produksjonslinjer må fag­ mannen best mulig kunne bedømme bruken av type signalgivere både ut fra tek­ nisk og økonomisk synsvinkel.

Mekaniske givere De mekaniske giverne bruker et avfølingsorgan som kan være en hevarm, en rulle eller en trykkinnretning, slik figur 9.6 viser.

129

Anslagsvinkel, vandring/bevegelsesvei og etterfjæring må beregnes. For leveran­ dørene er det nødvendig med et omfattende lagerhold på grunn av de mange for­ skjellige typene. De mekaniske giverne krever en viss kraft for å gi signal. Det er derfor viktig at bryterne monteres så stabilt som mulig for å unngå bøyning og vibrasjon. Hvis underlaget ikke er stabilt, blir det umulig å stille inn et nøyaktig anslag. Vibrasjon kan føre til uønskede kontaktfunksjoner. Kabelinnføringen i bryterne bør gjøres fra bunnen for å hindre at vann kommer inn i bryterhuset. Se figur 9.6.

Figur 9.6 Mekaniske signalgivere

I katalogene til leverandørene kan du finne alle opplysninger om valg, bruk og montasje av endebrytere. Det er grenser for levetiden til koplingsorganene, det vil si kontaktene, i de meka­ niske endebryteme. Det samme er koplingsfrekvensen. Signalene må også være tilpasset en videre behandling i moderne (digitale) styresystemer. Fordi det dreier seg om mekaniske bevegelser, er det ofte nødvendig med et varsel for slitasje som indikerer at det er behov for vedlikehold.

Pressostater, termostater Termostater bruker vi til å regulere romtemperaturen og til varmtvannet i for eksempel boliger. De har også en viktig funksjon i industrianlegg. Blant annet brukes de til å holde riktig temperatur i kjemiske prosesser. Kjøle- og fryseanlegg er avhengig av termostater for at for eksempel matvarer skal lagres ved riktig tem­ peratur. Pressostater eller trykkbrytere brukes blant annet i forbindelse med kompressoranlegg for trykkluft. Både i forbindelse med regulering, varsling og sikring bruker vi termostater og pressostater. Disse komponentene er bindeleddet mellom for eksempel de forhol­ dene vi har i et rom når det gjelder trykk og temperatur, og et elektrisk overfø­ ringssystem. Termostaten inneholder et temperaturfølsomt element, for eksempel et bimetall, og et elektrisk kontaktsett med en åpnekontakt (NC) og en sluttekontakt (NO). En pressostat inneholder et trykkfølsomt element, gjerne en belg, og et elektrisk kon­ taktsett på samme måte som termostaten.

130

Figur 9.7 Montering og kabelinnføring i endebrytere Det er mange forskjellige utførelser av termostater og pressostater. Leverandøre­ nes kataloger gir prosjekterings veiledning og detaljert informasjon om virkemåte og bruksområder.

Figur 9.8 Termostat med fjernføler, deksel med vinduer og knapp for håndinnstilling

Nivåbrytere Nivåbrytere brukes til å overvåke og regulere nivåer i ulike væsker. Nivåbrytere finner vi blant annet i forbindelse med tankanlegg av forskjellige slag når det er snakk om væskenivå, automatisk fylling og tømming. Det finnes mange typer nivåbrytere. En vanlig type er nivåvipper. De kan være formet som staver, kuler, gummiklokker eller dråpeformede plastklokker. Figur 9.9 viser en vanntett nivåvippe (klokke) med innebygd kvikksølvbryter og en ballast. Vekten av ballasten gjør at tyngdepunktet og oppdriftspunktet forskyves i forhold til hverandre. Vip­ pen vil derfor kantre når væskenivået stiger slik at kontakten sluttes eller brytes. Signalet brukes til styring av pumper, magnetventiler og alarmer, for eksempel ved for høyt eller for lavt nivå.

131

Figur 9.9 Nivåvippe med kvikksølvkontakt

De elektroniske signalgiverne kan som nevnt være induktive og kapasitive. De har berøringsfrie avfølingsorganer og kontaktløse utganger. Når bryteren nærmer seg, omsettes dette til en koplingsordre. Det behøves ingen kraft. En produsert enhet på et samlebånd hindres ikke i fram transporten. Beregning av anslagsvinkel og andre mekaniske hensyn faller bort. En type bryter dekker mange bruksområ­ der. Dette forenkler lagerholdet. De elektroniske giverne har altså ingen mekaniske avfølingsorganer eller bevege­ lige kontaktdeler som slites. Det kreves derfor ikke noe vedlikehold. Levetiden begrenses ikke av koplingsfrekvensen. Koplingsfrekvensen er høy. Utgangssignalene er enkle å bearbeide i kontaktløse styresystem. Giveren er robust og påvirkes ikke av vann, støv, olje, fortynnet syre eller lut.

Figur 9.10 Elektroniske signalgivere - induktive og kapasitive

132

Funksjonsprinsipp og avfølingsmetoder De induktive giverne arbeider med demping etter oscillatorprinsippet (L-C-svingekrets). Oscillatoren består oftest av en spole i en åpen ferrittkjerne. Oscillatoren bygger opp et svært høyfrekvent elektromagnetisk felt. Dette feltet kaller vi aktiv koplingssone. Når en elektrisk ledende metallgjenstand kommer innenfor følerens reaksjonsområde, forstyrres feltet, og det blir forbrukt energi. Transistoroscillatoren blir dem­ pet, og føleren gir et signal. Det er altså elektrisk ledende metaller som påvirker en induktiv føler.

Det finnes altså to tilstander:

- Oscillatoren svinger ikke: objekt koplingssonen - Oscillatoren svinger: ikke objekt i koplingssonen Disse to tilstandene registreres elektronisk. Over en effektforsterker og en taktgiver (vippe) blir enten en transistor eller en tyristor utstyrt. Den induktive avfølingen skjer altså berøringsløst mot alle ledende metaller. Materialet som befinner seg i koplingssonen, blir ikke magnetisk. Det er derfor ingen fare for at metallspon skal samle seg i koplingssonen. Avfølingsavstanden er avhengig av materialtype, størrelse og form. Giveren gir også signal gjennom isolasjonsmaterialer.

De kapasitive følerne påvirkes av forandringen i det elektriske feltet og bygger på RC-svingekrets.

Det er prinsippet for en kondensator som ligger til grunn for konstruksjonen av denne typen givere. Ved å gi elektroden (kapasitansen) en bestemt form får vi en aktiv koplingssone. Når et objekt passerer giveren, virker objektet som den andre platen i kondensatoren og øker kapasitansen. Svingekretsen forandres. En kapasi­ tiv giver reagerer på faste og flytende stoffer.

Det finnes også her to klart definerte tilstander: - Stor svingeamplitude: objekt innenfor den aktive koplingssonen - Liten svingeamplitude: objekt ikke innenfor den aktive koplingssonen

Disse to tilstandene registreres elektronisk. Over en effektforsterker og en taktgiver (vippe) blir enten en transistor eller en tyristor utstyrt. Kapasitiv avføling

133

skjer berøringsløst mot alle materialer og væsker avhengig av ledningsevnen, for eksempel glass, plast og tre, men også metall og væsker som vann, fruktsaft og melk. For å justere avfølingsavstanden for de enkelte objektene er de kapasitive giverne utstyrt med et justeringspotensiometer.

Det finnes givere for både vekselspenning og likespenning.

Giverne for vekselspenning bygges normalt i tolederutførelse, der giveren spenningsmates i serie med lasten. I hviletilstand er reststrømmen ca. 2,5 mA. Givere for vekselspenning kan direkte erstatte mekaniske grensebrytere og kople lasten uten ekstra forsterker.

Toledersystem, slutter ved påvirkning

Toledersystem, bryter ved påvirkning

Koplingsskjema PNP Treledersystem, slutter ved påvirkning

Koplingsskjema NPN Treledersystem, bryter ved påvirkning

Toledersystem, programmerbar utgang

Toledersystem, programmerbar utgang

Figur 9.12 Eksempler på tilkopling av berøringsløse givere Prinsipiell virkemåte for to- og treledertilkopling

Givere for vekselspenning, toledertilkopling Disse giverne har følgende utgangsfunksjoner

- Arbeidsstrømprinsipp - sluttende funksjon. Objektet i avfølingssonen gjør utgangen ledende. - Hvilestrømprinsipp - brytende funksjon. Objektet i avfølingssonen gjør utgan­ gen åpen. Givere for likespenning, treledertilkopling Disse giverne er utstyrt med transistorutgang og trenger ingen ekstra forsterker. De har følgende utgangsfunksjoner

134

- Negativt utsignal, NPN Ved ledende utgang får vi minus på signalledningen. Koplingstransistoren lig­ ger mellom minus og utgang.

- Positivt utsignal, PNP Ved ledende utgang får vi pluss på signalledningen. Koplingstransistoren ligger mellom pluss og utgang.

Fotoelektriske givere En fotoelektrisk signalgiver (fotocelle) består av en senderenhet, en mottakeren­ het og en utgangsenhet som sender ut signalet som skal overføres. Virkemåten er slik at en rettet lysstråle sendes mot mottakeren. Lysstrålen kan være synlig lys, men infrarødt lys er vanlig og dessuten usynlig for det menneskelige øyet. Motta­ keren inneholder for eksempel en transistorutgang eller en tyristorutgang. Når lysstrålen brytes, gir utgangsenheten et signal.

Fotocellesystemene lages i tre typer og med eller uten tidsforsinkelse: - Sender og mottaker i samme enhet (boks) med refleksavføling, figur 9.13a. Systemet må ha en reflektor som kaster lyset tilbake til senderen. Når lysstrålen brytes, gir utgangsenheten signal. Rekkevidden er ca. 10 m med en 80 mm reflektor. - Sender og mottaker i samme enhet med direkte avføling, figur 9.13b. Denne fotocelletypen virker slik at det er objektet som skal avføles (detekte­ res), som reflekterer lyset. Rekkevidden er liten, opp til ca. 10 cm.

- Sender og mottaker i hver sin enhet, figur 9.13c. Når lysstrålen brytes, gir utgangsenheten signal. Rekkevidden er for eksempel 30 meter.

135

Kontrollspørsmål Definer begrepet givere. Vis ved tegning riktig montering av mekaniske endebrytere. Forklar hvordan en nivåvippe virker. Hvordan virker en termostat, og hva brukes den til? Nevn konkrete bruksområ­ der. 5 Hvilke fordeler har de elektroniske giverne sammenlignet med de mekaniske? 6 Hvordan virker i prinsippet en induktiv og en kapasitiv giver? I hvilke tilfeller bruker vi de to typene? Hvordan koples de to typene opp? 7 Hvordan virker i prinsippet de tre typene fotoceller?

1 2 3 4

Oppgave Givere er en omfattende og mangfoldig del som løser forskjellige kontroll- og sty­ ringsoppgaver i de ulike installasjonene. Det er viktig å lære seg bruken av disse komponentene. Klassen skal gå nærmere inn på de enkelte givertypene. Dette passer godt for eksempel som gruppearbeid eller prosjektarbeid i forbindelse med en styringsoppgave. Skaff brosjyremateriell og lag en tverrfaglig oppgave. Bruk fantasien og tenk også tverrfaglig (engelsklærer og norsklærer) utforming av opp­ gaven. Resultatet legges fram i klassen som en rapport.

Sikkerhet For å sikre trygg og sikker drift av elektriske anlegg må vi først og fremst ta hen­ syn til

- personsikkerhet - brannsikkerhet - driftssikkerhet

Personsikkerhet Beskyttelsestiltakene som er beskrevet i FEB, tar særlig sikte på å beskytte men­ nesker og husdyr mot farlig strømgjennomgang. I neste omgang kommer beskyt­ telse av eiendom.

Vi må redusere faremomentene ved berøring av spenningsførende deler. Slik berøring kan føre til at det kan gå strøm gjennom kroppen. Resultatet kan bli for­ brenninger på grunn av lysbuer som dannes ved berøringen. Vi kan dele inn personsikkerheten og sikkerhetstiltakene i to grupper:

- sikkerhet ved normal bruk - sikkerhet ved arbeid på anlegg som står under spenning Det er ikke tillatt å arbeide på anlegg som står under spenning, hvis ikke de sikkerhetsforanstaltningene som er beskrevet i driftsforskriftene, er iverksatt.

De største faremomentene ved elektriske anlegg er

- farlig strømgjennomgang - høye temperaturer som kan føre til forbrenning, brann eller ha andre skadelige virkninger Elektriske installasjoner må utføres etter de kravene som FEB stiller. Installasjo­ nene skal monteres og isoleres slik at spenningsførende deler er beskyttet mot direkte berøring. Det må ikke oppstå personskade ved berøring av tilgjengelige deler som er satt under spenning på grunn av feil.

136

Lavere spenning gir lavere risiko for skader ved berøring og støt. Det er større fare for skader ved berøring og ved støt i et 230/400 V TN-system enn i et 230 V IT-system. Sikkerhetstiltakene skal gi beskyttelse mot elektrisk støt ved både indi­ rekte og direkte berøring, og både under normal drift og ved feil.

Figur 9.14 Direkte og indirekte berøring

Beskyttelse mot farlige berørings spenninger og strøm gjennom kroppen er omhandlet i §§ 411, 412, 413 i FEB. Vi henviser derfor til de enkelte beskyttelses­ tiltakene som er utførlig beskrevet i FEB.

Den høyest tillatte berøringsspenningen ved feil er under normale forhold 50 V vekselspenning og 120 V rippelfri likespenning. Ved vurdering av beskyttelsestil­ tak må vi se på de mest ugunstige tilfellene av berøring. Når vi skal undersøke dette nærmere, kan vi se bort fra både ledningsresistansen, R}, overgangsresistansen på feilstedet, R{, og resistansen over jordelektroden til transformatoren, RB. Det er kroppsresistansen Rm og underlagsresistansen Ru som teller. R} og R{ er svært små i forhold til 7?m og Æu. Som en gjennomsnittsverdi kan vi regne med

137

1250 Q for Åm. Den totale spenningen over feilkretsen er i verste fall lik linjespenningen. Vi regner med det når vi skal vurdere feilstrømsforhold og beskyttel­ sestiltak. Spenningen over feilresistansen, kroppsresistansen og resistansen i underlaget kaller vi feilspenningen. Spenningen over kroppsresistansen kalles berøringsspenningen. Vi setter altså kroppsresistansen lik 1250 Q og fasespennin­ gen lik 230 V. En person som står på et uisolert gulv med en underlagsresistans på 0 Q får da en feilstrøm gjennom kroppen på I =-^~ F x„, + R,