Prosesstyring 1 [1] 8200428907 [PDF]

Zitiervorschau

Rolf Alvestad

Prosesstyring 1

NBR-DEPOTBIBLIOTEKET POSTBOKS 278 - 8601 MO

Universitetsforlaget

© Universitetsforlaget AS 1997 ISBN 82-00-42890-7

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverklo­ ven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstat­ ningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel. Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i okto­ ber 1997 til bruk i videregående skole på studieretning for mekaniske fag, VK1 mekaniske prosessfag, i faget prosesstyring, modul 2. Godkjenningen er knyttet til fastsatt lære­ plan av september 1994 og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. I denne boka er ca. 40 % skrevet på nynorsk og 60 % på bok­ mål. Nynorskdelen er oversatt av Per Arvid Ølmheim.

Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 2959 Tøyen 0608 OSLO Universitetsforlaget på Internett: http://www.scup.no

Illustrasjoner: Se liste på side 302 Omslag: Tor Berglie Trykk: Falch Hurtigtrykk as

Forord Prosesstyring 1 er en av to bøker (Prosesstyring 1 og Prosesstyring 2) som skal dekke hele det elektrotekniske, styrings- og reguleringsmessige og elsikkerhetsmessige pensum i VK1 mekaniske prosessfag. Prosesstyring 1 omfatter kapitlene: 1 Elektriske motorer 2 Motorvem og driftsforhold i motoranlegg 3 Startere og kontrollutstyr 4 Startmetoder i motoranlegg 5 Strømrettere 6 Dokumentasjon og montasje for motor- og kontrollanlegg 7 Feilsøking og vedlikehold i motorinstallasjoner

Prosesstyring 2, som må ses i sammenheng med Prosesstyring 1, omfatter følgende kapitler: 1 Programmerbare logiske styringer -PLS 2 Digitale logiske funksjoner utført med PLS 3 Automatisering - styring, regulering og instrumentering 4 Kvalitetssikring, internkontroll og kvalitetskontroll Hvert kapittel i begge bøkene avsluttes med kontrollspørsmål.

Den generelle delen av læreplanen og de felles målene for studieretningsfagene er integrert i begge bøkene, men det er lagt spesielt vekt på kvalitetssikring, internkontroll og kvalitetskotroll i Prosesstyring 2.

Forfatteren og Universitetsforlaget vil spesielt rette en takk til Elforlaget som har bidratt med det meste av figurmaterialet i begge bøkene (se egen liste bak i boka). Mesteparten av stoffet i denne boka har forfatteren publisert tidligere i bøkene Automatiserte anlegg og Automatisering fra Elforlaget.

Nesodden, desember 1997

Oslo, desember 1997

Rolf Alvestad

Universitetsforlaget

Innhold 1 Elektriske motorer 7 Omforming og overføring av elektrisk energi til mekanisk arbeid 7 Elektriske motorer og arbeidsmaskiner 7 Likestrømsmotorer 7 Generell oppbygning og virkemåte 9 Indusert motspenning, strøm og spenningsfall i ankeret 13 Start av likestrømsmotor med igangsettingsmotstand (startmotstand) 14 Shuntmotoren 20 Seriemotoren 24 Kompoundmotor 24 Fremmedmagnetisert motor 27 Regulering av likestrømsmotorer 27 Måling og feilsøking i likestrømsmaskiner 29 Asynkronmotorer 30 Prinsipp og bruksområder 30 Trefasede asynkrone kortslutningsmotorer 32 Asynkronmotorers moment-, effekt- strøm og spenningsforhold ved oppstart og drift 43 Dreiemoment- og strømforhold under oppstart og drift 44 Spenningsvariasjoner 52 Enfasede asynkronmotorer 56 Enfaset asynkron kondensatormotor 59 Skyggepolmotor 60 Merking av maskiner 61 Klemmemerking av motorviklinger 62 Driftsarter og monteringsstandarder 63 Motoreffekt, driftsform og turtall 63 Isolasjonsklasser 64 Kjølemetoder 64 Kapslingsgrader 65

2 Motorvern og driftsforhold i motoranlegg 67 Strømforhold i elektriske motorer og motoranlegg 67 Merkestrøm 68 Driftsstrøm 68 Startstrøm 68

Kortslutningsstrøm 69 Motorvern i anlegg 72 Vern mot overbelastning 73 Vern mot topoligjordslutning 76 Vern mot underspenning 77 Andre utillatelige driftsforhold 77 Varmetap i motoren 78 Indirekte kontroll av viklingstemperaturen 79 Bimetall relé (termisk relé) 81 Direkte kontroll av viklingstemperaturen 84 Forskriftsmessige krav til motorinstallasjoner 88 Sikkerhetsbegreper 94 Personsikkerhet 95 Brannsikkerhet 97 Driftsikkerhet 98 Beskyttelse mot elektriske støt (FEB kap. 41) 98 Beskyttelse mot direkte berøring (basis-/hovedbeskyttelse) 99 Beskyttelse ved direkte berøring (tilleggsbeskyttelse) 99 Beskyttelse ved direkte berøring (beskyttelse ved feil) 100 Frakobling og utkobling 102 Dimensjonering av motortilførsler og valg av ledere og vern 105 Startapparater, vern og startforhold 105 Framgangsmåte 105 3 Starter og kontrollutstyr 111 Innledning 111 Kort om strukturering av automatiske anlegg 111 Prosessutrustningen 111 Dialogutrustning 113 Prosessfunksjon 113 Kontaktorer 1145 Oppbygning, virkemåte og bruksområder 114 Spolesystemet 118 Kontaktsystemet 120 Klemmemerking 120 Releer 124

Oppbygning og virkemåte 125 Tidsreleer 128 Oppbygning og virkemåte 128 Praktisk bruk av tidsreleer 131 Kontaktløse kontaktorer og releer 134 Givere 135 Definisjon og klargjøring av begrepene føler og giver 135 Givernes plass i automatiserte anlegg 137 Typer av givere 139

4 Startmetodar i motoranlegg 155 Innleiing 155 Direkte start av trefasa asynkrone kortslutningsmotorar 156 Manuell start med motorvembrytar 156 Fjernstyrt start 156 Dreieretningsvending av trefasa asynkrone kortslutningsmotorar 164 Handstyrt dreieretningsvendar 164 Kontaktorstyrt dreieretningsvendar 164 Stjeme-trekantstart av kortslutningsmotorar 170 Prinsipp og verkemåte 170 Start av kortslutningsmotor ved hjelp av mjukstartar 180 Turtalsregulering av asynkronmotorar 182 Frekvensregulering av asynkronmotorar 184 Bremsing av elektriske motorar 193 Oppstartmetodar i transportanlegg 195

5 Straumrettarar 203 Grunnleggjande omgrep i straumrettarteknikk 203 Halvleiarelement i likerettarkoplingar 206 Diodar 206 Tyri storar 209 Triac 210 Transistorar (NPN- og PNP-utføring) 210 Felteffekttransistorar (FET og MOS-FET) 213 Ulike typar av straumrettarkoplingar 221 Normerte kjenningsbokstaver for straumrettar­ koplingar 222 Måling i straumrettarkoplingar 222 Ikkje-styrt einpuls midtpunktkopling (M1U) 225 Ikkje-styrt topuls midtpunktkopling (M2U) 226 Ikkje-styrt topuls brukopling (B2U) 228 Trefasa straumrettarkoplingar 228 Ikkje-styrt trepuls midtpunkts straumrettarkopling (M3U) 229 Ikkje-styrt sekspuls brukopling (B6U) 230

Filtrering av likespenningar 231 Styrte straumrettarar 234 Fullstyrt einpola topuls brukopling (B2C) 239 Halvstyrt trefasa sekspuls brukopling (B6H) 240 Fullstyrt trefasa sekspuls brukopling (B6C) 241 Triac i brytar- og reguleringsfunksjon 244

6 Dokumentasjon for motor- og kontrollanlegg 247 Dokumentasjon, teikningar og tekniske underlag 247 Framstillingsformer 252 Fleirlinja framstilling 253 Eilinja framstilling 253 Samanbunden framstilling 253 Fri framstilling 253 Krinsskjema 254 Framstilling av eit krinsskjema 257 Annan dokumentasjon 260 Dokumentasjon for ein PLS 264 Referansenemningar 267 Grafiske symbol 267 Framstilling av funksjonsplanar 273

7 Feilsøking og vedlikehald i motorinstallasjonar 285 Typiske feil i motoranlegg 285 Hjelpemiddel til feilsøking 286 Døme på feilsøking 287 Feilsøking i styrestraumskrinsar 288 Jordslutning i styrestraumskrinsar 291 Jordslutning i anlegg med isolert nøytralpunkt 291 Feilsøking og viklingskontroll i motorar og motorkrinsar 293 Isolasjonsmåling av statorviklingane i ein asynkron kortslutningsmotor 293 Kopling av motorviklingar til klemmebrettet etter revisjon 294

Termliste 296 Stikkord 299

Figurliste 302

Elektriske motorer

7

1 Elektriske motorer Når du har lest gjennom dette kapitlet, skal du kjenne til • begrepene effekt, turtall og dreiemoment og sammen­ hengen mellom dem • elektrisk og mekanisk oppbygning av likestrømsog vekselstrømsmotorer • strøm-, spennings-, effekt-, moment- og turtallsforhold ved oppstart og drift av elektriske motorer

Omforming og overføring av elektrisk energi til mekanisk arbeid Elektriske motorer og arbeidsmaskiner Prosessobjekter og arbeidsmaskiner, for eksempel pumper, vifter, verktøymaskiner og heiser, blir brukt til å utføre mekanisk arbeid. Mekanisk arbeid kan vi framskaffe ved at elektriske motorer omformer elektrisk energi til mekanisk arbeid. (Elekt­ riske motorer omformer elektrisk energi til mekanisk arbeid, mens elektriske generatorer omformer mekanisk arbeid til elekt­ risk energi.) Se figur 1.1.

8

Elektriske motorer

Figur 1.1 Omforming av elektrisk energi til mekanisk arbeid

9

Elektriske motorer

Ved hjelp av forskjellige overføringsprinsipper kan vi overføre den mekaniske energien fra den elektriske motoren til arbeidsmaskinen. Se figur 1.2.

Figur 1.2 Ulike prinsipper for overføring av mekanisk energi fra en elektrisk motor til en arbeidsmaskin

Roterende elektriske maskiner er ofte karakterisert ved vinkel­ hastigheten co, dreiemomentet M og produktet av co og M, som er lik effekten P. Før vi går i gang med en detaljert innføring i prin­ sippet for likestrøms- og vekselstrømsmotorer, skal vi kort repe­ tere litt om mekaniske og dynamiske forhold, som dreiemoment, lastmoment, akselerasjonsmoment, momentforløpet til motorer og arbeidsmaskiner, turtall, rotasjonshastighet, vinkelhastighet og effekt.

Likestrømsmotorer Generell oppbygning og virkemåte En likestrømsmaskin kan brukes både som generator og som motor. Den er i prinsippet bygd opp på samme måte i begge til­ fellene (se figurene 1.3, 1.4, 1.5, og 1.6). Roterer vi ankeret og ankerviklingene i en likestrømsmaskin ved hjelp av mekanisk arbeid, virker den som en generator, og vi kan ta ut elektrisk energi. Sender vi likestrøm inn på maskinen, virker den som en motor, og vi kan ta ut mekanisk arbeid. Maskinen omformer da elektrisk energi til mekanisk arbeid.

10

Elektriske motorer

Likestrømsmaskin som generator

Likestrømsmaskin

l___

som motor

--__________ _ ____

Figur 1.4

Figur 1.6 En likestrømsmaskin kan brukes både som generator (generatordrift) og som motor (motordrift)

a)

Høyredrift

b)

Venstredrift

Figur 1.5

c)

Høyredrift

d)

Venstredrift

Elektriske motorer

11

En likestrømsmotor består i prinsippet av en stator med magnetsystem, en rotor med ankervikling og kommutator og lagerskjold med lager og børsteholdere. Figurene 1.5 og 1.7 viser en forenklet utførelse av en likestrøms­ motor der vi lar en ankerspole rotere i et magnetfelt. Magnetfel­ tet skaffer vi oss ved hjelp av en permanentmagnet eller en magnetvikling (se figurene 1.5 og 1.7). For forståelsens og oversiktens skyld er ankeret gjort svært for­ enklet med bare én vikling. Kobler vi likepenning til ankerspolen, vil det gå en strøm i den (ankerlederen), og den vil omgi seg med et magnetfelt (se figurene 1.5, 1.7, 1.8 og 1.9). Magnetfeltet fra hovedpolene og magnetfeltet fra ankerviklingen utvikler en kraft, og det oppstår et dreiemoment. Når dreiemomentet er stør­ re enn den kraften som ankeret blir holdt igjen med (lastmomentet), begynner ankeret å rotere.

Kraftvirkning (dreieretning)

Akslingx

Dreieradius Dreieradius

V/7///?///7777////7///7//\ Kraftvirkning (dreieretning)

Figur 1.7

s Strømførende leder i et magnetfelt

Feltet til strømmen

Hovedfelt

Resulterende felt

a

Figur 1.8 Når en strømførende leder er i et magnetfelt, blir feltet sterkere på den ene siden av lederen og svakere på den andre siden av lederen. Det gjør at lederen blir drevet ut av feltet.

12

Elektriske motorer

Hovedfelt Dreieretning

Figur 1.9 Venstrehåndsregelen: Plasser den venstre hånden slik at håndflaten snur mot nordpolen med magnetfeltet inn i håndflaten og fingertuppene i strøm­ retningen. Da peker tommelfingeren i dreieretningen

Strømretningen lederen

Dreiemomentet oppstår ved at magnetfeltet blir forsterket på den ene siden av lederen og svekket på den andre siden av den sam­ me lederen (se figurene 1.7 til 1.10). Siden dette er tilfellet for begge ankerledeme (spolesidene som ligger i spor i ankeret), vil kraften og dreiemomentet til de to spolesidene dreie ankeret i samme retning. Dreieretningen kan vi bestemme ved hjelp av motorregelen (venstrehåndsregelen), se figur 1.9.

Vi tenker oss at ankeret blir drevet med urviseren som på figure­ ne 1.5 og 1.7. Når spolesidene ligger rett under en pol, som vist på figur 1.5 og 1.7, er dreiemomentet størst. Når ankeret har dreid 90°, må børstene skifte kommutatorsegment. Den spolesiden som var tilkoblet minuspolen, blir nå tilkoblet plusspolen og omvendt. Dermed vil strømmen i de to spolesidene skifte ret­ ning. Det gjør at ankeret opprettholder den samme dreieretning­ en og stadig roterer i samme retning. (Dersom ikke strømvendingen hadde skjedd, ville det oppstått et dreiemoment som had­ de drevet ankeret i motsatt retning (tilbake).)

Figur 1.10 Vi kan bestemme retningen som lederen blir drevet ut av feltet på ved hjelp av venstrehåndsregelen. Bruk venstrehåndsregelen og prøv å finn ut hvorfor kraftretningen er tegnet inn slik vi har gjort på figurene b-e

13

Elektriske motorer

Figur 1.11 Vi må øke antall spoler og kommutatorsegment for å få en konstant kraftvirkning og et konstant dreiemoment under hele omdreiningen

Når ankeret har dreid ytterligere 180° med urviseren, vil børste­ ne skifte kommutatorsegment igjen. Strømmen i spolen og spolesidene snur igjen, og vi opprettholder fortsatt den samme dreieretningen. I eksemplet på figurene 1.5 og 1.7 er det tatt med bare én anker­ vikling og en kommutator med bare to kommutatorsegmenter. Det er ikke tilstrekkelig, fordi kraftvirkningen og dreiemomentet på ankeret (ankerledeme) ikke blir konstant under hele omdrei­ ningen. Vi må derfor øke antallet spoler og kommutatorsegmen­ ter i ankeret. Se figur 1.11.

Når ankeret blir utstyrt med flere ankerledere, blir hver av leder­ ne utsatt for et dreiemoment eller en kraftvirkning. Alle disse delkreftene (delmomentene) utgjør et samlet dreiemoment for ankeret (se figur 1.11).

Det samlede dreiemomentet for motoren kan vi uttrykke som M = k:■

ø•

a

Her er M - dreiemoment k = maskinkonstant for dreiemomentet = magnetisk fluks /a = strømmen i ankeret

Indusert motspenning, strøm og spen­ ningsfall i ankeret Når ankeret roterer i et magnetfelt, blir det indusert en spenning i ankerviklingen som er rettet mot strømmen. Denne spenningen

14

Elektriske motorer

kaller vi en indusert motspenning. Sammen med spenningsfallet i ankeret vil den danne likevekt mot klemmespenningen:

U = U-.1 + At/ = a

IL 1

+ (/ a • 7?ad7) K d

Strømmen som ankeret tar opp fra nettet ved drift, blir dermed

At/a tZ-l/j /a = — = ---------- L Æa

Æa

Spenningsfallet i ankeret under drift blir

At/da = L-R ad d Her er U = klemmespenningen t/j = indusert motspenning i ankeret At/a = spenningsfallet i ankeret /a = strømmen i ankeret Æa = resistansen i ankerviklingen

Start av likestrømsmotor med igangsettingsmotstand (startmotstand) Den induserte motspenningen, som sammen med spenningsfallet i ankeret skal danne likevekt med klemmespenningen, er propor­ sjonal med magnetfluksen og omdreiningstallet til motoren. I startøyeblikket står ankeret stille og har ingen motindusert spen­ ning. Det er dermed bare resistansen i ankeret (inklusive hjelpe polviklingene) som kan redusere startstrømmen. Resistansen i ankeret er imidlertid svært liten. Startstrømmen kan dermed anta svært store verdier dersom den ikke blir begrenset.

For å begrense startstrømmen til en likestrømsmotor benytter vi derfor en igangsettingsmotstand som begrenser startstrømmen til ca. 1,6 ganger motorens normale strøm (merkestrøm). Vi starter alltid en likestrømsmotor med full igangsettingsmot­ stand innkoblet i ankerkretsen. Når motoren kommer opp i has­ tighet, øker den induserte motspenningen. Strømmen (og dermed spenningsfallet i ankeret) må da reduseres for at likevekten mel­ lom klemmespenningen, den induserte motspenningen og spen­ ningsfallet i ankeret skal bli opprettholdt. Det gjør vi ved å koble ut et trinn på igangsetteren. Strømmen vil da øyeblikkelig øke, men den avtar igjen etter som motorens omdreiningstall øker.

Elektriske motorer

15 Oppstarten av en likestrømsmotor foregår dermed på den måten at motoren starter med full igangsettingsmotstand. Igangsettingsmotstanden blir så redusert trinnvis inntil motoren er kom­ met opp i riktig hastighet og strømmen har antatt et normalt nivå for belastningen. Det er den induserte motspenningen som er avgjørende for driftsforholdene til en likestrømsmotor. Gjennom den induserte motspenningen blir omdreiningshastigheten og strømmen som motoren trekker fra nettet, tilpasset. Når den mekaniske belast­ ningen øker, må motoren utvikle et større dreiemoment, det vil si at den må ta ut mer strøm fra nettet, og at hastigheten synker. Når den mekaniske belastningen minker, trenger motoren mindre dreiemoment, dermed tar den ut mindre strøm fra nettet, og has­ tigheten øker.

Øking av lasten (lastmomentet) under drift Dersom lasten (lastmomentet) øker under drift, må motoren utvikle et større dreiemoment for å balansere lastmomentet. Det gjør den ved å ta ut mer strøm fra nettet. Når strømmen øker, øker også spenningsfallet i ankeret. Når spenningsfallet i ankeret øker, må den induserte motspenningen i ankeret minke (husk likevektskriteriet). Den induserte motspenningen kan igjen bare bli mindre ved at motorens omdreiningstall blir redusert. Omdreiningshastigheten for en likestrømsmaskin synker derfor når lasten øker.

Reduksjon av lasten (lastmomentet) under drift Dersom lasten (lastmomentet) blir redusert under drift, vil has­ tigheten øke. Når hastigheten øker, øker den motinduserte spen­ ningen. For å holde likevekt mellom klemmespenningen på den ene siden og den induserte motspenningen og spenningsfallet i ankeret på den andre siden må spenningsfallet reduseres. Spenningsfallet i ankeret kan igjen bare bli redusert ved at moto­ ren tar ut mindre strøm fra nettet. Omdreiningshastigheten øker og strømmen synker når lasten (lastmomentet) for en likestrøms­ maskin blir redusert.

Dreieretning Ser vi tilbake på motorregelen (venstrehåndsregelen) og på figu­ rene 1.8, 1.9 og 1.10, ser vi at vi kan snu dreieretningen for en likestrømsmotor ved å snu retningen av magnetfeltet eller ankerfeltet.

Elektriske motorer

16 Det vil si:

Vi kan snu dreieretningen for en likestrømsmotor ved enten å snu strømretningen i ankeret eller å snu strømretningen i magnetviklingen.

Hastighetsregulering Omdreiningshastigheten, n, for en likestrømsmotor er proporsjo­ nal med klemmespenningen, U, og omvendt proporsjonal med fluksen, ø: U n = k------

ø

Det betyr:

Hastigheten for en likestrømsmaskin kan endres ved å endre klemmespenningen eller ved å endre magnetfeltet.

Klemmespenningen kan vi regulere ved å skyve inn en regulerbar motstand i ankerstrømkretsen (i serie med ankerviklingene). Vi må imidlertid være oppmerksomme på at denne formen for regulering under drift gir stor varmgang og effekttap i den seriekoblede motstanden.

Hastigheten kan vi også regulere ved å regulere magnetfeltet. Ved å koble en motstand i serie med magnetviklingen kan vi regulere strømmen slik at magnetfeltet blir svekket eller forster­ ket. Her må vi være oppmerksomme på at dreiemomentet er avhengig av magnetfeltet (M = k ■ • /a). Blir feltet redusert, reduseres også dreiemomentet. Med for mye reduksjon av feltet kan vi risikere at dreiemomentet blir redusert så mye at motoren stanser (lastmomentet er da større enn motorens dreiemoment).

NB! Vi må være oppmerksomme på faren for brudd i magnetiseringskretsen. Dette er spesielt viktig for motorer som går med liten last. Motorturtallet er omvendt proporsjonalt med feltet (se uttrykket for hastighet ovenfor). Dersom feltet forsvinner, for eksempel ved brudd i magnetkretsen, vil motoren ruse og skape livsfarlige situasjoner. Det er derfor tillatt å sløyfe sikringer i magnetiseringskretser for slike motorer. Se FEB § 473.1.2d.

Elektriske motorer

17

Eksempel En 220 V likestrømsmotor med nominell ankerstrøm /a = 35 A har en resistans i ankerviklingen på 0,5 fl. Vi skal bestemme a) spenningsfallet i ankeret ved nominell strøm (last) b) motindusert spenning i ankeret ved nominelt turtall c) hvor stor igangsettingsmotstanden må være dersom startstrømmen skal bli redusert til 1,6 ganger motorens nominelle strøm d) hvor stor startstrømmen blir dersom motoren starter direkte, det vil si uten startmotstand i serie med ankerviklingen Løsning: a) At/a = L • Æa = 35 A + 0,5 Q = 17,5 V

b) U = U-\UA = 220 V- 17,5 V = 202,5 V

c) /start = 7a * 1,6 = 35 A • 1,6 = 56 A start “ ^a ' 4tart - 0,5 Q • 56 A - 28 V

Spenningsfallet over igangsettingsmotstanden, 7?s, ved start:

Uiv RS. = U-\U„ start = 220 V - 28 V = 192 V d Sldl 1

t/Rs 192 V Rs = ----------- = ----------- = 3,43 Q ^a start 56 A d) Ved direkte start uten at igangsettingsmotstanden er koblet inn, får vi følgende startstrøm: '

-

U

s“- Ka

220 V . A -------- =440 A 0,5 Q

Effekt, tap og virkningsgrad En likestrømsmaskin får tilført følgende effekt fra nettet:

Pt = U • /

Elektriske motorer

18

Motoren avgir følgende effekt på motorakslingen:

Pa = Pt-ri = UI-ri

Her er Pa = avgitt effekt Pt = tilført effekt t] = motorens virkningsgrad

Ulike typer av likestrømsmotorer Det finnes likestrømsmotorer i følgende prinsipielle utførelser: • Permanentmagnetmotor. Magnetfeltet kommer fra en permanentmagnet (figur 1.12a) • Fremmedmagnetisert motor. Magnetviklingen er koblet til en separat spenningskilde (figur 1.12b) • Shimtmotor. Magnetviklingen er koblet i parallell (shuntet) med ankerviklingen (figur 1.12c) • Seriemotor. Magnetviklingen er koblet i serie med anker­ viklingen (figur 1.12d) • Kompoundmotorer. Kompoundmotorer har to magnetviklinger, en som er parallellkoblet med ankerviklingen, og en som er seriekoblet med ankerviklingen (figur 1.12e) a Permanentmagnet­ motor

b Fremmedmagnetisert motor

c Shuntmotor d Seriemotor

e Kompoundmotor

Figur 1.12

Elektriske motorer

19 Start- og reguleringsmotstander for motorer Selv om hastighetsregulering av likestrømsmotorer i dag stort sett blir utført av styrte strømrettere, er vi nødt til også å behandle konvensjonelt start- og reguleringsutstyr (start- og feltmotstander) for å gi en generell innføring i hvordan likestrømsmotorer fungerer. I denne omgangen skal vi derfor se på konvensjonell start og regulering av likestrømsmotorer. Seinere, etter at vi har sett på ulike typer av likestrømsmotorer, skal vi se nærmere på dagens reguleringsmåter. Ved konvensjonell start av likestrømsmotoren benytter vi en star­ ter i form av en forkoblings- eller begrensningsmotstand for å holde startstrømmen på et tilstrekkelig lavt nivå i startøyeblikket (ca. 1,5 • merkestrømmen til motoren). Se figur 1.13a og b. I mot­ setning til regulatoren som blir brukt for generatorer, har denne starteren en relativt lavohmig forkoblings- eller begrensningmotstand, og den gir ikke så store muligheter til å regulere hastighe­ ten på en hensiktsmessig måte. (Ved hastighetsregulering utover nominell hastighet ved full last må en også benytte en regulator for magnetiseringsstrømmen.)

Regulatoren som vi bruker som forkoblingsmotstand, ser ut som vist på figur 1.13a og b, og har følgende klemmemerking:

Klemme L kobles til nettets positive pol, L+. Klemme R kobles til ankeret (rotoren). Klemme M kobles til motorens shuntvikling (magnetiseringsvikling).

a) Starter med forkoblingsresistanser som brukes til start av shunt- og kompoundmotorer

b) Starter med forkoblingsresistanser som brukes til start av serie- og fremmedmagnetiserte motorer

Figur 1.13

Starter med forkoblingsmotstand og felt regulator Det er ofte nødvendig å bruke en starter som er utstyrt både med forkoblingsmotstand og feltregulator for magnetiseringsstrøm­ men i én enhet (starter- og reguleringsenhet). Den første delen av den utgjør motstander (forkoblings- eller dempningsmotstander) i

Elektriske motorer

20

-OM ■o R

Starter med forkoblingsfeltresistansen. Reduserer startstrømmen og regulerer turtallet utover nominell verdi. Brukes til shuntog kompoundmotorer Figur 1.14

flere starttrinn (se figur 1.14). Med den kan vi redusere start­ strømmen og regulere hastigheten fra null til nominelt turtall ved hjelp av forkoblingsmotstandene i starteren. Etter at motorens hastighet er kommet opp i nominell verdi, kan vi regulere hastig­ heten ytterligere ved å koble inn en motstand i magnetiseringskretsen. En slik starter med feltregulator er vist på figur 1.14. Den blir normalt brukt i forbindelse med start- og hastighetsregulering av shuntmotorer og kompoundmotorer for likestrøm.

Shuntmotoren Figur 1.15 viser prinsippet for den elektriske koblingen til en shuntmotor. I shuntmotoren er magnetviklingen parallellkoblet (shuntet) til ankeret.

Når motoren blir koblet til et likestrømsnett, går det en strøm gjennom magnetviklingen og ankerviklingen, og dermed får vi dannet magnetpoler og magnetfelt. Videre får vi strømgjennom­ gang i de enkelte ankerledeme med tilhørende magnetfelt.

Figur 1.15 Prinsippet for den elektriske koblingen til en shuntmotor

NB! Vi må være svært nøye med koblingen av magnetiseringskretsen til en shuntmotor. Dersom vi får brudd i kretsen, øker tur­ tallet voldsomt, og motoren kan løpe løpsk. Idet kretsen blir brutt, forsvinner magnetfeltet, og turtallet til ankeret øker for å opprettholde den motinduserte spenningen. Starteren for en likestrøms shuntmotor bør derfor være utstyrt med en holdemagnet som virker slik at starteren automatisk går tilbake til utgangsstillingen dersom det blir brudd i magnetiseringskretsen. Se prinsippskisse av dette på figur 1.16. Ankeret får da full igangsettingsresistans. Klemmespenningen over ankeret blir redusert, og dermed blir også turtallet lavere. n=

,

U

k---------

&

Det er nettopp faren for brudd i magnetiseringskretsen med påfølgende rusing som er årsak til at FEB tillater at en sløyfer overbelastningsvem i magnetiseringskretser for roterende mas­ kiner. Se FEB § 473.1.2.d.

Figur 1.16 Starteren må være utstyrt med en holdemagnet som virker slik at starteren automatisk går til­ bake til utgangsstillingen dersom det blir brudd i magnetiseringskretsen

Figur 1.17a viser et koblingsskjema for en likestrøms shuntmo­ tor med kombinert igangsetter (7?,) og shuntregulator (7?r). (En starter består i dette tifellet av en igangsettingsmotstand og en shuntregulator.) Motoren blir startet over en motorvembryter og

Elektriske motorer

21 er koblet for dreieretning til høyre. Figur 1.17b viser hvordan klemmebrettet må kobles dersom vi ønsker at motoren skal dreie til venstre.

Full igangsettingsresistans innkoblet i starten gjør at startstrømmen blir redusert til et minimum. Null magnetiseringsresistans, Rr, innkoblet i starten gir høyeste magnetiseringsstrøm og størst magnetfelt. Igangsettingsmotstanden blir redusert trinn for trinn inntil moto­ ren er kommet opp i normalt turtall. Når Æj er koblet helt ut, har ankeret full klemme spenning. Dersom vi skal øke turtallet ytterligere, må vi redusere magnet­ feltet. Ved økende resistans i magnetiseringskretsen minker magnetiseringsstrømmen og magnetfeltet og turtallet øker.

NB! Vi må aldri koble spenning til en stillestående likestrømsmotor uten at motoren har en igangsettingsmotstand seriekoblet med ankeret. Se konsekvensene av dette i eksemplet nedenfor.

a) Shuntmotor med dreieretning høyre

L, / A1 < -------------- o E2

R

M

4

’ kn

< > A2

< i E1

'

b) Tilkobling til klemmebrettet for dreieretning mot venstre

Figur 1.18 viser aktuelle belastningskarakteristikker for en shunt­ motor. Figuren viser hvordan dreiemoment og turtall varierer med belastningen. Av karakteristikkene ser vi at shuntmotoren har et stabilt turtall som synker lite ved økende belastning. Vi ser også her at motoren har lavt startmoment, og at momentet øker lineært med belastningen. Ser vi på shuntmotorens driftsmessige egenskaper, kan vi fastslå følgende fordeler og ulemper:

Fordeler: • Trinnløs og nøyaktig regulering av motorturtallet • Turtallet synker lite ved stigende belastning Ulemper: • Lavt startmoment. (Motorens dreiemoment stiger imidlertid lineært ved økende belastning)

Shuntmotorens strøm- og spenningsforhold under oppstart og drift A(7 Figur 1.18 Aktuelle belastningskarakteristikker for en shuntmotor

U-U.

22

Elektriske motorer

m

m

U-Ux

U

1 ~Ia + Im Ra

^start

start +

Rm

U Ra + RS

!

U Rm

Her er U = nettspenningen Ux - motindusert spenning i ankeret At/a = spenningsfallet over ankerviklingen I = nettstrømmen /a = strømmen i ankerviklingen Im = strømmen i magnetviklingen /start ~ startstrømmen 7?a = resistansen i ankerviklingen Rm = resistansen i magnetviklingen Æs = resistansen i igangsetteren

Eksempel En 220 V likestrøms shuntmotor med nominell strøm / = 30 A har en resistans i ankerviklingen på 0,3 Q. Strømmen i magnetkretsen er på 1,5 A. Vi skal bestemme a) strømmen i ankeret ved nominelt turtall b) spenningsfallet i ankeret ved nominell strøm (last) c) motindusert spenning i ankeret ved nominelt turtall d) hvor stor igangsettingsmotstanden må være dersom start­ strømmen skal reduseres til 1,6 ganger motorens nominelle strøm e) hvor stor startstrømmen blir dersom motoren starter direkte, det vil si uten noen igangsettingsmotstand i serie med anker­ viklingen f) resistansen i magnetviklingen g) hvor stor motstand som må kobles inn i magnetiseringskretsen dersom magnetiseringsstrømmen skal kunne reguleres ned til 0,5 A

Løsning: a) 1=1r =30 A-1,5 A = 28,5 A d Ill

Elektriske motorer

23 b) At/a = / • R = 28,5 A • 0,3 Q = 8,55 V c) L/; = t/-A(/a = 220 V - 8,55 V = 211,45 V

d) /start = /- 1,6 = 30 A - 1,6 = 48 A

At start ~ /start ~ An — 48 A — 1,5 A — 46,5 A

^^a start = ^a ' ^a start = 0,3 A • 46,5 A = 14 V

Spenningsfallet over igangsettingsmotstanden, Rs, ved start: URs = f/-Af/astart = 220 V - 14 V = 206 V

206 V --------- = 4,43 Q 46,5 A

_ l/Rs As - —---start

e) Ved direkte start uten at igangsettingsmotstanden er innkoblet, får vi følgende startstrøm: U Atart ~ ~~~ + Rad

220 V = ——— + 1,5 A = 733,3 A + 1,5 A = 734,8 A 0,3’ Q

f)

220 V 'm

= 146,7 Q

1,5 A

g) Strømmen i magnetiseringskretsen med innkoblet regulatormotstand blir:

Resistansen i regulatoren når magnetiseringsstrømmen skal kun­ ne reguleres ned til 0,5 A, blir da: U Rr = —----- R /m

=

220 V 0,5 A

— 146,7 Q = 293,3 Q

Elektriske motorer

24

Seriemotoren

Figur 1.19 Prinsippskisse for en likestrøms seriemotor

Figur 1.19 viser en prinsippskisse for en likestrøms seriemotor, og figur 1.20 viser et koblingsskjema for en seriemotor. Som vi ser, er magnetiseringsviklingen seriekoblet med ankeret. Fordi hele den tilførte strømmen går gjennom magnetiserings- eller serieviklingen (/ = /a = 7m), må viklingen være dimensjonert for denne strømmen. En annen konsekvens av seriekoblingen er at magnetiseringsstrømmen og dermed magnetfeltet varierer med belastningen. Både motorturtallet og motormomentet er derfor sterkt avhengig av belastningen. (Se belastningskarakteristikkene for seriemotoren på figur 1.21.)

R

L/
D1

b) Tilkobling klemmebrett for dreieretning venstre

Figur 1.20 Koblingsskjema for en seriemotor

Figur 1.21 Belastningskarakteristikk for en seriemotor

Turtallet er relativt høyt ved lav belastning. Som vi ser på figur 1.21, synker det sterkt med økende belastning. Det kommer av at ankeret og magnetiseringsviklingen fører samme strøm.

25

Elektriske motorer

Av karakteristikken ser vi at motoren har et lavt startmoment. Motormomentet øker imidlertid svært mye ved økende belast­ ning. En seriemotor må aldri startes i tomgang eller med et lavt lastmoment. Da kan den ruse opp til en svært stor og farlig has­ tighet.

Seriemotoren må heller ikke starte med full spenning. Det blir derfor brukt en igangsettingsmotstand, Rv som blir koblet i serie med anker- og magnetviklingen. Se koblingsskjemaet på figur 1.20. Igangsettingsmotstanden blir dermed brukt til å dempe start­ strømmen og til å regulere hastigheten til motoren. Hastigheten blir regulert ved at vi regulerer klemmespenningen til motoren. Når klemmespenningen blir redusert, blir også den motinduserte spenningen redusert, og hastigheten avtar.

Likestrøms seriemotorer har vært brukt til drift av lokomotiver, trolleybusser, trikker og liknende som krever stort dreiemoment ved stor last.

Strøm- og spenningsforhold for en seriemotor

u-ui

Ra + Rm + RS

Her er U = nettspenningen t/j = indusert motspenning i ankeret 7?s = resistansen i igangsetteren Ra = resistansen i ankerviklingen = resistansen i magnetviklingen I = nettstrømmen Ia = strømmen i ankerviklingen Im = strømmen i magnetviklingen

Kompoundmotor En kompoundmotor er i prinsippet en kombinasjon av en serie­ motor og en shuntmotor. Det vil si at motoren har både en shuntvikling og en serievikling. Se figur 1.22. I denne sammenhengen

26

Elektriske motorer

kaller vi serieviklingen kompoundvikling, og vi snakker både om medkompoundering og motkompoundering. Med medkompoundering mener vi at det magnetiske feltet fra kompoundviklingen (serieviklingen) virker sammen med hovedfeltet og forsterker det. Motkompoundering blir sjelden brukt.

Dreieretningen for en kompoundmotor kan vi snu ved å snu strømretningen og dermed feltretningen i magnetiseringskretsen, eller strøm- og feltretningen i ankeret.

Figur 1.22 Kompoundmotor

Dersom vi snur strøm- og feltretningen i magnetiseringskretsen, må vi gjøre det både for shuntviklingen og for serieviklingen.

Strømmen som en kompoundmotor trekker fra nettet, kan uttryk­ kes med I

+ An

u-u. 1=----------------- + An Strømmen i magnetkretsen med innkoblet feltregulator: / =—u *Sh + «r

Startstrømmen med innkoblet igangsettingsmotstand (Æs) og ikke innkoblet regulatormotstand blir: t

■*start

_

U t „ „ „ + /?a 4- 7?s +

U „ ^sh

Her er U = nettspenningen t/j = indusert motspenning i ankeret Ra = resistansen i ankerviklingen /?s = resistansen i starteren Rs = resistansen i serieviklingen 7?sh = resistansen i shuntviklingen I = nettstrømmen /a = strømmen i ankerviklingen Im = strømmen i magnetviklingen /start = startstrømmen

Elektriske motorer

27

Fremmedmagnetisert motor En fremmedmagnetisert likestrømsmotor er mekanisk bygd opp på samme måte som en shuntmotor. Men til fremmedmagnetiserte motorer blir det vanligvis brukt atskilte spenningskilder for ankerspenningen og magnetiseringsspenningen. Atskilte spen­ ningskilder gir stabilt turtall ved merkelast.

Magnetiseringskretsen for slike motorer bør ikke sikres. Se FEB § 473.1.2.d, der det framgår at en av sikkerhetsmessige hensyn kan sløyfe overbelastningsvem i magnetiseringskretsen for rote­ rende elektriske maskiner.

Dreieretningen kan endres ved at vi snur strømretningen enten i ankerkretsen eller i magnetiseringskretsen.

Vi kan regulere turtallet på to måter: 1 Ved regulering av spenningen over ankeret. Turtallet kan da reguleres opp til motorens merketurtall 2

b) Tilkobling til klemmebrettet ved dreieretning venstre

Ved regulering av magnetfeltet. Denne reguleringen brukes for regulering utover merketurtallet

Fremmedmagnetiserte motorer blir mest brukt i anlegg for styrings- og reguleringsteknikk. (Motorer for svært liten last blir ofte utført med permanente magneter. Turtallsreguleringen blir da utført ved hjelp av spenningsregulering.)

Figur 1.23 Koblingsbilde for en fremmedmagnetisert likestrømsmotor med dreieretning til høyre

Regulering av likestrømsmotorer Som vi har sett foran, kan turtallet på en likestrømsmotor regule­ res på tre måter:

1

2

3

Med konstant spenning på magnetfeltet og regulering av ankerspenningen Med en konstant ankerspenning og regulering av magnet­ feltet Med en kombinasjon av ankerregulering og feltregulering

Dagens reguleringsprinsipper Figur 1.24 Belastningskarektristikk for en fremmed­ magnetisert motor. På figuren kan vi se at turtallet er stabilt ved merkelast/-moment

Dagens likestrømsmotorer er tilpasset moderne reguleringsfunksjoner og reguleringsprinsipper, og reguleringen blir stort sett utført av styrte (halv- eller fullstyrte) strømrettere.

Elektriske motorer

28 -------- StatorhusAring ------- Hovedpolkjerne ------- Hovedpolvikling

Klemmebrett -—

_ -4-

/ ZO Z _. /o /IQ |n/o

\

\°

\O

I

o\ /o\nl

1

\ \ — Hovedpolsko med kompensasjonsvikling \ 1— Kullbørster

/

JOZx 1—-H-

Vendepolvikling Vendepolkjerne Polsko for vendepol — Kommutator/strømvender

— Roterende anker med ankervikling

Figur 1.25 Snitt av en likestrømsmaskin og merkingen (internasjonal) av den

En reguleringsenhet for en likestrømsmotor består i prinsippet av en styrende del (styrt strømretter) og tilhørende utrustning for regulering. Se figur 1.27, som viser regulering av en egenmagnetisert motor. Den styrende delen i en slik motorregulering er strømretterdelen med sine tyristorer som styrer den effekten som får motoren til å rotere med det turtallet vi ønsker (eller som regulatoren forteller at motoren skal kjøre med). Det forutsetter at vi kjenner til de ulike typer av strømrettere og deres funksjon som likeretter og vekselretter, og at vi kjenner til energiflyten mellom nettet, strømretteren og bruksapparatene.

Dagens aktuelle styreprinsipper utføres vanligvis ved hjelp av • en halvstyrt brokobling av tyristorer • en fullstyrt brokobling av tyristorer • antiparallellkoblede tyristorer eller tyristorer i krysskobling for reversering av dreieretningen Figur 1.26 En likestrømsmotor og dens hovedkompo­ nenter Regulering av likestrømsmotorer

Les mer om strømrettere i kapittel 5.

L1/L2/L3 1 Styrt strømretter for ankerspenningen

2

Styrt strømretter for magnetiseringskretsen

3 Strømtransformator for strømmåling 4 Måleverdiomformer 5 Tennpulser for tyristorer i styrt strømretter 6 Strømregulator (for eksempel Pl-regulator) 7 Turtallsregulator 8 Referansepotensiometer (ønsket turtall (fisteJ/)) 9 10

Referansepotensiometer (ønsket verdi av strøm (lmaks)) Tachogenerator for turtallsmåling

ner flskai

reelt turtall ønsket turtall (skalverdi)

/er

reelt målt strøm (erverdi)

/maks

ønsket verdi av strøm

Figur 1.27 Regulering av en egenmagnetisert motor

29

Elektriske motorer

Måling og feilsøking i likestrømsmaskiner Når vi skal feilsøke i likestrømskretser, er det viktig at vi vet hvilke typiske feil som kan oppstå i likestrømsmotorer, og at vi kjenner til strøm-, spennings- og resistansforhold for likestrøms­ motorer.

Typiske feil i likestrømsmotorer 1 2 3 4

Motoren vil ikke starte. Motoren har ukontrollert turtall søkning. Ankeret blir for varmt. Magnetpolene blir for varme.

1 •

Motoren vil ikke starte Det går strøm i ankerkretsen (kan måles). Ankeret kan dreies for hånd. En årsak kan være brudd i magnetkretsen, eller magnetviklingen kan være feilkoblet. Det går ingen strøm i ankerkretsen. En årsak kan være brudd i igangsetteren etter at sikringer eller motorvembryteren har løst ut. Motoren kan bare gå på tomgang. Det går strøm i ankerkret­ sen. Magnetfeltet kan være for svakt på grunn av feilkobling i igangsetteren. Motoren går direkte med stor strømstyrke ved igangsetting. En årsak kan være kortslutning i ankeret.o Sikringene går når motoren blir startet. Årsaker kan være for rask oppstarting, overbelastet motor, isolasjonsfeil eller feil i igangsetteren.

•

Figur 1.28 Skjema for strøm- og spenningsmåling i kretsen for en shuntmotor

•

• •

2 •

•

3 •

•

4 •

Motoren har ukontrollert turtallsøkning En årsak kan være brudd i magnetiseringskretsen til shunt­ motoren mens motoren er i drift. En annen årsak kan være en feilkobling på igangsetteren som gjør at den ikke går tilbake i utgangsstilling når magnetise­ ringskretsen blir brutt. Ankeret blir for varmt Ankeret kan være overbelastet. Strømmen kan kontrolleres med amperemeter og eventuelt settes ned til det normale. En årsak kan være kortslutning i en eller flere ankerspoler. Resistansen i ankerspolene måles. Eventuelle kortsluttede spoler må vikles om eller byttes. Magnetspolene blir for varme En årsak kan være at motorturtallet er for lavt ved normal spenning. Reguleringsresistansen kan være kortsluttet og dermed gi for høy magnetiseringsstrøm.

30

Elektriske motorer

Målinger Eventuell kortslutning i anker- eller magnetiseringskretsen kan vi fastslå ved å måle resistansen for de respektive viklingene med et ohmmeter. Se figur 1.29a. Isolasjonsmåling utføres med en isolasjonsmåler (megger) Isolasjonsresistansen måler vi mellom • ankerviklingen og motorgods • feltviklingen og motorgods • ankerviklingen og feltviklingen

Figur 1.29a Resistansmåling av viklingene for å fastslå om det er korslutning i anker- eller magnetiserings­ kretsen

Asynkronmotorer Prinsipp og bruksområder En asynkronmotor kan vi betrakte som en hensiktsmessig kob­ ling mellom et elektrisk og et mekanisk system. Motoren får til­ ført elektrisk energi over klemmebrettet sitt, og avgir mekanisk energi fra rotorakslingen. Asynkronmotoren har en enkel opp­ bygning, og den er driftssikker og prisgunstig. Derfor er den en av de mest brukte elektriske motorene. Den har svært store bruksmuligheter innenfor industri-, skips-, offshore-, bygg- og anleggsinstallasjoner, landbruk osv.

Figur 1.29b Måling av iso/asjonsresistans

En asynkronmotor består i prinsippet av to hoveddeler, en stille­ stående del som kalles statoren, og en roterende del som kalles rotoren (se figur 1.30). Motoren kaller vi vanligvis induksjons­ motor. Den arbeider etter prinsippet for induksjon og kan dermed sammenliknes med en transformator, fordi strømmen i rotorviklingen er avhengig av den magnetiske induksjonen mellom stato­ ren og rotoren. Statoren med sine viklinger blir da induksjonsmessig motorens primærside, mens rotoren blir dens sekundærside. Rotoren, som er omsluttet av statoren, er bygd sammen rundt motorakselen. Når vi setter spenning på viklingene i statoren, oppstår det et roterende felt som også omslutter rotoren. Det blir indusert en spenning med tilhørende strøm i rotorviklingen. Det oppstår et dreiemoment i rotoren. Når dreiemomentet er stør­ re enn lastmomentet, begynner motoren å rotere. Så lenge roto­ rens utviklede dreiemoment er større enn arbeidsmaskinens lastmoment, vil rotoren akselerere (rotasjonshastigheten øker). Den induserte spenningen i rotoren, og dermed strømmen og dreie­ momentet, er til enhver tid avhengig av differansen mellom dreiefeltets hastighet og rotorhastigheten. Rotoren kan ikke kom­ me opp i dreiefeltets hastighet. Induksjonen i rotoren er avhengig

Elektriske motorer

31 av at rotoren sakker noe i forhold til dreiefeltet. Den må med andre ord løpe asynkront, derav navnet asynkronmotor. Den elektriske energien som tilføres til statorviklingene, blir omformet til mekanisk energi og overført til arbeidsmaskinen via motorakslingen. Omformingen fra elektrisk til mekanisk energi skjer som nevnt ved at et roterende magnetfelt som oppstår når statorviklingen tilføres spenning, gir et dreiemoment i rotoren og starter rotorbevegelsen. En har til i dag skilt mellom to hovedtyper av asynkronmotorer, kortslutningsmotorer (se figur 1.30) og sleperingsmotorer. Slepe­ ringsmotoren er en motor for tunge starter. Det selges praktisk talt ikke sleperingsmotorer lenger, fordi det finnes andre startmetoder for kortslutningsmotorer som kan bli brukt til tunge starter. Derfor velger vi å ikke orientere om sleperingsmotorer.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

3

6 5

2

1

Figur 1.30 Tretaset asynkron kortslutningsmotor

Statorhus Statorjern Statorvikling Kortslutningsrotor Aksel Kulelager Lagerskjold Vifte Kjøleribber Tilkoblingsboks Tilkoblingsklemmer

Elektriske motorer

32

Trefasede asynkrone kortslutningsmotorer Bruksområder, fordeler og ulemper Trefasede asynkrone kortslutningsmotorer er som nevnt blant de mest brukte og mest driftssikre elektriske motorene, med bruks­ områder innenfor industri, skip, offshore, landbruk osv. Termen asynkron kortslutningsmotor har sammenheng med oppbygning­ en og funksjonen til motoren. Den kalles en kortslutningsmotor fordi den arbeider med en kortsluttet rotor (kortsluttet anker), og asynkronmotor kalles den på grunn av funksjonen. Motoren arbeider etter prinsippet for induksjon. Den er avhengig av å indusere spenning fra den ene hoveddelen, statoren, til den andre hoveddelen, kortslutningsrotoren. Rotoren kan ikke gå synkront (med samme hastighet som det roterende magnetfeltet). Den må gå med lavere hastighet. Det vil si at den må løpe asynkront med det roterende magnetfeltet. Kortslutningsmotoren passer for alle maskiner som ikke trenger myk start, og som skal gå med konstant hastighet. Asynkrone kortslutningsmotorer har valgfri rotasjonsretning, de har høy start- og reverseringshyppighet, og de er enkle, robuste og billi­ gere å framstille enn andre elektriske motorer. Asynkronmotorer blir produsert over hele verden med basis i IEC-standarden. I de siste årene har det vært en voldsom økning i bruken av kortslutningsmotorer. Den kommer av muligheten til turtallsregulering ved hjelp av moderne kraftelektronikk. Det har også gjort at denne typen motordrift både teknisk og økonomisk har overtatt mer og mer av likestrømsmotorens funksjoner og fordeler. En asynkronmotor kan være kortslutningsmotor, slepe­ ringsmotor eller enfasemotor. En kortslutningsmotor er en asyn­ kronmotor med kortslutningsanker, se ovenfor. En trefaset asynkron kortslutningsmotor har som nevnt en enkel og robust oppbygning. Den er billig og trenger minimalt vedlike­ hold. Den har imidlertid spesielle startegenskaper som gjør at ved bruk av konvensjonelle startmetoder, for eksempel direkte start og reversering med kontaktorer osv. (figur 1.31), må motor, arbeidsmaskin, startutstyr og nett passe godt sammen. Derfor passer kortslutningsmotoren godt for arbeidsmaskiner med liten eller middels ytelse som ikke trenger myk start, og som skal gå med konstant hastighet.

Figur 1.31

Utviklingen av start- og ikke minst reguleringsutstyret i den sei­ nere tiden har som nevnt gjort bruksområdet for motoren langt større. Spesielt gjelder det bruksområder der en har stilt store krav til myk start og turtallsregulering (figur 1.31c).

Elektriske motorer

33 Ved direkte innkobling utvikler motoren et kraftig dreiemoment og høy startstrøm. Motoren har valgfri rotasjonsretning, og den har høy start- og reverseringshyppighet. Hastighetsregulering, som tidligere stort sett har vært utført med polomkoblbare moto­ rer, blir nå utført med kraftelektronisk utstyr. Det har gitt moto­ ren langt flere bruksområder, blant annet i prosessindustrien, der det stilles store krav til regulering og reguleringssikkerhet.

Fordeler og ulemper for en asynkron kortslutningsmotor kan vi kort sammenfatte slik: Fordeler: • Enkel oppbygning og robust konstruksjon som krever mini­ malt vedlikehold • Enkle, robuste og rimelige komponenter • Valgfri rotasjonsretning • Høy start- og reverseringshyppighet • Dagens kraftelektroniske reguleringssystemer muliggjør sikker turtallsregulering og turtallskontroll innenfor store reguleringsområder Ulemper: • Høy startstrøm ved direkte innkobling • Begrenset maksimal hastighet ved ordinær drift • Liten fleksibilitet i omdreiningshastigheten ved konvensjo­ nelle startmetoder, fordi turtallet er avhengig av antall polpar og nettfrekvensen og gir hastighetsregulering bare i to, tre eller fire trinn (trinnløs regulering er fortsatt noe kostbar, men muligheten er i alle fall der) • Dreiemomentet er svært følsomt overfor spenningsvariasjo ­ ner (men lar seg lett kontrollere ved moderne turtallskontroll med frekvensomformere. Spesielt gjelder det kommende frekvensomformere basert på direkte kontroll av motormomentet, DTC-kontroll (Direct Torque Control))

Mekanisk og elektrisk oppbygning En trefaset asynkron kortslutningsmotor består av følgende hoveddeler: • • •

Stator Rotor Nødvendig tilbehør (lager, lagerskjold, ventilator og klemmetilkoblingsutstyr)

Kortslutningsmotorens prinsipielle oppbygning framgår av figu­ rene 1.32 og 1.33.

Elektriske motorer

34

1 Uagerskjold 2 Rotor 3 Stator i Klemmekaase (komplett) 5 KJølevifte 6 Vittedeksel

Figur 1.32 Eksempel på en trefaset asynkron kortslutningsmotor med dens enkelte deler

I— Luftgap med sirkulerende magneter

Figur 1.33 Snitt og detaljert bilde av en asynkron kortslutningsmotor

Statoren Den prinsipielle mekaniske oppbygningen framgår av figurene 1.33 og 1.34. Fordi vi har å gjøre med et vekselfelt, er både stator og rotor bygd opp av tynne blikk- eller jemplater (ca. 0,5 mm) med utstansede spor for henholdsvis statorviklinger og rotorstaver (se figur 1.34). Platene er av bløtt jern og er isolert fra hver­ andre for at de skal få mindre virvelstrøms- og hysterestap. Statorhuset som platene er festet til, er utført av massivt jern. Mellom stator og rotor er det en liten luftspalte som hovedfeltet skal passere i. Se figurene 1.33 og 1.34.

Elektriske motorer

35

1

Stator består av en jernkrans og tynne (0,5 mm) blikkplater som er isolert fra hverandre. I platene er det stanset ut spor for viklingene

2

Rotor består av ca. 0,5 mm tykke blikkplater presset på en aksling. Platene er isolert fra hverandre. De har utstansede spor for rotorstavene

3

Luftgap

4

Spor for viklingene (rotorstavene)

Figur 1.34

Statorviklingene Statorviklingene blir lagt i spor i statoren med tilhørende isola­ sjon og kile. Viklingene er bygd opp av isolerte kopperledere som er utformet som spoler. De delene av spolene som ligger i sporene, kaller vi spolesider, mens de delene av spolene som lig­ ger utenfor sporene, kaller vi spolehoder. Se figur 1.35.

X£7re*"e Sponsolasjon doo| Spoleisolasjon OOP Mellomlegg OOP. Isolert koppertråd OOP

Figur 1.35

For trefasemotorer nytter en tre separate viklinger som er merket U1-U2, V1-V2 og W1-W2. Spolesidene blir plassert i sporene med en poldelings avstand (180 elektriske grader). Avstanden mellom spolesidene er avhengig av poltallet for motoren. I en firepolt motor spenner en spole over (se figur 1.36) 360° --------- = 90° = 180 elektriske grader 4 poler

Avstanden mellom startpunktene på hver vikling blir (se figur 1.36) 360° Figur 1.36

3 faseviklinger

360° 3-2

= 60° = 120 elektriske grader

Elektriske motorer

36

Statorviklingene kan vi koble til motorens klemmebrett på to måter: ved stjernekobling eller ved trekantkobling. Stjernekobling Ved stjemekoblet motorvikling er viklingene koblet til motorens klemmebrett slik figur 1.37a viser, mens strøm- og spenningsfor­ holdet er som vist på figur 1.37. (Se klemmebrettet på figur 1.32.) Viklingene stjemekobles dersom en motor er stemplet 230/400 V D/Y og har en forsyningsspenning på 3 • 400 V. En må også stjernekoble viklingen dersom motoren er stemplet 400/690 V og har en forsyningsspenning på 3 • 690 V.

Ved slik stempling som vist ovenfor, er motorviklingen for den laveste spenningen. Ved 400 V blir spenningen over hver vik­ ling:

t/f = u/^3 = 400 V/^3 = 231 V Trekantkobling Statorviklingene trekantkobles når forsyningsspenningen er 3 • 230 V og motoren er stemplet 230/400 V D/Y, og når forsynings­ spenningen er 3 • 400 V og motoren er merket 400/690 V D/Y. Ved trekantkobling er U = Uf og = lH3. Figur 1.37 Kobling av statorviklingene i en stjerne­ kobling

U2

'W2

L1

L2

V2

L3

lf = IA13 I = lf -\3 I =Uf

Figur 1.38 Kobling av statorviklingene i en trekantkobling

Rotoren Rotoren består av en aksling der det er presset inn tynne lamellerte blikkplater med utstansede spor. I disse sporene er det lagt kopper- eller aluminiumsstaver som er kortsluttet med en ring i hver ende. «Avkledd» danner disse stavene en burvikling. Se

Elektriske motorer

37 figur 1.39. Rotordiameteren er tilpasset slik at luftgapet mellom stator og rotor blir så lite som mulig. Rotoren er lagret opp i beg­ ge ender med lager og lagerskjold. Se figurene 1.32 og 1.33.

Strømfortrengningsrotor En kortslutningsmotor med vanlig kortslutningsrotor/-anker har en forholdsvis høy startstrøm (5-8 ganger merke strømmen). Det kan være et stort problem, spesielt i svake nett. For å dempe startstrømmen ytterligere for kortslutningsmotorer kan kortslutningsrotoren utføres som strømfortrengningsrotor. Strømfortrengningsrotoren gir høy reaktans og impedans og dermed lave­ re strøm i startfasen.

Figur 1.39

Rotorstavene i strømfortrengningsrotorer kan ha forskjellig utfø­ relse og utforming. De blir vanligvis lagt i smale, dype spor eller i dobbeltspor i rotoren. Se figur 1.40a og b. Prinsippet er at roto­ ren skal gi høy impedans med tilhørende redusert strøm i rotor­ stavene i startfasen. Etter hvert som rotorhastigheten øker, redu­ seres reaktansen og dermed impedansen i rotoren. Motoren inn­ tar normale strøm- og driftsforhold etter hvert som den nærmer seg merketurtallet.

Stator og rotor for en kortslutningsmotor virker på samme måte som en transformator. Statoren utgjør da primærviklingen og rotoren sekundærviklingen. I startøyeblikket er frekvensen størst

Spredningsfelt

Figur 1.40

c

38

Elektriske motorer

(lik nettstrømmens frekvens). Det blir indusert en spenning, og det går en strøm i rotorstavene med samme frekvens som nettfre­ kvensen. Fordi rotorfrekvensen har sin høyeste verdi i startøyeblikket, vil de dype sporene gi en spredningsreaktans i de enkelte rotorstavene. Utformingen av rotorstavene gjør at det oppstår et usymmetrisk felt rundt rotorstavene. Feltet går i rotorjemet, men sprer seg i spredefelt rundt rotorstavene som illustrert på figur 1.40c. De dype rotorsporene gjør at spredefeltet blir større og tettere jo nærmere det kommer bunnen av sporet (bunnen omsluttes av fle­ re feltlinjer enn rotorperiferien.) Reaktansen og dermed impe­ dansen blir størst i bunnen av rotorstavene og minker utover mot rotorperiferien. På grunn av høy rotorfrekvens og reaktans ned­ erst i sporene blir strømmen «fortrengt» ut mot rotorperiferien. Dette er opphavet til begrepet og navnet strømfortrengningsrotor.

Frekvensen på rotorstrømmen er størst i startøyeblikket (når rotoren står stille). Etter som rotorhastigheten øker, synker fre­ kvensen på strømmen i rotorledeme. Det gir svakere felt, lavere reaktans og impedans i rotorstavene og avtagende strømfortrengning. Ved full hastighet er den induktive reaktansen så liten at vi kan se bort fra den. Strømmen i rotorstavene fordeler seg da jevnt over hele tverrsnittet.

Det trefasede dreiefeltet Statorviklingene i en trefaset asynkronmotor består som nevnt av tre like viklinger som er forskjøvet 120 elektriske grader. Se eksempel på en firepolt stator på figur 1.41. Når statorviklingene blir koblet enten i stjerne eller trekant og til­ koblet en trefaset spenning, vil hver fasevikling omgi seg med et trefaset magnetfelt som veksler i takt med strømmen. Disse tre separate feltene går sammen til et hovedfelt, et roterende mag­ netfelt, som roterer med en hastighet som er avhengig av spen­ ningens frekvens og antall polpar. Denne hastigheten kaller vi feltets synkrone hastighet, og vi kan beregne den slik: /•60 .. ■ \ ns = ------- (r/min) P _ , , , . . Nettfrekvens • 60 . . . Feltets synkrone hastighet - ----------------------- i r/min Antall polpar

Elektriske motorer

39 Synkront turtall Ved konstant frekvens blir det et konstant forhold mellom en motors synkrone turtall og antall poler.

A 60 , . . . n s = ------- (r/min) P Nedenfor ser du en oversikt over en motors synkrone turtall avhengig av antall poler ved en nettfrekvens på 50 Hz:

2-polt 4-polt 6-polt 8-polt 10-polt 12-polt 14-polt 16-polt 18-polt 20-polt

= 1 polpar = 2 polpar = 3 polpar = 4 polpar = 5 polpar = 6 polpar = 7 polpar = 8 polpar = 9 polpar =10polpar

= 3000 r/min = 1500 r/min = 1000 r/min = 750 r/min = 600 r/min = 500 r/min = 428,5 r/min = 375 r/min = 333,5 r/min = 300 r/min

■° L1

Figur 1.41

Virkemåte Vi har tidligere sett at asynkronmotorens tre faseviklinger er for­ skjøvet 120 elektriske grader i forhold til hverandre, at de er koblet enten i stjerne eller i trekant, og at det dannes et roterende magnetfelt når de blir koblet til en trefaset spenning. Magnetfel­ tet induserer en selvinduksjonsspenning i statorviklingen som er omtrent lik nettspenningen, men motsatt rettet.

Rotorviklingen blir «overskåret» av det roterende magnetfeltet, og det blir indusert en spenning i rotoren som er avhengig av antall overskåme feltlinjer per tidsenhet. Figur 1.42a illustrerer et eksempel på en indusert spenning i rotoren forårsaket av en fase, mens 1.42b illustrerer de induserte spenningene i rotoren forårsa­ ket av viklingene U, V og W.

Elektriske motorer

40

Indusert spenning i rotoren

Induserte spenninger i rotoren

a) forårsaket av fase U i statoren

b) forårsaket av de 120° forskjøvede fasene U

1 Hovedfeltets retning 2 Retningen av den kraften som virker på de enkelte rotorstavene, og som bestemmer rotorens dreieretning

Figur 1.42

Rotorviklingene utgjør en sluttet krets. Derfor går det en strøm i rotoren som er avhengig av indusert spenning og rotorimpedans. Fordi disse strømførende lederne befinner seg i et magnetfelt, utvikler det seg et dreiemoment for hver enkelt rotorstav. Disse enkle dreiemomentene danner til sammen et dreiemoment som den opplagrede rotoren blir utsatt for. Se figur 1.42 c-d.

Når motorens utviklede dreiemomentet er større enn lastmomentet, begynner rotoren å rotere med akselererende hastighet. (Differansen mellom motorens utviklede dreiemoment og lastmomentet kalles akselerasjonsmomentet.} Med dreiemomentet til en motor mener vi motorens evne til å dreie (utvikle en dreiekraft). Dersom vi for eksempel kaller kraf­ ten ved periferien på en dreieskive for F og radien på dreieskiva for r, må motoren utvikle et dreiemoment som er lik eller større enn M = F • r (Nm) for å kunne dreie maskinen rundt.

41

Elektriske motorer

Etter hvert som rotorhastigheten øker, synker felthastigheten i forhold til rotoren. Det blir indusert mindre spenning i rotoren, og statoren tar opp mindre strøm fra nettet. Rotoren fortsetter å akselerere (indusert spenning og strøm avtar) inntil det utviklede dreiemomentet er like stort som (balanserer) bremsemomentet (lastmomentet). Akselerasjonsmomentet er da lik null, og moto­ ren går med jevn hastighet.

På tomgang (uten mekanisk belastning på rotoren) har ikke ro­ toren annen motstand å overvinne enn friksjonen fra lager og luft. Omdreiningstallet kan da komme opp mot det synkrone omdreiningstallet for det roterende magnetfeltet. Sakkingen er ca. 0,7-1 %. Ved økende belastning på akselen, det vil si større lastmoment, blir rotoren holdt igjen. Hastigheten på hovedfeltet øker i forhold til rotoren. Det blir indusert større spenning i rotoren, og strøm­ men i rotoren øker tilsvarende. Det gir et større utviklet dreiemo­ ment på rotorakslingen. Motoren sakker inntil rotoren har fått en slik hastighet at det er indusert høy nok spenning til å kunne gi høy nok strøm til et dreiemoment som kan balansere lastmomentet. Motoren vil altså ved enhver belastningsgrad finne et nytt dreiemoment som er like stort som lastmomentet.

Sakking Med sakking (5) mener vi differansen mellom magnetfeltets synkrone omdreiningstall (zzs) og rotorens omdreiningstall (w).

På tomgang kommer rotorhastigheten nesten opp mot synkron hastighet. Ved belastning stiller hastigheten seg automatisk på den hastigheten motoren må ha for å kunne yte tilstrekkelig dreiemoment. Sakkingen kan uttrykkes i prosent av synkront turtall:

n„-n s =----------- 100 % «s Sakkingen er 100 % i startøyeblikket, men synker etter hvert som turtallet øker. ..

*11 jijI. / 1..'.j.1

Il' II.

11

li........... ...........

"lim

ii»

Eksempel En firepolt motor som bruker en nettspenning med 50 Hz, har en sakking på 4 % ved full last. Hvor stor blir hastigheten?

42

Elektriske motorer

Løsning:

f -60 50-60 ns =--------=------------ = 1500 r/min P 2 n = (ns - 1500) • 4/100 = 1440 r/min

Dreieretning Dreieretningen for en trefasemotor kan vi snu ved å bytte om to av fasene. Se eksempel på figur 1.43. Av figur 1.44 ser vi de mulighetene vi har for å snu dreieretningen ved tilkobling av spenningen til motoren.

For at det ikke skal være noen tvil om dreieretningen på en motor, er det normert at den alltid skal bestemmes fra akseltappen til motoren. Se figur 1.45. Når vi ser mot akseltappen, er motoren høyreløpende når dreieretningen er med urviseren. Er dreieretningen mot urviseren, er motoren venstreløpende. Den enden av motoren som akseltappen sitter i, kaller vi Denden (engelsk: drive). Den motsatte enden kaller vi N-enden (engelsk: non-drivé). Noen motorer har to akseltappen Hos dem er D-enden den enden som har størst akseldiameter.

a Figur 1.43 Eksempel på montering av en motor som skal kunne kjøres i begge retninger, og som blir startet med en manuell motorvernbryter

Elektriske motorer

43

Figur 1.44 Muligheter som vi har for å snu dreieretningen ved tilkobling av spen­ ningen til motoren

Fra tyske DIN-

< S

normer

Figur 1.45 Dreieretningen til en motor skal bestemmes fra akseltappen til en motor

Asynkronmotorers moment-, effekt- strøm- og spenningsforhold ved oppstart og drift Som vi har sett, omformer elektriske motorer elektrisk energi til mekanisk energi. Ved energiomforming fra roterende elektriske maskiner er den mekaniske energien, eller den avgitte mekaniske effekten (Pa) på rotorakslingen, proporsjonal med dreiemomentet (M) og vinkelhastigheten (co). Det vil si at

P=co-M = 2- Ti-M = 2- n- F-r OL Den tilførte aktive elektriske energien (Pt) til en motor er pro­ porsjonal med spenningen ((/), strømmen (/) som motoren trek­ ker fra nettet, og ved vekselstrømsmaskiner også effektfaktoren (cos /n