3-fasmotorer

Statorn

Statorn i både synkron- och asynkronmaskinerna är uppbyggda på samma sätt.

I enklaste varianten är statorn uppbyggd med lindningar för två magnetpoler (en nord- och en

sydpol) för varje fas. De tre polparen är placerade med 120 förskjutning från varandra enligt

figuren.

N

S

NN

S S

120°

120°120°

När den trefasiga statorlindningen ansluts till elnätet, ger nätspänningen upphov till ett

roterande magnetfält i statorn. Detta kan uppfattas så att strömmen ger upphov till ett antal

jämnt utplacerade poler i statorn och att detta polmönster roterar runt. Kännetecknande för det

roterande magnetfältet är att dess styrka och rotationshastighet är konstanta.

Det som återstår för att maskinen skall fungera är att få en rotor att greppa fast i det roterande

fältet på något sätt och följa med runt. Det är detta som skiljer synkron- och

asynkronmaskinen åt.

Rotationshastigheten för magnetfältet i den tvåpoliga maskinen är ett varv per period av

växelspänningen, alltså normalt 50 varv/sekund eller 3000 varv/min. Detta varvtal kallas för

det synkrona varvtalet, ns.

Om en maskin med lägre varvtal önskas lindar fabrikanten fler magnetpoler, t.ex. 4 eller 6

poler per fas, istället. Detta gör att det åtgår flera perioder av växelspänningen innan

magnetfältet flyttat sig runt ett helt varv. Det aktuella varvtalet kan räknas ut med formeln:

p

f120n s

Varvtalen blir då jämna delar av 3000, t.ex. 1500, 1000, 750, 600 o.s.v. Normalt används bara

2- och 4-poliga maskiner som motorer, alltså med synkrona varvtalet 3000 resp.

1500 varv/minut. Med fler poler blir motorerna stora, klumpiga och dyra. I vattenkraftverken

önskas oftast ett lågt varvtal på turbinen och för att slippa växellåda är det en fördel om

generatorn även har lågt varvtal. Därför förekommer det kraftverksgeneratorer med upp till 72

poler per fas.

Rotorn

Synkronmaskinen

Rotorn i en synkronmaskin består av antingen en permanentmagnet eller ett polhjul av

elektromagneter med fasta nord- och sydpoler. Antalet poler i rotorn måste överensstämma

med poltalet i statorn. Rotorn hakar sig fast i det roterande flödet, och får därmed samma

rotationshastighet, den roterar synkront med flödet.

Ett stort problem med synkronmaskinen är att den inte har något egentligt eget startmoment.

Den måste därför startas av någon annan drivkälla och fasas in mot elnätet. Då hakar

rotorpolernas magnetflöde ihop med statorflödet och sedan kan maskinen fortsätta att rotera.

Om energi matas in via rotoraxeln går den som generator och om energi tas ut går den som

motor. Den går alltid med ett exakt varvtal styrt av nätspänningens frekvens.

Startproblemen gör att den mycket sällan används som motor men däremot är i princip alla

kraftverksgeneratorer av synkronmaskintyp. Växelströmsgeneratorer i bilar är också

synkronmaskiner.

Asynkronmaskinen

Rotorn i en asynkronmaskin består av en s.k. burlindning. Det är inte någon lindning i ordets

normala bemärkelse utan egentligen ett antal aluminiumstavar i spår i järnkärnan. Dessa

aluminiumstavar är i båda ändarna förbundna med en kortslutningsring. Därav kommer

maskinens korrekta namn, kortsluten asynkronmaskin.

Funktionen och den fortsatta beskrivningen görs här för motordrift. Maskinen fungerar dock

alldeles utmärkt även som generator. T.ex. är många vindkraftverk och små vattenkraftverk

försedda med asynkronmaskiner som generatorer.

Då 3-fas växelspänning ansluts till statorlindningen och magnetfältet roterar kommer detta att

passera förbi rotorstavarna.

Ett magnetfält som rör sig i förhållande till en ledare inducerar en spänning i ledaren.

Eftersom ledarna är kortslutna i ändarna kommer spänningen att ge en hög ström i ledaren

(rotorstaven).

En strömgenomfluten ledare omger sig med ett magnetfält. Detta kommer att samverka med

det roterande magnetfältet och ledaren (staven) påverkas av en kraft som vill trycka den ut ur

magnetfältet. Motorn roterar.

Hur fort roterar då rotorn? När rotorvarvtalet börjar närma sig det synkrona varvtalet minskar

hastighetsskillnaden mellan det roterande magnetfältet och ledaren varvid den inducerade

spänningen, och därmed strömmen, minskar. Då minskar också kraften på staven och rotorn

saktar in. Detta innebär att rotorvarvtalet alltid måste vara något lägre än det synkrona

varvtalet. Detta kallas för eftersläpning. Eftersläpningen brukar vara 2-10 % av det synkrona

varvtalet. Eftersläpningen varierar också med belastningen så att vid tomgång är

rotorvarvtalet nära det synkrona för att sedan minska vid ökande belastning. Varvtalet på

märkskylten gäller vid märklast. Vanliga märkvarvtal är ca 2800 varv/minut för 2-poliga

motorer och ca 1400 varv/minut för 4-poliga.

Eftersläpningen brukar betecknas s och kan räknas ut med detta samband:

s

s

n

nns

där ns = det synkrona varvtalet och n = märkvarvtalet.

Märkskylt

På maskinens märkskylt finns upptagna, utöver fabrikantens namn, maskinens typ och

serienummer, uppgifter om motorn vid normal drift, vid märkdrift. Dit hör de spänningar och

strömmar maskinen är avsedd för, effektfaktor (cos ), varvtal m.m. Observera att

effektangivelsen på märkskylten gäller mekanisk uteffekt. Ibland finns också information om

kapsling, isolation, kylmetoder osv.

Figuren nedan visar en märkskylt för en motor med spänningsområden vid både 50 och

60 Hz. Data för 50 Hz står till vänster om snedstrecket och för 60 Hz till höger.

Motorns ineffekt anges normalt inte utan den får räknas ut med effektformeln:

P3-fas = Uh ILinje cos 3

ABB Motors

Motor 3 50/60 Hz IEC 34-1

MBT 112M 2860/3460 r/min

4/4,6 kW Cl. F cos = 0,90

380-420/440-480 VY 8,1/8,1 A

220-240/250-280 V 14,0/14,0 A

No.MK 142 031-AS IP55 30 kg

Motorns verkningsgrad anges normalt inte heller på märkskylten utan fås från datablad eller

räknas ut med:

in

ut

P

P

Verkningsgraden är alltid <1.

Märkningen IP55 i mitten på nedersta raden anger maskinens täthet mot inträngning av vatten

och damm. Första siffran anger skyddet mot inträngning av föremål, andra inträngning av

vatten. Skalan går från IP00 (inget skydd alls) till IP68 (tryckvattentätt). Normalt

beröringsskydd i torra lokaler brukar vara IP20, kapsling för industrimiljö IP43, damm och

vattentätt IP67.

Class F som står mitt på skylten anger isolationens temperaturklass, d.v.s. hur varm

lindningen får bli innan isolationen börjar ta skada.

De vanligaste isolationsklasserna är:

E 120C

B 130C

F 155C

H 180C

De ovan angivna temperaturerna är absoluta maxtemperaturer. Om dessa överskrids halveras

livslängden på isolationen för var tionde grads övertemperatur. Vid 20C övertemperatur är

då livslängden nere under ¼ av ordinarie livslängd och vid 40C övertemperatur endast ca

5%.

Till grund för ovanstående temperaturer ligger följande diagram.

E120

B130

F155

H180

15

10

105

75 80 105 125

40 40 40 40

Max tillåten

temperaturstegring

Maximal omgiv-

ningstemperatur

Hot spot-marginal

Maximal omgivningstemperatur antas hela tiden vara 40C. För att ovan angivna temperaturer

inte skall överskridas i någon punkt på lindningen måste det också finnas en

säkerhetsmarginal, hot spot-marginal. Denna sätts till 5-15C.

Hot spot-marginalen behövs eftersom det är nästan omöjligt att mäta temperaturen på

varmaste punkten inuti en motor under drift. Temperaturen erhålls istället genom att

lindningsresistansen mäts i kallt tillstånd samt vid drift. Ur dessa värden kan sedan

drifttemperaturen beräknas. Detta blir då en medeltemperatur utan hänsyn till eventuella extra

varma punkter.

Resterande temperaturområde upp till maxtemperatur blir den maximalt tillåtna

temperaturstegringen vid drift.

Ibland förekommer också motorer tillverkade med isolationsklass F men stämplade för

temperaturstegring enligt den lägre klassen B. Detta ger då en extra säkerhetsmarginal på 25C

som kan utnyttjas till:

- högre omgivningstemperatur

- ökad livslängd

- ökat effektuttag (ca 12%) genom större överbelastbarhet

- större tolerans mot spänningsvariationer

- bättre tålighet vid frekvensomriktardrift (dålig kurvform ger större förluster)

Ovanstående driftförhållanden gäller för maskiner placerade på lägre höjd än 1000 m över

havet. Om maskinen placeras på högre höjder måste en reduktionsfaktor användas om det inte

kompenseras av motsvarande sänkning av omgivningstemperaturen.

Uppställning och drift av maskiner i stark kyla och hög luftfuktighet kan ställa till problem.

Stark kyla kan ge smörjningsproblem i lagren och fuktighet kan ge kondensproblem. Dessa

behandlas dock inte i detta avsnitt utan hänskjuts till avsnittet om uppställning.

Inkoppling

Trefasmotorer kan i regel kopplas om för två spänningar genom att statorlindningen kopplas i

Y eller i (D). På märkskylten finns normalt angivet båda de spänningar som maskinen kan

anslutas till.

I exemplet i figuren nedan är de normenliga beteckningarna för uttagen införda. Där visas

också kopplingen av lindningarna samt hur kopplingsblecken skall placeras för anslutning till

230 V respektive 400 V huvudspänning (D- resp. Y-koppling).

L1

W2 U1

W1

L3 V2 V1

L2

U2

L1

U1

U2 V2

V1

L2

W2 W1

L3

W1 V1 U1

W2 U2 V2

L1 L2 L3

W1 V1 U1

W2 U2 V2

L1 L2 L3

230 V Y – koppling

400 V D – koppling

Denna motor är alltså lindad för att ha spänningen 230 V över varje lindning och skall Y-

kopplas vid anslutning till vårt vanliga 400 V trefasnät här i Sverige men skall D-kopplas vid

anslutning till ett 230 V elnät i t.ex. Norge.

Det finns också motorer tillverkade med märkspänning 690/400 V, alltså Y-koppling vid

690 V och D-koppling vid 400 V, så det gäller att se upp då motorn skall kopplas in.

Rotationsriktning

Den ända som normalt är motorns drivända (ändan med axeln) definieras som D-ända.

Om nätet ansluts till en trefasmotors statoruttag, märkta U, V och W och nätets fasföljd är L1,

L2, L3 får motorn medurs rotationsriktning, sedd mot D–ändan. Om motsatt rotationsriktning

önskas, växlas två av de matande faserna.

Moment

Momentkurvan för alla asynkronmaskiner har samma generella utseende. Momentet har ett

maximum, kippmoment, Mk. Detta är oftast 2-3 gånger högre än det normala driftmomentet. s

på x-axeln anger eftersläpningen. Denna är vid normal drift bara ca 3-5% (0,03-0,05).

0

1,2 1 0,8 0,6 0,4 -0,2 -0,4

M

M k

M start

Normal drift

Generator (Översynkront)

Motor Motströmsbroms (omvänd rotations- riktning, förluster i maskinen, ej generatordrift)

s n

0 s k n o 0

Sadelpunkt

Motor med dubbelspårrotor

Figuren visar att startmomentet är betydligt lägre än kippmomentet. För tung last kan göra att

starten misslyckas. Därför utförs de flesta asynkronmotorer med dubbelspårrotor vilket

förbättrar startmomentet väsentligt samtidigt som det i viss mån begränsar startströmmarna.

Det är också viktigt att se till att lastens moment aldrig överstiger kippmomentet eftersom

motorn då stannar.

Momentkurvan visar också att om maskinen drivs med ett varvtal något över det synkrona

(negativ eftersläpning) går den som generator och matar ut energi på nätet.

Motströmsbromsning inträder då motorn roterar åt ett håll samtidigt som nätspänningens

fasföljd hastigt växlas och statorfältet därmed byter rotationsriktning. Detta ger ett mycket

kraftigt bromsmoment, särskilt i motorer med dubbelspårrotor, men ger naturligtvis stora

påfrestningar på både elnät och mekaniska komponenter kring motorn.

I området för normaldrift (s << sk) betraktas momentkurvan som linjär. Då gäller följande

samband för momemtet M:

2

2

1

R

sUkM

, där U1 är matningsspänningen och R2 rotorresistansen.

Om U1 och R2 är konstanta blir M proportionell mot s.

Start

I startögonblicket, då rotorn står stilla, kan motorn jämföras med en kortsluten transformator.

Hastighetsskillnaden mellan det roterande magnetfältet och den stillastående rotorn är mycket

stor. Strömmen i rotorstavarna blir stor och kraften på rotorn stor vilket ger motorn ett bra

startmoment. En nackdel är dock att startströmmen blir mycket hög. Om inga speciella

åtgärder vidtas kan startströmmen bli upp till 8 ggr märkströmmen (vanligen 4–6 ggr). Dessa

strömmar avtar snabbt när rotorn kommer upp i varv och är normalt inte skadliga för motorn.

Strömmarna kan dock ge oönskade spänningsfall i nätet. Eldistributörerna föreskriver därför

hur stor motoreffekt som får direktstartas på det allmänna distributionsnätet. Normalt gäller

att motorer över 5 kW skall förses med startanordning som reducerar startströmmen.

Specialtillstånd kan erhållas för direktstart av större motorer.

För att reducera startströmmen finns flera olika metoder varav numera i princip bara två

används: Y/D-start och mjukstartare.

I äldre anläggningar förekommer också släpringade motorer som också är ett sätt att få ned

startströmmen.

Y/D-start

Det enklaste sättet att begränsa startströmmarna är att använda Y-D-kopplare. Spänningen

slås på med motorns statorlindningar Y-kopplade och strömmarna blir därvid 1/3 av

motsvarande strömmar med D-koppling. Rotorn börjar gå upp i varv och vid en lämplig

tidpunkt slås den över till D.

Nackdelen med metoden är att startmomentet också minskar till en tredjedel jämfört med

momentet vid direktstart. Detta gör dels att vissa laster kanske inte kan startas i Y-läget över

huvud taget, dels att starttiden blir mycket längre vilket medför ökade termiska påkänningar

på motorn.

Mjukstartaren

Mjukstartaren består av en tyristorreglerutrustning (i princip en trefas dimmer) vars

tändvinkel styrs av en mikroprocessor. Genom att successivt minska tändvinkeln ökas

spänningen till motorn under startförloppet. Vid tändvinkeln 0° får maskinen full spänning.

Starttiden är oftast lätt inställbar för anpassning till olika drifter.

Observera att mjukstartaren inte är användbar för att sänka motorns varvtal. Om en

asynkronmotor körs med för låg spänning går den förmodligen saktare men kommer snabbt

Varvtalsreglering

Asynkronmotorns varvtal bestäms som tidigare visats av frekvensen, poltalet och

eftersläpningen enligt: )s1(p

f120n

Detta innebär att varvtalet kan styras med

- statorspänningens frekvens f

- poltalet p

- eftersläpningen s

Reglermetoderna kan uppdelas i:

- metoder som sker i princip förlustfritt

- metoder som baserar sig på förluster i maskinen.

Förlustfria metoder

Det vanligaste sättet att ändra varvtalet är att ändra frekvensen på den matande spänningen.

Ändring av matningsspänningens frekvens görs med hjälp av en frekvensomriktare.

Likriktare Växelriktare3-fas

0-100 Hz

1- eller

3-fas

50 HzM

En frekvensomriktare består i princip av en likriktardel som tar in den vanliga nätspänningen

(1-fas eller 3-fas 50 Hz) och gör om den till en likspänning. Denna laddar upp en stor

mellanledskondensator som energibuffert. Likspänningen hackas sedan sönder till en trefas

växelspänning av önskad frekvens och spänningsnivå utav en växelriktardel.

Regleringen sker så att spänning och frekvens följs åt, varvid det uttagbara momentet hålls

konstant. Med moderna frekvensomriktare kan oftast varvtalet regleras från 0 till 200% utav

märkvarvtalet. Ofta kan motorn startas från 0 med fullt moment. Reglering över märkvarvtal

innebär att momentet blir lägre då spänningen ej längre följer frekvensen.

Nackdelar med frekvensomriktare är att ljudnivån och förlusterna i motorn ökar något p.g.a.

att matningsspänningen inte är sinusformad. Det kan även uppstå kylningsproblem vid drift

på låga frekvenser med stort moment.

En annan stor nackdel är att frekvensomriktarna ger en hel del störningar på elnätet, dels

övertoner p.g.a. att likriktarkretsen på ingången endast drar ström från nätet i korta pulser,

dels HF-störningar p.g.a. de höga switchfrekvenserna i utspänningen.

En annan förlustfri metod att ändra varvtalet är att använda en motor där poltalet kan ändras

genom omkopplingar men då handlar det om hel- och halvfart eller polomkoppling enligt de

steg som visades i avsnittet om rotorn.En ändring av motorns poltal kräver att motorn förses

med olika lindningar – en för varje poltal.

Enfasdrift

En normal asynkronmotor kan ges relativt goda driftegenskaper vid enfasdrift om den förses

med lämplig kondensator. Kondensatorns storlek sätter den ekonomiska gränsen för enfasdrift

till ca 2 kW. Kondensatorn måste klara ca 1,15 ggr nätspänning, och dess storlek skall vara

75–80 µF/kW (60 µF/hk).

U1 V1 W1

U2 V2W2

L N

Drift

Start

Om kondensatorn istället ansluts W1-V1 omkastas rotationsriktningen.

Vid enfasdrift kan motorn ge ca 70-80 % av motsvarande trefaseffekt. Samma siffror gäller

för momentet. Startmomentet är endast ca 15-20 % av märkmomentet vid trefasdrift.

Startmomentet kan förbättras genom att en särskild startkondensator kopplas parallellt med

driftkondensatorn. Startkondensatorn skall vara dubbelt så stor som driftkondensatorn och

måste kopplas bort då motorn kommit upp till driftvarvtalet.