8. Jævn- og vekselstrømsmotorer

Transkript

1 Grundlæggende elektroteknisk teori Side Jævn- og vekselstrømsmotorer 8.1. Jævnstrømsmotorer Motorprincippet og generatorprincippet I afsnit 5.2 blev motorprincippet gennemgået, men her repeteres lige, at en elektrisk leder, der befinder sig i et magnetfelt påvirkes af en kraft, når den gennemløbes af en elektrisk strøm. Hvis magnetfeltet er homogent, og lederen er vinkelret på magnetfeltet, kan kraftens størrelse findes af formlen: F = B I l [ N] (8.1) Hvis denne kraft sætter lederen i bevægelse, vil der under denne bevægelse blive induceret en elektromotorisk kraft i lederen, jf. afsnit 5.1, generatorprincippet. Størrelsen af den elektromotoriske kraft findes af formlen: E = B l v [ V] (8.2) Jævnstrømsmotorens virkemåde Jævnstrømsmotorens virkemåde kan studeres på følgende java-applet: På denne java-applet er der omtalt en Lorenz-kraft. Dette er den ovenfor i formel 8.1 anførte kraft F. Også på denne hjemmeside er der gode illustrationer af princippet i en jævnstrømsmotor: Nedenstående link henviser til en hjemmeside, hvor princippet i flere mototyper er illustreret.

2 Grundlæggende elektroteknisk teori Side Jævnstrømsmotorens opbygning og bestanddele De to hoveddele af jævnstrømsmotoren er: Den stillestående del, statoren eller magnetstellet Den roterende del, rotoren, som i jævnstrømsmaskiner ofte kaldes ankeret. Desuden er en væsentlig komponent i jævnstrømsmotoren de børster (kul), som overfører strømmen til ankerets viklinger gennem kommutatoren. Statoren kan være udformet med 2, 4, 8 eller flere poler, også kaldet hovedpolerne. Mellem disse er der i større motorer anbragt vendepoler, som har til formål at reducere gnistdannelse ved børsterne (kullene). På fig. 8.1 ses en stator med 2 hovedpoler og på fig. 8.2 en stator med 4 hovedpoler. Fig. 8.1 Stator med 2 hovedpoler Fig 8.2 Stator med 4 hovedpoler I større, moderne jævnstrømsmaskiner, som drives via ensrettet vekselspænding, er såvel stator som rotor udført af lamelleret jern. Det er udstansede jernplader, som stakkes. Et eksempel på anker- og statorblik er vist i fig Fig. 8.3 Udstanset anker- og statorblik

3 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 45 Et eksempel på en større jævnstrømsmotor er vist i fig Fig. 8.4 Jævnstrømsmotor, vist gennemskåret (ABB) Nedenstående link viser hen til et firmakatalog med større og meget store jævnstrømsmotorer: Et eksempel på en lille jævnstrømmotor er vist på fig Denne motortype anvendes til utallige formål inden for styring og regulering af apparater og maskiner. I disse små motorer frembringes magnetfeltet af permanente magneter. Kun rotorens viklinger roterer omkring en stillestående jernkerne. Herved reduceres den masse, som roterer, ganske betydeligt, og motoren kan derfor reagere meget hurtigt. Fig. 8.5 Jævnstrømsmotor med poler af permanente magneter (Maxon)

4 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 46 Denne motortypes opbygning er illustreret på fig Fig. 8.6 Motor med jernløs rotor (Maxon) Følgende link henviser til en producent af små jævnstrømsmotorer (DC-motorer): Jævnstømsmotorens strømskema og formler Det følgende strømskema på fig. 5.7 gælder for større motorer med vendepoler og magnetiseringsviklinger, altså hovedpoler udført som elektromagneter. Fig. 8.7 Strømskema for jævnstrømsmotor med magnetiseringsviklinger og vendepoler Strømmen i magnetiseringsvikling bestemmes af den påtrykte spænding og resistansen i viklingerne, R m. Strømmen i ankerkredsen bestemmes af den påtrykte spænding U samt den i ankeret inducerede spænding E og modstanden i kredsen, der består af ankerresistansen R a og resistansen i vendepolerne R v efter følgende formel: U = E+ ( R + R ) I + U (8.3) a v a b Leddet U b kommer fra det spændingsfald, som opstår mellem kullene og kommutatoren. Det regnes sædvanligvis til 2 V, medmindre børsterne har et stort indhold af kobber. Så sættes denne værdi til 0 V.

5 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 47 Hvis ligning (8.3) løses mht. I a fås: I a U ( E+ Ub) = R + R a v (8.4) Den inducerede EMK afhænger af magnetfeltet Φ og omløbstallet n samt en motorkonstant benævnt k E : E = ke Φ n (8.5) For mindre motorer, som ikke har vendepoler gælder følgende diagram: Fig. 8.8 Strømskema for DC-motor med magnetiseringsvikling For små DC-motorer motorer med permanente magneter i statoren gælder følgende diagram: Fig. 8.9 Strømskema for DC-motor med permanente magneter For motorerne i fig. 8.8 og 8.9 gælder følgende formel for ankerkredsen: U = E+ Ra Ia + Ub (8.6) For motorer til lave spændinger, fx 12 V, udføres kullene med stort indhold af kobber, og formlen reduceres da til: U = E+ R I (8.7) a a Hvis en DC-motor kører uden belastning, blive I a meget lille, og leddet R a *I a bliver da meget mindre end E. Formel (8.7) reducere da til U = E. Indsættes dette i (8.5) og regnes magnetfeltet konstant, og løses udtrykket mht. n, fås: n = k U (8.8) hvor k læses som proportional med. Omløbstallet ved tomgang er således alene afhængig af den påtrykte spænding U.

6 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 48 DC-motorens afgivne moment til en belastning er proportional med strømmen i ankeret og magnetfeltets størrelse Φ: M = k Φ I (8.9) M a Her er k M en motorkonstant for momentet Asynkronmotorer, 3-fasede faset spænding Vi har tidligere i afsnit 5.3 set, hvorledes man kan frembringe en sinusformet spænding ved at rotere en spole i et magnetfelt. Hvis man anbringer 3 spoler forskudt i forhold til hinanden, kan man frembringe et symmetrisk, trefaset spændingssystem, se fig Praktisk talt foregår al distribution af elektrisk energi i dag ved hjælp af sådanne 3-fasede spændingssystemer. Fig faset spændingssystem På fig ses, hvorledes de tre spoler i en trefaset generator kan kobles sammen, således at fællespunktet kan føres ud som en såkaldt nulleder. Dette kaldes en stjernekobling. De tre faser benævnes L1, L2 og L3. Nullederen betegnes N. Fig Trefaset generator i stjernekobling med nulleder

7 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 49 Hvis man til et 3-faset net med nulleder kobler en symmetrisk belastning, kommer strømskema til at se ud som på fig Fig faset symmetrisk belastning med tre ens impedanser i stjernekobling Drejefelt I en trefaset vekselstrømsmotor er viklingerne i statoren fordelt således, at de danner et symmetrisk system. Hvis vinlen mellem spolerne i de tre faser er 120 0, danner strømmene i disse et magnetfelt, som illustreret på fig Fig Frembringelse af et drejefelt Det er karakteristisk, at dette drejefelt har konstant styrke. Hvis spolerne er tilsluttet et net med frekvensen 50 Hz, drejer magnetfeltet rundt med 50 omdrejninger pr. sekund eller 3000 omdr. pr. minut. Dette omløbstal kaldes det synkrone omløbstal. Spolerne i den viste vikling danner 2 poler. Man siger da, at polpartallet p er 1. Viklingerne kan også udføres, så de danner henholdsvis 4, 6, 8 eller flere poler (men altid et lige antal!).

8 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 50 Drejefeltets omløbstal kan udtrykkes ved formlen f f 60 n1 = [ omdr/s] n1 = [ omdr/min] (8.10) p p hvor f er netspændingens frekvens i Hz p er polpartallet for statorviklingen Drejefeltets omløbstal n 1 kaldes også ofte det synkrone omløbstal Asynkronmotorens virkemåde Som navnet siger, vil rotoren i asynkronmotoren ikke løbe rundt synkront med drejefeltet. Rotoren må, som det fremgår af det følgende, nødvendigvis løbe lidt langsommere end drejefeltet, for at motoren kan afgive et moment, - og dermed virke som motor. Rotoren i en asynkronmotor er forsynet med en vikling, og for mindre motorer er denne vikling støbt i aluminium. I lidt større motorer er viklingen udført med kobberstave, som er svejset sammen. I begge tilfælde taler man om en kortslutningsmotor. På fig ses en kortslutningsrotor. Fig Kortslutningsrotor til asynkronmotor På fig ses en figur, som kan være nyttig, når man skal forstå asynkronmotorens virkemåde. Magnetfeltet Φ kører rundt i statoren som et drejefelt med synkront omløbstal. For en 2-polet motor tilsluttet 50 Hz net er dette omløbstal 3000 omdr/min. Når magnetfeltet passerer rotorstavene, induceres der heri en elektromotorisk kraft (generatorprincippet). Denne elektromotoriske kraft frembringer den viste strøm I / LTØ

9 Grundlæggende elektroteknisk teori Side 51 Denne strøm befinder sig i det førnævnte magnetfelt og der opstår da en kraft F på lederen i rotoren (motorprincippet). Det er denne kraft, der frembringer det moment, som får rotoren til at dreje rundt. Fig 8.15 Asynkronmotorens princip Når rotorens omløbstal nærmer sig drejefeltets omløbstal, bliver den relative hastighed mellem drejefelt og rotorlederne lille, og den inducerede elektromotoriske kraft bliver lille. Derved reduceres strømmen I og dermed kraften F. Hvis rotoren kører med samme omløbstal som drejefeltet, det synkrone omløbstal, bliver kraften F nul, fordi den relative hastighed mellem drejefelt og rotorleder bliver nul. På fig ses en typisk graf for sammenhængen mellem en asynkronmotors omløbstal og det moment, som motoren kan yde. Fir Asynkronmotorens momentkurve Drejefeltets omløbstal betegnes normalt ved n 1. På figuren er dette omløbstal benævnt n syn. Rotorens omløbstal betegnes normalt n 2. Motorens nominelle omløbstal og moment benævnes henholdsvis n 2N og M N. Det mindste moment mellem startmomentet M start og det maksimale moment M max kaldes for saddelmomentet M s / LTØ

10 Grundlæggende elektroteknisk teori Side Asynkronmotorens slip Som nævnt betegnes drejefeltets omløbstal ved n 1 og rotorens omløbstal ved n 2. Forskellen mellem disse to omløbstal kaldes slippet: ns = n1 n2 [omdr/min] (8.11) Almindeligvis angiver man slippet i procent af det synkrone omløbstal, og man betegner det da med symbolet s, n n n s = = (8.12) n s % 100% 1 n Links vedrørende asynkronmotorer Følgende links henviser til sider, som forklarer asynkronmotorens virkemåde: En simple side med animation: KLIK HER How real electric motors work: KLIK HER Følgende links henviser til kataloger hos fabrikanter/forhandlere af asynkronmotorer: Gå ind under Find dokumentation, tryk Søg efter information. Nu kommer en ny søgeside. Vælg følgende to kriterier: Dokumentationstype = Datahæfter, Søg produkttype = MG På den side, der nu kommer frem, vælg fx MG-Normmotorer og du får et komplet datahæfte for asynkronmotorer i størrelser 0,12 kw 7,5 kw Større motorer kan findes på en side fra ABB: KLIK HER (2,6 MB) Store asynkronmotorer ( kw) kan findes på en side fra ABB: KLIK HER (9 MB) / LTØ