Motorkompendium. Beskrivning av elektromotorer i allmänhet, deras driftarter och klassningar.

Transkript

1 Elmotorstyrning - Motorkompendium Motorkompendium. Beskrivning av elektromotorer i allmänhet, deras driftarter och klassningar. Detta kompendium beskriver olika elektromotorer mer ingående än den tidigare publikationen Snabbguide elektromotorer, där endast den kortslutna trefas asynkronmotorn togs upp. Detta kompendium tar i huvudsak upp övriga motortyper såsom DC-motorer, stegmotorer, med flera

2 Elmotorstyrning - Motorkompendium Innehåll: 1. Asynkronmotorn Väldigt kort beskrivning av asynkronmotorn 2. Synkronmotorn Principer för, och beskrivning av, synkronmotorn 3. DC-motorn Principer för, och beskrivning av, DC-motorn 4. Servomotorn Principer för, och beskrivning av, servomotorn 5. Stegmotorn Principer för, och beskrivning av, stegmotorn 6. Driftarter för motorer Olika driftfall för elektromotorer 7. Effektivitetsklassning av motorer Effektivitetsklasser för elektromotorer enligt EU-direktiv 8. EX-klassning av motorer Klassning av explosionsfarlig miljö för elektromotorer 9. Lagerströmmar Beskrivning av lagerströmmar och hur man hanterar dem

3 Elmotorstyrning Asynkronmotorns princip PRINCIP - ASYNKRONMOTOR Asynkronmotorer är den vanligast förekommande och de är i det närmaste underhållsfri. Deras mekaniska uppbyggnad är standardiserad, så att det alltid går snabbt att finna en lämplig leverantör. Det finns många olika typer av asynkronmotorer, men alla arbetar enligt samma grundprincip. Asynkronmotorns två huvudkomponenter är statorn (motorns stillastående del) och rotorn (motorns roterande del) Sidan 1 (1)

4 Elmotorstyrning - Synkronmotorn PRINCIP - SYNKRONMOTOR Statorns uppbyggnad är densamma for synkronmotorer och asynkronmotorer. Synkronmotorns rotor har utstickande magnetpoler. Dessa kan vara permanentmagneter (i små motorer) eller elektromagneter. Rotorn har två eller flera polpar och kan således också användas till lågvarvsmotorer. En vanlig synkronmotor startar inte direkt av sig sjalv då den ansluts till nätspanningen. Orsaken ar rotorns masströghetsmoment och det roterande fältets höga varvtal. Rotorn måste därför genom yttre hjälp ges samma varvtal som det roterande fältet. Självstartande synkronmotorer finns för frekvensomriktardrift och används för krävande industritillämpningar. Frekvensomriktare ska ha en speciell mjukvara anpassad för synkronmotorer. Det finns motorer som kan startas med hjälp av startlindningar, vilka får motorn att fungera som om den hade en kortsluten burrotor. Synkronmotor med permanentmagnet 1. Verksamt flöde 2. Inneslutet flöde 3. Permanentmagnet 4. Distansplatta (omagnetisk) 5. Startbur Rotorns konstruktion framtvingar helt synkron drift, d.v.s. ingen eftersläpning.om motorn belastas, ökar avståndet mellan rotorpolerna och det roterande fältets poler. Rotorn kommer alltså att rotera en vinkel v (belastningsvinkeln) "bakom" det roterande fältet. (och tillika rotorns tomgångsläge) Synkronmotorer går med konstant varvtal oberoende av belastningen men de klarar inte störe belastning än vad starteffekten mellan rotor och magnetfält klarar av. Om belastningen överstiger starteffekten faller motorn ur sin synkronism och stannar. Vid direktstart från nätet synkroniseras motorn med nätfrekvensen när fullt varvtal har uppnåtts. Vid det mer vanliga fallet med frekvensomriktardrift ökas frekvensen efter en startramp från t.ex. 1 Hz. Om motorn matas från en synronmotoranpassad frekvensomriktare ska motorn synkroniseras med frekvensen redan vid lägsta frekvens, t.ex. 0,7 Hz. Motorns varvtal blir sedan exakt proportionell mot frekvensen. För en fyrpolig motor blir motorvarvtalet exakt 30 r/m/hz, d.v.s. exakt 1500 r/m vid 50 Hz. Statorfält Rotation Belastningsvinkel Belastningsvinkel och driftmoment som funktion av rotors vinkel Sidan 1 (1)

5 Elmotorstyrning DC-motorn PRINCIP - DC MOTOR Motor med separat fält och ankarlindning Kan användas i konstant moment eller konstant effekt applikationer. Seriemotor I en seriemotor passerar ankarströmmen genom huvudfältet. Detta är användbart i applikationer med högt moment/låg hastighet och lågt moment/hög hastighet. Används i stort sett inte alls inom industrin idag. Exempel på användningsområde är startmotorn på en bil. DC-motor med permanentmagnetiserat fält Motor används mest med servodrifter och en beskrivning finns under SERVOMOTOR Komponenter i en shuntmotor Fältet består av lindningar som är placerade i statorn. Genom fältlindningen passerar en ström som ger upphov till ett magnetiskt fält. Detta fält har en fast bestämd riktning i motorn Ankare - roterande delen av motorn. Ankarlindningen ger upphov till det andra magnetiska fältet i motorn. Strömmen till ankaret går via kolborstarna genom kommutatorn som ser till att ankarlindningens fält hålls vinkelrätt mot fältlindningens fält när ankaret roterar. Det är samverkan mellan dessa två fält som åstadkommer vridningen av rotorn. Kommutatorn & borstarna håller magnetflödet från ankaret vinkelrätt i förhållande till flödet från fältet. Detta garanterar att kraften (momentet) mellan de två magnetsystemen är optimalt Sidan 1 (5)

6 Elmotorstyrning DC-motorn Ankarström är i direkt proportion med kraften som vrider rotorn. Vridmoment är beroende av det magnetiska flödet och strömmen. Moment = Φ x Ia Ankarets uppförannde Kommutering är en kontinuerlig matning av ström i en ankarlindning som roterar i ett magnetiskt fält. Detta skapar två problem : 1) Gnistning vid kolborstarna 2) Distorsiona av det magnetiska fältet Gnistbildning Gnistbildning uppstår när man förflyttar sig ifrån ett kommutatorbleck till ett annat. Gnistbildning alstars i luftgapet till kolborsten av den ström som vill fortsätta flyta i lindningen Sidan 2 (5)

7 Elmotorstyrning DC-motorn Distortion Ankarströmmen i den lindning som inte helt lämnats av kolborsten kommer att påverka magnetfältet i huvudlindningen. Detta kommer att ha en motverkande effekt på den kraft som vrider rotorn. Interpol För att överbrygga dessa två problem sätter man upp en extra lindning i 90 graders vinkel ifrån huvudpolen kopplad via ankaret Denna extra lindning kallas interpol Sidan 3 (5)

8 Elmotorstyrning DC-motorn Kompenserad motor För att ytterligare reducera effekterna av komutering låter man också ankarströmmen passera i lindningar i huvudpolerna. Motorer med detta tillägg kallas fult kompenserade motorer. MOMENT I FÖRHÅLLANDE TILL ANKARSTRÖM Momentet är direkt proportionell mot den tillförda Ankarströmmen i hela lastområdet. (Gäller under förutsättning att Fältströmmen (fältflödet) är konstant. DC-Motorns första samband: M = k1 * Ia * Ф f k1 = motorkonstant 1 Ia = ankarström Ф f = fältflöde (funktion av fältströmmen) Sidan 4 (5)

9 Elmotorstyrning DC-motorn ANKARSPÄNNING I FÖRHÅLLANDE TILL VARVTAL DC-Motorns första samband: M = k1 * Ia * Ф f eller Ia = M / (k1 * Ф f) DC-Motorns andra samband: n = k2 * Ua / ( Ф f ) eller Ua = n * Ф f / k2 Effekt (P) = spänning (Ua) * ström (Ia) (Ohms 2:a lag) Sätter vi in Ia och Ua från sambanden ovan får vi: P = M * n * Ф f / (k1 * k2 * Ф f) = M * n / konstant Effekten är alltså proportionell mot moment och mot varvtal : P(kW) = M(Nm) * n(rpm) / 9550 eller M(Nm) = P(kW) * 9550 / n(rpm) Olika typer av DC maskiner : Sidan 5 (5)

10 Elmotorstyrning - Servomotorn PRINCIP - SERVOMOTOR Permanentmagnetiserade motorer Den permanentmagnetiserade (PM-) motorns fält består av två eller flera permanentmagneter, lika många som antalet poler (på övriga typer av likströmsmotorer skapas magnetfältet i stället av två lindade järnkärnor). Vanligast är olika typer av ferritmagneter. Eftersom PM-motorn saknar fältlindning, behöver endast motorns ankare anslutas, d.v.s. två ledare räcker. PM-motorns karakteristik har vissa stora fördelar jämfört med de övriga, vilket har lett till att den blivit dominerande bland likströmsmotor i effekter under 1 kw. Karakteristik Mest kännetecknande för PM-motorn är att vid konstant spänning både varvtal och ström är proportionella mot vridmomentet. Det är därför lätt att utföra beräkningar och dimensionera både motor och övriga systemkomponenter Sidan 1 (5)

11 Elmotorstyrning - Servomotorn Det är också lätt att mäta varvtal och vridmoment på en motor i drift. Nedanstående diagram beskriver PM motorns karakteristika vid konstant anslutningsspänning. Diagrammet gäller motor av typ Pittman Ytterligare data som är av betydelse är PM-motorns anslutningsresistans RA, induktans L och tröghetsmoment JM. Lägg märke till att startmomentet normalt är 6 8 gånger högre än märkmomentet. Eftersom märkmomentet är begränsat av motorns termiska egenskaper kan man vid intermittenta drifter ofta använda en motor med lägre märkeffekt än vad som krävs. Till exempel kan man vid 25 % intermittens (t.ex. 1 minuts arbete följt av 3 minuters vila) använda en motor vars märkeffekt är hälften av behovet. Det förutsätter naturligtvis att andra viktiga egenskaper beaktas, såsom livslängd, varvtalets belastningsberoende, motorns temperatur m.m. Om PM-motorns höga startmoment är ett problem därför att starten blir för burdus, kan strömbegränsning användas. Strömbegränsning De flesta på marknaden förekommande drivdon för PM-motorer har strömbegränsning som standard. Eftersom strömåtgången är proportionell mot momentet blir start- och max-momentet också proportionella mot inställt strömgränsvärde. Denna metod skonar både motorn och den mekaniska last som den driver samt ökar motorns livslängd effekt av strömbegränsning Sidan 2 (5)

12 Elmotorstyrning - Servomotorn Avmagnetisering och överhettning Viktigt att veta är att en PM-motors fältmagneter delvis kan avmagnetiseras vid höga strömtoppar. Det är t.o.m. vanligt att de inte tål direkt start vid nominell spänning utan att ett seriemotstånd inkopplas, eller att elektronik med strömbegränsning används. Det är därför viktigt att försäkra sig om att man har möjlighet att skydda motorn och att man inte behöver ett mo-mentant vridmoment som överskrider det som motsvaras av avmagnetiseringsströmmen. Om motorn trots allt avmagnetiseras, försvagas fältet oftast med %. Denna försvagning gör att tomgångsvarvtalet höjs och att startmomentet sjunker proportionellt med försvagningen av flödestätheten. Vid märkmoment blir varvtalshöjningen mindre, och därför märker man inte alltid denna partiella avmagnetisering. Samtidigt sjunker verkningsgraden, vilket medför stor risk för överhettning. Som synes ökar varvtalet (från nm till n1) även vid märkmoment vilket medför att uteffekten ökar. Strömförbrukningen ökar dock mer (från IM till I1), varför verkningsgraden vid konstant spänning blir avsevärt sämre. Motorn blir överhettad. Avmagnetisering vid reversering PM-motorer reverseras genom polomkoppling. Observera att om en PM-motor direktreverseras, d.v.s. polomkopplas så snabbt att den inte hinner stanna innan den startas i andra riktningen, ökar risken för avmagnetisering. PM-motorn är nämligen en utmärkt generator, och avger en spänning som är proportionell med varvtalet. Vid direktreversering avges denna spänning i samma riktning som anslutningsspänningen, varvid motorn under ett kort ögonblick utsätts för nästan dubbla spänningen. Bästa sättet att räkna ut om en icke strömbegränsad PM-motor riskerar att avmagnetiseras är att dividera anslutningsspänningen U med ankarets anslutningsresistens RA för att få fram startströmmen IS: Is = U / Ra Om direktreversering ska förekomma får IS inte överstiga halva den angivna maxströmmen Sidan 3 (5)

13 Elmotorstyrning - Servomotorn Drivdon När spänningen till en PM-motor ändras, förflyttas hela varvtalskurvan parallellt. Detta märker man inte så mycket av när man använder drivdon, eftersom dessa i allmänhet kompenserar belastningsvariationer genom att variera drivspänningen. Om man däremot kopplar in en 24 V-motor på 12 V konstantspänning, halveras både tomgångsvarvtal, startmoment och därmed startström. Fullastmomentet blir nästan detsamma (de s.k. rotationsförlusterna minskar, varför motorn tål ett något högre kontinuerligt moment). Märkeffekten, som är produkten av moment och varvtal blir ca hälften. Toppeffekten, däremot, blir bara en fjärdedel! Därför uppplevs en spänningsreglerad motor som kraftlös vid låga varvtal om inte reglerelektroniken kan kompensera spänningen när belastningen ökar. Ett modernt drivdon ger tillgång till motorns märkmoment i hela varvtalsområdet. Även om begreppen momentkonstant och spänningskonstant mest används för servomotordrifter, så förtjänar de att nämnas även här. De belyser just de proportionella förhållanden som beskrivits ovan. Momentkonstant Momentkonstanten KT anges oftast i Nm/A, d.v.s. som ett förhållande mellan vridmoment och ström. Om strömmen genom motorn är känd, multiplicerar man med KT för att få reda på vilket vridmoment motorn belastas med. KT kan approximativt beräknas med hjälp av en motorkurva (se t.ex. sid 105) eller med ekvationen: M = Kt Is där M är det sökta momentet, IS är den uppmätta strömmen och KT är momentkonstanten Spänningskonstant Spänningskonstanten KE anges i volt per tusen varv i minuten (V/krpm), och uttrycker förhållandet mellan spänning och varvtal. Egentligen sammanfattar konstanten den spänning som motorn skulle generera vid olika varvtal om den användes som generator, men det sambandet överensstämmer mycket nära med sam-bandet mellan drivspänning och resulterande varvtal. När man valt motorstorlek och diskuterar vilken variant på lindning som är lämpligast är det intressant att känna till följande samband: Moment- och spänningskonstanterna är proportionella. Ändras en motors lindning för att ge högre moment vid en..given ström, kommer den också att gå långsammare vid oförändrad spänning. Rotorlindningens resistans är ungefär proportionellt med kvadraten på momentkonstanten (beror på vilken lämplig..trådarea som finns tillgänglig). Andra matematiska sammanhang för PM-motorer är: ηmax betecknar den maximala verkningsgraden, medan Io och Is står för tomgångs- resp. startström, P = M ω P är effekten i [W], M är momentet i [Nm] och ω står för vinkelhastigheten i radianer per sekund samt: Sidan 4 (5)

14 Elmotorstyrning - Servomotorn η betecknar verkningsgraden, I strömmen i [A], P1 och P2 in- resp uteffekt, M är momentet i [Nm] och ω står för vinkelhastigheten i radianer per sekund. Servomotorer för likström Den vanligaste typen av DC-servomotor är en PM-motor som optimerats och ibland kompletterats för användning i servodrifter. Faktum är att en vanlig PM-motor mycket väl kan användas i vissa enklare servodrifter. Fjärrstyrning av parabolantenner är ett bra exempel på detta. Elservostyrning av gaffeltruckar är ett annat. I det första exemplet krävs ganska hög precision, men mycket låg hastighet, i det senare krävs lite högre hastighet, men precisionskravet är lågt. I dessa fall dimensionerar man mer utifrån behov av moment och varvtal än precision och snabbhet. Vid högre krav på precision, respons och/eller snabbhet måste vissa egenskaper förbättras; PM-motorns ankare (rotor) utförs med liten diameter för att få lågt tröghetsmoment. Rotorns laminerade järnkärna utformas för att tillsammans med kopparlindningen ge låg induktans. Lågt tröghetsmoment ger snabbare acceleration, låg induktans snabbare svar på en styrsignal. Fältmagnetmaterialet är oftast högvärdigare än på vanliga PM-motorer, och ger högre magnetiskt flöde. Det ger högre moment med den mindre rotorn, vilket innebär att det för servodrifter viktiga förhållandet mellan vridmoment och tröghetsmoment (M/J) blir högt. En viktig egenskap för servomotorn är också att ha så lågt momentrippel som möjligt, d.v.s. att vridmomentet är så jämnt som möjligt under ett motorvarv. Det betyder mycket för resultatet då ett servo ska fintrimmas för att nå bra styvhet och hög positionerings- och hastighetsprecision. Jämnt moment erhålles ofta med spårsneddat ankare d.v.s. spåren är något vinklade i förhållande till rotorns längdriktning. Ibland vrider man i stället magnetiseringen av fältmagneterna på motsvarande sätt. Spårsneddat ankare DC-servomotor med resp. utan tachogenerator Sidan 5 (5)

15 Elmotorstyrning - Stegmotorn PRINCIP - STEGMOTOR Stegmotorn har fått sitt namn av att den faktiskt tar ett steg i taget, även om detta steg vanligtvis är roterande. Den består liksom de flesta elmotorer av en stator, en rotor och två lagersköldar. Statorn består oftast av stållaminat försedda med spår, i vilka ett antal kopparlindningar ligger. Enklare modeller har i stället ett antal spolar (billigare att linda).rotorn kan bestå antingen av en järnkärna (variabel reluktans), en permanentmagnet (PM) eller en permanentmagnet inlagd i en solid eller laminerad järnkärna (hybrid). 1,8 -motorn har 50 tänder i rotorn och oftast 48 eller 50 tänder i statorn. De 50 rotortänderna innebär att rotorn får 4 distinkta lägen per tand. Den har fyra lindningar, som vid unipolär drivning strömsättes separat och vid bipolär drivning strömsättes med två lindningar serie- eller parallellkopplade Variabel reluktansmotorn är relativt ovanlig medan PM-typen, som är enkel att tillverka och därför mycket billig, används flitigt. Den har låg effekt och relativt stora stegvinklar (större än 7,5 ). Hybridmotorer förekommer också ofta eftersom de lämpar sig för hög upplösning ( helsteg per varv) och finns i många effektklasser upp till ca 3 kw. I industriella sammanhang är hybridmotorn helt dominerande. 1. Stegmotorsystem, inledning Ett typiskt system baserat på en stegmotor, består av en motor och en drivenhet vilken innehåller en styrdel, ett effektsteg och en strömförsörjning. Styrdelen svarar för att varje motorfas förses med rätt ström nivå i rätt ögonblick och effektsteget matar strömmen som tas från en DC strömkälla. Drivenheten matas vanligen med pulser och en riktningssignal från en indexer eller något programmerbart styrsystem. Dessa genererar ett pulståg, där frekvensen bestämmer motorns hastighet och antalet pulser motorns position. Stegmotorns fördelar: Den enda helt digitala motorn. Mycket enkel att styra från alla digitala system Enkel och kostnadseffektiv Inget ackumulerande vinkelfel Borstlös Underhållsfri Står helt still vid noll hastighet Mycket högt vridmoment Hållmoment i stillestånd Kan aldrig överbelastas mekaniskt Kräver ingen återkoppling Reverserbar Olika fabrikat mekaniskt kompatibla Stegmotorns nackdelar Extremt känslig för yttre tröghetsmoment Ingen återkoppling av det verkliga mekaniska läget Känner ingen skillnad på olika belastning Kan kugga över och tappa position utan förvarning Klarar sällan varvtal över rpm Begränsad dynamik Kan inte ge något extra startmoment Tappar moment i takt med ökande varvtal Har ett relativt högt ljud 2. Stegmotorteknologi Stegmotorn omvandlar digitala pulser till en inkrementell rotation av motoraxeln. Antalet inkrement eller steg är proportionell mot de genererade pulserna och rotationshastigheten är en funktion av de inmatade pulsernas frekvens. Dessa pulser alstras enkelt av mikroprocessorer, logikkretsar eller t.o.m. kontakter eller relä. Drivelektroniken fungerar som en fördelardosa, varje puls omvandlas till en sekventiell ström i respektive motorlindning. Oftast gäller att en puls vrider motorn ett steg Sidan 1 (11)

16 Elmotorstyrning - Stegmotorn Vår enkla modell består av en rotor som är en permanentmagnet. Den har en Sydoch Nordpol och vrids i en stator med 4 poler. Runt varje statorpol finns en lindni av koppartråd. Antag att rotorn N1 och S1 magnetiseras vrids rotorn 90 och hamnar i läge 1b. Genom att rotera statorpolernas magnetfält, kommer rotorn att nå läge 1c och 1d. Dessa lägen är diskreta och stabila och motorn komm att ha en stegvis rotation. 2.1 Stegmotorns uppbyggnad Det finns i huvudsak 4 olika stegmotorkonstruktioner. Variabel Reluktans (VR) Permanet Magnet (PM) Hybrid (HY) 2, 3 och 5-fas Disc Magnet (DM) Fig.1 Princip för en stegmotor Om inget annat anges antar vi att det gäller 2-fas stegmotorer Variabel reluktans Den principiella uppbyggnaden framgår av figur 1. Denna motortyp används mycket sällan idag. Fig.2 Variabel reluktansmotor Statorn består av laminerade isolerade stålplattor och i vårt fall formade till sex poler A, A, B, B, C och C enl. fig.2. Koppartråd är lindad runt varje pol. Statorn är placerad i ett hölje som håller paketet på plats. Rotorn är gjord av mjukjärn och är försedd med ett antal tänder. Motoraxeln är fäst vid rotorn och lagrad i båda ändar. Genom att skicka ström genom lindningen kommer statorpolen att magnetiseras. Närmaste rotortand attraheras till statorpolen. Om strömmen genom den första polen upphör och nästa statorpol magnetiseras, kommer rotorn att vridas ett steg. För att reversera motorn, körs sekvensen för respektive pol åt andra hållet. VR motorn kan uppnå hög hastighet men med ganska lågt moment Sidan 2 (11)

17 Elmotorstyrning - Stegmotorn Permanent Magnet PM motorn har till skillnad från VR motorn, en rotor utan tänder men med integrerad permanent magnet. Observera från fig. 3 hur magneten är placerad. Statorn består av två plåthalvor av stål med utstansade tänder som böjts upp runt rotorn. Se fig.4. Motorn kallas Tin Can motor ( konservburks motor). Runt tänderna i vardera halva, sitter en rund spole med koppartråd. Precis som tidigare kommer rotorn att flyttas ett steg, när spolarna magnetiseras. Den enkla motorn i fig.3 har tre syd- och tre nordpoler i rotorn. Stegvinkeln blir 30. Genom att ha en än mer mångpolig magnet, kommer stegvinkeln att lämpar sig för måttliga hastigheter, har högt moment och en god dämpning. Kommersiellt tillverkas denna motor i stora antal. Vanliga diametrar är 10, 15, 20, 25, 36, 42 och 57 mm med stegvinklar mellan 7,5-18. Fig. 3 Principen för PM stegmotor PM motorn används i bläckstråleskrivare, datorer, luftkonditionering m.m. Priset ligger på endast 2-8$ vid stora volymer och nästan all tillverkning sker i Asien. Fig.4 PM stegmotor uppbyggnad Sidan 3 (11)

18 Elmotorstyrning - Stegmotorn Hybrid Stegmotor 2-fas Precis som namnet antyder, är hybrid motorn en kombination av flera egenskaper. Den förenar VR motorns höga hastighet med PM motorn styrka och dämpning....fig. 5 Hybridmotorn uppbyggnad...fig. 6 Stator Hybridmotorer är enkelt uppbyggd av endast 5 huvudkomponenter. Den består vanligen av 8 st statorpoler, som är försedda med tänder. Runt varje statorpol finns 2 lindningar, vilket gör att polen, beroende på strömmens riktning, antingen kan bli syd- eller nordpol. Fig. 7 Rotorns uppbyggnad hos en hybridstegmotor Sidan 4 (11)

19 Elmotorstyrning - Stegmotorn Rotorn består av 2 laminerade kugghjulsliknande halvor. Inuti sitter en permanentmagnet vanligen av Neodym. De bägge halvorna är vridna, så att tänderna på ena sidan passar försänkningarna på den andra. Se fig.7! Ena halvan blir således nord- och den andra sydpol. Vanligen har rotorn 50 tänder. Fig. 8. Hybridstegmotorns stegförlopp I läge 1 befinner sig Rotorns Sydpol mitt för Stator 1 och 5 (motstående i fig. 6) som nu är magnetiserad som Nordpol. Stator 3 och 7 är Sydpol och hamnar mitt för Rotorns Nordpol. I läge 2 har vi flyttat magnetfältet i Statorn genom att magnetisera Polerna 2+6 samt 4+8. Rotorn flyttar sig ½ tand vilket i detta fall motsvarar 1,8. Genom att rotera magnetfältet i statorn kommer rotorn att stegvis finna ett antal diskreta stabila lägen. Stegvinkeln blir 360 / z / f / p z= antalet tänder =50 p= antal rotor poler =2 f= antalet faser =2 d.v.s. 1.8 eller 200 steg Sidan 5 (11)

20 Elmotorstyrning - Stegmotorn Hybridmotorn finns i ett antal standardiserade storlekar med s.k. Nema fläns. De flesta mått är ursprungligen i tum. Moderna hybridmotorer är inte runda utan kvadratiska. Vanliga flänsmått är 35, 39, 42, 56, 86 och 110 mm. Stegvinkeln är nästan alltid 1,8 men även 3,6 och 0,9 förekommer. Varje storlek finns oftast i 2-4 olika längder. Hybridmotorn tillverkas i stora antal och priset ligger då på 5-20$ för mm stegmotorer. 86 och 110 mm stegmotorer används i mycket mindre antal. Viss tillverkning sker i USA och Europa, men det mesta sker i Asien och då främst Kina. Typiska användningsområden är printrar, medicinska analysinstrument, radiobasstationer, industriautomation etc Hybridstegmotor 5-fas Under 1970-talet fick tyska Berger Lahr patent på en 5-fas stegmotor som var överlägsen alla dåtidens 2- fas motor system. Motorn var starkare, inte behäftad med resonansproblem och hade en stegvinkel på endast 0,72 (anm. 500 steg och en kulskruv med 5 mm stigning gav 0,01 mm i upplösning) upphörde patentet. Berger Lahr, Oriental Motors och Sanyo Denki tillverkar fortfarande 5-fas motorer i större omfattning. Tack vara bättre drivelektronik har 2 fas stegmotorn idag nästan samma prestanda, men till en mycket lägre kostnad. Det finns dock ett antal tillämpningar för mätinstrument eller medicinteknik, där 5-fas motorns mycket mjuka och nästan resonansfria gång är helt nödvändig. Nackdelen är att antalet transistorer i drivsteget blir 10 eller 20 st vilket gör totallösningen dyr. Betrakta följande s.k. vektordiagram (se vidare under kapitel 5). Varje vektor representerar momentet från resp. fas. Om man adderar M4, +M5, +M1 och +M2, får man en totalvektor av 4 faser. Denna vektor representerar momentet med längden A. Den 5:e fasen, M3, ger vid B summan av alla 5 faser. Men tillskottet är endast 4-5%! Därför kan man driva motorn med 4 faser och låta den 5:e verka bromsande. Detta ger en mycket jämn gång med en naturligt högre stegupplösning (0,72 istället för 1,8 ). Fig fas stegmotorns vektordiagram av fasernas inverkan Sidan 6 (11)

21 Elmotorstyrning - Stegmotorn Hybridstegmotor 3-fas 3 fas stegmotorn är en nyare variant av hybridstegmotorer från vissa tillverkare. Tidigare fanns endast några japanska och tyska tillverkare av 3-fas stegmotorer. Numera finns även amt STEP-line i 3-fas utförande och med tillverkning i Kina har priserna nästan halverats. 3-fas stegmotorn har en rad fördelar Kräver endast 6 transistorer i drivsteget och kan använda samma drivmoduler som servomotorer eller omriktare. Har 1,2 stegvinkel (300 steg) Kan köras nästan ljudlöst Har betydligt jämnare gång än 2-fas stegmotorn men når inte riktigt 5-fas motorn. Tack vare att 2-fas stegmotorn tillverkas i många miljoner svarar den för 95% av antalet hybridstegmotorer. Men 3-fas stegmotorn kommer i framtiden att bli mer och mer utbredd Jämförelse mellan hybridstegmotor 2, 3 och 5-fas Fig.10. Inkoppling av 2, 3, och 5-fas stegmotorer (Sanyo Denki) Sidan 7 (11)

22 Elmotorstyrning - Stegmotorn Antal faser Stegvinkel 1,8 1,2 0,72 Drivsätt Unipolär Bipolär Bipolär Bipolär Antal transistorer Kopplingstyp Bifilär Monofilär Y-koppling Pentagon Antal statorpoler Antal anslutningsledare Momentförhållande (TG/TH) 0,707 0,707 0,866 0,951 Fig.11. Olika parametrar för 2, 3, och 5-fas stegmotorer Hållmoment (TH) - Max moment (TG) = Moment rippel TG (2-fas) = 0,707xTH TG (3-fas) = 0,866xTH TG (5-fas) = 0,951xTH Det är mycket viktigt att välja rätt motortyp, för applikationer som kräver låga vibrationer och hastighetsvariationer. Fig.12 Momentrippel med 2, 3 och 5-fas hybridstegmotorer Sidan 8 (11)

23 Elmotorstyrning - Stegmotorn Dynamisk karakteristik. Samma ström i alla F/T grafer Dynamisk karaktäristik Fig.13 Fig. 14. Fördelen med 3 och 5-fas stegmotorer jämfört med 2-fas Sidan 9 (11)

24 Elmotorstyrning - Stegmotorn Som framgår av fig har 5-fas stegmotorn klart bäst prestanda. Tittar man på prisbilden och även ljudnivån är 3-fas stegmotorn den mest ideala stegmotorn Disc Magnet Portescap i Schweiz tillverkar en stegmotor som skiljer sig från alla andra. Den största skillnaden är att den är axiellt magnetiserad. Fig.15 Disc Magnet stegmotor Sidan 10 (11)

25 Elmotorstyrning - Stegmotorn Stegmotor - Vanliga frågor 1. Varför blir stegmotorn så varm? Ström flyter genom motorn även när den står still. Virvelströmsförluster och järnförluster ökar också temperaturen. En stegmotor kan bli ända upp till på mantelytan vilket är fullt normalt. 2. Hur kan man sänka temperaturen? Genom att använda ett drivsteg som sänker strömmen vid stillestånd. Eftersom momentet är störst i stillestånd påverkas funktionen sällan. 3. Kan man använda en liten stegmotor för att driva ett stort hjul som går mycket lätt? Man bör sträva efter att ha samma tröghetsmoment på lasten som motorns eget. Helst inte mer än 5 ggr motorns eget tröghetsmoment och aldrig över 10 ggr. Lösningen heter en växellåda som reducerar tröghetsmomentet med utväxlingen i kvadrat. Tänk på att stegmotorn "håller koll" på varje steg medan en stor skiva vill leva sitt eget liv. Stegmotorn får hela tiden försöka öka eller bromsa skivans hastighet. Detta kostar mycket effekt. 4. Kan man mäta hur mycket ström motorn drar vid olika belastning? En stegmotor känner ingen last. Det går inte att få ett svar på hur mycket moment som stegmotorn lämnar. Därför kan stegmotorn överbelastas utan att brinna upp. Den tappar helt enkelt sin synkronism, ungefär som en friktionskoppling Sidan 11 (11)

26 Elmotorstyrning - Driftarter OLIKA DRIFTSTARTER Driftart anges med någon av beteckningarna S1 S9. S1 är den normala driften som motorns märkeffekt är angiven efter. Vid vissa drifter kan dock motorns märkeffekt höjas. Beroende på hur belastning och därmed motorns uteffekt varierar med tiden, skiljer mellan nedan angivna driftarter. Märkeffekten vid varje driftart fastställs genom ett belastningsprov, som motorn ska genomgå utan att de i IEC 34-1 och SS fastställda temperaturgränserna överskrids. Vid driftart S2 ska beteckningen följas av belastningsperiodens längd. Vid driftarterna S3 och S6 ska beteckningen följas av intermittentsfaktor. Exempel: S2 60 min, S3 25%, S6 40% vid driftstart S4, S5, S7, S8, S9 skall beteckningar följas av tröghetsmoment m.m. S1 Kontinuerlig drift S2 Korttidsdrift, då motorn under fastställd belastningstid uppnår tillåten temperaturstegring. Därpå följande driftspaus skall vara så lång att motorn åter antar omgivningstemperaturen. S3 Intermittent drift, en sekvens av lika arbetsperioder där varje period består av en del med konstant effekt och en med driftpaus. Arbetsperioden är så kort att termisk fortfarighet ej hinner inträda. S4 Arbetsperioder med jämnt växlande starter, belastningar och driftspauser S5 Arbetsperioder med jämnt växlande starter, belastningar, bromsningar eller reverseringar och driftspauser S6 Kontinuerlig drift med periodisk belastning dvs. belastningstid och tomgångstid är så korta, att fortfarighetstillståndet ej uppnås under en arbetsperiod S7 Arbetsperioder med jämnt växlande starter, belastningar och bromsningar eller reverseringar utan driftspauser. S8 Kontinuerlig drift med intermittent belastningsvartalsändring S9 Drift med icke-periodisk belastning och varvtalsvariation (typisk frekvensomriktaredrift) Sidan 1 (1)

27 Elmotorstyrning Högeffektiva motorer Högeffektiva motorer Om klassificering och märkning - högeffektiva elmotorer Elmotorer står för en stor del av samhällets elanvändning och inom industrin har man beräknat att motordrifter svarar för mellan 60 och 70 procent av deras elanvändning. Även i stora delar av bebyggelsen används elmotorer för en rad olika ändamål, till exempel för att driva ventilationsaggregat och pumpar. Eftersom många av elmotorerna är i drift under långa perioder varje år är det viktigt att välja elmotorer med hög effektivitet för att på så sätt minska elkostnaderna. Sedan 1998 har man använt ett klassificerings- och märkningssystem för lågspända växelströmsmotorer och delat in dem i olika verkningsgradsklasser i samverkan mellan EU och den europeiska motortillverkarorganisationen CEMEP. Under 2008 introducerades en ny standard för klassificering av trefasiga asynkronmotorer av IEC (International Electrotechnical Commission). Denna klassificering ersätter den tidigare klassificering som gjorts av CEMEP och som innebär att motorerna sorterades in i effektivitetsklasserna EFF1, EFF2 och EFF3 där EFF1-motorerna hade högst verkningsgrad. Motorklasserna har nu beteckningarna IE1, IE2 och IE3, där IE3 har högst verkningsgrad. Enligt den nya klassificeringen gäller följande: IE1 omfattar motorer med standardverkningsgrader som ungefär motsvarar vad som hittills gällt för EFF2-motorer. Verkningsgradsvärdena för EFF2-motorer har i IE1 justerats med hänsyn till att en ny standard gäller för mätning av verkningsgrader. IE2 omfattar motorer med verkningsgrader som ungefär motsvarar vad som hittills gällt för EFF1- motorer. Verkningsgradsvärdena för EFF1-motorer har i IE2 justerats med hänsyn till den nya standarden för mätning av verkningsgrader. IE3 omfattar motorer som har ytterligare förhöjd verkningsgrad (eng. Premium Efficiency) Inom IEC övervägs även införandet av en klass IE4, där kravet är att de motorförluster som accepteras i klassen IE3 reduceras med ytterligare ca 15%. Klassificeringen gäller för enhastighets trefasmotorer med: märkspänning upp till 1000 volt märkeffekt mellan 0,75 och 375 kw 2, 4 eller 6 poler Klassificeringen gäller inte för motorer som uteslutande är designade för och som endast kan användas i frekvensomriktardrift samt motorer som är helt integrerade med den drivna utrustningen såsom i vissa pumpar, fläktar eller kompressorer och som därför inte kan provas separat. Den standard som hittills gällt för beräkning av motorverkningsgrader har ersatts av en ny IEC- standard med beteckningen IEC som trädde i kraft i september 2007 Denna nya standard med beteckningen EN gäller även som svensk standard. Detta innebär att nya regler nu trätt i kraft för bestämning av förluster och verkningsgrad för motorer Sidan 1 (4)

28 Elmotorstyrning Högeffektiva motorer De nya verkningsgradsgränserna för olika motorstorlekar i klasserna IE1, IE2 och IE3 finns angivna i IEC Skillnaderna i motorverkningsgrad för 4-poliga motorer i klasserna IE1, IE2 respektive IE3 åskådliggörs i diagrammet nedan. Lagen om ekodesign av energianvändande produkter har börjat gälla inom hela EU den 1 maj De nya förordningar som kommittén för ekodesign föreslår kommer att beröra ett stort antal olika produktkategorier. I det utkast till ekodesignförordning för elmotorer som presenterats i januari 2009 anges att det första steget i förordningen innebär att alla motorer från den 1 januari 2012 måste ha en verkningsgrad som minst motsvarar klass IE2. I steg 2 av utkastet till förordning krävs att alla elmotorer från 1 januari 2015 ska ha en verkningsgrad som minst motsvarar klass IE3. Läs mer om ekodesign. I följande tabeller är miniverkningsgraderna för IE2- och IE3-motorer med 2, 4 respektive 6 poler specificerade för motoreffekter från 0,75 till 375 kw. Effekt kw Minimiverkningsgrader % 2-poliga 4-poliga 6-poliga 0,75 77,4 79,6 75,9 1,1 79,6 81,4 78,1 1,5 81,3 82,8 79,8 2,2 83,2 84,3 81,8 3 84,6 85,5 83,3 4 85,8 86,6 84,6 5,5 87,0 87,7 86,0 7,5 88,1 88,7 87, ,4 89,8 88, ,3 90,6 89,7 18,5 90,9 91,2 90, ,3 91,6 90, Sidan 2 (4)

29 Elmotorstyrning Högeffektiva motorer 30 92,0 92,3 91, ,5 92,7 92, ,9 93,1 92, ,2 93,5 93, ,8 94,0 93, ,1 94,2 94, ,3 94,5 94, ,6 94,7 94, ,8 94,9 94, ,0 95,1 95, ,0 95,1 95,0 Effekt kw Minimiverkningsgrader % 2-poliga 4-poliga 6-poliga 0,75 80,7 82,5 78,9 1,1 82,7 84,1 81,0 1,5 84,2 85,3 82,5 2,2 85,9 86,7 84,3 3 87,1 87,7 85,6 4 88,1 88,6 86,8 5,5 89,2 89,6 88,0 7,5 90,1 90,4 89, ,2 91,4 90, ,9 92,1 91,2 18,5 92,4 92,6 91, ,7 93,0 92, ,3 93,6 92, ,7 93,9 93, ,0 94,2 93, ,3 94,6 94, ,7 95,0 94, ,0 95,2 94, ,2 95,4 95, ,4 95,6 95, ,6 95,8 95, ,8 96,0 95, ,8 96,0 95,8 De listor över högeffektiva motorer som sammanställs av Energimyndigheten anger verkningsgradsvärden som beräknats enligt den nya IEC-standarden. Eftersom flera motorleverantörer ännu inte haft möjligheter att ta fram nya uppgifter för sina motorer är den lista som nu presenteras ofullständig och kommer att revideras så snart dessa tillkommande uppgifter finns tillgängliga Sidan 3 (4)

30 Elmotorstyrning Högeffektiva motorer De uppgifter som Energimyndigheten infordrar för motorer som klarar IE2- respektive IE3-kraven är av samma typ som redovisats i tidigare listor för EFF1-motorer (50 Hz, 400 V), det vill säga uppgifter om: Nominell motoreffekt. Motorns avgivna mekaniska effekt i kw vid märkström. Leverantör/Representant. Huvudrepresentanten anges. Fabrikat. Tillverkarens namn. Motortyp, produktkod. Typ- och produktbeteckningar som anges i kataloger och som beställaren kan referera till vid förfrågan. Varvtal. Antal varv per minut vid 50 Hz. Verkningsgrad vid 1/1 resp. 3/4 last. Effektfaktor (cos fi) vid 1/1 resp. 3/4 last. Ström In. Motorns märkström i ampere. Relativ startström Is/ In. Moment Tn. Motorns märkmoment i Nm. Relativt startmoment Ts/ Tn. Relativt maxmoment Tmax/Tn. Vikt i kg Sidan 4 (4)

31 Elmotorstyrning EX-klassning av motorer MOTORER FÖR EXPLOSIONSFARLIG MILJÖ Klassning av explosionsfarliga områden För att kunna specificera elutrustning som ska användas i explosionsfarlig miljö behövs en klassning, dvs. indelning av riskområden i zoner. Ansvaret för att klassning utförs ligger på ägaren eller brukaren av anläggningen. Riskområden och zonindelning Riskområden är sådana rum, utrymmen eller områden inom vilka en explosiv gasblandning kan förekomma under sådana förhållanden att speciella krav måste ställas på bland annat elektrisk materiel. Riskområdena delas in i följande zoner (för damm finns motsvarande zoner 20, 21 och 22): Zon 0 Zon 1 Zon 2 Riskområde i vilket explosiv gasblandning förekommer ständigt eller långvarigt. Inga motorer får användas i zon 0. Riskområde i vilket explosiv gasblandning kan väntas förekomma tillfälligt vid normal drift. I zon 1 får motorer i utförande EEx d och EEx e användas. Riskområde i vilket explosiv gasblandning inte väntas förekomma under normal drift och om det likväl förekommer så är det kortvarigt och sällan. Utöver de motorer som får användas i zon 1 så får även motorer i utförande Ex N, non-sparking, användas. Under vissa förutsättningar behöver motorerna inte ha explosionsskyddat utförande alls. Grupper och kategorier Explosionsskyddad utrustning utförs för utrustningsgrupperna I, gruvor, och II, all annan explosionsfarlig miljö än gruvor. För viss materiel, t.ex. EEx d-motorer, är grupp II indelad i IIA, IIB och IIC. Grupp I är i sin tur indelad i utrustningskategori M1 och M2 och grupp II är indelad i utrustningskategori 1,2 eller 3 beroende på skyddsnivå. Brännbara gaser och ångor delas, efter sin förmåga till tändande genomslag via spalt och/eller efter minsta tändström enligt fastställda provningsnormer, in i explosionsgrupperna IIA, IIB och IIC. Temperaturklass Sidan 1 (4)

32 Elmotorstyrning EX-klassning av motorer Brännbara gaser och ångor samt explosionsskyddad elektrisk materiel delas in i temperaturklasserna T1-T6 med avseende på gasens eller ångans tändtemperatur respektive materielens högsta yttemperatur. Tändtemperaturen är den lägsta temperatur vid vilken en gas eller ånga antänds av sig själv. Explosionsskyddade motorers konstruktionsprincip Det finns två huvudprinciper för explosionsskydd när det gäller elektriska motorer. Den ena metoden är att man utför en motor så att farlig värme eller gnista inte uppstår. Hit hör utförande i förhöjd säkerhet, EEx e. Den andra metoden går ut på att inom motorn isolera farlig värme eller gnista så att antändning av explosiv gasblandning utanför motorn förhindras. Hit hör utförande med trycktät kapsling, EEx d. Förhöjd säkerhet, EEx e Motorn får inte ha några delar som i normal drift alstrar ljusbågar eller gnistor eller antar farlig temperatur. Särskilda konstruktionsåtgärder skall vara vidtagna för att förebygga antändning genom ljusbågar eller gnistor eller genom för hög temperatur till följd av glappkontakt, överbelastning och dylikt. Temperaturgränsen gäller både yttre och inre ytor eftersom motorn inte är konstruerad för att klara att innesluta en intern explosion. Explosionstät kapsling, EEx d Motorns hölje skall vara så beskaffat att tändning och förbränning inom höljet av förekommande explosiv gasblandning inte fortplantas till blandning av liknande art utanför höljet. Höljet skall kunna uthärda härvid uppkommande explosionstryck utan att ta skada. Motorn behöver inte vara hermetiskt tät. Explosiv gas får alltså tränga in i motorn. Direktiv och standarder Inom EU gäller för utrustning avsedd för användning i explosionsfarliga omgivningar direktiv 94/9/EG, ATEX-direktivet. För motorer med explosionstät kapsling, EEx d, gäller harmoniserad standard EN och EN För motorer med förhöjd säkerhet, EEx e, gäller EN och EN Märkning av explosionsskyddade elmotorer För att belysa hur explosionsskyddade elmotorer skall märkas utgår vi från följande exempel: CE 0402 II 2G EEx d IIB T4 SP 05 ATEX 1234X Sidan 2 (4)

33 Elmotorstyrning EX-klassning av motorer Första delen: märkning enligt 94/9/EG (ATEX-direktivet): - CE-märkning på utrustning, som indikation på överensstämmelse med direktiv 94/9/EG - Identifikationsnumret på det anmälda organ som medverkat på stadiet för produktionskontroll, i detta fall Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut. - Sexhörningen, det särskilda explosionsskyddsmärket. - Symbol för grupp och kategori och typ av fara, gas (G) eller damm (D). Andra delen: tilläggsmärkning enligt standarder som utrustningen överensstämmer med, såsom i SS-EN symbolen EEx för att indikera att produkten överensstämmer med seriens standarder. - symbolen för varje utförandeform som används (o, p, q, d, e, ia, ib, m, osv.). - explosionsgrupperna I, II eller II A, II B eller II C om utförandeformen är d, i eller q. - symbolen som indikerar temperaturklass eller maximal yttemperatur. Tredje delen: märkning enligt certifiering: - Det anmälda organets kod (t.ex. SP för Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut). - Utfärdandeår (t.ex. 05). - Certifikatets ämnesområde (ATEX). - Certifikatets nummer. - X, om tillämpligt, för att ange att särskilda krav gäller enligt vad som närmare anges i certifikatet eller U, om tillämpligt, för att ange att det gäller en komponent Sidan 3 (4)

34 Elmotorstyrning EX-klassning av motorer Tabeller över temperaturklasser och explosionsgrupper Temperaturklass Tändtemperatur för gasen o C Max tillåten yttemp. på motorn o C T1 > T2 >300 < T3 >200 < T4 >135 < T5 >100 < T6 >85 < Explosions- Temperaturklass grupp T1 T2 T3 T4 T6 Aceton Etanol Hexan Acetaldehyd Etylnitrit Etylacetat Amylacetat Bensin Etyleter Etylklorid n-butan Motorbränn- Ammoniak n-butanol olja Bensol Naturgas Fotogen IIA Koloxid Metyletylketon Etylglykol Metan n-pentan Lacknafta Propan n-propanol Terpentin Toluol Xylen Ättiksyra IIB Lysgas Bergolja IIC Vätgas Acetylen Kolsvavla Sidan 4 (4)

35 Elmotorstyrning - Lagerströmmar LAGERSTRÖMMAR - EDM Att mäta och klassa lagerströmmar Elektriskt orsakade lagerskador i elektriska motorer är inget nytt problem. De har funnits så länge som det funnits elektriska motorer. Ursprungligen handlade det om tillverkningstoleranser, magnetmaterial med mindre goda egenskaper och ibland rena haverier som ledde till att även lagren skadades. Problemen med tillverkningstoleranser och material är numera övervunna. Haverier som leder till lagerskador inträffar fortfarande, men i det stora hela borde elektrisk erosion i lager inte vara något problem längre. Och ändå börjar det vara ett av de dominerande problemen med variabla drifter både sådana som använder frekvensomriktare med synkronmotorer och sådana som använder likströmsmotorer med tyristorströmriktare eller så kallade choppers. Det största problemet är PWM och asynkronmotorer. EDM (Electric Discharge Machining) eller strömpassage i lager kan orsakas av externa strömkällor som vid svetsning med felplacerad returledare eller interna strömmar eller spänningar i motorn som är orsakade av frekvensomriktare med PWM-utgång. Vid större maskiner är det induktiva axelspänningar som dominerar och vid mindre maskiner är det kapacitiv koppling mellan statorlinding och rotor som dominerar. Dessutom finns fenomenet stomspänning. Den är oberoende av motorstorlek, här är det i stället skyddsledarens (PE) längd och impedans som spelar roll. Vad händer? Typiskt genomslag i 6312 DGBB. 6,5 V och 50 ns Orsakerna till problemen är numera ganska välkända. I AC-fallet handlar det om inducerad axelspänning (större maskiner, axelhöjd >270 är en vanligt förekommande gräns), kapacitivt kopplad rotorspänning och flytande last (mindre maskiner, fläktar, maskiner med drivremmar etc) samt spänningsfall i jordledare och avledning genom lager till jordad axel (stomspänning, alla storlekar). Tidigare ansågs det att problemen endast fanns vid axelhöjder över ca 270 mm, men erfarenheter från fläktinstallationer i effektområdet 1 22 kw visar att även de är utsatta för EDM och i ganska stor omfattning. Skadorna utvecklas inte lika snabbt som i de större maskinerna. Det kan ta mellan ett och två år i en typisk fläktinstallation medan katastrofala skador kan uppstå redan efter ett par månaders drift av matarvattenpumpar och rökgasfläktar i kw storleksordning. Det är egentligen endast en typ av omriktare som inte ger de här problemen. Det är en svensk konstruktion med ren sinusspänning till motorn och som i skrivande stund tillverkas i effekter upp till 22 kw, perfekt för HVAC etc, Sidan 1 (4)

36 Elmotorstyrning - Lagerströmmar men som vi hoppas och tror kommer att kunna levereras i högre effekter och för högre spänningar inom en inte alltför avlägsen framtid. Varje strömpassage genom lagret har likartat förlopp. Det är alltid ett genomslag i oljefilmen i lagret som orsakar strömmen. Genomslaget har låg impedans och den resulterande urladdningen blir därför mycket kort vanligen mellan 0,02 och 0,05 mikrosekunder. Urladdning av rotorns kapacitans på så kort tid innebär att strömstyrkan i urladdningen är mellan 10 och upp till 100 A. Det ger så intensiv kortvarig uppvärmning av urladdningspunkten att stålet till stor del förångas och en liten krater med diameter 0,5 1 μm bildas. Efter ett antal millioner sådana urladdningar mister ytan bärighet och kulorna/rullarna börjar studsa (som bilhjul på en grusväg) och det välkända tvättbrädesmönstret uppstår. Krater orsakad av EDM (SKF) Tvättbrädesmönster "fluting (SKF) Motmedel finns - men hur vet man att de behövs? Motmedel i form av common-modefilter, sinusfilter, du/dt-filter, isolerade lager och isolerad inbyggnad, jordningsborstar och kolfiberringar finns i mer eller mindre standardiserat utförande. En del är billiga och enkla att applicera. En del kräver större insatser både finansiellt och montagemässigt. Och de flesta kräver tillsyn/underhåll. Allt detta är oönskade kostnader och komplikationer som oftast är helt onödigt att genomföra. I praktiken visar det sig att kanske fem till tio procent av alla installationer är utsatta för EDM1 och att då hänga på extra utrustning som kräver kontroll och underhåll är inte ekonomiskt försvarbart. Hur vet man då vilka drifter som behöver de extra skyddsåtgärderna och hur vet man vilka som inte behöver dem? Svaret har hittills varit "Det vet man inte" GKE Elektronik AB har arbetat med de här problemen i mer än tio år. Det har så småningom lett till bra insikter i problemens natur och hur man diagnosticerar dem. En omfattande enkät med europeiska pappersbruk år 1996 visade att problemen redan då hade börjat göra sig gällande. Tidig kontakt med underhållsavdelningar på pappersbruk, stålverk, kraftvärmeverk och fordonstillverkare har gett ett brett erfarenhetsunderlag som så småningom resulterade i en mätutrustning som identifierade och klassificerade elektriska genomslag i lager. Enheten PPS (Pulser Per Sekund) kom att bli ett lätthanterligt begrepp för elektrisk aktivitet i lagren. Energin i varje genomslag i oljefilmen visade sig vara proportionell mot spänningsderivatan i genomslaget (V/μs) och Sidan 2 (4)

37 Elmotorstyrning - Lagerströmmar nivåerna 50, 100 och 200 V/μs blev mer eller mindre en lokal standard för lätt, medelsvår och svår EDM. Men detta var saker som GKE Elektronik var mer eller mindre ensamma om. Några bruk, verkstäder och konsulter började använda tekniken i mindre skala. GKE anlitades också av både ABB och Siemens för kontroll av speciella drifter, men i det stora hela gällde rubrikens Det vet man inte. En ganska vanlig situation var att man tog i drift system utan några åtgärder mot lagerskador för att efter några månader och upp till ett par år konstatera att lagren hade havererat oväntat tidigt. Vid kontroll med tidiga Beppe-varianter visade det sig i samtliga fall att det förekom EDM i lagren. En enkel EDM-mätning omedelbart efter idrifttagningen hade i samtliga fall lett till att kompletterande skydd monterats och att kostsamma reparationer och stillestånd efter kort tids drift hade kunnat undvikas. Hur kan man mäta EDM? Om man tittar på spänningen mellan axeln och statorn på en omriktarmatad motor så ser man ett virrvarr av signaler. Ibland med ganska låga värden och ibland med spänningstoppar upp mot V. I extrema fall mer än så. Genom att sortera ut och räkna de typiska snabba spänningssprången som genomslag i oljefilmen orsakar kan man dels räkna antalet genomslag, dels också klassa dem i energinivåer. Ett genomslag från 3-5 V är i allmänhet ofarligt medan ett genomslag från V alltid medför skada på lagret. Man kan registrera och mäta enstaka genomslag med hjälp av ett snabbt digitalt oscilloskop. Helst ett som i realtid kan beräkna spänningsderivatan och trigga när den överskrider ett visst värde. Sådana oscilloskop är inte lätta att hitta. Det är därför som GKE:s Bearing Predictor (Beppe) konstruerats. Den arbetar med en snabb processor som kontrollerar varje flank i axelspänningen och förkastar alla som inte har falltid kortare än 100 nanosekunder och faller från 5, 10 eller 20 V till +/-1 V på denna tid. De som uppfyller villkoren räknas som äkta EDM och ackumuleras i varsin räknare för 50, 100 och 200 V/mikrosekund. Och visas på Beppes display. De lagras också i enhetens minne och kan antingen läsas eller skickas över till PC. Upp till 50 mätvärden kan lagras. Numera kan man veta I och med att PC-Beppe2 är tillgänglig kan man numera veta i förväg om en maskin kommer att få problem med elektriska lagerskador eller ej. Om mätning visar att EDM över huvud taget inte förekommer (eller förekommer i storleksordningen några tusen PPS vid 50 V/μs, men inte vid 100 V/μs) så kan man lugnt köra vidare utan åtgärder. Om man däremot hittar tusentals PPS vid 200 V/μs så är det klokt att snarast se till att sätta in jordningsborstar, kolfiberringar eller filter. Det är sedan mycket enkelt att göra en ny mätning med PC-Beppe för att säkerställa att nivån sjunkit till acceptabla värden. Ofta visar det sig då att man har mindre än några hundra PPS vid 50 V/μs och noll vid högre energinivåer, det vill säga en drift som inte kommer att få några elektriskt orsakade lagerhaverier inom lagrens mekaniska livslängd. Vissa motmedel, speciellt jordningsborstar, kan ge problem över tiden. De kan nötas ner, även om de vannöts långsammare än kolborstar i likströmsmaskiner. Kolfiberringar sägs ha livstids garanti frågan är hur lång livstiden är. I vissa miljöer bildas också ett isolerande skikt på axeln så att jordningsborsten glider ovanpå detta skikt och inte längre är effektiv. Genom att göra en kontroll med PC-Beppe en eller ett par gånger/år kan tendenser till försämrat skydd (PPS ökar) fångas upp och korrigeras Sidan 3 (4)