Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan osasto Mekatroniikan ja virtuaalisuunnittelun laboratorio Ko4210000 Mekatroniikan peruskurssi Kevät 2007 SÄHKÖKÄYTÖT SISÄLLYSLUETTELO 1 YLEISTÄ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 Magnetismi ja sähkömoottorit ---------------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 TASASÄHKÖMOOTTORIT ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 2.1 Hiiliharjalliset tasasähkömoottorit ----------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.2 Hiiliharjattomat tasasähkömoottorit --------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.3 Tasasähkömoottorin mekaaninen ja sähköinen mallintaminen ---------------------------------------------------- 6 3 VAIHTOSÄHKÖMOOTTORIT--------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 3.1 Tahtimoottori ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 3.2 Epätahtimoottori --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 4. ASKELMOOTTORIT-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
1 YLEISTÄ Tässä esityksessä keskitytään lähinnä pyöriviin sähkökoneisiin, tarkemmin sanottuna moottoreihin. Moottori muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Päinvastaisessa tapauksessa puhutaan generaattorista, joka siis muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi. Tarkoitus ei ole perehtyä moottoreiden sähkötekniseen teoriaan vaan esitellä erilaisten moottoreiden toimintaperiaate ja rakenne mahdollisimman yksinkertaisesti. Automaatiossa sähkömoottoreilla saavutetaan kohtuullinen vääntömomentti ja hyvät säätöominaisuudet. Pyörimisnopeutta on helppo säätää ja tarkka paikoitus onnistuu nopeissakin liikkeissä. Sähkömoottorit ovat kestäviä ja luotettavia ja tuottavat ympäristölleen minimaalisen haitan. Termiselle kuormitukselle sähkömoottorit ovat arkoja. Askelmoottoreilla saavutetaan tarkka ohjaus, mutta niiden käyttö rajoittuu pienille momenteille. Servomoottorikäytöt ovat melko kalliita ja niiden suunnittelu, käyttöönotto, viritys ja ylläpito vaativat jonkin verran erityisosaamista. Kaikista normaalirakenteisista sähkökoneista voidaan erottaa seuraavat osat: pyörivä roottori (pyörijä) akseleineen, staattori (seisoja), laakerikilvet tai isoilla koneilla laakeripukit ja laakerit. Roottori on laakereiden varassa staattoriaukossa. Roottorin ja staattorin välissä oleva ilmarako mahdollistaa roottorin vapaan pyörimisen. Laakerit on kiinnitetty laakerikilpiin, jotka kannattavat roottoria. Laakerikilvet taas ovat kiinni staattorissa, joka muodostaa koneen rungon. Staattoriin ja roottoriin on sijoitettu käämitykset, joiden rakenne ja muoto vaihtelevat konetyypin mukaan. Koneiden päällä on yleensä liitinkotelo, johon syöttökaapeli kytketään. Erikoistapauksia lukuun ottamatta kaikkien sähkökoneiden toiminta perustuu magneettikentän ja siinä olevan virrallisen johtimen välisiin vuorovaikutuksiin. Koneiden käämitys voidaan erotella magnetointikäämitykseen ja työvirtakäämitykseen, jossa kulkee koneen varsinainen sähköteho, eli moottorin verkosta ottama virta. Työvirtakäämityksestä käytetään myös nimitystä ankkurikäämitys, mutta tämän nimityksen kanssa kannattaa olla varovainen, koska esimerkiksi tahtikoneissa ankkurikäämitys on staattorissa ja tasavirtakoneissa roottorissa. Turvallinen tapa on puhua staattori- ja roottorikäämityksistä. Sähkökoneessa magneettivuo kulkee staattorista roottoriin ja takaisin staattoriin. Staattorin ja roottorin välinen ilmarako pyritään pitämään mahdollisimman pienenä, koska ilman magneettinen johtokyky on paljon huonompi kuin raudan. Sähkökoneen käämityksillä muodostetaan ilmaväliin magneettikenttä, jolla on parillinen napaluku. Yksi pohjois- (N) ja yksi etelänapa (S) muodostavat yhden napaparin. Sähkömoottorissa kehittyvä voima on suoraan verrannollinen magneettivuon tiheyteen, johtimessa kulkevaan virtaan ja johtimen pituuteen, ts: F = BIl missä B = magneettivuon tiheys I = virta l = johtimen pituus Magneettivuon, virran ja voiman suunta suhteessa toisiinsa selviävät kuvasta 1. 1
Kuva 1. Magneettivuon, virran ja voiman suunta Jotta roottorin johdinkäämitykseen kohdistuvat voimat aikaansaisivat samansuuntaiset momenttialkiot, tarvitaan virrankääntöä eli kommutointia. 1.1 Magnetismi ja sähkömoottorit Magneettikenttä syntyy, kun johtimen läpi kulkee virta. Jos johdin on kierretty käämiksi, syntyvä voima keskittyy pienemmälle alalle, joka vahvistaa magneettikenttää. Virran kulkusuunta johtimessa ja käämityksen kiertosuunta määräävät sen, kumpi pää käämistä on pohjois- ja etelänapa. Magneettia, joka on muodostettu johtamalla virta käämin läpi, kutsutaan sähkömagneetiksi. Samanlaiset navat hylkivät toisiaan ja erilaiset navat vetävät toisiaan puoleensa. Sijoittamalla sähkömagneetti kahden kestomagneetin väliin, muodostuu ns. alkeismoottori. Jos virta johdetaan sähkömagneetin läpi niin, että sen pohjoisnapa on samassa linjassa kestomagneetin pohjoisnavan kanssa ja vastaavasti sähkömagneetin etelänapa linjassa kestomagneetin etelänavan kanssa, sähkömagneetti pyrkii kääntymään. Jos sähkömagneetin annetaan kääntyä, se pyörähtää ympäri, kunnes sen pohjoisnapa on kestomagneetin etelänavan kanssa linjassa ja etelänapa kestomagneetin pohjoisnavan kanssa linjassa (ks. kuva 2). Kuva 2. Erilaiset navat vetävät toisiaan puoleensa; samanlaiset hylkivät /3/ 2
Kun virta käännetään sähkömagneetissa, pyrkii se jälleen pyörähtämään ympäri. Virrankääntö tehdään laitteella, jota kutsutaan kommutaattoriksi. Kommutaattorin periaate on esitetty kuvassa 3. Yksinkertaistettuna kommutaattori on halkaistu rengas, joka on sijoitettu sähkömagneetin läpäisevälle akselille. Käämin toinen pää on kiinnitetty renkaan toiseen puolikkaaseen ja toinen pää vastaavasti toiseen puolikkaaseen. Harjat, jotka normaalisti on valmistettu hiilestä, on kiinnitetty niin, että ne hankaavat kommutaattoriin. Lisäksi harjat ovat yhteydessä tasavirtalähteeseen. Kun harjojen ja kommutaattorin läpi johdetaan virta sähkömagneettiin (l. ankkurikäämitykseen), saadaan se pyörimään. Tämä yksinkertainen moottori ei vielä tuota suurta momenttia, mutta lisäämällä moottoriin toinen sähkömagneetti saadaan momenttia kasvatettua. Kuva 3. Kommutoinnin periaate /3/ Edellä kuvattua moottoria kutsutaan hiiliharjalliseksi tasasähkömoottoriksi. Sen avulla on yksinkertaisin esittää sähkömoottorin perusperiaate, mutta käytännössä hiiliharjallinen sähkömoottori on jo poistuvaa tekniikkaa. 2 TASASÄHKÖMOOTTORIT Tasasähkökoneet toimivat nimensä mukaisesti tasasähköllä, jota niihin syötetään tasavirtalähteestä. Tasasähkökoneet voidaan jakaa kahteen ryhmään: hiiliharjallisiin ja harjattomiin. Hiiliharjallisten moottorien periaate on esitetty jo edellä, mutta seuraavissa kappaleissa tutustutaan malleihin hieman tarkemmin. 2.1 Hiiliharjalliset tasasähkömoottorit Kappaleessa 1.1 esitetty yksinkertainen moottori perustuu kestomagneettien käyttöön, joilla aikaansaadaan magneettikenttä. Suurin osa harjallisista tasasähkömoottoreista perustuu kuitenkin sähkömagneettien käyttöön myös kentän aikaansaamiseksi (staattorikäämitys). Kestomagneettimoottorien kehitystä on hidastanut tarpeeksi voimakkaiden ja magnetisminsa säilyttävien magneettien heikko saatavuus. Kestomagneettimoottoreilla on kuitenkin yksi merkittävä etu sähkömagneettimoottoreihin verrattuna: niiden nopeus-momenttikäyrä on lineaarinen. 3
Staattorikäämityksen sijainnin perusteella harjalliset tasasähkömoottorit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: sivuvirta-, sarjakäämi- ja kompoundimoottoreihin. Kuvat 4-5 selvittävät näiden moottoreiden eroja. Kuva 4. Sivuvirta-, sarjakäämi- ja kompoundimoottoreiden periaate /3/ Kuva 5. Sivuvirta-, sarjakäämi- ja kompoundimoottoreiden ominaisuuksia /3/ Sivuvirtamoottorin pyörimisnopeuden säätöominaisuudet ovat erinomaiset. Ilman kuormaa moottori kiihdyttää maksiminopeuteensa. Kuorman lisäämisen jälkeen nopeus tippuu ja momentti kasvaa hetkellisesti, mutta moottori ei kuitenkaan pysty täysin palaamaan samaan nopeuteen kuin ilman kuormaa. Sarjakäämimoottoreiden pyörimisnopeuden säätömahdollisuudet ovat puolestaan heikot. Jos moottorin annetaan pyöriä ilman kuormaa, se kiihdyttää nopeuttaan kunnes se hajoaa. Kuorman lisäyksen jälkeen pyörimisnopeus tippuu ja momentti kasvaa huomattavasti. Sarjakäämimoottorin käynnistysmomentti on paljon suurempi kuin sivuvirtamoottorin. Kompoundimoottori yhdistää edellä esitettyjen mallien hyvät puolet. Sillä on korkea käynnistysmomentti ja hyvät pyörimisnopeuden säätömahdollisuudet. Kompoundimoottorin huono puoli edellisiin verrattuna on erittäin korkea hinta. Yleisesti hiiliharjallisten moottoreiden käyttöä rajoittaa hiiliharjojen ja kommutaattorin mekaaninen kuluminen, jolloin syntyy kommutointiongelmia. Toinen iso ongelma on sähköinen kohina, joka voi häiritä moottoria ohjaavaa tietokonetta. 4
2.2 Hiiliharjattomat tasasähkömoottorit Edellisen kappaleen lopussa on esitetty hiiliharjallisten tasasähkömoottoreiden heikkoja puolia. Näiden ongelmien poistamiseksi on kehitetty hiiliharjaton tasasähkömoottori (ks. kuva 6). Se on eräänlainen kestomagneettimoottori, jossa kestomagneetit on kiinnitetty roottoriin. Sähkömagneetit puolestaan ovat staattorissa, ts. ne pysyvät paikoillaan. Verrattuna harjalliseen tasasähkömoottoriin käämityksen ja kestomagneettien paikka on siis vaihdettu keskenään. Aivan kuten harjallisissa moottoreissa, myös harjattomissa moottoreissa tarvitaan kommutointia. Nyt virran kääntö tehdään elektronisesti. Yksi tapa elektroniseen kommutointiin on esitetty kuvassa 7. Roottoriin kiinnitetty levy pyörii valolähteen ja vastaanottimen välissä. Kun valon säde katkeaa, lähettää vastaanotin elektroniselle ohjaimelle tiedon vaihtaa jännitteen suuntaa. Kuva 6. Hiiliharjattoman tasasähkömoottorin periaate /3/ Kuva 7. Optiikkaan perustuva elektroninen kommutointi /3/ Hiiliharjattomilla moottoreilla on erittäin pitkä kestoikä. Jos kommutointi on suunniteltu huolellisesti, todennäköisin syy moottorin hajoamiseen on roottoria kannattavan 5
laakeroinnin pettäminen. Hiiliharjaton moottori myös kestää ylikuormitusta paremmin kuin harjallinen versio. Heikkoutena voidaan pitää elektronisen kommutoinnin säätöjärjestelmän monimutkaisuutta ja korkeaa hintaa. 2.3 Tasasähkömoottorin mekaaninen ja sähköinen mallintaminen Tasasähkömoottorin antama vääntömomentti T on suoraan verrannollinen ankkurivirtaan I: T = K t I jossa K t on moottorikohtainen momenttivakio [Nm/A]. Moottorivalmistajien katalogeissa moottorille ilmoitetaan nimellismomentti ja maksimimomentti. Nimellismomentilla ympäristön nimellislämpötilassa kuormitettu moottori lämpenee jatkuvassa käytössä sallittuun maksimilämpötilaansa, jolloin moottorin lämpeneminen rajoittaa jatkuvan käytön suorituskyvyn. Maksimimomenttia voidaan käyttää lyhytaikaisesti esim. kiihdytyksissä. Jos ankkurivirtaa pyritään nostamaan liian suureksi kiihdytyksessä tai jarrutuksessa virtaa kääntämällä, demagnetoitumisvaara kasvaa: kestomagneetit heikkenevät ja moottorin momenttivakio pienenee. Sähkömoottorin mekaaninen malli esitetään usein kuvan 8 mukaisesti. Moottorin kehittämä vääntömomentti kuluu hitausmassojen kiihdytykseen, varsinaisen kuorman voittamiseen, kitkoihin ja vaimennukseen. Kuva 8. Sähkömoottorin mekaaninen malli /1/ Moottorin vääntömomentti: dω T = K t I = ( J R + J L ) + Dω + T f + T dt missä J R = roottorin hitausmomentti [kgm 2 ] J L = kuorman hitausmomentti [kgm 2 ] ω = roottorin kulmanopeus [1/s] D = vaimennus [kgm 2 /s] T f = moottorin kitkamomentti [Nm] T L = kuormamomentti [Nm] L Jos moottorissa on alennusvaihde, todellinen kuormamomentti redusoidaan moottorin akselille jakamalla se vaihteen välityssuhteella i (alennusvaihteelle i > 1). Kuorman 6
hitausmomentti jaetaan välityssuhteen neliöllä, jolloin saadaan moottorin akselille redusoitu hitausmomentti: T J L dω = ( J + ) + Dω + T 2 i dt R f + T i L Sähkömoottorin sähköinen malli voidaan pelkistää sarjaan kytketyn vastuksen, kelan ja generaattorin yhdistelmäksi (kuva 9). Vastus edustaa ankkurikäämityksen, kommutaattorin ja hiiliharjojen resistanssia, kela ankkurikäämityksen induktanssia ja generaattori moottorin kehittämää vastasähkömotoristista voimaa. Kuva 9. Sähkömoottorin yksinkertaistettu sähköinen malli /1/ Moottorin ankkurijännite: di U = LA + RAI + K Eω dt missä L A = ankkurikäämityksen induktanssi I = ankkurivirta R A = käämityksen, kommutaattorin ja hiiliharjojen resistanssi K E = jännitevakio 3 VAIHTOSÄHKÖMOOTTORIT Noin 70 80% teollisuuden sähkömoottoreista arvioidaan olevan vaihtosähkömoottoreita. Vaihtosähkökoneiden toiminta perustuu pyörivään magneettikenttään. Riippuen siitä, pyöriikö koneen roottori magneettikentän kanssa eri vai samalla nopeudella, nimitetään vaihtosähkökonetta epätahti- tai tahtikoneeksi (tai asynkroni- ja synkronikoneeksi). 3.1 Tahtimoottori Tahtimoottori muistuttaa rakenteeltaan harjatonta tasasähkömoottoria: kestomagnetoitu roottori pyörii staattorikäämityksen aikaansaamassa magneettikentässä. Ohjaustapa poikkeaa tasasähkömoottorista, jonka käämeihin syötetään tasajännite ohjauslogiikan määräämässä järjestyksessä ja tahdissa. Tahtimoottorin käämeihin syötetään kolmivaihevaihtojännitettä, jonka taajuudella roottori pyörii. Tahtimoottorin nopeutta säädetään muuttamalla syöttötaajuutta. 7
Tahtimoottorin pyörimisnopeus on vakio kuormasta riippumatta. Sen hyötysuhde on hyvä varsinkin silloin, kun sen nimellinen tehokerroin on valittu mahdollisimman lähellä yhtä. Tahtimoottori soveltuu käytettäväksi pienilläkin pyörimisnopeuksilla suuren ilmavälinsä ja erillisen magnetointinsa ansioista. Magnetointia varten tarvitaan tasasähköä, josta taas seuraa tiettyjen elektronisten laitteiden tarve. 3.2 Epätahtimoottori Epätahtimoottorin roottorin pyörimisnopeus poikkeaa koneen sisällä pyörivän magneettikentän pyörimisnopeudesta eli ns. tahtinopeudesta. Epätahtikoneet jaetaan yksija kolmivaiheisiin oikosulkumoottoreihin sekä liukurengasmoottoreihin. Tässä kappaleessa käsitellään ainoastaan kolmivaiheista oikosulkumoottoria, koska se on edellä mainituista selkeästi yleisin. Oikosulkumoottori on yksinkertaisen rakenteensa vuoksi erittäin suosittu moottori. Oikosulkumoottorissa ei ole erillisiä magnetointikäämityksiä vaan ainoastaan melko yksinkertaiset staattori- ja roottorikäämitykset. Roottorikäämitys on ns. häkkikäämitys, joka on sijoitettu roottorin uriin ja suljettu molemmista päistä oikosulkurengaalla. Kun staattorikäämitykseen kytketään 3-vaiheinen jännite, synnyttää käämitys koneen ilmaväliin magneettikentän, jonka pyörimisnopeus n s (tahtinopeus) on n s = f p missä f = verkon taajuus [Hz] p = napaparien lukumäärä Pyörivä magneettikenttä indusoi roottorikäämitykseen jännitteen. Käämityksen ollessa oikosuljettu, syntyy käämitykseen virta, joka puolestaan luo ilmaväliin toisen pyörivän magneettikentän. Magneettikenttien välillä vallitsevan voimavaikutuksen (vääntömomentti) takia roottori lähtee pyörimään, kiihtyy ja jää pyörimään vähän magneettikentän nopeutta pienemmällä nopeudella. Roottorin pyörimisnopeuden n ja tahtinopeuden n s suhteellista eroa kutsutaan jättämäksi: s = n s n n s Tästä pyörimisnopeuden ja tahtinopeuden erosta johtuu nimitys epätahtikone. Epätahtikoneen toimiessa generaattorina on sen pyörimisnopeus suurempi kuin tahtinopeus. Jättämän vuoksi oikosulkumoottorilla on huonohko hyötysuhde. Sen ominaisuudet ovat epälineaariset, mikä hankaloittaa moottorin sovittamista takaisinkytkettyihin järjestelmiin. Lisäksi tarvittava elektroniikka on monimutkaista ja suhteellisen kallista. Oikosulkumoottorilla on kuitenkin hyvä dynamiikka (pieni inertia ja suuri vääntömomentti) ja sen ainoat kuluvat osat löytyvät laakeroinnista. 8
4. ASKELMOOTTORIT Nimensä mukaisesti askelmoottorin roottori ei pyöri jatkuvasti, vaan tietyn mittaisina jaksoina. Askelmoottorin etu tavallisiin pyöriviin moottoreihin verrattuna on se, että siitä tiedetään tarkalleen, kuinka paljon moottorin akseli on kääntynyt. Muilla moottoreilla ei voida ilman säätöjärjestelmää tietää, kuinka paljon akseli on kääntynyt. Kun askelmoottori yhdistetään tietokoneeseen, voidaan sitä ohjata digitaalisesti. Tietty määrä pulsseja ohjausjärjestelmästä vastaa tiettyä kulman suuruutta. Askelmoottoreilla saavutettu momentti on vaatimatonta, joten se soveltuu vain kohteisiin, joissa kuormaa on vähän. Askelmoottorit perustuvat roottoriin sijoitettuihin kestomagneetteihin ja sähkömagneeteilla varustettuun staattoriin. Toiminta vastaa hiiliharjallisen moottorin toimintaa ilman kommutointia. Kuvassa 10 on esitetty nelinapainen askelmoottori ja sen kääntyminen. Roottori saadaan pyörähtämään vaihtamalla sähkömagneettien napaisuutta vuorotellen, esimerkiksi vastapäivään, kuten kuvassa 10. Napaisuuden vaihto määrätään ohjausjärjestelmästä vaihtamalla kuvassa 11 näkyvien kytkinten asentoa. Kerrallaan vaihdetaan vain yhden kytkimen asentoa. Kuvan 11 taulukko esittää kytkinten vaihdon askeleittain. Yksi kytkimen muutos saa roottorin pyörähtämään 90 astetta, ts. moottorin askelkulma on 90 astetta. Kuva 10. Nelinapainen askelmoottori ja sen kääntyminen Kuva 11. Nelinapaisen askelmoottorin kytkentäkaavio /3/ 9
Kuvan 11 moottoriin tarvitaan kaksoisjännitelähde, jotta napojen magneettikentät saadaan käännettyä. Tällaista moottoria kutsutaan bipolaariseksi askelmoottoriksi. Askelmoottori voidaan toteuttaa myös yhdellä jännitelähteellä, jolloin puhutaan bifilaarisesta askelmoottorista. Kuvissa esitetty askelmoottori on vielä hyvin yksinkertainen, teoreettinen malli. Todellisissa askelmoottoreissa napaluku on paljon suurempi kuin neljä ja askelkulmakin parhaillaan alle yhden asteen. Askelmoottorin perustyyppi on muuttuvan reluktanssin moottori. Kuvan 12 kolmivaiheisessa moottorissa on kuusi staattorin napaa, joista kaksi vastapäistä magnetoidaan käämillä samanaikaisesti ja ne muodostavat yhden vaiheen. Roottorin liike syntyy aktivoimalla kukin vaihe erikseen. Sekä roottori että staattori on hammastettu, jolloin yhteen vaiheeseen kuluu useampi askel. Moottorin askelkulma saadaan jakamalla 360 astetta vaiheiden lukumäärän ja hampaiden määrän tulolla. Kuva 12. Muuttuvan reluktanssin askelmoottori /3/ 10
LÄHTEET 1. Airila Mauri. Mekatroniikka 2. Aura Lauri. Teoreettinen sähkötekniikka ja sähkökoneiden perusteet 3. Hoekstra Robert L. Robotics and automated systems 11