SÄHKÖMOOTTORIT Tämä luentomoniste käsittelee kahta yleisintä sähkömoottorityyppiä ja moottorisuojakytkintä. H. Honkanen YLEISTÄ: Käyttötavat Sähkökoneen nimelliskäyttötavat merkitään S1, S2, S3...S10 standardin IEC 60034-1 mukaan. S1 Jatkuva käyttö Kone toimii vakiokuormituksella niin pitkän ajan, että loppulämpötila saavutetaan. Leimaus: S1 S2 Lyhytaikainen käyttö Kone toimii vakiokuormituksella määrätyn, niin lyhyen ajan, että loppulämpötilaa ei saavuteta. Jokaista toiminta-aikaa edeltää niin pitkä tauko, että kone saavuttaa ympäröivän ilman tai muun jäähdytysaineen lämpötilan. Suositellaan käyttöaikoja 10, 30, 60 ja 90 min. Leimaus esim. S2 60 min. S3 Jaksollinen ajoittaiskäyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja, joista jokaiseen kuuluu toiminta-aika vakiokuormituksella sekä seisonta-aika. Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. Käynnistykset eivät sanottavasti vaikuta lämpenemiseen. Ajoittaiskäyttökerroin on 15, 25, 40 tai 60 %. Jakson pituus on 10 min. Leimaus esim. S3 25 %. S4 Jaksollinen käynnistyskäyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja, joista jokaiseen kuuluu käynnistysaika, toiminta-aika vakiokuormituksella sekä seisonta-aika. Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. Tässä käytössä moottori pysähtyy luonnollisella tavalla hidastuen tai mekaanisella jarrulla jarruttaen, jolloin moottori ei rasitu termisesti. S5 Jaksollinen käynnistys- ja jarrutuskäyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja, joista jokaiseen kuuluu käynnistysaika, toiminta-aika vakiokuormituksella, jarrutusaika ja seisonta-aika. Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. Tässä käytössä käytetään sähköistä jarrutusta, esim. vastavirtajarrutusta.
S6 Pysähtymätön ajoittaiskäyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja, joista jokaiseen kuuluu toiminta-aika vakiokuormituksella sekä tyhjäkäyntiaika. Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. Ajoittaiskäyttökerroin on 15, 25, 40 tai 60 %. Jakson pituus on 10 min. Leimaus esim. S6 40 %. S7 Keskeytymätön käynnistys- ja jarrutuskäyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja, joista jokaiseen kuuluu käynnistysaika, toiminta-aika vakiokuormituksella sekä jarrutusaika. Jarrutus tapahtuu sähköisesti ( esim. vastavirtajarrutus ). Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. S8 Pysähtymätön määräjaksollinen käyttö Käyttö muodostuu sarjasta keskenään samanlaisia jaksoja. Jokaiseen jaksoon kuuluu toiminta-aika vakiokuormituksella määrätyllä nopeudella, jota välittömästi seuraa toiminta-aika toisella nopeudella ja toisella vakiokuormituksella. Pyörimisnopeuksia voi olla kaksi tai useampia. Loppulämpötilaa ei saavuteta jakson aikana. Tällainen käyttö tulee kysymykseen esim. napavaihtokoneilla. S9 Käyttö vaihtelevalla kuormalla ja nopeudella Käyttö muodostuu sallitulla käyttöalueella tapahtuvista kuorman ja nopeuden vaihteluista, jotka yleensä eivät ole jaksollisia. Tämä käyttö sisältää usein tapahtuvia ylikuormituksia, jotka voivat merkittävästi ylittää nimelliskuorman. Ylikuormituksen suuruus on huomioitava moottorin nimellistehon valinnassa. S10 Käyttö vaihtelevalla vakiokuormalla Käyttöjakso muodostuu enintään neljästä osajaksosta erisuurella vakiokuormalla. Käyttöaika kullakin vakiokuormalla on niin pitkä, että loppulämpötila saavutetaan. Eristysluokat:
SÄÄTÖPIIRIEN PERIAATTEET PWM säätö ( Pulse Width Modulation ) PWM säädössä säädetään tehollista jännitettä kytkemällä jännitettä päälle ja pois Skalaarisäätö Moottorin käyttöjännitteen jännitettä ja taajuutta säädetään tarvittavan pyörimisnopeuden saavuttamiseksi vaihevirtaa käytetään takaisinkytkentätietona (yleensä) Vektorisäätö Vektorisäädöllä tarkoitetaan kaikkia vaihtosuuntaajien ohjaukseen käytettyjä menetelmiä, jotka perustuvat virtavektoreiden jakamiseen vuon suuntaiseen ( magnetointi ) ja tätä vastaan kohtisuoraan ( 90, momentti ) komponenttiin, ts. erotetaan magnetointiin ja työhön osallistuvat virtakomponentit, joista muodostetaan kyseiselle moottorimallille ohjaussuureet. Suora vääntömomentin säätö ( DTC, Direct Torque Control ) Suorassa vääntömomentin säädössä säädetään suoraan sähkökoneen käämivuota ja sitä kautta vääntömomenttia. Suora vääntömomentin säätö koostuu kahdesta osasta, nopeuden säätösilmukasta ja vääntömomentin säätösilmukasta. DTC:n periaate eroaa vektorisäädöstä siten, että moottorin vääntömomenttia pyritään muuttamaan säätämällä staattorikäämivuota, kun vektorisäädössä säädetään staattorivirtaa.
YLEISVIRTAMOOTTORI Yleisvirtamoottorin ominaisuudet Käyttöjännitteenä 1~ AC tai DC + Suuri ominaisteho kokoon ja massaan nähden + Tarvittaessa suuri pyörimisnopeus ( jopa 40 000 rpm ) + Pyörimisnopeuden säätö helppoa, jännitteellä + Halpa rakenne - Jatkuva huollontarve, hiilet ja myös kommutaattori kuluvat Yleisvirtamoottori toimii, nimensä mukaisesti, sekä tasa- että vaihtovirralla. Yleisvirtamoottori löytyy lähes jokaisesta kädessä pidettävästä sähkötyökalusta ja lisääntyvässä määrin myös kiinteäasenteisista sähkökojeista, kuten pesukoneista. Myös auton starttimoottori on yleisvirtamoottori. kuva 1, yleisvirtamoottori Yleisvirtamoottorin toiminta perustuu aasi ja porkkana periaatteeseen, jossa kommutaattorin avulla roottori pyörähtää ja samalla kommutaattori siirtää roottorin magneettikenttää. Kuva 2, porakone
TASAVIRTAMOOTTORI Tasavirtamoottorin ominaisuudet Käyttöjännitteenä DC + Helppo hallittavuus, vääntömomentti ja pyörimisnopeus säädettävissä virralla + Hyvä käynnistysmomentti - Huollon tarve Kommutaattorirakenne kuluu käytössä - Kommutaattorirakenne rajoittaa maksiminopeutta Käyttö o Helppo hallittavuus, tasavirta ja PWM säätö KENTTÄKÄÄMITTY DC-MOOTTORI Kenttäkäämityn DC moottorin mekaaninen rakenne on hyvin lähellä aiemmin esiteltyä yleisvirtamoottoria Moottorin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa käämien kytkentämallin avulla: Vierasmagnetoitu: Sarjakäämitty: Pyörimisnopeus on suoraan verrannollinen roottoripiirin jännitteeseen Vääntömomentti on suoraan verrannollinen staattoripiirin virtaan Sarjakytketyn moottorin pyörimisnopeus riippuu vääntömomentista ( eli kuormituksesta ) Rinnankäämitty: Rinnanakytkennällä saadaan aikaan suurinopeuksinen ja pienimomenttinen moottori, pyömisnopeus lähes vakio Kompoudikäämitys: Kompoundikäämityksellä saadaan kierrosnopeudelle ja vääntömomentille maksimiarvot Kuvissa R kuvaa roottorikäämitystä ja S staattorikäämitystä
Tasavirtamoottori oli ennen puolijohdetekniikan kehitystä ainoa vaihtoehto suuritehoisen ja säädettävän moottorin toteuttamiseksi. Niitä onkin teollisuudessa käytössä vielä runsaasti KESTOMAGNETOITU DC-MOOTTORI Kestomagnetoitua staattorikäämitystä käytetään yleisesti pienitehoisissa DC moottoreissa ( alle 100W ). Kyseinen moottorityyppi on käytössä mm- CD ja DVD soittimien levynpyöritysmoottorina ja auton lämmityslaitteen ja lasinpyyhkijän moottorina. Kuva: Kestomagnetoidulla staattorikäämityksellä toteutettu DC moottori
HARJATON DC-MOOTTORI, KESTOMAGNEETTITAHTIMOOTTORI Harjaton DC-moottori on kestomagneettimoottori, mutta edellisestä poiketen, kestomagneetit ovat roottorissa ( = pyörijässä ). Täten tässä moottorityypissä ei tarvita kommotaattorirakennetta. Harjaton DC moottori tarvitsee ympärilleen ohjauselektroniikan, pyörivä kenttä on nyt toteutettava puolijohdekytkimin ja ohjauselektroniikan on tiedettävä moottorin asento muutaman asteen tarkkuudella. Lisäksi kestomagneetilla on rajallinen magneettikentän kesto ( Jos tämä ylitetään, kestomagneetti demagnetoituu pysyvästi ). Tämän vuoksi myös virta ( = vääntömomentti ) on rajoitettava aktiivikytkennällä Perusrakenteeltaan harjaton DC moottori on hyvin lähellä seuraavaksi esiteltävää oikosulkumoottoria, erona roottorin rakenne, joka harjattomassa DC-moottorissa on kestomagnetoitu. Lisäksi asennontunnitus on välttämätön Rakenne: Kestomagneettimoottorin staattorin rakenne on samanlainen, kuin oikosulkumoottorin Roottorissa on kestomagneetit, jotka voivat olla sijoitetut tähtimäisesti ( kuvassa ) tai asetettu roottorin pinnalle ( ei kuvassa ) Käyttö Staattoriin synnytetään pyörivä magneettikenttä monivaiheisella ( 3~ ) vaihtosähköllä Roottorin rajallisen magneettikentän siedon vuoksi taajuusmuuttajien säätöalgoritmin oltava vektori- tai DTC tyyppinen.
OIKOSULKUMOOTTORI Oikosulkumoottorin ominaisuudet Käyttöjännitteenä AC + Yksinkertainen ja toimintavarma rakenne + Ei kuluvia osia, muuta kuin laakerit - Maksimi kierrosnopeus vain kentän pyörimisnopeus - Jättämä ( kuormitus vaikuttaa pyörimisnopeuteen ) - Hankala nopeudensäätö - Pieni käynnistysmomentti - Suuri käynnistysvirta Oikosulkumoottorin nimitys tulee siitä, että roottorikäämitys on tehty oikosulkuun, hyvin pieniresistiiviseksi häkkikäämitykseksi ( Kuva 3 ) Kuva 3, roottorin rakenne Staattoriosaan on käämitty käämitys, jolla saadaan aikaan pyörivä magneettikenttä ( kuva 4 ). Pyörivän kentän nopeutta voidaan pienentää lisäämällä napaparien määrää ( Kuva 4 ), Kuva 4, staattorin rakenne
Kuva 5, Oikosulkumoottorin halkaisukuva Virta roottorikäämitykseen saadaan pyörivästä magneettikentästä ( Kuva 6 ) Magneettivuon on leikattava roottori, joten roottori pyörii aina hiukan hitaammin, kuin magneettikenttä. Kuormitettaessa jättämä lisääntyy. Jättämän määrään vaikuttaa myös roottorikäämityksen kulma. Roottorikäämityksen kulmaa lisäämällä jättämä lisääntyy, mutta käynnistysominaisuudet paranevat. Oikosulkumoottori vaatii pyörivän magneettikentän. Täten se soveltuu luonnostaan vain monivaihemoottoriksi. Kuva 6, oikosulkumoottorin toiminta
3~ oikosulkumoottorin käämitys voidaan kytkeä tähti- tai kolmiokytkentään, kuva 7 Kuva 7, oikosulkumoottorin kytkentärasia Yksivaiheisena syntyy vain kääntyvä magneettikenttä. Oikosulkumoottori pyörii siinäkin, kunhan sen saa ensin pyörimään. Pyörivä kenttä ( ei täysin symmetrinen ) toteutetaan apukäämin ja sen kanssa sarjassa olevan kondensaattorin avulla ( Kuvat 8 ja 9 ) Kuva 8, 1~ oikosulkumoottorin kytkentöjä Kuva 9, 1~ oikosulkumoottorin toiminta
MOOTTORISUOJAKYTKIN eli lämpörele Sähkömoottori ei itsessään rajoita siitä saatavaa tehoa, vaan ylikuormitettuna se ylilämpenee ja sähköinen eristys ( = käämilakka ) vioittuu. Sähkömoottori on täten suojattava ylikuormitusta vastaan. Ylikuormitussuojaksi soveltuu lämpörele, moottorisuojakytkin. Moottorisuojakytkin pyrkii mukailemaan moottorin lämpötilaa ja ylikuormitettaessa katkaisee syöttöjännitteen. Toiminta perustuu virran lämmittämän bimetalliosion vääntymään lämpötilan funktiona. Kuva 10, Lämpörele Moottorisuojakytkimen laukaisuarvo on aseteltavissa. Alla, kuvassa 11, kuvattuna 3~ moottorisuojakytkimen kytkentä Kuva 11, moottorisuojakytkimen kytkentä ja toimintakuvaaja