Raportti 2.12.2008 Tasavirtakone xxxxxxx nimi nimi 0278116 Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi
SISÄLLYSLUETTELO MERKINNÄT JA LYHENTEET... 2 1. JOHDANTO... 3 2. TASAVIRTAKONE... 4 2.1 Tasavirtakoneiden ominaisuuksia... 4 2.1.1 Kommutointi... 4 2.1.2 Ankkurireaktio ja sen kompensointi... 5 2.1.3 Tasavirtakoneen pyörimisnopeus... 6 2.1.4 Tasavirtakoneen ilmavälin sähkövääntömomentti... 7 2.1.5 Ryntääminen... 8 2.2 Tasavirtakoneen magnetointi... 8 2.2.1 Vierasmagnetoitu tasavirtakone... 10 2.2.2 Sivuvirtakone... 10 2.2.3 Sarjakone... 10 2.2.4 Kompaundikone... 11 2.3 Tasavirtakoneen käynnistys... 11 2.4 Tasavirtakoneen pyörimisnopeuden säätö... 12 2.4.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyörimisnopeuden säätö... 12 2.4.2 Sivuvirtamoottorin pyörimisnopeuden säätö... 13 2.4.3 Sarjamoottorin pyörimisnopeuden säätö... 13 2.4.4 Kompaundimoottorin pyörimisnopeuden säätö... 14 2.5 Tasavirtamoottorin käyrämuotoja... 14 2.5.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin ominaiskäyriä... 14 2.5.2 Sivuvirtamoottorin ominaiskäyriä... 14 2.5.3 Sarjamoottorin ominaiskäyriä... 15 2.5.4 Kompaundimoottorin ominaiskäyriä... 16 3. MITTAUKSET... 17 3.1 Tyhjäkäyntikoe, kun magnetointivirta on vakio... 17 3.2 Tyhjäkäyntikoe, kun ankkurijännite on vakio... 17 3.3 Kuormituskoe... 18 4. MITTAUSTULOSTEN ANALYSOINTI... 19 4.1 Pyörimisnopeuskuvaajat... 19 4.2 Generaattorin hyötysuhde... 20 4.3 Tasavirtakoneen yleisiä ominaisuuksia... 21 5. YHTEENVETO... 23 LIITTEET... 25 1
MERKINNÄT JA LYHENTEET Merkinnät a C E f F I k M n N p P R s t U ankkurikäämityksen haaraparien määrä koneen rakenteesta riippuva vakio sähkömotorinen voima taajuus voima virta koneen rakenteesta riippuva vakio momentti pyörimisnopeus johdinkierrosten lukumäärä napapariluku teho resistanssi sauvaluku ankkurin pinnalla aika jännite Kreikkalaiset magneettivuo kulmataajuus muutos Alaindeksit 0 tyhjäkäynti a ankkuri m magnetointi mek mekaaninen n nimellinen r remanenssi s sähköinen Lyhenteet mmv magnetomotorinenvoima 2
1. JOHDANTO Sähkökone on yleisnimitys sähkömoottoreille ja sähkögeneraattoreille. Sähkömoottori on sähkökone, jonka pääasiallinen tarkoitus on muuttaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Generaattori on puolestaan sähkökone, jonka pääasiallinen tarkoitus on muuttaa mekaanista energiaa sähköiseksi energiaksi. Periaatteessa tasasähkömoottorin ja tasasähkögeneraattorin rakenne ei eroa toisistaan. Samaa konetta voidaan siis käyttää sekä moottorina että generaattorina. Nykyisin tasavirtageneraattori on harvinainen, sillä useimmiten tasavirta tuotetaan vaihtovirtaverkosta tasasuuntaajilla. Tässä työssä tutkitaan tasavirtakoneiden tärkeimpiä ominaisuuksia, sekä eri magnetoimistapojen vaikutusta moottorin ominaisuuksiin. 3
2. TASAVIRTAKONE Pyörivät sähkökoneet voidaan sähköisen toimintaperiaatteensa mukaan jakaa vaihtosähkökoneisiin ja tasavirtakoneisiin. Tasavirtakone on kone joka on nimensä mukaisesti suunniteltu toimimaan tasavirralla. Tasavirtakoneessa kommutaattori toimii mekaanisena vaihtosuuntaajana. Tässä mielessä tasavirtakoneen ja vaihtovirtakoneen vääntömomentin tuottamisperiaate on sama. Vaikkakin tasavirtakoneen liitinjännite on tasajännitettä, kun taas vaihtovirtakoneen liitinjännite on vaihtojännitettä. 2.1 Tasavirtakoneiden ominaisuuksia 2.1.1 Kommutointi Tasavirtageneraattorin ankkurikäämitykseen indusoituu generaattorin pyöriessä vaihtosähkömotorinen jännite. Koska indusoitunut jännite on vaihtojännitettä, on se generaattoreissa tasasuunnattava ja moottoreissa vastaavasti syöttävä tasajännite vaihtosuunnattava. Tätä toimenpidettä nimitetään kommutoinniksi ja sen suorittaa kommutaattori. Kommutaattorin ja kommutoinnin periaate on esitetty kuvassa 2.1. Kuva 2.1. Kommutaattorin ja kommutoinnin periaate.[1] Kommutaattori on siis periaatteessa mekaaninen tasa-vaihtosuuntaaja. Roottorin liukurengas on halkaistu kahdeksi puolikkaaksi ja kommutaattorin hiiliharjat asetettu niin, että harjojen välinen jännite tulee generaattorissa tasasuunnatuksi. Moottorissa vastaavasti tasajännite tulee vaihtosuunnatuksi, 4
jonka seurauksena roottori alkaa pyöriä päänapojen muodostamassa magneettikentässä. Kuvassa 2.2 on esitetty kommutoidun tasavirtageneraattorin jännite ja virta, kun piirin induktanssi on nolla. Kuva 2.2. Tasavirtageneraattorin jännite ja virta, induktanssin arvolla nolla.[1] 2.1.2 Ankkurireaktio ja sen kompensointi Ideaalitapauksessa tasasähkökoneen ainoa magneettikenttä olisi päänavoilla. Ankkuripiirissä kulkeva virta muodostaa kuitenkin oman magneettikentän. Mikäli harjat sijaitsevat neutraalitasossa eli kohtisuorassa päänapoja vastaan, on ankkurivirran muodostama magneettikenttä kohtisuorassa päänapojen magneettikenttää vastaan. Ilmiötä kutsutaan ankkurireaktioksi, jolloin syntynyt kenttä vääristää päämagneettikenttää kuvan 2.3 mukaisesti. Kuva 2.3. Tasasähkögeneraattorin ankkurireaktio.[1] Ilmiö on sama sekä generaattorissa, että moottorissa. Ainoastaan ankkuripiirin muodostaman kentän suunta on virran suunnasta johtuen vastakkainen. Ankkurireaktio voidaan kumota sijoittamalla päänapojen P väliin kääntönavat K, kuvan 2.4 mukaisesti. Koska kääntönapojen kautta kulkee koko ankkurivirta, vaihtelee myös niiden synnyttämä kääntönapakenttä kuormituksen mukaan, kumoten ankkurireaktion. 5
Kuva 2.4. Kääntönapojen sijoituss ja vaikutus tasasähkömoottorissa.[4] Toinen tapa kompensoida ankkurivirran vaikutusta magneettikenttään on lähelle ankkurin pintaa asennettavat kompensointikäämitykset. Tasavirtakoneissa kompensointikäämitys sijoitetaan napakenkien uriin. Kompensointikäämissä kulkeva ankkurivirta pyrkii kumoamaan ankkuripiirin muun osan aiheuttaman magneettikentän. Tavallisesti kompensointikäämitystä käytetään yhdessä kääntönapojen kanssa kuvan 2.4 mukaisesti. 2.1.3 Tasavirtakoneen pyörimisnopeus Tasavirtakoneen pyörimisnopeus voidaan laskea yksinkertaisten yhtälöiden avulla. Ankkurin sähkömotorinen jännite E riippuu pyörimisnopeudesta ja magneettivuosta yhtälön 2.1 mukaisesti E kn, (2.1) jossa k on koneen rakenteesta riippuva vakio. Tasasähkökoneen ollessa generaattorikäytössä E toimii sähkölähteen lähdejännitteenä ja moottorikäytössä se on syöttävän liitinjännitteen vastajännite. Generaattorinn tapauksessa E on siis liitinjännitettä U käämin jännitehäviön I a R a verran suurempi ja moottorissa vastaavan jännitehäviön verran pienempi. Kuormitetun generaattorin liitinjännite on siis U E I a R A (2.2) ja käynnistyneen moottorin liitinjännite U E I a R A. (2.3) 6
Yhtälöiden 2.1 ja 2.2 avulla voidaan tasavirtageneraattorin pyörimisnopeudelle johtaa yhtälö U I a Ra n. (2.4) k Vastaavasti tasavirtamoottorin pyörimisnopeudeksi saadaan yhtälöiden 2.1 ja 2.3 perusteella U I a R A n. (2.5) k 2.1.4 Tasavirtakoneen ilmavälin sähkövääntömomentti Tasavirtakoneen ankkurin kehittämä sähköteho eli ankkuriteho P a on ohmin lain mukaan Pa EI a (2.6) Mekaniikan mukaan ankkurin kokonaissähkötehoa vastaa koneen ilmavälissä vaikuttava sähkövääntömomentti M Pa (2.7) 2 n Yhtälöt 2.7, 2.6 ja 2.1 yhdistämällä saadaan sähkövääntömomentti muotoon M k I a. (2.8) 2 Koneen rakenteesta riippuva vakio k voidaan kirjoittaa myös muodossa ps k, (2.9) a jossa p on napapariluku, s sauvaluku ankkurin pinnalla ja a ankkurikäämityksen haaraparien määrä. Nyt moottorin sähkövääntömomentti voidaan kirjoittaa muotoon ps M Ia C Ia 2 a, (2.10) jossa C on koneen rakenteesta riippuva vakio. 7
2.1.5 Ryntääminen Sarjamoottorissa päänapojen magnetointikäämitys on kytketty sarjaan ankkuripiirin kanssa kuvan 2.5 mukaisesti. Kuva 2.5. Sarjamoottorin virtapiiripiirros.[1] Tarkasteltaessa kuvaa 2.5 ja yhtälöä 2.11 nähdään, että tyhjäkäynnissä, jossa Ia 0 eli on pieni, sarjamoottorin pyörimisnopeus olisi U n0. (2.11) k Yhtälön 2.11 mukaan sarjamoottorin pyörimisnopeus tyhjäkäynnissä on erittäin suuri. Ilmiötä, jossa pyörimisnopeus saavuttaa tyhjäkäynnissä vaarallisen suuren arvon, kutsutaan ryntäämiseksi. Tästä syystä sarjamoottorin käytössä on huolehdittava siitä, että moottori ei koskaan joudu tyhjäkäyntiin. Liitettäessä moottori kuormaan on huolehdittava siitä, että liitäntä moottorin ja kuorman välissä ei pääse katkeamaan, joten esimerkiksi hihnakäyttö ei tule kysymykseen. 2.2 Tasavirtakoneen magnetointi Tasasähkökoneen käyttötekniset ominaisuudet riippuvat ratkaisevasti magnetointitavasta. Magnetointitavan perusteella tasavirtakoneet voidaan jakaa vierasmagnetoituihin, sivuvirta-, sarja- ja kompaundikoneisiin. Tasavirtakone magnetoidaan päänavoille asennettujen käämitysten avulla(kuva 2.6). 8
Kuva 2.6. Kuvassa on esitetty tasavirtakoneen perusrakenne. 1. Magnetointikäämitys ja päänapa, 2. Ankkurikäämitys, 3. Kommutaattori, 4. Staattorin kehä. Kuva 2.7. Magnetointikäämitysten aikaansaamaa vuota kutsutaan yleisesti päävuoksi. Lisäksi piiriin syntyy epäideaalisuuksien aiheuttama hajavuo. Pää- ja hajavuo on esitetty kuvassa 2.7.. Tasavirtakoneen päävuo Φ ja hajavuo Φ δ. [1] Päävuo kulkee siis ankkurin kautta ja hajavuo ankkurin ohitse. Vain päävuo vaikuttaa sähkömotorisen jännitteen syntymiseen ankkurissa. Hajavuo vaikuttaaa päänapojen kyllästymiseen. Tasavirtakoneen magnetoitumiskäyrä on esitetty kuvassa 2.8. 9
Kuva 2.8. Tasavirtakoneen magnetoitumiskäyrä.[1] Päänavalle syntyvä magnetomotorinen voima F on magnetointi virran I m ja yhden navan johdinkierrosten N tulo. Päänavann mmv F synnyttää päävuon. 2.2.1 Vierasmagnetoitu tasavirtakone Vierasmagnetoidussa tasavirtakoneessa magnetointivirta otetaan ulkoisesta lähteestä. Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyörimisnopeus muuttuu vain vähän kuormituksen muuttuessa ja vääntömomentti suurenee verrattain jyrkästi kuormituksen kasvaessa. Tästä syystä sillä on hyvät pyörimisnopeuden ja vääntömomentin säätöominaisuudet. 2.2.2 Sivuvirtakone Sivuvirtakoneessa on päänavoille asennettu vain sivuvirtakäämitys. Sivuvirtakoneessa magnetointivirta pysyy likimain vakiona vaikka koneen kuormitus muuttuisi. Sivuvirtakoneenn hyviin ominaisuuksiin voisi lukea tasaisen pyörimisnopeuden. Kuorman muuttuessa ankkurireaktio kuitenkin pienentää päävuota, joka aiheuttaa sähköisenvääntömomentin hitaamman kasvun ankkurivirtaan nähden. 2.2.3 Sarjakone Sarjakoneessa on päänavoille asennettu vain sarjakäämitys, joka nimensä mukaisesti on kytketty ankkuripiirin kanssa sarjaan. Sarjakoneessa magnetointivirtana toimii siis ankkuri- eli kuormitusvirta. Tästä syystä myös sarjamoottorin vääntömomentti kasvaa kuormituksen kasvaessa ja on verrannollinen kuormitusvirran neliöön yhtälöt (2.12) ja (2. 13). Sarjamoottorin tuottama vääntömomentti on siis hyvä ja kasvaa nopeasti kuormituksen kasvaessa. ki a M C I a CI 2 a (2.12) (2.13) 10
2.2.4 Kompaundikone Kompaundikoneessa on sekä sarja- että sivuvirtakäämitykset. Sivuvirtakäämitykset toimivat yleensä varsinaisina magnetointikäämityksinä ja sarjakäämityksillä joko heikennetään tai vahvistetaan sivuvirtakäämityksen muodostamaa magneettikenttää. Mikäli sarjakäämitys heikentää kenttää kutsutaan konetta vastakompaundoituksi ja kun se vahvistaa kenttää kutsutaan sitä myötäkompaundoituksi tasavirtakoneeksi. Kentän heikentävä käämitys ei saa olla liian suuri, koska kuormituksen muuttuessa tarvitaan lisää vääntömomenttia, joka on vuon funktio. Heikentävä käämitys heikentää vuota sekä ankkurireaktio heikentävät vuota ankkurivirran kasvaessa. Liian voimakas kentän heikennys käämi voi siis saada systeemin epästabiiliksi. 2.3 Tasavirtakoneen käynnistys Moottorin käynnistyminen on muutostila, jossa moottorin ja siihen kytketyn kuorman pyörimisnopeus muuttuu nopeasti nollasta käyttönopeuteen. Käynnistyminen on moottorin toiminnan kannalta erikoistilanne, jossa moottorin ottama virta, kehittämä vääntömomentti ja lämpeneminen poikkeavat normaalista nimelliskäytöstä. Käynnistyshetkellä moottorin magnetoitumiseen tarvittava energia, pyörivien osien hitausmomenttien varastoima liike-energia, sekä kuorman vaatima mekaaninen energia otetaan sähköverkosta, joka aiheuttaa hyvin suuren virtapiikin käynnistyshetkelle. Käynnistysvirta voi olla jopa kymmenkertainen nimellisvirtaan nähden. Vierasmagnetoitua moottoria käynnistäessä on otettava huomioon että magnetointivirta on varmasti kytketty ja arvokilvessä ilmoitetun suuruinen, jotta riittävä käynnistysmomentti saadaan aikaiseksi. Jos käynnistysmomentti ei ole riittävä ja piiriin syötetään virtaa voi se lämmetä liikaa. Moottoria käynnistettäessä on otettava huomioon että moottoripiirin resistanssi koostuu pelkästään ankkuripiirin resistanssista, joka on hyvin pieni. Moottori on siis käytännössä oikosulussa. Jotta vältytään oikosulun aiheuttamalta virran nousulta, on moottori käynnistettävä nostamalla sähkölähteen jännitettä asteittain tai asentamalla piiriin säätövastus sarjaan moottorin kanssa. Käynnistyksessä piirin virran yhtälö on yksinkertaistettuna I S U, (2.14) R R a jossa I S on käynnistysvirta, R a ankkuripiirin resistanssi, R sarjavastuksen arvo ja U liitinjännite. Ankkurin lähdettyä pyörimään indusoituu ankkurikäämitykseen vastasähkömotorinen voima, joka pienentää ankkurivirtaa. Sarjavastus on oltava alussa suurimmillaan ja pienennettävä sitä portaittain, 11
jotta piirin virta ei pääse kasvamaan liian suureksi. Ankkurin lähdettyä pyörimään on moottoripiirin virta U E I, (2.15) R R a jossa E on ankkurikäämityksiin indusoitunut sähkömotorinen voima. Sivuvirtamoottori käynnistetään kuten vierasmagnetoitu moottorikin. Erona on että nyt magnetointivirta tulee samasta lähteestä kuin ankkurivirta. Käynnistämisessä on kuitenkin huomioitava että säätövastuksilla ei rajoiteta virtaa nimellistä pienemmäksi. Myös sarja- ja kompoundimoottorit käynnistetään kuten vierasmagnetoitumoottori. 2.4 Tasavirtakoneen pyörimisnopeuden säätö Tasavirtakone on aina ollut helposti säädettävä, ja tyristorien kehittyminen on mahdollistanut tasavirtakoneiden käyttämisen todella vaativiin käyttöihin. Varsinkin täysin kompensoidun tasasähkökoneen ominaisuudet ovat säätöteknisesti erinomaiset. Tasasähkömoottorin pyörimisnopeuteen voidaan yhtälön 2.5 perusteella vaikuttaa kolmella eri tavalla: ankkurijännitettä, magnetoimisvirtaa tai ankkuripiirin resistanssia muuttamalla. Käytännön moottorin säätötapa riippuu paljon sen magnetointitavasta. Tasavirtageneraattorin pyörimisnopeuden säätäminen tapahtuu pääpiirteittäin samalla tavalla kuin tasavirtamoottorin, tosin tasavirtageneraattoreiden tapauksessa generaattoriin liitetty kuorma määrää millainen jännite ja virta generaattorilta vaaditaan. Tasavirtageneraattorin pyörimisnopeusyhtälöstä 2.4 havaitaan, että haluttu jännite sekä virta ovat saavutettavissa pyörimisnopeutta tai magnetointia muuttamalla. Jos tasavirtageneraattorin pyörimisnopeutta halutaan muuttaa jännitteen ja virran ollessa vakio, on sen tapahduttava magnetointia muuttamalla. 2.4.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyörimisnopeuden säätö Tasavirtamoottorin pyörimisnopeusyhtälön (yhtälö 2.5) mukaan ankkurijännitteen U pienentäminen pienentää pyörimisnopeutta. Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta voidaan siis säätää muuttamalla ankkuripiiriin vaikuttavaa jännitettä. Ankkurijännitteen säätöalue on yleensä U 0...U n. Koska tasavirtamoottorin päävuo on riippuvainen magnetoimisvirrasta I m, voidaan tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta säätää myös muuttamalla magnetoimisvirtaa. Magnetoimisvirran pienentäminen 12
pienentää päävuota, mutta suurentaa pyörimisnopeutta n. Tällaista säätötapaa kutsutaan myös magneettikentän heikennykseksi. Tätä säätötapaa käytetään koneen nimellistä pyörimisnopeutta suuremmilla pyörimisnopeuksilla. Yleensä nopeusalueella n = 1 2,5n n. Tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta on mahdollista säätää myös muuttamalla moottorin ankkuripiirin resistiivistä jännitehäviötä. Tällöin käynnistysvastustus korvataan säädettävällä vastuksella. Tämä säätötapa on epätaloudellinen resistanssissa syntyvien häviöiden takia. Lisäksi pienillä ankkurivirroilla säätöresistanssin suuruus ei juuri vaikuta pyörimisnopeuteen. Näistä syistä tätä säätötapaa ei yleensä käytetä. 2.4.2 Sivuvirtamoottorin pyörimisnopeuden säätö Sivuvirtamoottori ja vierasmagnetoitu tasavirtamoottori ovat ominaisuuksiltaan käytännöllisesti katsoen hyvin samanlaiset, mutta niiden pyörimisnopeuden säätäminen eroaa toisistaan. Jos sivuvirtakoneen liitinjännitettä muutetaan, pysyy pyörimisnopeus lähes samana koska magnetoimisvirta I m muuttuu samassa suhteessa kuin ankkurijännite U. Sivuvirtamoottorin pyörimisnopeutta ei voida siis säätää liitinjännitettä muuttamalla. Sen pyörimisnopeuden säätö voidaan toteuttaa joko muuttamalla magnetoimisvirtaa säätövastuksella, tai säätämällä ankkuripiirin resistiivistä jännitehäviötä. 2.4.3 Sarjamoottorin pyörimisnopeuden säätö Sarjamoottorin pyörimisnopeuden säätö eroaa muista konetyypeistä suuresti, sillä sen pyörimisnopeus on suuresti riippuvainen kuormitusvirrasta. Lisäksi sarjamoottorin pyörimisnopeus on tyhjäkäynnissä hyvin suuri. Sarjamoottoria ei siksi saa koskaan päästää tyhjäkäyntiin. Sen virtaa on siis rajoitettava käynnistyksen aikana käynnistysvastuksen avulla. Pyörimisnopeuden kasvaessa voidaan käynnistysvastusta pienentää. Käynnistysvirran rajoittaminen voidaan myös toteuttaa siten, että käytetään tasasähkön kehittämiseen tyristoritasasuuntaajaa. Tällöin käynnistäminen voidaan toteuttaa siten että syöttävää tasajännitettä nostetaan hitaasti. Sarjamoottorin pyörimisnopeutta voidaan säätää ankkurin kanssa sarjaan kytketyllä säätövastuksella, jolloin haittana ovat vastuksessa syntyvät ylimääräiset häviöt. Nykyisin tasasähkösarjamoottori on menettänyt merkityksensä, koska sivuvirtamoottorilla voidaan saada sarjamoottoria vastaavat ominaisuudet käyttämällä magnetointivirran säätöön nykyaikaista elektronisesti ohjattua tyristorisuuntaajaa. 13
2.4.4 Kompaundimoottorin pyörimisnopeuden säätö Kompaundimoottorin pyörimisnopeutta voidaan säätää samallaa tavalla kuin vierasmagnetoidun moottorin pyörimisnopeutta. Säädön vaikutus riippuu voimakkaasti siitä, kumpi käämi on hallitseva, ovatko sivuvirta- vai sarjamoottorin ominaisuudet hallitsevia. 2.5 Tasavirtamoottorin käyrämuotoja Tasavirtamoottorin käytön kannalta ehkä tärkeimmät ominaisuudet ovat sen vääntömomentti sekä pyörimisnopeus. Vääntömomentti ja pyörimisnopeus suinkaan ole vakioita vaan riippuvat moottorin erityisesti moottorin magnetointitavasta. Seuraavissa kappaleissa on tutkittu eri tavoilla magnetoitujen moottoreiden pyörimisnopeuden ja vääntömomentin riippuvuutta ankkurivirrasta. 2.5.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin ominaiskäyriä Kuvassa 2.9 on esitetty tärkeimmät kuvaajat jotka selvittävät vierasmagnetoidun moottorin ominaisuuksia. Kuvasta 2.9 havaitaan, että pyörimisnopeus muuttuu vain vähän kuormituksen muuttuessa. Sähköinen vääntömomentti puolestaan kasvaessa. suurenee verrattain jyrkästi kuormituksen Kuva 2.9. Vierasmagnetoidun tasasähkömoottorin ominaiskäyriä. a) Sähkövääntömomentti pyörimisnopeuden funktiona. b) Sähkövääntömomentinn ja pyörimisnopeuden riippuvuus ankkurivirrasta.[1] 2.5.2 Sivuvirtamoottorin ominaiskäyriä Sivuvirta moottorille ominaista on, että magnetointi virta I m on lähes kuormituksesta riippumaton, jolloin myös vuo on lähes vakio. Tästä syystä sivuvirtamoottorin pyörimisnopeus laskee vain hitaasti kuormituksen kasvaessa. Käytännössä voidaan sanoa, että nopeus on kuormituksesta riippumaton. Kuvassa 2. 10 on esitetty sivuvirtamoottorin pyörimisnopeus ankkurivirran funktiona. 14
Kuva 2.10. Sivuvirtamoottorin pyörimisnopeus ankkurivirran funktiona. Kuten edellä havaittiin, on sivuvirtamoottorin vuo lähes vakio. Joten kasvaa moottorin vääntömomentti teoriassa suoraan verrannollisesti roottorivirtaan nähden. Todellisuudessa momentti pienenee hieman ankkurireaktion vaikutuksesta. Kuvassa 2.11 on esitetty sivuvirtamoottorin vääntömomentti ankkurivirran funktiona. Kuva 2.11. Sivuvirtamoottorin vääntömomentti ankkurivirran funktiona. 2.5.3 Sarjamoottorin ominaiskäyriä Kuten kohdassa 2.1.5 todettiin, tyhjäkäynnissä sarjamoottori ryntää eli sen pyörimisnopeus saavuttaa vaarallisen suuren arvon. Kuormituksen kasvaessa päävuo sekä ankkuripiirin jännitehäviö suurenee, joten sarjamoottorin pyörimisnopeus pienenee huomattavasti kuormituksen kasvaessa. Pyörimisnopeuden voimakas riippuvuus kuormituksesta on havaittavissa selvästi kuvasta 2.12, jossa on esitetty pyörimisnopeus ankkurivirran funktiona. Sarjamoottorin vääntömomentti kasvaa likimääräisesti verrannollisena kuormitusvirran neliöön. Raudan magneettisen kyllästymisen ja ankkurireaktion takia ei sarjamoottorin vääntömomentti suurilla kuormitusvirroilla suurene aivan näin nopeasti. Vääntömomentin käyttäytyminen ankkurivirran(kuormituksen) funktiona on selvästi havaittavissa kuvasta 2.12. 15
Kuva 2.12. Sarjamoottorin ominaiskäyriä.[1] Koska sarjamoottorin vääntö kasvaa pyörimisnopeudenn pienentyessä, sopii se erityisen hyvin esim. raitiovaunujen, vetureiden ja sähköautojen voimakoneeksi. 2.5.4 Kompaundimoottorin ominaiskäyriä Käytännössä käytetään vain vierasmagnetoituja ja myötäkompaundoituja moottoreita. Tällainen moottori kehittää suuremman vääntömomentin kuin vierasmagnetoitu moottori. Tämä johtuu siitä että kuormituksen kasvaessa ankkurivirta kasvaa, jolloin myös sarjakäämityksen aiheuttamaa vuo kasvaa. Myötäkompaundimoottori lisää siis pyörimisnopeus pienenee enemmän päävuota kuormituksen kuin vierasmagnetoidunn kasvaessa. Tästä syystä sen moottorin, liitinjännitteen ja magnetoimisvirran pysyessä vakiona. Kuvassa 2.13 on esitetty myötäkompaundoidun kompaundimoottorin vääntömomentti sekä pyörimisnopeus ankkurivirran funktiona. Kuva 2.13. Myötäkompaundoidunn kompaundimoottorin ominaiskäyriä.[1] 16
3. MITTAUKSET Mittauksissa tutkittiin tasavirtakonetta, jonka kilpiarvot on esitetty taulukossa 3.1. Koneelle suoritettiin tyhjäkäyntikoe pitäen magnetointivirta vakiona sekä tyhjäkäyntikoe pitäen ankkurijännite vakiona. Lisäksi tasavirtakoneen toimintaa generaattorina tutkittiin kuormituskokeella. Taulukko 3.1. Tasavirtakoneen kilpiarvot Nimellismagnetoimisvirta, I m 0,72A Nimellismagnetoimisjännite, U m Nimellisankkurivirta, I a Nimellisankkurijännite, U a 200V 11A 160V 3.1 Tyhjäkäyntikoe, kun magnetointivirta on vakio Moottorille tehtiin tyhjäkäyntikoe pitäen magnetointivirtaa I m vakiona ja nostamalla ankkuripiirin jännitettä portaittain 10 V aina 70 V saakka. Tyhjäkäyntikoe suoritettiin kuvan 3.1 mukaisella kytkennällä. Mittauksen tulokset on esitetty liitteessä 1. Kuva 3.1. Tasavirtamoottorin kytkentä.[3] 3.2 Tyhjäkäyntikoe, kun ankkurijännite on vakio Moottorille tehtiin tyhjäkäyntikoe pitäen ankkurijännite U a vakiona(40 V), ja laskemalla magnetointivirtaa portaittain 0.72 A aina 0.2 A saakka. Tyhjäkäyntikoe suoritettiin kuvan 3.1 mukaisella kytkennällä. Mittauksen tulokset on esitetty liitteessä 1. 17
3.3 Kuormituskoe Tasavirtakoneelle suoritettiin kuormituskoe kuvan 3.2 mukaisella kytkennällä, jossa tasavirtakone toimii generaattorina. Kokeessa generaattorin pyörittämiseen käytettiin epätahtikonetta, jonka kilpiarvot on esitetty taulukossa 3.2. Generaattorin kuormana käytettiin säätövastusta jonka resistanssia muutettiin 6,8 Ω aina 122 Ω asti. Mittauksen tulokset on esitetty liitteessä 1. Taulukko 3.2. Epätahtikoneen kilpiarvot. Nimellisjännite /Y 220/ 380 V Nimellisvirta /Y 7,25/ /4,2 A Nimellisteho 15 kw Tehokerroin nimellispisteessä 0,,76 Pyörimisnopeus nimellispisteessä 1350 rpm Nimellistaajuus 50 Hz Kuva 3.2. Kuormituskokeessa käytetty kytkentä.[3] 18
4. MITTAUSTULOSTEN ANALYSOINTI 4.1 Pyörimisnopeuskuvaajat Kuvissa 4.1 ja 4.2 on esitetty tyhjäkäyntikokeiden perusteella piirretyt kuvaajat. Kuvasta 4.1 havaitaan, että pidettäessä magnetointia vakiona pyörimisnopeus kasvaa lineaarisesti ankkurijännitteen funktiona. Tämä voidaan todeta myös tarkastelemalla tasavirtamoottorin pyörimisnopeuden yhtälöä 2.5, josta nähdään että magnetoinnin ja ankkuripiirin resistanssi pysyessä vakiona pyörimisnopeuteen vaikuttaa vain jännite liitinjännite U. Kuvasta 4.2 havaitaan, että pidettäessä liitinjännitettä vakiona pienenee pyörimisnopeus magnetointivirran kasvaessa. Tämä voidaan havaita myös pyörimisnopeuden yhtälöstä 2.5, josta nähdään että liitinjännitteen ja ankkuripiirin resistanssin ollessa vakioita on pyörimisnopeus kääntäen verrannollinen päävuohon. Päävuo on puolestaan suoraan verrannollinen magnetointivirtaan, joten vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyörimisnopeus on siis kääntäen verrannollinen magnetointivirtaan, kuten myös kuvasta 4.2 on havaittavissa. Kuva 4.1. Tasavirtamoottorin pyörimisnopeus ankkurijännitteen funktiona, kun magnetointia pidettiin vakiona(0.72 A). 19
Kuva 4.2. Tasavirtamoottorin pyörimisnopeus magnetointivirran funktiona, kun ankkurijännitettä pidettiin vakiona(40 V). 4.2 Generaattorin hyötysuhde Generaattoria pyöritettiin vakioteholla ja mitattiin generaattorin antama teho erilaisilla kuormilla. Generaattoria pyörittävän koneen akseliteho saatiin mittaamalla akselilta vääntömomentti ja pyörimisnopeus. P T 2 n, (4.1) in jossa P in on generaattoria pyörittävä teho, T akselin vääntömomentti ja n akselin pyörimisnopeus. Hyötysuhde μ on tässä tapauksessa generaattoria pyörittävän akselin tehon ja generaattorin antavan sähkötehon suhde. P P out (4.2) in Generaattorin antama sähköteho P out on ankkuripiirin virta I a kerrottuna ankkurijännitteellä U a. P U I (4.3) out a a 20
Mittauspöytäkirjassa on esitetty mittaustulokset joiden pohjalta on piirretty kuvaajat 4.3 ja 4.4, joissa on esitetty pyörimisnopeus sekä hyötysuhde akselitehon funktiona. a Kuva 4.3. Pyörimisnopeus akselitehon funktiona. Kuva 4.4. Hyötysuhde akselitehon funktiona. 4.3 Tasavirtakoneen yleisiä ominaisuuksia Tutkittava tasavirtakone oli tyypiltään vierasmagnetoitu, joten moottorin magnetointi hoidettiin erillisellä magnetointipiirillä. Sivuvirtakoneessa ja vierasmagnetoidussa tasavirtakoneessa magnetointi ei riipu ankkurivirrasta, joten magnetointia pystytään säätämään täysin itsenäisesti. Tämä tekee kyseisistä moottorityypistä helposti ja tehokkaasti säädettävän. 21
Kuvasta 4.1 havaitaan, tasavirtamoottorin pyörimisnopeuden olevan lineaarisesti verrannollinen ankkurijännitteeseen. Koska nykyään ankkurijännitettä voidaan helposti säätää tyristorilla, jota taas voidaan ohjata sähköisesti, on tasavirtakoneen pyörimisnopeuden säätäminen yksinkertaista ja tehokasta. Lisäksi kuvasta 4.3 voidaan havaita, että moottorin pyörimisnopeus pienenee hyvin hitaasti kuormituksen kasvaessa. Koska pyörimisnopeutta voidaan kuitenkin tarvittaessa säätää ankkurijännitettä muuttamalla, voidaan tasavirtamoottoriin kohtalaisen helposti tehdä säätö, joka pitää moottorin pyörimisnopeuden kuormasta riippumattomana. Tämä ominaisuus tekee moottorityypistä erittäin käyttökelpoisen moniin sovelluksiin. 22
5. YHTEENVETO Laboratoriotyö oli opiskeluaikamme ensimmäinen todellinen kosketus sähkömoottoreiden maailmaan. Teoriaa on tullut luennoilla kyllästymiseen asti, mutta mitään käytännönläheistä ei tätä ennen ole sähkömoottoreiden parissa tullut tehtyä. Sähkötekniikan työkurssilla sähkömoottoreista taisi joku työ olla, mutta en juuri muista siitä mitään oppineeni. Nyt kun teoria on jo paremmin hallussa tuli työtä tehdessä paljon tuttuja asioita vastaan, jotka oli joskus ohimennen kuullut, mutta niitä ei ollut tullut sen enempää ajateltua. Nyt kun asioihin joutui oikeasti perehtymään, oli oppiminen erittäin tehokasta, kun varsinaista uutta asiaa ei paljoa ollut, vaan jo opitut asiat oikeasti vain ymmärsi. 23
LÄHTEET [1] Aura, Lauri. Tonteri, Antti. Sähkömiehen käsikirja 2. WSOY. Porvoo 1986. [2] Aura, Lauri. Tonteri, Antti. Sähkömiehen käsikirja 3. WSOY. Porvoo 1986. [3] Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Sähkövoimatekniikantyökurssin tasavirtakonetyön -työn työohje. Saatavilla pdf-muodossa osoitteesta http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/sa2720700/lab_214_tasavirtakonetyo.pdf [4] Pyrhönen, Juha, Design of an electrical machine luentomateriaali, http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/sa2720400/luku2%20kaamit.pdf, 23.12.2008 24
LIITTEET 25