Sähkömoottorit: Teho, Kulutus ja Standardit Rasmus Törnqvist 296571 Mio Parmi 474979 Pyry Karunen 355807
Johdanto 3 Moottorityypit 4 Vaihtovirtamoottorit 4 2. Tasavirtamoottorit 5 2.1 Rakenne 5 2.2 Koneen magnetointi 6 2.2.1 Rinnakkaiskäämitys 7 2.2.2 Sarjakäämitys 7 2.2.3 Kompoundikäämitys 7 2.2.4 Kestomagneetti 8 2.3 Harjaton moottori 8 2.4 Häviöt 8 3. Standardit 9 4. Viitteet 11
Johdanto Sähkömoottorit ja niihin liittyvät standardit ovat tärkeä osa jokapäiväistä elämäämme. Tässä dokumentissa tarkastellaan vaihtovirta- ja tasavirtamoottorien tehoa sekä kulutusta. Tämän lisäksi tarkastellaan lyhyesti niihin liittyviä standardeja. Dokumenttiin perehtymisen jälkeen lukijalla on perustavanlaatuinen käsitys sähkömoottorien toiminnasta ja kulutuksesta.
Moottorityypit 1. Vaihtovirtamoottorit Tässä osiossa perehdytään vaihtovirtamoottorien rakenteeseen, sekä niihin seikkoihin jotka vaikuttavat niiden tehokkuuteen ja hyötysuhteeseen. Vaihtovirtamoottorit voidaan karkeasti jakaa kahteen eri tyyppiin toimintaperiaattensa mukaan: Tahtikoneisiin ja epätahtikoneisiin. Näistä käytetään myös kirjallisuudessa termejä synkroninen ja epäsynkroninen vaihtovirtamoottori. Paneudutaan seuraavaksi näihin eri moottorityyppeihin. Tätä dokumenttia laadittaessa on oletettu, että lukijalla on perustavanlaatuinen ymmärrys kolmivaihejärjestelmistä. 1.1 Epätahtikoneet Epätahtikoneet (induktiokoneet) ovat käytetyimpiä konetyyppejä teollisuudessa [2]. Nimitys epätahtikone on seuraus toimintaperiaatteesta: Epätahtikoneen roottori pyörii kulmanopeudella, kun taas ilmavälivuon kulmanopeus on. Näiden erotus on niin sanottu liukuma (eng. Slip), jonka seurauksen roottorin käämityksiin indusoituu virta, joka puolestaan aiheuttaa vääntömomentin [2]. Epätahtimoottorit voidaan vielä jakaa kahteen tyyppiin roottorin käämityksen rakenteen mukaan. Nämä tyypit ovat häkkikäämitys (cage winding) ja liukurengasroottori (wound rotor) [2]. 1.2 Tahtikoneet Tahtikoneiden merkitys teollisuudessa on valtava. Esimerkiksi suurin osa generaattoreista on tahtikoneita. Synkroniset moottorit puolestaan ovat korvaamattomassa roolissa teollisuuden eri sovelluksissa, kuten terästeollisuudessa sekä meriliikenteen propulsiojärjestelmissä. [1] Tahtikoneet voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin. Nämä päätyypit ovat erikseen magnetoidut synkroniset koneet, kestomagneettikoneet ja reluktanssikoneet [2]. Tahtikoneiden suurin eroavaisuus epätahtikoneisiin on roottorin virran linkkikomponentti (linkage component) luodaan joko tasavirralla tai kestomagneeteilla, jotka jatkuvuustilassa toimivat staattorin suhteen itsenäisesti. [2]
1.3 Vaihtovirtamoottoreiden teho ja hyötysuhde Puhuttaessa moottorien kulutuksesta ja tehokkuudesta on luontevaa tarkastella moottorissa tapahtuvia tehohäviöitä. Pyörivässä sähkökoneessa esiintyy seuraavanlaisia tehohäviöitä: Resistiivisiä häviöitä staattorin ja roottorin käämityksissä, rautahäviöitä magnetointipiirissä, lisähäviöitä ja mekaanisia häviöitä [1]. Kuvassa 1 on esitetty 4kW kaksinapaisen induktiokoneen häviöiden jakautuminen. Kuten kuvasta nähdään, on käämityksen kuparihäviöiden osuus kokonaishäviöistä suuri, yli 60% kokonaishäviöistä. Käämityksen skin-efekti on otettu huomioon lisähäviöissä. Mekaanisia häviöitä ovat esimerkiksi laakeroinnin lämpöhäviöt. Näihin vaikuttavat muun muassa pyörimisnopeus sekä laakerien voiteluaineen fyysiset ominaisuudet. Kuva 1: Induktiokoneen häviöiden jakautuminen
2. Tasavirtamoottorit 2.1 Rakenne Tasavirtamoottori on, kuten nimi vihjaa, kone joka muuttaa sähköisen tasavirran mekaaniseksi energiaksi. Tasavirtamoottoreiden toiminnan perustana toimii Lorentzin laki. Magneettikenttään vaakatasossa sijoitettu ankkurikäämi kytketään virtalähteeseen, minkä johdosta ankkurikäämi alkaa pyörimään Lorentzin lain mukaiseen suuntaan. Vaihtamalla virran suuntaa ankkurikäämin saavuttaessa pystyasennon, tämä liike saadaan jatkuvaksi. Magneettikentän luomiseen käytetään runkoon kiinnitettyä sähkö- tai kestomagneettia. Mekaaninen energia siirretään haluttuun tarkoitukseen ankkuriin kiinnitetyn akselin avulla. Käämi on kytkettynä kommutaattoriin, joka on halkaistu kahteen osaan. Virtaa käämiin johdetaan virtalähteestä liukurenkaiden kautta yleensä hiiliharjojen avulla. Myös hiiliharjaton rakenne on mahdollinen.. Moottorin perusosat näkyvät kuvassa 2. Kuten kuvasta näkyy, ankkurikäämin pyöriessä, käämissä kulkeva virta tulee vaihtamaan suuntaa käämin ollessa pystytasossa, Harjat johtavat sähköä kommutaattoriin, ja koska kommutaattorin rengas on jaettu kahteen osaan, virta tulee vaihtamaan suuntaa, ja näin magneettikentän aikaansaama pyörimissuunta pysyy muuttumattomana. Kuva 2: Tasavirtamoottorin rakenne
2.2 Koneen magnetointi Tasavirtamoottorien käämien sijoitukset eroavat vaihtovirtamoottorien vastaavasta. Ankkurikäämi on, kuten aikasemmin todettu, kiinnitetty roottoriin. Kenttäkäämit ovat kiinnitettyinä staattoriin, jotta saadaan luotua magneettikenttä. Vaihtamalla moottorin magnetointitapaa, tai tapaa jolla kenttäkäämit ovat kytkettynä virtalähteeseen, pystyy vaikuttamaan moottorin käyttöominaisuuksiin. [3] Yleisimmät magnetointitavat ovat esitettynä alla. 2.2.1 Rinnakkaiskäämitys Kuten nimestä käy ilmi, rinnakkaiskäämityissä mottoreissa kenttäkäämit ovat kytkettynä rinnan virtalähteen kanssa. Niissä käytetään suhteellisen ohuita johdinlankoja, ja johdinkierroksia niissä on verrattain paljon.[4] Magneettivuota voidaan säätää muutamalla resistanssin määrää kytkennässä. Rinnankäämityssä moottorissa pyörimisnopeus pysyy suhteellisen tasaisena, vaikka kuorma muuttuu. Myös pyörimisnopeuden säätömahdollisuudet ovat hyvät tämäntyyppisessä moottorissa, minkä takia niitä käytetään esimerkiksi puolauskoneissa. Huonona puolena voidaan pitää sitä, että vääntömomentti ei kasva samassa suhteessa ankkurivirran kanssa. [4] Rinnakkaiskäämityn moottorin ottoteho lasketaan kaavalla P = U a I a + U m I m missä U a & I a ovat ankkurijännite ja virta, ja U m & I m magnetointijännite ja virta. [5] Hyötysuhde lasketaan otto- ja lähtötehon suhteena. 2.2.2 Sarjakäämitys Sarjakäämityssä moottoreissa kenttäkäämit ovat kytkettynä sarjaan virtalähteen kanssa, minkä johdosta kenttäkäämissä kulkeva virta vaihtelee kuormassa kulkevan virran mukana. Moottorin vääntömomentti kasvaa myös kuorman kasvaessa. [4] Tämäntyyppisessä käämiytyksessä käytettävät johdinlangat ovat paksuja, ja kierroksia käämissä on huomattavasti vähemmän kuin edellisessä tapauksessa. Sarjakäämitystä hyödynnetään kun tarvitaan korkeaa vääntömomenttia, joten se sopii käytettäväksi esimerkiksi leikkureissa tai blendereissä. Sarjakäämittyjä moottoreita kutsutaan myös yleismoottoreiksi, sillä niitä voi ohjata myös vaihtovirralla. Koska ankkurivirta ja magneettikentän suunta tulevat vaihtumaan samaan aikaan, jatkuu pyörimisliike samansuuntaisena. [3] Sarjakäämittyä moottoria ei koskaan tulisi käyttää ilman kuormaa. Sarjakäämityn moottorin ottoteho lasketaan kaavalla P = U a+m I a+m
missä U a+m on ankkuri- ja magnetointikäämityksien yli oleva jännite, ja I a+m niiden läpi kulkeva virta. [5] 2.2.3 Kompoundikäämitys Kompoundikäämityksessä hyödytetään sekä rinnakkais- että sarjakäämitystä. Tässä tapauksessa rinnakkaiskäämitystä käytetään yleensä magneettikentän luomiseen. Sarjakäämitystä käytetään joko magneettikentän vahvistamiseen (kumulatiivinen kompundikäämitys) tai heikentämiseen (differentiaalinen kompoundikäämitys). Kumulatiivinen kompoundikäämitys on yleisempi vaihtoehto, sillä näin saadaan molempien käämitystapojen parhaimmat puolet hyödynnettyä. Näin saadaan sekä korkea lähtövääntömomentti että suhteellisen tasainen pyörimisnopeus, joskin tämä tippuu nopeammin kuin pelkästään rinnankäämityssä moottorissa. [4] 2.2.4 Kestomagneetti Sen sijaan että luotaisiin magneettikenttä käyttämällä staattoriin kytkettyjä kenttäkäämejä, voidaan se myös luoda kestomagneetin avulla. Kestomagneettimoottori on ominaisuuksiltaan samantyyppinen kuin rinnakkaiskäämitty, eli kuorma ei vaikuta pyörimisnopeuteen huomattavasti. Kestomagneettimoottoreita käytetään usein pienissä koneissa, missä virrankäyttö halutaan pitää alhaisena. Kestomagneetit ovat kuitenkin suhteellisen kalliita, joten ne eivät ole niin yleisiä jos virrankäyttö ei ole ongelma, sillä näin saadaan valmistuskustannukset pidettyä alhaisempana. 2.3 Harjaton moottori Harjattomissa tasavirtamoottoreissa on yleensä kestomagneetti, joka pyörii kiinteän staattorin ympärillä. Kommutaattorin ja harjan sijaan käytetään elektornista ohjainta, joka vaihtaa virran suuntaa, sekä antureita, jotka tunnistavat moottorin sijainnin, ja kertovat näin ohjaimelle million virran suuntaa pitää vaihtaa. [3] 2.4 Häviöt Osa moottoriin syötetystä tehosta menee luonnollisesti häviöihin, jotka ilmaantuvat lämpönä moottorissa. Tasavirtamoottorin häviöt voi jakaa kolmeen eri luokkaan: Kuparihäviöt, Staattorihäviöt ja Mekaaniset häviöt.
Kuparihäviöt muodostuvat sekä ankurissa että magnetointikäämityksessä olevissa kuparilangoissa, sekä kommutaattorin hiiliharjoissa. Nämä muodostavat suurimman osan häivöistä, noin kolmasosan. Hiiliharjattomassa moottorissa nämä häviöt ovat hiukan pienempiä. Staattorihäviöt muodostuvat kun staattoriin, joka yleensä on teräksestä valmistettu, indusoituu virta sen pyöriessä magneettikentässä.. Mekaanisiin häviöihin lukeutuu laakereiden ja kommutaattorin kitkasta johtuvat häviöt, sekä rotaatioliikkeestä johtuvat ilmanvastushäviöt. 3. Standardit Standardien tarkoitus on yhdenmukaistaa ja säännöstellä markkinoilla olevia moottoreita.[8] Eri maissa on käytössä erilaisia standardeja ja standardien asettamat vaatimukset saattavat koskea esimerkiksi laitteen turvallisuutta tai hyötysuhdetta. Tämän tutkielman kannalta oleellisin standardi on EU:ssa käytössä oleva IEC-standardi joka määrittelee euroopassa käytössä olevien moottoreiden hyötysuhdeluokat. Erityyppisillä moottoreilla on erilliset standardit ja erityisolosuhteissa toimivilla moottoreilla voi olla poikkeukselliset hyötysuhdeluokat. Erityisolosuhteissa toimivilla moottoreilla tarkoitetaan esimerkiksi veden alla tai räjähdysherkässä ympäristössä toimivia moottoreita. Suuri osa teollisuudessa käytössä olevista moottoreista on matalajännitteisiä 3-vaihevirralla toimivia moottoreita joten tämän tutkielman kannalta oleellisimmat hyötysuhdeluokat ovat ICE-standardin määräämät luokat. Taulukossa 1 olevat luokat koskevat alle 1000 V jännitteellä toimivia 0,75 kw - 375 kw tehoisia 3-vaiheisia 50/60 Hz 2-, 4- ja 6-napaisia häkkikäämittyjä moottoreita.[7] Taulukko 1: IEC-hyötysuhdeluokat IE1 IE2 IE3 IE4 Standard efficiency High efficiency Premium efficiency Super premium efficiency Euroopassa käyttöön otettavien taajuusmuuntajaohjattujen moottoreiden tulee täyttää vähintään IE2-luokan tehokkuusvaatimukset ja muiden moottorien tulee täyttää vähintään IE3-luokan tehokkuusvaatimukset.[8] Kuvasta 1 nähdään miten IE-luokitusten vaatima hyötysuhde riippuu moottorin tehosta. Pienitehoisen moottorin IE-luokitus voi olla korkea huomattavasti pienemmällä hyötysuhteella kuin suuritehoisen moottorin. Myös moottorin napojen määrä vaikuttaa vaadittuun hyötysuhteeseen.
Kuva n: 4-napaisen moottorin IE-luokitusten hyötysuhdevaatimukset eri teholuokille.[8] Korkean hyötysuhteen moottori voi korkeammasta hankintahinnasta huolimatta tuoda merkittäviä säästöjä pitkällä aikavälillä joten uutta moottoria ostettaessa on hyvä verrata moottorien hintojen eroa ja sähkönkulutuksen pienenemisestä aiheutuvaa säästöä. Esimerkiksi IE4-luokan moottori jonka hyötysuhde on 96,3% kannattaa ostaa ennemmin kuin IE3-luokan moottori jonka hyötysuhde on 95,5% jos moottoreiden hintaero on pienempi kuin moottorin eliniän aikana säästetyn sähkön hinta. Tässä esimerkissä moottorien tehot ovat 75 kw, moottoreita käytetään 6000 tuntia vuodessa, sähkön hinta on 4 snt/kwh, käyttöikä 20 vuotta ja ylimääräisen sähkönkulutuksen hinta on diskontattu nykyhetkeen käyttäen 6% korkoa. 1 N P V = ( η 1 )P ts 20 1 800 1 η 1 2 (1 + r) i i = 1 Laskun perusteella korkeamman hyötysuhteen moottori on tässä tapauksessa järkevä valinta jos se on alle 1800 euroa kalliimpi kuin matalamman hyötysuhteen moottori.
4. Viitteet (1) Le Doeuff, R. & El Hadi Zaïm, M. 2010. Rotating electrical machines. London : Hoboken, N.J.: ISTE ; Wiley. (2) Pyrhonen, J., Jokinen, T. & Hrabovcová, V. 2014. Design of rotating electrical machines. Second edition. Chichester, West Sussex, United Kingdom: Wiley. (3) Hughes, A. & Drury, B. 2013. Electric Motors and Drives; Fundamentals, Types, and Applications. Fourth edition. Kidlington, Oxford, United Kingdom: Elsevier Ltd. (4) Kliman, G. & Toliyat, H. 2004. Handbook of Electric Motors. Second edition. Taylor & Francis Group (5) Kokkonen, J. 2007. Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa. Diplomityö, Lappeenranta Teknillinen Yliopisto. (6) energiavirasto.fi. 2017. Sähkön hintatilastot. [sähköinen] saatavissa: https://www.energiavirasto.fi/sahkon-hintatilastot. [viitattu 3.10.2017]. (7) Iec.ch. (2017). IEC - Governments & International Organizations > Examples by industry sector: Electric motors - measuring efficiency. [ sähköinen ] saatavissa : http://www.iec.ch/perspectives/government/sectors/electric_motors.htm [ viitattu 3.10.2017 ]. (8) ec.europa.eu. (2017). (EC) No 640/2009 and (EU) 4/2014. [sähköinen] saatavissa: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/20141211_guidelineselectricmotors% 20cover.pdf [viitattu 3.10.2017]. (9) abb.com. 2017. Low voltage process performance motors. [sähköinen] saatavissa: http://search.abb.com/library/download.aspx?documentid=9akk105944&languagecode=en &DocumentPartId=&Action=Launch. [viitattu 3.10.2017].