Elkraftteknikk. 1 : Elektriske maskiner og strømrettere [1, 3 ed.] 8200353303 [PDF]

Zitiervorschau

Norvald Steen

ELKRAFTTEKNIKK 1 Elektriske maskiner og strømrettere

Bb

Nasjonalbiblioteket

* Depotbiblioteket

Universitetsforlaget Oslo-Bergen-Stavanger-Tromsø

© Universitetsforlaget 1974

ISBN 82-00-35330-3

2. utgave 1979 3. utgave 1983 Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshaver­ nes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Mette Moen Trykk: P. J. Schmidt A/S, Vojens, Danmark 1983

Forord Tredje utgave er vesentlig endret i forhold til de tidligere utgavene. Innholdet er omredigert og supplert. Kapittel 1 «Generelt om elektriske anlegg» er tatt ut og erstattet med et innledningskapittel. Kapittel 5 «Strømrettere - elementæ­ re koblinger» er helt nytt. (Kapitlet «Generelt om elektriske anlegg» vil bli å finne i en ny utgave av Elkraftteknikk II.) Videre er alle kapitlene, unntatt innledningskapitlet, sup­ plert med øvingsoppgaver. Et par avsnitt (4.1.10 og 4.5.3) er skrevet om på grunn av at «Norske normer for roterende elektriske maskiner av 1956» er erstattet av IEC-publikasjon nr. 34. Det er ellers gjort noen mindre tilføyelser og justeringer i teksten. Boka er primært beregnet for studenter ved ingeniørhøg­ skolenes elektronikklinjer og for andre som har et grunnlag i elektrisitetslære og trenger en innføring i elkraftteknikk. For studenter ved linjer for elkraftteknikk, og andre som vil spesialisere seg innen dette fagområdet, kan boka passe for første trinn i studiet.

Narvik i mai 1983

Norvald Steen

Innhold 1 Innledning

7

2 Energiomforming, tapsvarme og merkedata 11

2.1 Energiomforming 11 2.2 Varmeutvikling og kjøling. Merkeverdier 12 2.2.1 Varmeutvikling og overtemperatur 12 2.2.2 Kjøling og merkeverdier 16 2.3 Isolasjonsmaterialer og kapsling 18 2.4 Dataskilt 19 2.5 Øvingsoppgaver 21

23 Prinsipp ved ideell transformator 23 Transformator i tomgang. Ekvivalentskjema og viserdiagram 26 3.2.1 Strøm, spenning og magnet­ felt 26 3.2.2 Tomgangsstrømmens kompo­ nenter. Ekvivalentskjema 29 Belastning. Ekvivalentskjema og vi­ serdiagram 33 3.3.1 Ekvivalentskjema 33 3.3.2 Virkning av frekvensvariasjon 36 3.3.3 Viserdiagram 37 Spenningsfall 39 Tap og virkningsgrad 44 Trefasetransformatorer 47 3.6.1 Prinsipp 47 3.6.2 Trefasekoblinger 48 Autotransformatorer og regulertransformatorer 53 Parallelldrift 55 Oppbygning og hjelpeutstyr 57 3.9.1 Kjerne og viklinger 57 3.9.2 Kjøling og beskyttelse av de aktive deler 60

3 Transformatorer

3.1 3.2

3.3

3.4 3.5 3.6

3.7 3.8 3.9

3.10 Måletransformatorer 62 3.10.1 Formål 62 3.10.2 Strømtransformatorer 62 3.10.3 Spenningstransformatorer 63 3.10.4 Nøyaktighet og klassifi­ sering 64 3.11 Øvingsoppgaver 66 4 Roterende elektromaskiner

73

4.1 Asynkronmaskiner 73 4.1.1 Innledning 73 4.1.2 Trefase asynkronmaskiner. Oppbygning 73 4.1.3 Trefase asynkronmaskin. Prin­ sipp 77 4.1.4 Induserte spenninger 82 4.1.5 Ekvivalentskjema 84 4.1.6 Effekt og dreiemoment 87 4.1.7 Regulering av omdreiningstallet 90 4.1.8 Startforhold 93 4.1.9 Enfase asynkronmotorer 97 4.1.10 Tap og virkningsgrad 101 4.2 Synkronmaskiner 102 4.2.1 Oppbygning og prinsipp 102 4.2.2 Driftsforhold. Ekvivalentskjema og viserdiagram 105 4.2.3 Innkobling på trefasenett. Fasing 110 4.3 Likestrømmaskiner 111 4.3.1 Innledning 111 4.3.2 Generering av likespenning. Strømveier i ankeret 112 4.3.3 Oppbygning av den magnetiske hovedkrets. Magne tiseringssystem 115 4.3.4 Ankerreaksjon, kommutering og hjelpepoler 117 4.3.5 Indusert spenning og spennings­ fall i ankeret 120

5 Strømrettere - elementære koblinger 155

5.1.1 Dioden 156 5.1.2 Krafttransistoren 157 5.1.3 Tyristoren 158 5.2 Likeretterkoblinger 159 5.2.1 En veis enpulskobling 160 5.2.2 Enveis topulskobling (midtpunktkobling) 163 5.2.3 Toveis topulskobling (enfase brokobling) 165 5.2.4 Enveis trepulskobling 166 5.2.5 Toveis sekspulskobling 168 5.2.6 Likestrømmens kurveform. Glatting 171 5.2.7 Kommutering 172 5.3 Styrte strømrettere 174 5.3.1 Styrt enpulslikeretter med ohmsk last 174 5.3.2 Styrt topulslikeretter 175 5.3.3 Styrt trepulslikeretter 177 5.3.4 Tyristorstyrt vekselretter 179 5.3.5 Spenningsregulering av likestrømmotorer 180 5.3.6 Kontroll av vekselspenning med triac eller tyristorer 181 5.3.7 Transistorvekselrettere 183 5.3.8 Frekvens.styring av kortsluttmotorer 184 5.4 Øvingsoppgaver 186

5.1 Dioder, krafttransistorer og tyristorer 156

Stikkord

4.4

4.5

4.6 4.7

4.3.6 Generatordrift 122 4.3.7 Motordrift 124 Andre maskintyper. Småmotorer 131 4.4.1 Oversikt 131 4.4.2 Vekselstrøm - kommutatormaskiner 131 4.4.3 «Jernløs» likestrømmotor 133 4.4.4 Reluktansmotorer 133 4.4.5 Hysteresemotorer 134 4.4.6 Bremsemotorer 134 4.4.7 Elektrisk aksel 135 4.4.8 Stegmotorer (stepmotorer, trinnmotorer) 137 4.4.9 Lineærmotorer og polysolenoider 137 Valg av motor 138 4.5.1 Generelt 138 4.5.2 Krav til driftsegenskapene 139 4.5.3 Merkeeffekt og merkestrøm 140 4.5.4 Andre tekniske krav 144 4.5.5 Økonomisk vurdering 144 Feiltilfeller 145 Øvingsoppgaver 148

189

1 Innledning Utviklingen av maskiner som kunne levere eller nyttiggjøre elektrisk strøm, startet for alvor omkring 1880. Det som gav støtet til utviklingen, var sannsynligvis oppfinnelsen av brukbare glødelamper, armaturer og brytere. Dette førte nemlig til at flere og flere forstod at elektrisiteten kunne bli til nytte for alle. Man hadde først og fremst bruk for maskiner som kunne levere likestrøm til lys, dvs. likestrømgeneratorer. Men ettersom en likestrømgenerator også kan kjøres som motor, dvs. utføre mekanisk arbeid når den får elektrisk strøm fra f.eks. en annen maskin, kom bruk av elektriske motorer fort inn i bildet. Likespenning og likestrøm blir ikke laget direkte i en likestrømgenerator. Det som skjer er at det ved induksjon genereres vekselspenning som, ved hjelp av en strømvender (kommutatoren) og såkalte børster, blir omdannet til like­ spenning (se kap. 4.3). Det var derfor nærliggende å anvende vekselspenning og vekselstrøm direkte. Allerede ved århundreskiftet hadde vekselstrømmen for­ trengt likestrømmen innen alminnelig elektrisitetsforsyning. Til produksjon av elektrisk energi ble likestrømgeneratorene skiftet ut med vekselstrømgeneratorer (synkronmaskiner), og likestrømmotorene ble erstattet av vekselstrømmotorer (hovedsaklig asynkronmotorer) som ble vesentlig billigere. Etter som det var mye enklere å regulere rotasjons­ hastigheten (omdreiningstallet, turtallet) på en likestrømmotor enn på en vekselstrømmotor, var det imidlertid fortsatt bruk for likestrømmotorer. Dette gjaldt særlig drift av sporveier, valseverk, papirmaskiner o.l. Vekselstrømmen har, foruten fordelen med direkte gen­ erering i generatorene, den fordelen at den på en enkel måte kan overføres fra et spenningsnivå til et annet ved hjelp av en elektrisk maskin uten bevegelige deler. En slik maskin 7

kalles for en transformator. Det å kunne forandre spen­ ningsnivået har stor betydning i alminnelig elektrisitetsfor­ syning, hvor det av hensyn til overføringstapene er behov for høy spenning når store energimengder skal transporte­ res over lange avstander, og hvor det av hensyn til kostna­ der og sikkerhet ikke kan brukes så høy spenning ved fordeling til de enkelte forbrukere. Hovedtypene av de elektriske maskinene innen elkraftteknikken er hermed allerede nevnt. Det er altså likestrømmaskinene, synkronmaskinene, asynkronmaskinene og transformatorene. Det finnes naturligvis en lang rekke varianter og spesialutførelser, men det er prinsippet ved disse hovedtypene som går igjen, eventuelt i en kombina­ sjon. Bruken av ovennevnte maskiner blir i stigende grad kombinert med bruk av strømventiler som nå hovedsakelig baseres på halvledermaterialer (dioder, transistorer og tyristorer). Strømventilene alene, eller i kombinasjon med en transformator, regnes ofte som en egen form for elektriske maskiner og går under fellesnavnet strømrettere (se kap. 5). Hovedtyper av strømrettere er likerettere, vekselrettere, frekvensomformere og likespenningsomformere. Strømrettere har fått en sterkt stigende anvendelse innen elkraftteknikken i årene etter ca. 1960. Man har særlig sett dette innen høyt automatisert industri og innen oljeindu­ strien til havs. Men strømretterne er på innmarsj over alt, både innen industri og næringsliv og i «de tusen hjem». Når det gjelder den generelle utviklingen av elektriske maskiner, kan det ved første blikk se ut som om den ikke har vært så stor. En motor fra 1920 ser ikke så forskjellig ut i forhold til en motor fra 1980. Men når en ser nærmere etter, vil en kunne oppdage omfattende forskjeller. Det er stadig gjort forbedringer som har gitt utslag i bedre driftsegenskaper og mer effekt pr. vektenhet av de materialer som er brukt. I hvor stor grad maskinene er utviklet kan en få et inntrykk av ved å studere fig. 1.1 som viser hvor mange watt man har greidd å få ut av hvert kilo likestrømmotor i tidsrommet 1880 til 1980. Det startet med ca. 10 W/kg i 1880 og var oppe i 180 W/kg i 1980. Fig. 1.1 viser også at utviklingen har gått relativt lang­ somt fra ca. 1905 (da begynte man å bruke hjelpepoler) til ca. 1965. Effektutbyttet steg bare fra ca. 40 til ca. 50 W/kg i dette tidsrommet. Men etter denne tid har utviklingen vært 8

eksplosiv. Dette har flere årsaker. Det kan pekes på effektivisering av kjølesystemet, statorens utforming og bruk av elektronisk databehandling til optimalisering av konstruksjonen. I de følgende kapitler vil en imidlertid bare i liten utstrekning komme inn på utviklingen av maskinenes kon­ struksjon. Boka tar først og fremst sikte på å gi en grunnleggende innføring i hvordan hovedtypene av elektri­ ske maskiner fungerer og hvilke driftsegenskaper de har. Men aller først kan det være naturlig å se litt på det generelle sambandet mellom energiomformingen og maski­ nenes merkedata.

w] f

kg]

180-•

/ i l l I I I i I I i l I I I I / /

160 -■

140 ■■ 120 "

100 -■ 80 ■ /

60 • 40 -

20 —I---- 1---- 1----- 1---- 1---- 1---- 1---- 1---- 1---- ♦---- 1---- b

1880

1900

1920

1940

1960

1980

Fig. 1.1 Utvikling av effektutbytte fra likestrømmotorer

9

Energiomforming, tapsvarme og merkedata 2.1 Energiomforming Elektriske maskiner brukes til omforming av energi. Gene­ relt blir elektrisk energi enten tilført eller avgitt. Det kan også være begge deler samtidig. Maskinene kan omforme mekanisk energi (arbeid) til elektrisk energi eller omvendt. Det kan også være bare en omforming av den elektriske energien. Dette gjelder for eksempel transformatorer og strømrettere. Ved energiomformingen nyttes nesten alltid magnetiske felt. En sier at maskinene arbeider etter det elektromagneti­ ske prinsipp. I de magnetiske kretser, som i de fleste tilfelle hovedsakelig er en jernkrets, kan det være lagret energi som en må ta hensyn til ved beregninger. I roterende maskiner er det under drift også lagret mekanisk energi (kinetisk energi). Denne energien kan være viktig å regne med når omdreiningstallet (turtallet) skal endres, noe som er aktuelt ved start og stopp, ved regulering og i en viss utstrekning ved forandring i belastningen. I elektriske maskiner vil alltid mer eller mindre energi gå tapt ved at den går over til varme (se fig. 2.1 og følgende Tap

Tilfbrt energi

MASKIN

Fig. 2.1 Energiomforming i elektrisk maskin

11

avsnitt). Dette tapet er av særlig betydning når maksimallasten skal fastsettes. Generelt vil en for et tidsrom alltid kunne sette opp følgende energiligning: ^el + ^nek = ^nagn + ^kin + ^varme

(2.1.1)

Ser en her venstre side av ligningen som tilført energi, vil for en motor Wel være positiv og negativ. Ved generatordrift er dette omvendt. Den oppstilte energiligning gjelder også for et videre begrep enn elektromaskiner, nemlig elektromekaniske ap­ parater. Innen dette begrepet må en også regne f.eks. releer og høyttalere. Det som skiller elektromaskiner fra andre elektromekaniske apparater er først og fremst virkningsgra­ den. Elektromaskinene må ha høy virkningsgrad, dvs. små tap av energi. Dette er langt mindre vesentlig for for eksempel en høyttaler. En skiller mellom maskinenes aktive deler og de øvrige deler. De aktive deler er direkte med i energiomformingen og består av magnetkrets (jernkrets) og viklinger. De øvrige deler har som oppgave å bære, beskytte og kjøle de aktive deler, samt å overføre krefter for eksempel til fundament eller arbeidsmaskin. Roterende maskiner har alltid aktive deler både i den stillestående del (statoren) og den roterende del (rotoren).

2.2 Varmeutvikling og kjøling. Merkeverdier 2.2.1 Varmeutvikling og overtemperatur

Som nevnt i forrige avsnitt vil alltid en del energi gå tapt ved energiomformingen i elektriske maskiner. Ved konstruksjo­ nen søker en å få disse tapene små, men disse bestrebelser begrenses av tekniske og økonomiske faktorer. Den tapte energien er stort sett den som går over til varme. En vesentlig mindre del avgis i form av lydbølger. Tapene medfører altså en varmeproduksjon i maskinene. Varmeproduksjonen vil for en stor del skrive seg fra den joulske varmen på grunn av at den elektriske strømmen må passere en viss resistans i viklinger, børster og andre ledende forbindelser (strømvarmetap). En lignende varmeutvikling får en på grunn av induserte virvelstrømmer, særlig i jernet i den magnetiske krets. Varmeutviklingen kan videre skrive seg fra hysterese i de ferromagnetiske materialer, og for 12

roterende maskiner kan den skrive seg fra lager-, luft- og børstefriksjon. Den produserte varmeenergi medfører en temperaturøk­ ning, først og fremst i maskinenes aktive deler. Når tempe­ raturen stiger i forhold til omgivelsestemperaturen, vil en få en økende varmeavgivelse. Temperaturen vil stabilisere seg når produksjon og avgivelse av varmeenergi er blitt like store. Varmeavgivelsen skjer ved en varmeoverføring eller var­ metransport til omgivelsene. Dette kan generelt foregå ved varmeledning, konveksjon (transport via molekyler som forflyttes, for eksempel luftmolekyler i en luftstrøm) eller stråling. For disse tre prinsipper gjelder vidt forskjellige fysiske lover. Egentlig vil en for elektriske maskiner alltid ha en kombinasjon av disse tre prinsipper for varmeoverføring. Hvilke av dem som dominerer, vil avhenge av konstruksjo­ nen. En vil imidlertid ofte regne ut fra det som egentlig bare gjelder ved varmeledning, nemlig at varmeavgivelsen er direkte proporsjonal med differensen mellom de aktive delers temperatur og omgivelsestemperaturen. Denne diffe­ rensen kalles gjerne overtemperaturen og kan uttrykkes ved

0 = 3mask-3omg

(2.2.1a)

Når en elektrisk maskin settes i drift, vil en altså få en varmeproduksjon på grunn av tapene. Dette medfører en stigende overtemperatur i forhold til omgivelsene. Hvor fort temperaturen stiger, vil avhenge av hvor stor varmeeffekten er i forhold til den varmemengde som skal til for å gi maskinens masse en viss temperaturøkning, dvs. i forhold til maskinens varmekapasitet. Regner en at varmeproduksjonen er konstant, at maski­ nen kan betraktes som en homogen masse, og at varmeavgi­ velsen er direkte proporsjonal med overtemperaturen, vil en etter idriftsettelse få en overtemperatur som følger en eksponentialfunksjon av tiden

0 = 0maks(l-e'f/r)

(2.2.1b)

Her er ^maks = ^siutt— ^beg = maksimal overtemperatur, dvs. den overtemperatur en til slutt vil få når varmepro­ duksjon og varmeavgivelse er blitt like store. 13

e = grunntallet i det naturlige logaritmesystem. t — tiden. T = temperaturtidskonstanten. Denne har en fast verdi for hver enkelt maskin, og er et mål på varmekapasi­ tet i forhold til varmeavgivelse.

Ved å sammenholde ligningene ovenfor har en

= (9siu„ - 9b.s) (1 - e" "T) + 9beg

(2.2.1c)

Denne ligningen er fremstilt grafisk i fig. 2.1. Temperaturtidskonstanten kan defineres som den tid det ville ta å oppnå sluttemperaturen dersom varmeavgivelsen var lik null. Det vil igjen si tiden det ville ta å oppnå sluttemperaturen om temperaturen hele tiden steg like raskt som ved tiden t = 0 (tidspunktet for idriftsettelse). Tidskonstanten T kan således finnes ved å legge en tangent til kurven i begynnelsespunktet (ved Z = 0). Se fig. 2.2.

Fig. 2.2 Temperaturvariasjon ved konstant varmeeffekt

Ved å sette t— Tinn i ligningen for overtemperaturen kan en finne hvor stor del av den totale (maksimale) overtemperatur som i virkeligheten er oppnådd etter en tid lik tidskonstanten. En vil finne at en da har nådd 63,2% av maksimal overtemperatur. (Kontroller dette!) Av ligningene ser en at sluttemperaturen egentlig ikke oppnås i praksis fordi det vil ta uendelig lang tid. Ofte regner en imidlertid at sluttemperaturen er oppnådd etter en tid lik ca. 5 ganger tidskonstanten. Det vil da gjenstå mindre 14

enn 1% av den maksimale overtemperatur. (Dette kan kontrolleres ved å sette t = 5T inn i ligningen.) Dersom en driftsvarm maskin avlastes eller stoppes, vil varmeproduksjonen avta eller opphøre, og overtemperatu­ ren vil synke. Temperaturen vil da følge en tilsvarende kurve nedover (se fig. 2.3).

Fig. 2.3 Temperaturvariasjon ved plutselig endring i varmeeffekten

Ved vekslende (intermitterende) drift vil temperaturen ikke komme så høyt som om den høyeste lasten var varig. Dersom tidsrommene med høy last er små i forhold til mellomliggende perioder, kan overtemperaturen til og med bli betydelig lavere enn om den høyeste last hele tiden var inne. Denne virkningen av den termiske treghet er illustrert i fig. 2.4.

Fig. 2.4 Temperaturvariasjon med vekslende varmeeffekt grunnet veks­ lende last

15

2.2.2 Kjøling og merkeverdier

Det er grenser for hvor høy temperatur en kan tillate i elektriske maskiner. I praksis settes bestemte grenser ut fra forskjellige kriterier (se boka «Elektromaskiner» fra Tekno­ logisk Forlag): a) Lite varmebestandige elementer kan bli ødelagt. Det mest utsatte element er den elektriske isolasjon. b) Relative bevegelser grunnet ujevn temperaturutvidelse. c) Slitasje i tilknytning til relative bevegelser. d) Vibrasjoner eller lyd kan ytre seg på forskjellige måter, og kan føres tilbake til forskjellige varmetekniske for­ hold.

I de fleste tilfelle er hensynet til isolasjonsmaterialene avgjørende for maksimal tillatt temperatur. Siden det er direkte samband mellom belastning, varmeproduksjon og overtemperatur, blir maksimallasten begrenset av maksimal tillatt overtemperatur. Det er imidlertid klart at omgivelsestemperaturen og effektiviteten i varmetransporten (kjølin­ gen) er like avgjørende. De som skal kjøpe eller bruke en elektrisk maskin, må vite hvor mye og hvor lenge maskinen kan belastes uten at den blir for varm. De må også vite hvilken omgivelsestemperatur eller kjølemiddeltemperatur den kan ha ved en bestemt last. Dersom andre forhold som for eksempel spenning, frekvens eller turtall virker inn på temperaturen, må også dette være kjent. Når tillatt belastning er satt til en fast verdi fra fabrikken, må det naturligvis være tatt hensyn til alt dette. Belastning og driftsbetingelser må også være angitt på en enkel og entydig måte. For brukerne vil det være en stor fordel om alle fabrikan­ ter angir tillatt last ut fra samme regler. Det ville for eksempel komplisere om en fabrikant angav tillatt last ut fra en maksimal omgivelsestemperatur på 20 °C, mens en annen angav tillatt last ut fra en omgivelsestemperatur på 50°C. Dersom dette gjaldt for eksempel motorer på 5 kW, ville den motoren som var beregnet for 50°C kunne belastes betydelig mer enn 5 kW ved 20°C, mens den som var beregnet for 20°C ikke kunne belastes med 5 kW ved 50°C. Motorene var med andre ord ikke like store. Det er utarbeidet både nasjonale og internasjonale nor­ mer for hvordan både tillatt last og andre merkedata * skal * Eng.: rating. Tysk: Nenngrosen

16

beregnes og angis. Som regel er det også full overensstem­ melse mellom de internasjonale og de nasjonale normene. De internasjonale normene utgis som publikasjoner fra «International Electrotecnical Commission» (IEC). I Norge er det Norsk Elektroteknisk Komite (NEK) som utgir nasjonale normer for bl.a. elektriske maskiner. * Merkeeffekten eller den påstemplede ytelse bør ifølge de norske normene angis på følgende måte:

a) For likestrømgeneratorer den elektriske ytelse ved klem­ mene, uttrykt i watt (W) eller kilowatt (kW) eller mega­ watt (MW). b) For vekselstrømgeneratorer den tilsynelatende elektriske ytelse ved klemmene, uttrykt i voltampere (VA) eller kilovoltampere (kVA) eller megavoltampere (MVA). c) For motorer den mekaniske ytelse som står til rådighet fra akselen, uttrykt i watt (W) eller kilowatt (kW) eller megawatt (MW). d) For motorer mindre enn ca. 100 watt er det alminnelig å påstemple dem den opptatte ytelse i watt eller voltampe­ re. I «Norske normer for krafttransformatorer» er merke­ effekten definert som den tilsynelatende effekt (syneffekt i kVA eller MVA) slik fastlagt at den under de driftsforhold som er spesifisert, definerer merkestrømmens størrelse ved tilført merkespenning. Etter som det er direkte samsvar mellom merkeeffekt og tapsvarme, må det også være samsvar mellom merkeeffekt og kjøling. For at varmeavgivelsen eller kjølingen av maskinene skal bli god i forhold til den disponible overtemperatur, må en ta hensyn til dette ved konstruksjonen. For større maskiner vil det som regel ikke være nok med den naturlige kjølingen. Selv på relativt små maskiner benyttes kjøleribber og vifter (ventilatorer). Ved større maskiner vil det være økonomisk å effektivisere luftkjølingen også ved hjelp av et system med kjølekanaler. På noen av de største maskinene benyttes også et rørsystem for direkte vannkjøling av de aktive deler. Større transformatorer er fylt med olje, som ved siden av å isolere elektrisk, også har som oppgave å kjøle de aktive deler. * Eng.: rated power

17

2

2.3 Isolasjonsmaterialer og kapsling Det har vært benyttet en lang rekke forskjellige materialer til elektrisk isolasjon i de elektriske maskiner. (Se f.eks. tillegg til §41 i «Norske normer for roterende elektriske maskiner» av 1956.) En vil her ikke behandle de enkelte materialer, men bare kort se på hvordan de er klassifisert med hensyn til driftsforholdene. Ut fra temperaturbestandigheten har en delt isolasjons­ materialene i klasser (se tabell 2.1). Denne klasseinndelin­ gen er gitt i publikasjon nr. 85 fra IEC. Isolasjonsklasse

A

E

B

F

H

Midi. viki. temp. (°C) Maks. viki. temp. (°C)

100 105

115 120

120 130

140 155

165 180

Tabell 2.1 Isolasjonsklasser

Det har i de senere år vært en rask utvikling av nye isolasjonsstoffer som har gitt gode muligheter til å øke kvaliteten og dermed også minske maskinenes volum. Normene for isolasjonsstoffene er til dels blitt betraktet som foreldet eller uriktige, men de blir likevel mye benyttet. Det som ligger til grunn for de maksimalt tillatte tempe­ raturer er ikke først og fremst at isolasjonen øyeblikkelig blir ødelagt ved en viss temperatur, men at levetiden hele tiden vil minke ved økende temperatur. Den såkalte Monzingers regel sier at levetiden halveres for hver 8. °C temperaturen stiger. Når det gjelder den elektriske spenning som isolasjonen skal holde, heter det i normene at alle maskiner skal kunne arbeide med en spenning med inntil +5% forskjell fra den påstemplede. Dersom maskinene skal kunne arbeide innen videre spenningsområder, avtales dette med fabrikanten. IEC har i publikasjon 38 angitt standard for spenninger og toleranser. For alminnelig nettspenning opereres med to alternativer, nemlig 220 V og 240 V. Ved norske elektrisi­ tetsverk opereres ofte med en gjennomsnittlig spenning på 230 V og til dels store variasjoner omkring denne spennin­ gen. Dette kan være et problem, særlig når det gjelder importerte motorer. Det må imidlertid bemerkes at proble­ met ikke først og fremst gjelder isolasjonen, men den magnetiseringsstrøm maskinene vil trekke fra nettet. 18

For elektrisk materiell og apparater, herunder også elektriske maskiner, finnes i Statens forskrifter for elektri­ ske anlegg definisjoner av forskjellig utførelse og kapslingsart. Det skilles mellom åpen utførelse, dekket utførelse, dryppsikker utførelse, sprutsikker utførelse, lukket utførel­ se, tett utførelse, eksplosjonsvernet utførelse, tennsikker utførelse, ekstraventilert utførelse, eksplosjonssikker (trykkfast) utførelse etc. Avhengig av omgivelsene stiller forskriftene forskjellige krav til kapslingen. Det er viktig at en er oppmerksom på hva som ligger i de betegnelser som her er regnet opp, spesielt ved bestilling av maskiner. De ovenfor nevnte kapslingsarter kan samles i hovedty­ pene åpen, beskyttet og lukket når det gjelder elektriske maskiner. Det er en nær sammenheng mellom arrangement av ventilasjon og mekanisk beskyttelse mot inntrengning av fremmedlegemer som for eksempel støv og vann. Ifølge IEC-publikasjon nr. 529 og 34-5 angis kapslingens beskyttelsesgrad med bokstavene IP etterfulgt av en tallko­ de som består av to sifre.

Tettkapslet

Sprutsikker

Spylesi kker

Tettkapslet utv. ventilert

ventilert

Fig. 2.5 Forskjellige kapslingsarter

2.4 Dataskilt Både forskriftene for elektriske anlegg, normene for rote­ rende elektriske maskiner og normene for krafttransformatorer har bestemmelser om dataskilt (navneplate, merkeplate). Elektriske maskiner skal ha minst ett skilt. Dette er nærmest å betrakte som et identitetskort. 19

2*

Hensikten med skiltet er at alle som får med maskinene å gjøre raskt skal kunne finne ut hva slags maskin det er, hva maskinen kan yte og hvilke forhold den er beregnet for. Det er spesifisert i forskrifter og normer hva slags opplysninger en skal kunne finne på dataskiltet. Det viktig­ ste er som regel fabrikat (leverandørens navn), fabrikasjonsnummer, strømart (like- eller vekselstrøm), merkefrekvens, merkeeffekt, merkespenning og merkestrøm. I tillegg til disse data kan det være en rekke andre data som i mange tilfelle er like viktig eller nyttig å finne på skiltet. (Se for eksempel boka Elektromaskiner, Teknolo­ gisk Forlag.) Det er etter hvert også begynt å komme strengere krav til hvilke data som skal finnes på skiltet. Dette gjelder særlig store maskiner som for eksempel krafttransformatorer (se Norske normer for krafttransformatorer av 1971). På de enkleste maskinene er gjerne også dataskiltet enkelt. Det er naturlig at en trenger mer opplys­ ninger om store og kompliserte maskiner enn for eksempel små kortslutningsmotorer. Dette gjør også utslag i det antall data fabrikantene utstyrer dataskiltet med. Foruten hovedskiltet kan en maskin også være utstyrt med et ekstraskilt med for eksempel forskrifter for smøring og annet vedlikehold. Dersom en maskin blir omviklet eller forandret, skal den ifølge forskriftene for elektriske anlegg ha et nytt skilt med nye data. Originalskiltet skal imidlertid ikke fjernes, og det nye skiltet skal stemples med årstall. Det kan bli nødvendig å henvende seg til maskinfabrikanten for å få tak i data som ikke fremgår av skiltet eller for å få oppklart feil. Fabrikanten må av og til kontaktes for å få bestilt reservedeler eller ekstrautstyr som for eksempel vern eller reguleringsutstyr. Det er da særlig viktig at fabrikantens navn er å finne på maskinens skilt. Like viktig kan det imidlertid være å kunne gi fabrikanten maskintype og fabrikasjonsnummer ut fra dataskiltet. Eksempel 2.1

En vikling av kobbertråd har ved 21 °C en resistans på 100 ohm. Det tillates en sluttemperatur på 75 °C, hvilket krever en kontinuerlig effekt på 400 W. En vil ut fra dette finne hvor stor spenning viklingen kan tåle kontinuerlig. Viklingens resistans ved 75 °C blir: 235 + 75 310 ^75 — -^21 100