Sähkökäyttötekniikka, teollisuuden konetyypit Suomessa teollisuus käyttää hieman yli puolet tuotetusta sähköstä noin 8 % tästä kulutetaan sähkömoottoreissa Teollisuus pyörii kolmen sähkökonetyypin varassa oikosulkumoottorit ylivoimaisesti suurin ryhmä tasavirtakoneet säätökäytöissä tahtikoneet suurissa vakionopeuskäytöissä tasavirtakoneet 3 % tahtikoneet.1 % tasavirtamoottorit 8 % tahtimoottorit 1 % epätahtikoneet 97 % epätahtimoottorit 91 % Stora Enson Kaukopään tehtaiden moottorijakauma lukumäärittäin vuonna 1994. Stora Enson Kaukopään tehtaiden sähkömoottorien installoitu tehojakauma vuonna 1994. 1 Tasavirtakone Perinteinen säädettävä käyttö vaatii huoltoa, mutta on muuten äärimmäisen luotettava Vääntömomentti ristikenttäperiaatteella suoraan verrannollinen ankkurivirtaan Te = ψ i Te = kifia U ifω A Vastarinnankytketty tyristorisilta syöttää DC-konetta I D U D
Tahtikone Perinteisesti suurissa säätämättömissä käytöissä, kuten hiertämöissä. Tehoa jopa kymmeniä megawatteja vaatii vain vähän huoltoa, ja on muuten äärimmäisen luotettava Etuna teollisuuslaitoksen loistehon kompensointimahdollisuus Nykyään myös säätökäytöissä metalliteollisuudessa, kaivosteollisuudessa, laivoissa Myös kestomagneettikoneena ABB Oy - 16 - Compact Azipod - First Deliveries 1 Compact Azipod Type 5 Rating: Power,3 MW Voltage 66 V (ACS 6 drive) Speed 195 rpm 3 Epätahtikone (lähes aina oikosulkumoottori) pyörimisnopeus n, [n] = 1/s f n = ( 1 s), missä f on taajuus, p napapariluku p ja s moottorin jättämä. tahtinopeus n s, [n s ] = 1/min f n = 6 s p jättämä ns n s = n s moottorin kehittämä mekaaninen teho P m P m 1 = πnt = ω 1 = p ( s) ΩT, missä T on vääntömomentti, ω verkon sähkökulmanopeus ja Ω roottorin mekaaninen kulmanopeus. 4
Epätahtikone: soveltuu vaatimattomiin käyttöihin suoraan verkosta syötettynä olemattomat säätömahdollisuudet Teoreettisesti erittäin vaativa säätökäyttöä silmällä pitäen aiemmin käytettiin paljon liukurengasepätahtikoneita häviöllinen säätötapa ei enää suosiossa jännitesäätöä ei voida yleensä käyttää invertterisäätö toimii tiettyyn tarkkuuteen saakka osuus säätökäytöissä on kuitenkin nousussa, sillä DTC-säätö mahdollistaa epätahtikoneiden käytön tehtävissä, joissa ennen käytettiin DC-koneita 5 3.1 Koneiden rakenteet ja normit Sähkökoneiden rakenteita ja ominaisuuksia säädellään monin kansainvälisin ja kansallisin normein. tärkeimmät IEC:n ja CENELEC:n julkaisemia muita paljon käytettyjä ovat saksalainen VDE, englantilainen British Standard ja amerikkalainen NEMA Normeissa määritellään rakenne nimellistehot ja mitat kotelointiluokka jäähdytysmenetelmä 6
asennusasento moottorin päiden merkintätapa esim. IEC 34-7 normissa D-pää (Drive end) ja N-pää (Non drive end) positiivinen pyörimissuunta eristys ja eristysluokat toleranssit tehokerroin (mitataan nimellisteholla) jännite ja taajuus jättämä hyötysuhde pyörimisnopeus hetkellinen ylivirta 7 vääntömomentti lukitun roottorin vääntömomentti T l, satulavääntömomentti T u ja maksimivääntömomentti T b ilmoitetaan normaalin vääntömomentin koneille suhteellisarvona nimellisestä vääntömomentista lisävääntömomentin sietokyky ilman äkillistä pyörimisnopeuden muutosta käynnistysvirta jumissa olevalle moottorille määritellään joko sallittu maksiminäennäisteho tai maksimivirta Valmistajan ei tarvitse käyttää samaa normia kaikkien ominaisuuksien määrittämiseen esim. kotimaiset täysin suljetut oikosulkumoottorit noudattavat joissain ominaisuuksissa IEC:tä ja toisissa CENELEC:iä 8
3. Epätahtimoottoreiden sähkökäyttö ja häviöt epätahtikoneet ovat ylivoimaisesti suurin sähköenergian kuluttajaryhmä teollisuudessa ne kuluttavat 6-65 % teollisuuden käyttämästä sähköstä keskimäärin 6 % tästä kuluu koneiden häviöihin lähes kaikki epätahtikoneet ovat oikosulkumoottoreita ne soveltuvat erittäin hyvin tehdaskäyttöihin, koska ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisia ja kestäviä sekä kuormitusominaisuuksiltaan hyviä P s 1 % P Fe 1,9% P Cus 6,9% P δ P l,5% P a 85 % P Cur P µ 1,% 4,7% 9 Häviöiden pienentäminen oikealla moottorivalinnalla moottorin valintakriteerit tärkeysjärjestyksessä ovat tekninen toimivuus ja taloudellisuus standardiepätahtimoottorien hyötysuhde paranee moottorin nimellistehon kasvaessa joillakin tehoalueilla hyötysuhdetta voidaan parantaa moottorin ylimitoittamisella hyötysuhde saavuttaa maksimiarvonsa yleensä noin 75 % kuormalla kone kannattaa mitoittaa noin 3/4 teholle käytännössä tämä merkitsee yhden tehoportaan ylimitoittamista 1
9 η [%] 8 7 6 4 5.5 kw 7.5 kw 11 kw 15 kw 4 6 8 1 1 14 16 18 P [kw] Nykyisten epätahtimoottoreiden hyötysuhdekäyriä teholuokille 5.5 15 kw. 11 Moottorin koon valinta osa koneeseen syötetystä energiasta muuttuu aina lämmöksi tarvitaan jäähdytysjärjestelmä jäähdytysmenetelmät määritellään standardissa IEC 34-6 ja kotelointiluokat standardissa IEC 34-5 Sähkökoneen käyttötavat IEC 34-1 ja VDE 53 Teil 1/1.84 mukaisesti: S1: käyttö, jossa kone toimii vakiokuormituksella niin kauan, että loppulämpötila saavutetaan (ainoa, jossa loppulämpötila saavutetaan) S: kone toimii vakiokuormituksella määrätyn ajan, jäähtyy jaksojen välillä ympäristön lämpötilaan S3: jaksollinen ajoittaiskäyttö S4: jaksollinen käynnistyskäyttö, moottori pysähtyy luonnollisesti hidastuen 1
S5: jaksollinen käynnistys- ja jarrutuskäyttö S6: pysähtymätön ajoittaiskäyttö S7: keskeytymätön käynnistys- ja jarrutuskäyttö S8: pysähtymätön määräjaksollinen käyttö moottoria valittaessa täytyy tuntea käytön vääntömomenttiprofiili ja koneen oma lämpöaikavakio täysin suljetun oikosulkumoottorin lämpöaikavakiot vaihtelevat tyypillisesti kymmenistä minuuteista jopa tunteihin moottorin mitoituksessa on etsittävä tehon tehollisarvo P N P N = P E = 1 t j P ( t) d t t je, missä t je on ekvivalenttinen jäähdytysaika ja t j jaksonaika. 13 jatkuvat tai paloittain jatkuvat käyttötavat S1, S3 ja S6 sallivat mitoituksen edellisen yhtälön mukaisesti, mikäli jaksonaika on lyhyt verrattuna koneen lämpöaikavakioon S vaatii tarkempaa koneen tuntemusta S4, S5 ja S7 vaativat perusteellisen teknistaloudellisen mitoitustarkastelun moottorin mitoitus voidaan perustaa myös kuormitusta vastaavan nimellisvirran määrittämiseen I N = 1 t j I ( t) d t t je, missä t je on ekvivalenttinen jäähtymisaika. I N = 1 t j1 t j t j3 t jn I1 ( t)dt + I ( t)dt + I3 ( t)dt +... + In ( t) dt t je t j1 t j t j( n 1 ) 14
laskennassa on otettava huomioon myös tehokerroin, sillä staattorivirta sisältää myös induktiivista virtaa seisovan itsetuuletteisen koneen jäähdytysteho on noin % nimellisestä jäähdytystehosta vierasjäähdytteisen koneen jäähdytysteho nollanopeudella on noin 6 % nimellisestä jäähdytystehosta 15 Invertterikäytöt Taajuudenmuuttajien avulla kaikkien nykyajan kiertokenttäkoneitten vääntömomenttia ja pyörimisnopeutta voidaan säätää portaattomasti. Taajuudenmuuttaja on vihreä tuote, jonka avulla voidaan säästää energiaa merkittäviä määriä. 16
Invertterikäytöt u control,u u control,v u control,w Sini-kolmio modulaatio U UN U VN m f = 15 m a =.8 U d U LL U LLν U d.8.6.4. 1 m f m f m f +1 3m f 3m f + ν 17 Invertterikäytöt Sini-kolmio modulaatio, vaihejännite u ω t 18
Invertterikäytöt: Häviöt: Lisääntyneet rautahäviöt, kuparihäviöt ja häviöt roottorin pinnalla päävuon värinä suuritaajuinen hajavuo 19 Invertterikäytöt: kytkentätaajuus.98 η.96.94.9.9 invertteri moottori käyttö.88 4 6 8 1 1 kytkentätaajuus [khz]
Invertterikäytöt oikosulkukoneiden taajuusmuuttajakäytöt yleistyvät jatkuvasti uusimmissa moottorinohjauslaitteistoissa (esim. ABB:n DTC) ei ole kiinteää modulointimenetelmää, joten taajuusspektri ei pysy vakiona virran muutosnopeutta invertterin kytkentätaajuudella rajoittaa lähinnä koneen transientti-induktanssi L s kuormaan pyritään synnyttämään mahdollisimman sinimuotoinen virta mitä suurempaa kytkentätaajuutta käytetään sitä pienemmiksi tulevat taajuudenmuuttajakäytön aiheuttamat lisähäviöt 1 häviöitä aiheutuu pääasiassa kolmella tavalla suuritaajuiset virtakomponentit aiheuttavat koneen käämityksissä virran ahtautumista suuritaajuiset virtakomponentit aiheuttavat myös koneen päävuohon pieniä suuritaajuisia komponentteja, jotka kasvattavat rautahäviöitä pieni osa nopeasta transientista pääsee koneen magnetointiinduktanssin läpi, jolloin syntyy nopeaa päävuon värinää häkkikäämitykseen indusoituvat pyörrevirrat pyrkivät vaimentamaan tätä värähtelyä häviöitä syntyy sekä roottorialumiiniin että roottorin uran suun alueen rautaan oikosulkumoottorin hyötysuhde putoaa taajuuden laskiessa jos kone on itsetuuletteinen, ei sitä voida kuormittaa jatkuvasti nimellisellä vääntömomentillaan, mikäli koneen nopeus on selvästi alle nimellisen
1. T/T n SAMI STAR ACS 4, f sw > 5 khz 1. T/T n ACS 51 ACS 4 SAMI STAR ACS 5... ACS 54.5 ACS 4 f sw = 3 khz.5 1 f/f n 1 f/f n Moottoreiden kuormitettavuudet eri käytöissä 3