3-fasmotorer Statorn Statorn i både synkron- och asynkronmaskinerna är uppbyggda på samma sätt. I enklaste varianten är statorn uppbyggd med lindningar för två magnetpoler (en nord- och en sydpol) för varje fas. De tre polparen är placerade med 120 förskjutning från varandra enligt figuren. N S S 120 120 N 120 N S När den trefasiga statorlindningen ansluts till elnätet, ger nätspänningen upphov till ett roterande magnetfält i statorn. Detta kan uppfattas så att strömmen ger upphov till ett antal jämnt utplacerade poler i statorn och att detta polmönster roterar runt. Kännetecknande för det roterande magnetfältet är att dess styrka och rotationshastighet är konstanta. Det som återstår för att maskinen skall fungera är att få en rotor att greppa fast i det roterande fältet på något sätt och följa med runt. Det är detta som skiljer synkron- och asynkronmaskinen åt. Rotationshastigheten för magnetfältet i den tvåpoliga maskinen är ett varv per period av växelspänningen, alltså normalt 50 varv/sekund eller 3000 varv/min. Detta varvtal kallas för det synkrona varvtalet, n s. Om en maskin med lägre varvtal önskas lindar fabrikanten fler magnetpoler, t.ex. 4 eller 6 poler per fas, istället. Detta gör att det åtgår flera perioder av växelspänningen innan magnetfältet flyttat sig runt ett helt varv. Det aktuella varvtalet kan räknas ut med formeln: n s 120 f p Varvtalen blir då jämna delar av 3000, t.ex. 1500, 1000, 750, 600 o.s.v. Normalt används bara 2- och 4-poliga maskiner som motorer, alltså med synkrona varvtalet 3000 resp. 1500 varv/minut. Med fler poler blir motorerna stora, klumpiga och dyra. I vattenkraftverken
önskas oftast ett lågt varvtal på turbinen och för att slippa växellåda är det en fördel om generatorn även har lågt varvtal. Därför förekommer det kraftverksgeneratorer med upp till 72 poler per fas. Rotorn Synkronmaskinen Rotorn i en synkronmaskin består av antingen en permanentmagnet eller ett polhjul av elektromagneter med fasta nord- och sydpoler. Antalet poler i rotorn måste överensstämma med poltalet i statorn. Rotorn hakar sig fast i det roterande flödet, och får därmed samma rotationshastighet, den roterar synkront med flödet. Ett stort problem med synkronmaskinen är att den inte har något egentligt eget startmoment. Den måste därför startas av någon annan drivkälla och fasas in mot elnätet. Då hakar rotorpolernas magnetflöde ihop med statorflödet och sedan kan maskinen fortsätta att rotera. Om energi matas in via rotoraxeln går den som generator och om energi tas ut går den som motor. Den går alltid med ett exakt varvtal styrt av nätspänningens frekvens. Startproblemen gör att den mycket sällan används som motor men däremot är i princip alla kraftverksgeneratorer av synkronmaskintyp. Växelströmsgeneratorer i bilar är också synkronmaskiner. Asynkronmaskinen Rotorn i en asynkronmaskin består av en s.k. burlindning. Det är inte någon lindning i ordets normala bemärkelse utan egentligen ett antal aluminiumstavar i spår i järnkärnan. Dessa aluminiumstavar är i båda ändarna förbundna med en kortslutningsring. Därav kommer maskinens korrekta namn, kortsluten asynkronmaskin. Funktionen och den fortsatta beskrivningen görs här för motordrift. Maskinen fungerar dock alldeles utmärkt även som generator. T.ex. är många vindkraftverk och små vattenkraftverk försedda med asynkronmaskiner som generatorer.
Då 3-fas växelspänning ansluts till statorlindningen och magnetfältet roterar kommer detta att passera förbi rotorstavarna. Ett magnetfält som rör sig i förhållande till en ledare inducerar en spänning i ledaren. Eftersom ledarna är kortslutna i ändarna kommer spänningen att ge en hög ström i ledaren (rotorstaven). En strömgenomfluten ledare omger sig med ett magnetfält. Detta kommer att samverka med det roterande magnetfältet och ledaren (staven) påverkas av en kraft som vill trycka den ut ur magnetfältet. Motorn roterar. Hur fort roterar då rotorn? När rotorvarvtalet börjar närma sig det synkrona varvtalet minskar hastighetsskillnaden mellan det roterande magnetfältet och ledaren varvid den inducerade spänningen, och därmed strömmen, minskar. Då minskar också kraften på staven och rotorn saktar in. Detta innebär att rotorvarvtalet alltid måste vara något lägre än det synkrona varvtalet. Detta kallas för eftersläpning. Eftersläpningen brukar vara 2-10 % av det synkrona varvtalet. Eftersläpningen varierar också med belastningen så att vid tomgång är rotorvarvtalet nära det synkrona för att sedan minska vid ökande belastning. Varvtalet på märkskylten gäller vid märklast. Vanliga märkvarvtal är ca 2800 varv/minut för 2-poliga motorer och ca 1400 varv/minut för 4-poliga. Eftersläpningen brukar betecknas s och kan räknas ut med detta samband: ns n s där n s = det synkrona varvtalet och n = märkvarvtalet. n Märkskylt s På maskinens märkskylt finns upptagna, utöver fabrikantens namn, maskinens typ och serienummer, uppgifter om motorn vid normal drift, vid märkdrift. Dit hör de spänningar och strömmar maskinen är avsedd för, effektfaktor (cos ), varvtal m.m. Observera att effektangivelsen på märkskylten gäller mekanisk uteffekt. Ibland finns också information om kapsling, isolation, kylmetoder osv. Figuren nedan visar en märkskylt för en motor med spänningsområden vid både 50 och 60 Hz. Data för 50 Hz står till vänster om snedstrecket och för 60 Hz till höger. ABB Motors Motor 3 50/60 Hz IEC 34-1 MBT 112M 2860/3460 r/min 4/4,6 kw Cl. F cos = 0,90 380-420/440-480 VY 8,1/8,1 A 220-240/250-280 V 14,0/14,0 A No.MK 142 031-AS IP55 30 kg Motorns ineffekt anges normalt inte utan den får räknas ut med effektformeln: P 3-fas = U h I Linje cos 3
Motorns verkningsgrad anges normalt inte heller på märkskylten utan fås från datablad eller räknas ut med: Put Pin Verkningsgraden är alltid <1. Märkningen IP55 i mitten på nedersta raden anger maskinens täthet mot inträngning av vatten och damm. Första siffran anger skyddet mot inträngning av föremål, andra inträngning av vatten. Skalan går från IP00 (inget skydd alls) till IP68 (tryckvattentätt). Normalt beröringsskydd i torra lokaler brukar vara IP20, kapsling för industrimiljö IP43, damm och vattentätt IP67. Class F som står mitt på skylten anger isolationens temperaturklass, d.v.s. hur varm lindningen får bli innan isolationen börjar ta skada. De vanligaste isolationsklasserna är: E 120 C B 130 C F 155 C H 180 C De ovan angivna temperaturerna är absoluta maxtemperaturer. Om dessa överskrids halveras livslängden på isolationen för var tionde grads övertemperatur. Vid 20 C övertemperatur är då livslängden nere under ¼ av ordinarie livslängd och vid 40 C övertemperatur endast ca 5%. Till grund för ovanstående temperaturer ligger följande diagram. E 120 B 130 F 155 H 180 15 Hot spot-marginal 10 5 10 Max tillåten temperaturstegring 75 80 105 125 40 40 40 40 Maximal omgivningstemperatur Maximal omgivningstemperatur antas hela tiden vara 40 C. För att ovan angivna temperaturer inte skall överskridas i någon punkt på lindningen måste det också finnas en säkerhetsmarginal, hot spot-marginal. Denna sätts till 5-15 C. Hot spot-marginalen behövs eftersom det är nästan omöjligt att mäta temperaturen på
varmaste punkten inuti en motor under drift. Temperaturen erhålls istället genom att lindningsresistansen mäts i kallt tillstånd samt vid drift. Ur dessa värden kan sedan drifttemperaturen beräknas. Detta blir då en medeltemperatur utan hänsyn till eventuella extra varma punkter. Resterande temperaturområde upp till maxtemperatur blir den maximalt tillåtna temperaturstegringen vid drift. Ibland förekommer också motorer tillverkade med isolationsklass F men stämplade för temperaturstegring enligt den lägre klassen B. Detta ger då en extra säkerhetsmarginal på 25 C som kan utnyttjas till: - högre omgivningstemperatur - ökad livslängd - ökat effektuttag (ca 12%) genom större överbelastbarhet - större tolerans mot spänningsvariationer - bättre tålighet vid frekvensomriktardrift (dålig kurvform ger större förluster) Ovanstående driftförhållanden gäller för maskiner placerade på lägre höjd än 1000 m över havet. Om maskinen placeras på högre höjder måste en reduktionsfaktor användas om det inte kompenseras av motsvarande sänkning av omgivningstemperaturen. Uppställning och drift av maskiner i stark kyla och hög luftfuktighet kan ställa till problem. Stark kyla kan ge smörjningsproblem i lagren och fuktighet kan ge kondensproblem. Dessa behandlas dock inte i detta avsnitt utan hänskjuts till avsnittet om uppställning.
Inkoppling Trefasmotorer kan i regel kopplas om för två spänningar genom att statorlindningen kopplas i Y eller i (D). På märkskylten finns normalt angivet båda de spänningar som maskinen kan anslutas till. I exemplet i figuren nedan är de normenliga beteckningarna för uttagen införda. Där visas också kopplingen av lindningarna samt hur kopplingsblecken skall placeras för anslutning till 230 V respektive 400 V huvudspänning (D- resp. Y-koppling). W2 L1 U1 U1 L1 W1 L3 V2 V1 U2 L2 L3 W1 U2 V2 W2 V1 L2 W2 U2 V2 W2 U2 V2 U1 V1 W1 U1 V1 W1 L1 L2 L3 D koppling 230 V L1 L2 L3 Y koppling 400 V Denna motor är alltså lindad för att ha spänningen 230 V över varje lindning och skall Y- kopplas vid anslutning till vårt vanliga 400 V trefasnät här i Sverige men skall D-kopplas vid anslutning till ett 230 V elnät i t.ex. Norge. Det finns också motorer tillverkade med märkspänning 690/400 V, alltså Y-koppling vid 690 V och D-koppling vid 400 V, så det gäller att se upp då motorn skall kopplas in. Rotationsriktning Den ända som normalt är motorns drivända (ändan med axeln) definieras som D-ända. Om nätet ansluts till en trefasmotors statoruttag, märkta U, V och W och nätets fasföljd är L1, L2, L3 får motorn medurs rotationsriktning, sedd mot D ändan. Om motsatt rotationsriktning önskas, växlas två av de matande faserna.
Moment Momentkurvan för alla asynkronmaskiner har samma generella utseende. Momentet har ett maximum, kippmoment, M k. Detta är oftast 2-3 gånger högre än det normala driftmomentet. s på x-axeln anger eftersläpningen. Denna är vid normal drift bara ca 3-5% (0,03-0,05). M M k Motor med dubbelspårrotor Normal drift M start Sadelpunkt 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0-0,2-0,4 0 Motströmsbroms (omvänd rotationsriktning, förluster i maskinen, ej generatordrift) Motor s k n o Generator (Översynkront) Figuren visar att startmomentet är betydligt lägre än kippmomentet. För tung last kan göra att starten misslyckas. Därför utförs de flesta asynkronmotorer med dubbelspårrotor vilket förbättrar startmomentet väsentligt samtidigt som det i viss mån begränsar startströmmarna. Det är också viktigt att se till att lastens moment aldrig överstiger kippmomentet eftersom motorn då stannar. Momentkurvan visar också att om maskinen drivs med ett varvtal något över det synkrona (negativ eftersläpning) går den som generator och matar ut energi på nätet. Motströmsbromsning inträder då motorn roterar åt ett håll samtidigt som nätspänningens fasföljd hastigt växlas och statorfältet därmed byter rotationsriktning. Detta ger ett mycket kraftigt bromsmoment, särskilt i motorer med dubbelspårrotor, men ger naturligtvis stora påfrestningar på både elnät och mekaniska komponenter kring motorn. I området för normaldrift (s << s k) betraktas momentkurvan som linjär. Då gäller följande samband för momemtet M: 2 U1 s M k, där U 1 är matningsspänningen och R 2 rotorresistansen. R2 Om U 1 och R 2 är konstanta blir M proportionell mot s. s n
Start I startögonblicket, då rotorn står stilla, kan motorn jämföras med en kortsluten transformator. Hastighetsskillnaden mellan det roterande magnetfältet och den stillastående rotorn är mycket stor. Strömmen i rotorstavarna blir stor och kraften på rotorn stor vilket ger motorn ett bra startmoment. En nackdel är dock att startströmmen blir mycket hög. Om inga speciella åtgärder vidtas kan startströmmen bli upp till 8 ggr märkströmmen (vanligen 4 6 ggr). Dessa strömmar avtar snabbt när rotorn kommer upp i varv och är normalt inte skadliga för motorn. Strömmarna kan dock ge oönskade spänningsfall i nätet. Eldistributörerna föreskriver därför hur stor motoreffekt som får direktstartas på det allmänna distributionsnätet. Normalt gäller att motorer över 5 kw skall förses med startanordning som reducerar startströmmen. Specialtillstånd kan erhållas för direktstart av större motorer. För att reducera startströmmen finns flera olika metoder varav numera i princip bara två används: Y/D-start och mjukstartare. I äldre anläggningar förekommer också släpringade motorer som också är ett sätt att få ned startströmmen. Y/D-start Det enklaste sättet att begränsa startströmmarna är att använda Y-D-kopplare. Spänningen slås på med motorns statorlindningar Y-kopplade och strömmarna blir därvid 1 / 3 av motsvarande strömmar med D-koppling. Rotorn börjar gå upp i varv och vid en lämplig tidpunkt slås den över till D. Nackdelen med metoden är att startmomentet också minskar till en tredjedel jämfört med momentet vid direktstart. Detta gör dels att vissa laster kanske inte kan startas i Y-läget över huvud taget, dels att starttiden blir mycket längre vilket medför ökade termiska påkänningar på motorn. Mjukstartaren Mjukstartaren består av en tyristorreglerutrustning (i princip en trefas dimmer) vars tändvinkel styrs av en mikroprocessor. Genom att successivt minska tändvinkeln ökas spänningen till motorn under startförloppet. Vid tändvinkeln 0 får maskinen full spänning. Starttiden är oftast lätt inställbar för anpassning till olika drifter. Observera att mjukstartaren inte är användbar för att sänka motorns varvtal. Om en asynkronmotor körs med för låg spänning går den förmodligen saktare men kommer snabbt
Varvtalsreglering Asynkronmotorns varvtal bestäms som tidigare visats av frekvensen, poltalet och 120 f eftersläpningen enligt: n (1 s) p Detta innebär att varvtalet kan styras med - statorspänningens frekvens f - poltalet p - eftersläpningen s Reglermetoderna kan uppdelas i: - metoder som sker i princip förlustfritt - metoder som baserar sig på förluster i maskinen. Förlustfria metoder Det vanligaste sättet att ändra varvtalet är att ändra frekvensen på den matande spänningen. Ändring av matningsspänningens frekvens görs med hjälp av en frekvensomriktare. Likriktare 1- eller 3-fas 50 Hz Växelriktare 3-fas 0-100 Hz M En frekvensomriktare består i princip av en likriktardel som tar in den vanliga nätspänningen (1-fas eller 3-fas 50 Hz) och gör om den till en likspänning. Denna laddar upp en stor mellanledskondensator som energibuffert. Likspänningen hackas sedan sönder till en trefas växelspänning av önskad frekvens och spänningsnivå utav en växelriktardel. Regleringen sker så att spänning och frekvens följs åt, varvid det uttagbara momentet hålls konstant. Med moderna frekvensomriktare kan oftast varvtalet regleras från 0 till 200% utav märkvarvtalet. Ofta kan motorn startas från 0 med fullt moment. Reglering över märkvarvtal innebär att momentet blir lägre då spänningen ej längre följer frekvensen.
Nackdelar med frekvensomriktare är att ljudnivån och förlusterna i motorn ökar något p.g.a. att matningsspänningen inte är sinusformad. Det kan även uppstå kylningsproblem vid drift på låga frekvenser med stort moment. En annan stor nackdel är att frekvensomriktarna ger en hel del störningar på elnätet, dels övertoner p.g.a. att likriktarkretsen på ingången endast drar ström från nätet i korta pulser, dels HF-störningar p.g.a. de höga switchfrekvenserna i utspänningen. En annan förlustfri metod att ändra varvtalet är att använda en motor där poltalet kan ändras genom omkopplingar men då handlar det om hel- och halvfart eller polomkoppling enligt de steg som visades i avsnittet om rotorn.en ändring av motorns poltal kräver att motorn förses med olika lindningar en för varje poltal. Enfasdrift En normal asynkronmotor kan ges relativt goda driftegenskaper vid enfasdrift om den förses med lämplig kondensator. Kondensatorns storlek sätter den ekonomiska gränsen för enfasdrift till ca 2 kw. Kondensatorn måste klara ca 1,15 ggr nätspänning, och dess storlek skall vara 75 80 µf/kw (60 µf/hk). W2 U2 V2 U1 V1 W1 Drift L Start N Om kondensatorn istället ansluts W1-V1 omkastas rotationsriktningen. Vid enfasdrift kan motorn ge ca 70-80 % av motsvarande trefaseffekt. Samma siffror gäller för momentet. Startmomentet är endast ca 15-20 % av märkmomentet vid trefasdrift. Startmomentet kan förbättras genom att en särskild startkondensator kopplas parallellt med driftkondensatorn. Startkondensatorn skall vara dubbelt så stor som driftkondensatorn och måste kopplas bort då motorn kommit upp till driftvarvtalet.