Pumpar & Motorer Denna PowerPoint är gjord för att du ska få en inblick i hur en motor kan startas. Varför har man olika startsätt? Olika tekniska funktioner i motorer? Frekvensomformare? Mjukstart? Hur läser man av en motorskylt? Trefasberäkning? 1
Synkronmotor Vi har nämnt roterande maskiner förut och det var generatorn. Vi tar vår generator och ansluter en exakt likadan maskin så får vi kopplingen som på bilden. Spolarna i maskinen sitter fast i höljet och kallas för stator. I generatorn driver vi med hjälp av en yttre kraft runt magneten, den delen heter rotor. När magneten roterar så induceras en spänning i lindningarna. Spänningarna i lindningarna kopplas till motorns stator, I motorns statorlindningar uppstår då strömmar som ger upphov till magnetiska fält. Flödet som roterar i motorn följer exakt magnetens rotation i generatorn. Om vi har en rotor som består av en magnet i motorn kommer magneten, rotorn, att rotera i exakt samma hastighet som magneten i generatorn. Motorn rör sig synkront med generatorns. 2
Synkronmotor Synkronmotorn är ytterst sällsynt i starkströmssammanhang utom vid stora effektuttag, men har många uppgifter inom svagströmmen. Exempel på ställen vi hittar den är klockor, bandspelare eller gamla skivspelare. Synkronmotorn roterar med 50 varv per sekund när frekvensen är 50Hz, eller 3000 varv per minut. Den typen av motor kallas tvåpolig. Finns fyrpoliga motorer och då är varvtalet 1500 varv per minut. Ännu fler poler för lägre varv. Hastigheten får man fram genom att dividera 6000 med antalet poler. 3
2-pol 4-pol 6-pol R+ R+ R+ R- R- R- R- R+ R+ R- R+ R- 3000 rpm 1500 rpm 1000 rpm ns 60 frekvens poltal / 2 [rpm] 4
Asynkronmotorn, den vanligaste och billigaste. Statorn är likadant uppbyggd som för synkronmotorn men rotorn är uppbyggd enligt bilden. Rotorn består av ett antal parallella ledare lagda i cylinderform. Ledarna är kortslutna via ringarna i ändarna. När rotorn placeras i ett roterande magnetfält induceras det spänning i ledarna. Eftersom samtliga ledare utsätts för olika stort magnetiskt flöde kommer spänningarna i de olika ledarna att bli olika stor. Spänningarna kortsluts av änd-ringarna varvid det uppstår en ström i ledarna. Uppstår en ström så uppstår det ett magnetfält. Detta magnetfält samverkar med det roterande fältet så att rotorn börjar snurra i samma riktning som det roterande fältet. Skillnaden i hastighet mellan det roterande fältet och rotorn minskar och därmed strömmen i rotorn. Om rotorn försöker rotera lika fort som det roterade fältet, skulle skillnaden i hastighet bli noll och ingen spänning skulle induceras i rotorlindningen. Detta skulle aldrig inträffa eftersom det krävs en kraft för att snurra på rotorn. Rotorn kan aldrig rotera synkront med det roterande fältet. Detta är orsaken att det heter asynkronmotor. 5
Skillnaden i hastighet är så klart störst i starten, men när rotorn börjar snurra så blir hastighetsskillnaden mindre och mindre vid ökad rotationshastighet. Detta innebär att startströmen är många gånger större än den ström som motorn tar vid sitt maxvarv. Hastighetsreglering Asynkronmotorn går inte synkront med nätets frekvens men bra nära. Hastigheten påverkas av lastens storlek, men skulle hastigheten bli för låg, dvs lasten för stor, blir strömmen i rotorn så stor att säkringarna utlöses. I dag kan vi med hjälp av halvledarteknik, transistorer, tyristorer och dylikt på ett enkelt och relativt billigt sätt reglera hastigheten genom att reglera frekvensen på matningsspänningen. Frekvensomformare heter den styrfunktionen. 6
Inkoppling Det vanligaste motor man kommer i kontakt med är en trefasmotor. Trefasmotorn ansluts till elnätet som bilden visar. Motorns tre lindningar är synliga i plinthuset på motorn. Här kommer alla 6 ändar upp och de har en märkning så klart. Lindnings 1s båda ändar heter U1 och U2, lindning 2: V1 och V2, lindning 3: W1 och W2. 7
Det är här vi väljer om den ska Y- eller D- kopplas. Med en motorleverans så följer det med 3 bleck och det är med dessa beroende på hur vi lägger dem som vi väljer Y eller D. Y- kopplad D- kopplad 8
U Delta connection, example 400 V L1 L2 L3 L1 W2 U2 V2 400 v L3 V U phase = U L2 U1 V1 W1 I phase = I / 3 Star (Y)- connection, example 690 V L1 L2 L3 L1 W2 U2 V2 690 v 400 v L3 U phase = U / 3 L2 U1 V1 W1 I phase = I The terminals are marked according to IEC 60034-8 P out = U I 3 cos [W]
Märkskylt Efter att vi har valt Y eller D koppling ska vi koppla in de tre faserna och skyddsjord. Faserna ansluter man på U1, V1 och W1. oavsett vilken koppling vi valt(y eller D). I motorns plintlåda finns en uppmärkt jordskruv för anslutning av inkommande skyddsledare. Detta är den viktigaste anslutningen. När detta är gjort så ska anslutningarna kontrolleras, kabelgenomföringarna dras åt så de blir täta och finns oanvända tätningar så ska dessa täckas igen. Sedan sätter vi på locket. OBS! Intill motorn ska det finnas en säkerhetsbrytare installerad. Säkerhetsbrytaren är inte till för start och stopp, utan för att kunna utföra jobb på motorn utan att den kan starta. Säkerhetsbrytaren bryter de tre faserna och är låsbar. 10
Inställning och kontroll efter inkoppling Kontinuitetsmätning ska göras. Skyddsledares kontinuitet(lågohmsmätning) är en mycket viktig mätning som utförs för att fastställa att skyddsledaren är sammanbunden i alla delar till sann jord och att resistansen är tillräckligt låg i alla delar av jordslingan. Man mäter mellan sann jord och motorinstallationen. Sann jord menas jorden vi har i centralen eller där man vet att man har bra jord. Rotationsriktning Att kontrollera rotationsriktningen är alltid viktigt. Finns en pil på motorn eller någon annan slags märkning som talar om vilket håll den ska gå. Om man tittar i motorns D- ände, dvs den ände där den drivande axeln sitter så ska motorn snurra medurs. Vanligtvis kan man starta motorn för att kontrollera rotationsriktningen. Om motorn roterar åt fel håll så skiftar man två av de tre faserna. 11
Rotationsriktning Men det finns maskiner som inte ens en kort stund får gå åt fel håll eftersom det kan skada maskinen och i värsta fall orsaka skada. Rätt rotationsriktning får du om motorn är ansluten med rätt fasföljd. Nya anläggningar ska vara fasrätta Om matningen har rätt fasföljd får du rätt rotationsriktning om du ansluter: L1 fasen till U1 L2 fasen till V1 L3 fasen till W1 Det har ingen betydelse om man ansluter faserna på U1, V1, W1 eller på U2, V2, W2 så länge man inte ansluter faserna på samma sida som kortslutningsblecken. Nu har vi anslutit motorn och installerat en säkerhetsbrytare. Nu går vi bakåt i huvudkretsen in till elskåpet. 12
Nästa sak vi hittar här är överlastskydd. Överlastskydd eller motorskydd som en del säger är till för att bryta de tre faserna som går till motorn, och det gör det om belastningen blir för stor. Det går för mycket ström i faserna vilket leder till att värmen stiger, tillslut så bryter skyddet. Överlastskydd går att återställa men inte innan det svalnat. Överlastskyddet är inställbart och ställs in efter det aktuella amperetal som står på märkskylten för motorn. På tur i huvudledningsschemat hittar vi en kontaktor. Det är den som startar och stoppar pumpen. Genom att ansluta styrkretsen till anslutningarna A1 och A2 drar en spole, och tre huvudkontakter slår till. Finns fler kontakter som är märkta 13-14, 21-22. Dessa används i styrkretsen för att få olika funktioner men mer om det längre fram. 13
Enkelt kretsschema för en motordrift I schemat nedanför ser vi huvudkrets och styrkrets för en motordrift. Huvudkretsen kan det gå mycket ström(ampere) i beroende på hur stor motorn är. I en styrkrets går det inga större strömmar utan där är det spänningen man bryter upp och sluter på olika sett för att få rätt funktion. 14
Märkskylt Alla motorer har en märkskylt som innehåller en mängd information. Vi återkommer om övrig information senare. Detta exempel visar en skylt på den vanligaste motorsorten, en motor med märkspänning 400/230V. Högsta spänningsvärdet 400V är märkspänning i Y-koppling och lägsta spänningsvärdet 230V är märkspänning i D-koppling. Det lägsta värdet, visar alltid den spänning som motorns lindningar är gjord för, i detta fall 230V. Om vi istället D-kopplat motorn hade lindningarna blivit anslutna till 400 V och tagit skada av för hög spänning. Vid Y-koppling till huvudspänningen 400 V blir lindningarna anslutna till 230 V. Vid en D-koppling blir motors lindningar anslutna till nätets huvudspänning. 15
1: Monteringssätt, anges i svensk och internationell standard med beteckning IM(International Mounting) och fyra siffror. 16
Märkskylten 2-3-4: Märkspänning och märkström vid Y- respektive D-koppling samt märkeffekt. Oavsett vilken märkspänning som används är effekten alltid densamma. Effekten anges normalt i W eller kw och är den effekt som tas ut på motoraxeln, dvs den avgivna mekaniska effekten. Den effekt som tillförs en motor är alltid större än den effekt som motorn avger. En viss effekt går förlorad i form i värme och friktion. Förhållandet mellan avgiven och tillförs effekt kallas elmotorns verkningsgrad. Ju större motor, desto bättre verkningsgrad. Nyare motorer kan ligga på 0,95. Verkningsgrad= Avgiven effekt Tillförd effekt = Mekanisk Elektrisk 17
Märkskylten 5: Effektfaktorn, cos fi(cos ϕ). Effektfaktorn är förhållande mellan aktiv effekt(mäts i watt) och skenbar effekt(mäts i voltampere, VA). Effektfaktorn används vid olika typer av motorberäkningar och ligger vanligen mellan 0,7 och 0,9. Den är lägre för små motorer och högre för större motorer. P I= ( 3 x U x cos fi x ɳ) 18
Märkskylten 6-7: Axeldiameter-Centrumhöjd. Det är viktigt att en motor har vissa standardiserade mått så att den vid reparation kan bytas ut mot en motor av annat fabrikat. Den internationella standardiseringsorganet IEC har utarbetat standardserier för elmotorers anslutningsmått. 19
Märkskylten 8: Temperaturklass. Motsvarar den maxtemperatur som motorns lindningsisolation tål under normala driftförhållanden. Anges antingen med temperatur eller en bokstavskod. Normalt sker kylning med en utvändig kylfläkt på motoraxelns icke drivsida. 20
Märkskylten 9: Märkvarvtal, det varvtal som motorn lämnar på axeln. 10: Kapslingsklass. Elektriska apparater och motorer klassificeras i en skyddsklass som kallas IP-klass. Första siffran i beteckningen anger utrustningens skydd mot beröring och damm, den andra mot vatten. (IP= International Protection) 21
Startalternativ Direktstart Kontaktorn slår till de tre brytarna direkt och motorn får spänning, motorn slukar så mycket ström den kan för att komma i snurr. Allt eftersom den kommer upp i varv så minskar strömmen och närmar sig den nivå som står på märkskylten. För att starta en motor med direktstart så finns det vissa faktorer som man ska känna till. Tillgång på kraft(klarar anläggningen motorns förbrukning?) Startmomentet(Hur mycket kraft krävs i startögonblicket?) Elleverantörens krav Ekonomi Säkerhet 22
Startström- Startmoment Tänk dig en rak väg, och du ska cykla iväg på en hög växel, du ska upp i 25km/h. Med en hög växel blir det tungt moment(tungt startmoment) att komma upp i fart. Med en låg växel- ett lågt motstånd blir det lättare moment(lätt startmoment). När du kommit upp i hastighet krävs inte lika mycket kraft för att hålla farten. Elleverantören Deras skyldighet är att leverera elenergi med god kvalitet till alla sina abonnenter. Men de har även rätt att ställa krav på sina kunder. Gränsen på vilken storlek på motor som får direktstartas i Sverige kan variera men man brukar säga 4kW. 23
Ekonomi Ibland vill man ha en billig lösning på startsätt. Men det finns tre saker man ska tänka på: Blir anläggningen säker? Funktions rätt? Startalternativet förenligt med de lagar och förordningar som finns? Säkerhet Man får aldrig bortse från säkerheten! Tänk till före: Klarar maskinen omvänd rotationsriktning? Vad händer om motorn återstartar efter spänningsbortfall? Krävs nödstopp? Måste motorn stanna omedelbart vid stopp? 24
Startalternativ Mjukstart Men är nu motorn för stor för att starta med direkt start så finns det andra sätt, ett kan vara att sätta ditt en mjukstart istället för kontaktor. En liten låda i olika storlekar och modeller för olika motorer och användningsområden. Mjukstartaren kopplas in i kraftkretsen till motorn och används oftast för elmotorer som driver pumpar, fläktar, transportörer, kvarnar, omrörare eller kompressorer, exempelvis i industrier och vatten- och avloppsverk. Vid mjukstart lämnas en lägre spänning än den spännig motor är avsedd för. Mjukstartaren rampar sedan upp motorn till sin rätta driftspänning. Tiden för rampningen ställs in på en lämplig tid som passar anläggningen. Mjukstartaren minimeras risken för överbelastning av anläggningen. 25
Mjukstart Driver motorn en pump finns också fördelen med mjukstopp som ger en långsam strypning av flödet. Då blir det ingen snabb tryckförändring som kan orsaka svallvågor i ledningarna och man kan undvika skador på ventiler och ledningar. Mjukstartaren undanröjer också ett problem med elkvalitet som direktstart av en större motor kan ge. När brytaren slås till drar motorn omedelbart så mycket ström den kan. Om det är mer än vad elnätet kan leverera i just det ögonblicket leder det till att spänningen sjunker kraftigt under ett kort ögonblick. 26
Startalternativ Frekvensomformare Ibland vill man inte köra motorer på fulla varv hela tiden utan man vill kunna styra hastigheten. Ett sätt att reglera motorns varvtal är att ändra frekvensen, och det kan man göra med hjälp av en så kallad frekvensomformare. Används i allmänhet för att ge en bättre processtyrning och för att spara energi. Kostnader för frekvensomformare har under de senaste åren gått ner samtidigt som funktionen blivit bättre. 27
Frekvensomformare Fördelar: Högt startmoment Fullt märkmoment långt ner i varvtal Energibesparing: Att anpassa varvtalet till det verkliga behovet än att köra med samma hastighet oberoende av produktionens krav. Möjlighet att förandra motorns varvtal Nackdelar Frekvensomformare skapar elektromagnetiska störningar som stör radio/tv och datakommunikation. De stör även mätsignaler av olika slag. Detta kräver speciell elmateriel. 28
Frekvensomformare Den innehåller en PLC. Med andra ord så kan man programera den och få ut mycket information om hur driften fungerar. Olika sätt att ställa in en frekvensomformare: Start och stopp funktion Högt och lågt startmoment Larm av överlast Larm om fasbortfall 29
Att välja motor Hur stort är startmomentet? Hur stort vridmoment krävs för acceleration? Hur stort vridmoment krävs för att driva lasten? Ska motorn gå konstant eller varierande varvtal? Ska motorn regleras eller styras? Ska den gå kontinuerligt eller med mycket start och stopp? Vilken kapslingsklass krävs? Ska motorn placeras i brand- eller explosionsfarlig miljö? Behöver motorn någon extra funktion? Man kan kanske inte svaret på alla frågeställningar, pumpleverantörer kan hjälpa till så vi får rätt motor. Skillnad på varvtalsstyrning och reglering: Styrning- motorn ges en signal som ska ge önskat varvtal. Reglering- en återrapportering om varvtalet motsvarar den önskade varvtalet. Vridmoment anger motorns vridande förmåga. Det kan räknas ut om man vet effekten och varvtalet. 30
Säkringarna ska vara tröga (Utlösningsförmåga) och man brukar ha några riktvärden: Direktstart- 2 gånger motorns märkström. Y-D start och mjukstart- 1,5 gånger.. Frekvensomformare- Närmast frekvensomformarens märkström. Motorer kan ibland vara anslutna med ett säkringslöst system. Motorn är ansluten över motorskyddsbrytare som fungerar som överlastskydd och kortslutningsskydd. 31
Igensättning Motorn utformad på ett speciellt sett? Och motorn är frekvensstyrd? Pumpstationer för avloppsvatten är allmänt dimensionerade för maxflöden som varar cirka 5% eller mindre av tiden. Därför går pumpen nästan hela tiden på halv fart vilket kan medföra att sedimenteringen ökar. Stora partiklar kan lossna och sugas in i pumpen och sätter sedan igen pumphjulet. Pumpens självrensningsförmåga sjunker drastiskt när varvtalet sänks. 32
Igensättning Den snabba accelerationen vid start av en direktstartad pump rensar effektivt bort en påbörjad igensättning. Och när pumpen stoppas följer en naturlig återspolning. För att slippa få igensättning i en frekvensstyrd pump så kan man i frekvensomformaren eller från ett styr- & övervakningssystem programmera in en rensningssekvens. Att 1 till 2 ggr i timmen stoppa pumpen för att sedan starta den med kort ramptid för att sedan återgå till normal körning. Ramptid= Tiden det tar att nå max fart. 33
Termokontakt Det är en termisk(temperatur) vakt som känner av om motorn blir för varm och ändrar då från NC till NO. Kontakten har ett förinställt värde. Den brukar vara inkopplad i manöverkretsen. Kan vara en givare ibland, en PT-100 givare brukar man kalla den och den mäter vilken temperatur det är i motorn. En analog signal. NC= Normal Close NO= Normal Open 34
Motorkretsar - Felsökning Felsökning Det kan uppstå många olika fel i en motorinstallation. För att hitta felet kan du behöva följande... Voltmeter eller multimeter Isolationsprovare sk. megger Skruvmejsel, skiftnyckel Logiskt tänkande och sunt förnuft och glöm inte att bryta spänningen till motorn innan du rör elektriska eller rörliga mekaniska delar. 35
Motorkretsar - Felsökning Fel Orsak Metod Motorn går åt fel håll Fel fasföljd Skifta två faser Motorskyddet löser ut Överlast Kontrollera lasten Lagerfel Broms ligger an Motorskyddet felinställt En fas borta Lyssna med skruvmejsel, känn på lagertemperaturen Kontrollera bromsen Kontrollera märkdata Mät spänningen på motorplinten Säkringarna går direkt Kortslutning Mät resistansen (med megger) Säkringarna går efter ett tag Dålig isolation Mät resistansen (med megger) Säkringarna underdimensionerade Intermittent kortslutning Kontroller märkdata Stötprova eller megga Oljud från motorn En fas borta Mät spänningen på motorplinten Lagerfel Lyssna med skruvmejsel, känn på lagertemperaturen 36
Motorkretsar - Felsökning Motorn roterar inte Nödstopp intryckt Dra ut nödstoppet Huvudbrytare frånslagen Slå till brytaren Överlastskyddet har löst ut En fas borta Lasten mycket för stor Lagret har skurit Återställ överlastskyddet Mät spänning på motorplinten Kontrollera lasten Rotera motoraxeln för hand Motorn går sakta Överlast Kontrollera lasten En fas saknas Broms ligger an Mät spänningen på motorplinten Kontrollera bromsen Lagerfel Felaktigt ställd varvtalsreglering Lyssna med skruvmejsel, känn på lagertemperaturen Kontrollera reglerutrustningen Motorn skakar Motorn är lös Kontrollera fastsättningen Dåligt riktad Gör ny inriktning Lasten ojämn Kontrollera lasten 37
Rep ellära Kortfattad ellära Den mest grundläggande formeln inom elläran är Ohms lag. Där spänningen U = R x I, strömmen, I = U / R och resistansen, R = U / I. Vidareutvecklar man Ohms lag får man fram likströmseffekten genom P = U x I eller också: P = U2 / R. strömmen erhålls genom: I = P / U. Dessa formler kan även användas vid beräkning av elvärme kopplad för 1-fas eller 2-fas i växelstömsnätet. Vid 3-fas elvärme måste hänsyn till fasförskjutning tas, och faktorn 3 (1,73) multipliceras in i beräkningen. Man får då effekten genom: P = U x I x 1,73 eller strömmen I = P / (U x 1,73) 38
Rep ellära Skall man beräkna en elmotor måste man ta hänsyn till motorns förluster genom att räkna med effektfaktorn, cos ϕ, som alltid är lägre än 1. För 1-fas motorn gäller: P = U x I x cos φ eller I = P / (U x cos φ) och för 3-fas motorn: P = U x I x cos φ x 3 eller I = P / (U x cos φ x 3) 39
Rep ellära Men vi har ganska många förluster i en asynkronmotor. Vi ska inte gå så långt men verkningsgraden kan man räkna om man vet tillförd och avgiven effekt. Verkningsgrad= Avgiven effekt Tillförd effekt = Mekanisk Elektrisk 40
Put = I U 1,73 η cosᵩ Trefasmotor Pin = I U 1,73 cosᵩ 41
Rep ellära Skall man beräkna en elmotor måste man ta hänsyn till motorns förluster genom att räkna med effektfaktorn, cos ϕ, som alltid är lägre än 1. 42
Effektberäkning Trefas 1. En trefasbelastning kopplas till 400V nät och tar då 15A vid cosφ= 0.60. Hur mycket effekt tar den? 6228W eller 6,228kW Formel: P= U x I x 3 x cosφ 6228= 400 x 15 x 1,73 x 0,6 För var spänningen 380V mellan faserna Hur stor effektskillnad jämfört med dagens nätspänning? ca 300W 43
Effektberäkning Trefas 2. Hur stor ström tar en 50Hp 3-fasmotor från ett nät på 1000V, då verkningsgraden är 85% och effektfaktorn 0,80? (1Hp=736W) 31A Formel: I= P / (U x 3 x η x cosφ) P =36800= 50Hp x 736W 31,2= 36800 / (1000 x 0,85 x 1,73 x 0,8) 44
Effektberäkning Trefas 3. En trefasmotor är märkt: 3,0 kw / 400V / cosφ= 0,77. Hur mycket ström tar den från elnätet då verkningsgraden antas vara 95%? 5,92A Formel: I= P / (U x η x 3 x cosφ) 5,92= 3000 / (400 x 0,95 x 1,73 x 0,77) 506 45
Effektberäkning Trefas 4. Från en kraftstation levereras 15MW vid 50kV och effektfaktorn 0,80. Hur mycket skulle strömmen minska vid samma överförda effekt, om man genom faskompensering kunde få upp effektfaktorn till 1,00? Ge svaret i amper. 43A Formel: I= P / (U x 3 x cosφ) 216= 15 000 000 / (50 000 x 1,73 x 0.8) -173= 15 000 000 / (50 000 x 1,73 x 1) =43A 46