9 MUUNTAJAT JA SÄHKÖLAITTEET

505
9 MUUNTAJAT JA SÄHKÖLAITTEET 9.1 Yleistä Vaihtojännitettä suurennetaan ja pienennetään muuntajilla. 1900-luvun alussa muuntaja aiheutti sen, että vaihtosähkö syrjäytti tasasähkön miltei kokonaan. Muuntajat ovat hinnaltaan verraten edullisia ja niiden käyttö tulee halvaksi, sillä ne eivät vaadi jatkuvaa huoltoa. Tämä johtuu siitä, että muuntaja on rakenteeltaan verrattain yksinkertainen, koska siinä ei ole liikkuvia osia. /4/ Muuntajien hyvistä ominaisuuksista johtuen tasasähköjärjestelmiä käytetään sähkön siirrossa ja jakelussa paljon vähemmän kuin vaihtosähköjärjestelmiä. Tasa- ja vaihtosuuntaajien kehittyessä tasajännitteiden käyttö on kuitenkin kaukovoimansiirrossa lisääntynyt. Muuntajia valmistetaan laajalla tehoalueella alkaen pienistä signaalimuuntajista aina suurvoimansiirron tehomuuntajiin asti. Sähkölaitostekniikassa muuntajan tärkeimmät tehtävät ovat jännitteen asettelu voimansiirron ja jakelun kannalta edulliseen arvoon sähköverkon eri osissa, eri jänniteportaiden galvaaninen erottaminen toisistaan sekä jakeluverkkojen oikosulkuvirran rajoittaminen. Muuntajat jaetaan tehtäviensä puolesta eri ryhmiin. Tässä kappaleessa käsitellään lähemmin voima- ja mittamuuntajien perusteita. Voima- eli tehomuuntajien tehtävänä on muuntaa jännite U1 jännitteeksi U2 sähköenergian siirron vaatimien tarpeiden mukaisesti (kuva 9.1a). Mittamuuntajien tehtävänä on muuntaa jännite tai virta mittakojeille ja releille sopivaan arvoon. Mittamuuntajat jaetaan edelleen jännite- ja virtamuuntajiin. Nimensä mukaisesti jännitemuuntajalla (kuva 9.1b) muunnetaan jännitettä ja virtamuuntajalla (kuva 9.1c) virtaa. Kuva 9.1 a) Tehomuuntaja, S on siirrettävä sähköteho, b) jännitemuuntaja, V on jännitemittari, c) virtamuuntaja, A on virtamittari. /4/

Transcript of 9 MUUNTAJAT JA SÄHKÖLAITTEET

  • 9 MUUNTAJAT JA SHKLAITTEET

    9.1 Yleist

    Vaihtojnnitett suurennetaan ja pienennetn muuntajilla. 1900-luvun alussa muuntaja

    aiheutti sen, ett vaihtoshk syrjytti tasashkn miltei kokonaan. Muuntajat ovat

    hinnaltaan verraten edullisia ja niiden kytt tulee halvaksi, sill ne eivt vaadi jatkuvaa

    huoltoa. Tm johtuu siit, ett muuntaja on rakenteeltaan verrattain yksinkertainen,

    koska siin ei ole liikkuvia osia. /4/

    Muuntajien hyvist ominaisuuksista johtuen tasashkjrjestelmi kytetn shkn

    siirrossa ja jakelussa paljon vhemmn kuin vaihtoshkjrjestelmi. Tasa- ja

    vaihtosuuntaajien kehittyess tasajnnitteiden kytt on kuitenkin kaukovoimansiirrossa

    lisntynyt.

    Muuntajia valmistetaan laajalla tehoalueella alkaen pienist signaalimuuntajista aina

    suurvoimansiirron tehomuuntajiin asti. Shklaitostekniikassa muuntajan trkeimmt

    tehtvt ovat jnnitteen asettelu voimansiirron ja jakelun kannalta edulliseen arvoon

    shkverkon eri osissa, eri jnniteportaiden galvaaninen erottaminen toisistaan sek

    jakeluverkkojen oikosulkuvirran rajoittaminen.

    Muuntajat jaetaan tehtviens puolesta eri ryhmiin. Tss kappaleessa ksitelln

    lhemmin voima- ja mittamuuntajien perusteita. Voima- eli tehomuuntajien tehtvn on

    muuntaa jnnite U1 jnnitteeksi U2 shkenergian siirron vaatimien tarpeiden

    mukaisesti (kuva 9.1a). Mittamuuntajien tehtvn on muuntaa jnnite tai virta

    mittakojeille ja releille sopivaan arvoon. Mittamuuntajat jaetaan edelleen jnnite- ja

    virtamuuntajiin. Nimens mukaisesti jnnitemuuntajalla (kuva 9.1b) muunnetaan

    jnnitett ja virtamuuntajalla (kuva 9.1c) virtaa.

    Kuva 9.1 a) Tehomuuntaja, S on siirrettv shkteho, b) jnnitemuuntaja, V on

    jnnitemittari, c) virtamuuntaja, A on virtamittari. /4/

  • 9.2 Tehomuuntaja

    Muuntaja on staattinen shklaite. Sen aktiiviset osat ovat kmitykset ja rautasydn,

    jotka suorittavat muuntajan varsinaisen tehtvn. Passiivisia osia ovat mm. tukirakenteet,

    eristimet, muuntajaljy ja jhdytyslaitteet. Rakenteensa puolesta voi muuntaja olla joko

    sydn- tai vaippamuuntaja. Kuvassa 9.2a on yksivaiheinen sydnmuuntaja.

    Rautasydmeen kuuluu kaksi pylvst, joiden ymprille on sijoitettu sylinterimiset

    kmitykset. Pylvt on yhdistetty toisiinsa ikeill. Pylviden ja ikeiden rajoittamaa

    aukkoa rautasydmess kutsutaan ikkunaksi. Pylvt ja ikeet muodostavat yhdess

    suljetun magneettipiirin. Kmityksi on kaksi. Niit kutsutaan yljnnite- ja

    alajnnitekmitykseksi tai tehon kulkusuunnan mukaan ensi- ja toisiokmitykseksi.

    Kmimateriaalina kytetn kuparia tai alumiinia. Ensikmi ja vastaava toisiokmi

    sijoitetaan yleens samalle pylvlle. Tllin hajavuo ja hajareaktanssit ovat pienemmt

    kuin kmien ollessa eri pylvill. /1,10/ Kuvassa 9.2a kmitykset on jaettu kahteen

    osaan, ja ne on sijoitettu molemmille pylville. Kuvassa 9.2b on yksivaiheinen

    vaippamuuntaja. Sen rautasydmen muodostavat kolme pylvst ja kaksi iest.

    Kmitykset on sijoitettu keskimmiselle pylvlle.

    Kuva 9.2 a) yksivaiheinen sydnmuuntaja b) yksivaiheinen vaippamuuntaja. /10/

    Kuvassa 9.3 on esitetty kolmivaiheinen sydn- ja vaippamuuntaja. Sydnmuuntajassa

    (kuva 9.3a) on joka vaiheella oma pylvns, jolla on vaiheeseen kuuluvat kaksi

    kmityst. Kuvassa 9.3b on kolmivaiheinen vaippamuuntaja. Vaippamuuntajassa yhden

    vaiheen magneettivuolla on toisista vaiheista riippumaton paluutie. Suurin osa

    kolmivaihemuuntajista on sydnmuuntajia johtuen siit, ett sydnmuuntajan rakenne on

    yksinkertaisempi ja jhdytyksen kannalta edullisempi kuin vaippamuuntajan.

  • Kuva 9.3 a) kolmivaiheinen sydnmuuntaja b) kolmivaiheinen vaippamuuntaja. /10/

    Muuntajassa syntyvt hvit lmmittvt sen rautasydnt ja kmityksi. Syntyv

    lmp on johdettava ilmaan. Suurissa muuntajissa on kytettv tehokkaampia

    jhdytysmenetelmi kuin pieniss, sill muuntajan hvit ovat verrannollisia muuntajan

    geometristen pituusmittojen kuutioon jhdytyspinnan ollessa verrannollinen vain

    mittojen nelin. Jhdytysaineena kytetn joko ilmaa tai ljy. Jhdytysaineen

    mukaan muuntajaa nimitetn joko kuiva- tai ljymuuntajaksi.

    Kuivamuuntajassa kmitykset ja rautasydn ovat suoraan kosketuksissa ymprivn

    ilmaan. Lmphviiden vaikutuksesta muuntajaa ympriv ilma lmpi

    lmpsteilyn vaikutuksesta. Lmmin ilma virtaa kevyen ylspin ja synnytt

    muuntajan lheisyyteen ilmavirtauksen, joka siirt lmmn ympristn. Tllin

    puhutaan luonnollisesta ilmajhdytyksest. Kiihdytetyss ilmajhdytyksess

    ilmavirtauksen nopeutta suurennetaan puhaltimilla, jolloin jhdytyskyky paranee.

    Kuivamuuntajia pyritn kyttmn varsinkin rjhdys-, saastumis- ja palovaarallisissa

    tiloissa. /2/

    Perinteinen ja yleisin jhdytystapa on luonnollinen ljyjhdytys. Tllin muuntajan

    kmit ja rautasydn on upotettu ljysilin, joka on tytetty muuntajaljyll.

    Kmeiss ja rautasydmess syntyv lmp siirtyy ljyyn, joka kuljettaa sen silin

    seinmiin. Seinmist lmp siirtyy ymprivn ilmaan. Silin jhdytyspintaa

    listn tekemll seint aaltolevyist tai kyttmll erityisi radiaattoreita, joissa silet

    tai jhdytysrivalliset putkistot toimivat jhdyttimin. Kiihdytetty ljyjhdytys

    saadaan aikaan lismll tuulettimet, jotka puhaltavat radiaattoreihin ilmaa.

    Teho- eli voimamuuntajat voidaan kytnnss jakaa kahteen ryhmn, jakelu- eli

    pientehomuuntajiin ja suurtehomuuntajiin. Jakelumuuntajat jakautuvat rakenteeltaan

    seuraavasti: paisuntasililliset jakelumuuntajat, hermeettisesti suljetut (kaasutiiviisti

    suljetut) jakelumuuntajat ja valuhartsieristeiset jakelumuuntajat. Nist kaksi

    ensimmist muuntajaa ovat ljyeristeisi ja -jhdytteisi. Kuivamuuntajat ovat

    valuhartsieristeisi. Yleisin ljyeristeisist muuntajista on paisuntasilill varustettu

    muuntaja. Hermeettisiss muuntajissa ei ole paisuntasilit. Ne ovat tynn ljy ja

    kaasutiiviisti suljettuja. Sili on mitoitettu kestmn ylikuormituksenkin aiheuttamaa

    ylipainetta. Hermeettisiss muuntajissa ljy vanhenee hitaammin kuin

  • paisuntasilillisiss muuntajissa. Yleens muuntajaljyyn on listty vanhenemista

    hidastava inhibiitti. /1/

    9.3 Mittamuuntaja

    Mittamuuntajia kytetn mittaus- ja suojaustekniikassa. Yleisimmin kytetyt

    mittamuuntajat ovat virta- ja jnnitemuuntaja. Niiden tehtvn on muuntaa

    primripiirin jnnite- ja virtasuureet mittareille ja releille (toisiokojeet) sopivaan arvoon

    eli laajentaa mitta-alaa. Niit kytetn siksi, ett mittareiden ja releiden rakentaminen

    suurille virroille ja jnnitteille on teknisesti vaikeaa. /5/

    Mittamuuntajat ovat kojeita, joissa rautasydmen ymprill on ensi- ja toisiokmit.

    Jnnitemuuntajan rakenneperiaate on aivan sama kuin tavallisella tehomuuntajalla.

    Jnnitemuuntaja on voimamuuntajaan verrattuna erittin pienitehoinen. Virtamuuntajan

    tehtvn on normaalisti ensivirran pienentminen. Sen thden ensin kierrosluku on

    pieni ja toision kierrosluku on suuri. Virtamuuntaja valitaan joko suojaus- tai

    mittaustehtvn. Samaa virtamuuntajaa voidaan kytt mys molempiin tarkoituksiin,

    sek suojaukseen ett mittaukseen. Tllin virtamuuntajassa on useampia sydmi.

    Sydmill on yhteinen ensikmi, mutta kullakin sydmell oma toisiokmins.

    Mittaukseen kytettv sydnt nimitetn mittaussydmeksi ja suojaukseen

    kytettv sydnt suojaussydmeksi. Ulosasennettavat virtamuuntajat ovat tavallisesti

    ljytytteisi ja hermeettisesti suljettuja, jotta ljy ei joudu alttiiksi ulkoilman

    kosteudelle. Ulkoisen eristyksen muodostaa tavallisesti posliinikuori.

    Sisnasennettavissa virtamuuntajissa kytetn yleens valuhartsieristyst. Sen etuna on suuri shkinen ja mekaaninen lujuus.

    9.4 Yksivaihemuuntajan ominaisuudet

    9.4.1 Tyhjkynti

    Muuntaja on tyhjkynniss silloin, kun sen toisiokmi on virraton ensikmin ollessa

    kytkettyn vaihtojnnitteeseen U1. Ideaalisen eli hvittmn yksivaihemuuntajan

    kmeiss ei synny virtalmphviit, eik rautasydmess rautahviit ja hajavuo on

    nolla eli sama magneettivuo lvist ensi- ja toisiokmin (kuva 9.4). Muuntaja ei

    kuitenkaan kytnnss ole ideaalinen, vaan hviit ja hajavuota syntyy.

  • Kuva 9.4 Hvitn yksivaihemuuntaja tyhjkynniss. Kuvassa R1 on ensikmin

    resistanssi, X1 on ensikmin reaktanssi, U1 on ensijnnite, Um on vuojnnite, h

    on pvuo. /10/

    Ensikmi ottaa verkosta tyhjkyntivirran I0, joka normaalirakenteisilla

    tehomuuntajilla on n. 0,3 ... 2,0 % nimellisvirrasta In. Tyhjkyntivirta synnytt

    ensikmin johdinkierrosten kanssa magnetomotorisen voiman (mmv) N1I0. Tm

    magnetomotorinen voima kehitt rautasydmeen magneettivuon h, jota nimitetn

    pvuoksi. Pvuo kulkee sek ensi- ett toisiokmin lpi. Hajavuo kulkee

    muuntajassa pitkn matkaa epmagneettisessa aineessa, jonka magneettivastus on paljon

    suurempi kuin rautasydmen. Tmn vuoksi hajavuo on pvuon rinnalla varsin

    vhinen. Hajavuo vaikuttaa oleellisesti muuntajan ominaisuuksiin, sill se ja

    tyhjkyntivirta mrvt muuntajan ensikmin hajainduktanssin (L1) seuraavasti:

    /10/

    (9.1)

    miss

    N1 on ensikmin johdinkierrosten lukumr

    1 on ensikmin hajavuo

    I0 on tyhjkyntivirta.

    Hajareaktanssi voidaan laskea, kun tiedetn hajainduktanssi ja verkon taajuus:

    (9.2)

    f on verkon taajuus.

  • 9.4.2 Kuormitus

    Mikli muuntajan toisiokmin napoihin kytketn ulkoinen kuormitus, toision

    vuojnnite saa aikaan kuormitukseen virran I2, joka synnytt toision magnetomotorisen

    virran I2N2. Koska muuntajan vuo ei saa muuttua hvittmss, tytyy mmv:n I2N2

    kumoutua. Muuntajassa tm tapahtuu ensikmin verkosta ottaman lisvirran Ia

    avulla. Ia asettuu suuruudeltaan sellaiseksi, ett

    (9.3)

    Kun ensin lisvirran ja toisiovirran mmv:t vaikuttavat magneettipiiriss toisiaan

    vastaan, niin virrat ia ja i2 kiertvt pylvst joka hetki vastakkaisiin suuntiin.

    Toisiokmin mmv aikaansaa kuitenkin toision hajavuon, jota ensikmi ei voi kumota,

    koska tm hajavuo ei kulje ensikmin kautta. Muuntajan ensivirta muodostuu

    tyhjkyntivirran Io ja toision kuormitusvirran aiheuttaman lisvirran Ia summana.

    Kuormitetun muuntajan tydellinen osoitinpiirros, jossa on otettu resistanssien ja

    hajareaktanssien aiheuttamat jnnitehvit huomioon, on esitetty kuvassa 9.5.

    Kuva 9.5

    Kuormitetun muuntajan osoitinpiirros.

    Kuvassa:

    _

    U1 on ensijnnite

    _

    U2 on ensin redusoitu toisiojnnite

    R1 on ensikmin resistanssi

    R2 on toisiokmin resistanssi ensin redusoituna

    X1 on ensikmin hajareaktanssi

    X2 on ensin redusoitu toisiokmin

    hajareaktanssi

    _

    Uh on jnnitehvi

    _

    I0 on tyhjkyntivirta

    _

    I1 on ensivirta

    _

    I2 on ensin redusoitu toisiovirta

    _

    IFe on rautahvivirta ja

    _

    Im on magnetoimisvirta.

  • 9.4.3 Redusointi

    Suoritettaessa muuntajilla laskutoimituksia ja erityisesti piirrettess muuntajien

    osoitinpiirroksia kytetn yleens redusoituja suureita. Kun muuntajan muuntosuhde on

    yleens suuri (esim. 20000V/400V=50) olisi piirrosta piirrettess ensijnnitteen

    osoitin piirrettv 50 kertaa niin pitkksi kuin toisiojnnitteen osoitin. Tm johtaisi

    suureen piirrokseen tai toisiojnnitteen osoitin olisi hyvin lyhyt ja piirustustarkkuus

    huono. Muuntajissa suoritetaan yleens toisiosuureiden redusoiminen ensikmin

    johdinkierrelukua vastaaviksi. Muuntajan jnnitteit laskettaessa kiinnostavin suure on

    jnnitteiden itseisarvojen erotus eli muuntajassa syntyv jnnitteenalenema, joka ilmoitetaan yleens prosentteina.

    9.4.4 Sijaiskytkent

    Kuvassa 9.6 on esitetty muuntajan tydellinen sijaiskytkent, jossa on otettu huomioon

    mys muuntajan tyhjkyntivirta.

    Kuva 9.6 Muuntajan tydellinen sijaiskytkent. Kuvassa R1 on ensikmin resistanssi, X1

    on ensikmin hajareaktanssi, R2 on toisiokmin resistanssi ensin redusoituna,

    X2 on ensin redusoitu toisiokmin hajareaktanssi, RFe on rautahviresistanssi,

    Xm on magnetointireaktanssi, U1 on ensijnnite, Um on vuojnnite, I0 on

    tyhjkyntivirta, I1 on ensivirta, I2 on ensin redusoitu toisiovirta. IFe on

    rautahvivirta, Im on magnetoimisvirta, Z on kuorma. /11/

    Usein kytetn yksinkertaistettua sijaiskytkent, jolloin jtetn tyhjkyntivirtaa

    kuvaava osuus pois sek yhdistetn ensin ja toision resistanssit sek ensin ja toision

    reaktanssit. Yhdistettyj komponentteja voidaan merkit Rk:lla ja Xk:lla. Ne saadaan

    laskemalla: /5,10/

    (9.4)

    (9.5)

  • Rk on nimeltn oikosulkuresistanssi ja Xk oikosulkureaktanssi. Niden avulla voidaan

    laskea oikosulkuimpedanssi Zk.

    (9.6)

    Yleens valmistaja ei ilmoita muuntajalle sen resistanssia ja reaktanssia suoraan

    ohmiarvoina, vaan ilmoittaa vain muuntajan suhteellisen oikosulkuimpedanssin

    (merkint uk tai zk, laatu %).Tmn avulla voidaan laskea muuntajan

    oikosulkuimpedanssi Zk, kun tiedetn nimellisjnnitteet ja nimellisteho Sn.

    (9.7)

    Kun halutaan mritt impedanssi ensipuolelta katsottuna, kytetn ensin

    nimellisjnnitett ja vastaavasti kytetn toision nimellisjnnitett, jos halutaan

    mritt impedanssi toisiopuolelta katsottuna. Suhteellinen oikosulkuimpedanssi zk

    voidaan jakaa suhteelliseen oikosulkuresistanssiin rk ja oikosulkureaktanssiin xk.

    (9.8)

    Muuntajan ns. kilpiarvoissa ilmoitetaan nimellisjnnitteiden, nimellistehon ja

    oikosulkuimpedanssin lisksi mys muuntajan tyhjkyntihvit P0 ja nimelliset

    kuormitushvit Pk. Muuntajan suhteellinen oikosulkuresistanssi on laskettavissa

    nimellisten kuormitushviiden ja nimellistehon Sn avulla seuraavasti:

    (9.9)

    Suhteellinen oikosulkureaktanssi saadaan laskettua, kun tiedetn suhteellinen

    oikosulkuresistanssi ja oikosulkuimpedanssi.

    (9.10)

    Muuntajan yksinkertaistetussa sijaiskytkennss kytetyt arvot voidaan laskea

    seuraavasti:

    (9.11)

    (9.12)

  • Yhtliss kytetn jnnitteen joko ensin tai toision nimellisjnnitett riippuen siit, onko sijaiskytkent redusoitu ensi- vai toisiopuolelle.

    9.4.5 Jnnitteenalenema ja jnnitehvi

    Muuntajan likimrinen jnnitteenalenema (Ua) saadaan laskettua, kun tiedetn Rk ja

    Xk

    (9.13) miss

    on vaiheensiirtokulma (virran ja jnnitteen vlinen kulma)

    I on kuormitusvirta.

    Muuntajan jnnitehvi, joka on resistiivisen ja induktiivisen jnnitehvin geometrinen

    summa (esitetty kuvassa 9.5) on aina suurempi kuin jnnitteenalenema, joka on ensi-

    tai toisiopuolelle redusoitujen jnnitteiden itseisarvojen erotus. On siis huomattava, ett

    jnnitteenalenema ja jnnitehvi eivt tarkoita samaa asiaa. Kuormitusvirran I

    aiheuttama jnnitehvi muuntajassa voidaan laskea Ohmin lain mukaan yhtlst: /5/

    (9.14)

    9.4.6 Hvit

    Muuntajan hvit voidaan jakaa kuormitus- ja tyhjkyntihviihin. Tyhjkynti- eli

    rautahvit (P0) ovat hystereesi- ja pyrrevirtahviit, jotka aiheutuvat magneettivuon

    vaihtelusta rautasydmess. Kuormitus- eli virtalmphvit (Pk) syntyvt kmien

    vastuksissa virran vaikutuksesta. Tyhjkyntihvit riippuvat jnnitteest, mutta eivt

    kuormituksesta, joten niiden suuruus pysyy koko ajan vakiona. Muuntajan kilpiarvoissa

    ilmoitetaan tavallisesti nimelliset kuormitushvit, jotka tarkoittavat muuntajan hviit

    nimelliskuormalla. Tmn arvon perusteella pystytn laskemaan kuormitushvit

    kuormalle S, kun tiedetn muuntajan nimellisteho Sn

    (9.15)

    miss Pkn on kuormitushvit nimellisell kuormalla.

    Tyhjkyntihviiden P0 pysyess vakiona kuormitushvit Pk ovat tavallisesti nelillisesti riippuvaisia muuntajan kuormasta.

    9.4.7 Hytysuhde

  • Muuntajan hytysuhde saadaan laskettua kaavasta: /5/

    (9.16)

    miss

    P2 on muuntajan antama teho

    P1 on muuntajan ottama teho

    9.5 Kolmivaihemuuntaja

    Shkenergia siirretn kytnnss voimalaitoksilta kuluttajille kolmivaihejrjestelm

    kytten. Kolmivaiheinen muuntaja saadaan esim. kytkemll kolme

    yksivaihemuuntajaa thtikytkentn. Jokaisen muuntajan magneettivuo kulkee omassa

    rautasydmess. Tllin muuntajat on kytketty yhteen shkisesti, mutta eivt

    magneettisesti. Kolmivaihejrjestelmn jnnitteet ovat 120 asteen vaihesiirrossa

    keskenn ja vuot noudattavat mys samaa 120 asteen vaihesiirtoa. Kun rakennetaan

    kolme yksivaihemuuntajaa kuvan 9.7 mukaisesti yhteen ja varustetaan ne yhdell

    yhteisell pylvll, kulkevat kaikki vuot tmn pylvn kautta. Vuo-osoittimien summa

    on nolla. /10/

    (9.17)

    Kuva 9.7 Symmetrinen kolmivaihemuuntaja (kuvassa vain ensikmit). /10/

    Yhteisess pylvss ei kulje lainkaan magneettivuota ja se voidaan jtt rakenteesta

    pois. Kun viel S-vaiheen ikeet lyhennetn, tulevat kaikki pylvt samaan tasoon ja

    pdytn tavalliseen kolmivaihemuuntajan rakenteeseen (kuva 9.8).

  • Kuva 9.8 Tavallinen kolmivaihemuuntaja (kuvassa vain ensikmit). /10/

    Kolmivaihemuuntajan vaihekmit voidaan kytke joko thti-, kolmio- tai

    hakathtikytkentn. Thti- ja kolmiokytkent kytetn sek yl- ett

    alajnnitekmityksess. Hakathtikytkent kytetn vain alajnnitekmityksess.

    Kuva 9.9 esitt nist kytkennist muodostetut kolmivaihemuuntajien standardoidut

    kytkennt. Nm standardoidut kytkennt jakautuvat neljn kytkentryhmn, joiden

    tunnusluvut ovat 0, 5, 6, 11. Jokaisessa kytkentryhmss on kolme kytkent, joten

    kytnnss muuntajissa on valittavissa 12 erilaista kytkent.

  • Kuva 9.9 Kolmivaihemuuntajien standardoidut kytkennt. Suomessa yleisimmin kytetyt

    kytkennt on rajattu. Kytkent ilmaisevien tunnuskirjaimien merkitykset ovat

    seuraavat: Y on yljnnitekmitys thtikytkennss, D on yljnnitekmitys

    kolmiokytkennss, y on alajnnitekmitys thtikytkennss, d on

    alajnnitekmitys kolmiokytkennss, z on alajnnitekmitys

    hakathtikytkennss. /10/

    Jos yljnnitekmityksen nollapiste on kytettviss muuntajan kannella, merkitn se

    kirjaimella N ja vastaavasti alajnnitekmityksen nollapiste kirjaimella n. Esimerkiksi

    YNyn0 -kytkennn tunnusluku ilmoittaa mit numeroa kellotaulussa toisiojnniteosoitin

    osoittaa, kun vastaava ensijnniteosoitin osoittaa numeroa 12 eli 0.

    Thti- ja kolmiokytkennt ovat yleisesti kytettyj kytkentj kaikissa kolmivaiheisissa

    kojeissa. Hakathtikytkent on vain jakelumuuntajissa kytetty kytkent, joka

    shkjohdon kannalta vastaa tysin thtikytkent. Etuna on se, ett hakathtikytkent

    sallii epsymmetrisen kuormituksen, vristmtt jnnitteit epsymmetrisiksi. /4/

    Hakathtikytkennss jokaisella pylvll olev kmi on jaettu kahteen osaan, joiden

    johdinkierrosluvut ovat yhtsuuret. Vaihekmeihin kytketn kaksi kminpuolikasta

    eri pylvilt.

  • Kolmivaihemuuntajien rinnankytt on mahdollista, jos seuraavat ehdot toteutuvat:

    muuntajien jnnitteet ovat samat, suurempitehoisen muuntajan oikosulkujnnite ei saa

    olla suurempi kuin pienempitehoisen, muuntajien tehojen suhde saa olla enintn 1:3 ja

    muuntajien on kuuluttava samaan kytkentryhmn. /10/

    Shkverkossa tapahtuvien jnnitevaihteluiden pienentmiseksi muuntajan jnnitett on

    pystyttv stmn. Jnnitett sdetn muuntajan muuntosuhdetta muuttamalla.

    Yleens muutetaan yljnnite-kmin johdinkierroslukua, koska virta on

    yljnnitepuolella pienempi kuin alajnnitepuolella. Jnnitteen stn kytetn joko

    vliottokytkint tai kmikytkint. Vliottokytkimell voidaan st muuntajan

    muuntosuhdetta vain muuntajan ollessa jnnitteetn. Kmikytkimell voidaan muuttaa

    muuntajan muuntosuhdetta muuntajan ollessa jnnitteellinen ja kuormitettu. Tst

    johtuen se soveltuu jatkuvaan jnnitteen stn, jolloin se jnnitemittaukseen yhdistettyn stlaitteena pit shkverkon jnnitteen vakiona halutussa arvossa. /10/

    LHTEET

    /1/ ABB Strmberg, Jakelumuuntajat, esite

    /2/ ABB Strmberg, Resiblock hartsimuuntajat, esite

    /3/ ABB Strmberg, Teknisi tietoja ja taulukoita, 1990, 586 s.

    /4/ Aura L., Tonteri A., Teoreettinen shktekniikka ja shkkoneiden perusteet, WSOY

    1995, 446 s.

    /5/ Aura L., Tonteri A., Shkmiehen ksikirja 2, WSOY 1986, 373 s.

    /6/ Aura L., Tonteri A., Shklaitostekniikka, WSOY 1993, 431 s.

    /7/ Elovaara J., Laiho Y., Shklaitostekniikan perusteet, Otakustantamo 1988, 487 s.

    /8/ Hiltunen V.& Laitinen M., Loistehon kompensointi, Shkasennukset 2

    Shkurakoitsijaliiton koulutus ja kustannus Oy

    /9/ Jaatinen J., Pienjnniteverkon kompensointi, Shkurakoitsijaliiton koulutus ja

    kustannus Oy, 1991, 142 s.

    /10/ Shktekniikan ksikirja, osa 1, Tammi 1975, 673 s.

    /11/ Wallin, P.,Shkmittaustekniikan perusteet, Otatieto 1991, 114 s.

  • 10 SHKKONEET

    10.1 Yleist

    10.1.1 Konetyypit ja niiden perusosat

    Shkkoneet muuttavat energiaa muodosta toiseen. Moottorit muuttavat niihin sytetty

    shkenergiaa mekaaniseksi energiaksi ja generaattorit pinvastoin voimakoneen niille

    antamaa mekaanista energiaa shkenergiaksi. Useimmat koneet voivat toimia sek

    moottorina ett generaattorina.

    Koneita on useaa eri tyyppi. Trkeimmt tyypit ovat eptahti-, tahti- ja tasavirtakoneet.

    Eptahti- ja tahtikoneet ovat vaihtovirtakoneita, joiden toiminta perustuu pyrivn

    magneettikenttn koneen sisll. Jokainen konetyyppi voidaan toteuttaa monella eri

    tavalla, jolloin niiden ominaisuudet ja rakenne poikkeavat toisistaan. Lisksi on

    olemassa lukuisia erikoiskoneita.

    Vaikka koneita onkin useaa eri tyyppi, voidaan kaikista normaalirakenteisista koneista

    erottaa seuraavat perusosat: pyriv roottori (pyrij) akseleineen, staattori (seisoja),

    laakerikilvet tai laakeripukit (isoilla koneilla) ja laakerit. Roottori on laakereiden varassa

    staattoriaukossa. Roottorin ja staattorin vliss on ilmarako niin, ett roottori voi pyri

    vapaasti. Laakerit, jotka voivat olla rulla-, kuula- tai liukulaakereita, on kiinnitetty

    laakerikilpiin, jotka kannattavat roottoria. Laakerikilvet ovat kiinni staattorissa, joka

    muodostaa koneen rungon. Staattoriin ja roottoriin on sijoitettu kmitykset, joiden

    muoto ja rakenne vaihtelevat konetyypin mukaan. Koneissa on yleens pll mys

    liitinkotelo, johon syttkaapeli kytketn.

    Kaikkien shkkoneiden, erikoistapauksia lukuunottamatta, toiminta perustuu

    magneettikentn ja siin olevan virrallisen johtimen vlisiin voimavaikutuksiin.

    Koneiden kmityksist puhuttaessa erotetaan usein toisistaan magnetointikmitys ja

    tyvirtakmitys. Magnetointikmityksell luodaan koneen toiminnalle vlttmtn

    magneettikentt. Koneen tyvirtakmityksess kulkee koneen varsinainen shkteho.

    Koneen ollessa generaattorina kone luovuttaa shktehoa eli virta on koneesta poispin

    ja koneen ollessa moottorina kone ottaa shktehoa eli virta kulkee verkosta koneeseen

    pin. Tyvirtakmityksest kytetn mys nimityst ankkurikmitys.

    Ankkurinimityksen kanssa kannattaa olla varovainen, jos ei ole aivan varma mit sill

    tarkoitetaan, sill esimerkiksi tahtikoneissa ankkurikmitys on staattorissa ja

    tasavirtakoneissa se on roottorissa. Siksi kannattaa puhua roottori- ja

    staattorikmityksist.

  • Shkkoneessa magneettivuo kulkee staattorista roottoriin ja takaisin staattoriin, kuten

    kuvassa 10.1a on esitetty. Staattorin ja roottorin vlinen ilmarako pyritn tekemn

    mahdollisimman pieneksi, koska ilman magneettinen johtokyky on paljon huonompi

    kuin raudan. Yleens staattorin sispinta ja roottorin ulkopinta on uritettu, joihin

    kmitykset (urakmitys) sijoitetaan. Kuvassa 10.1b on esitetty koneen rakenne, jossa

    sek staattori ett roottori on uritettu. Urakmitys tehdn vyyhdeist, jotka sijoitetaan

    staattorin tai roottorin uriin. Vyyhti sislt monta johdinkierrosta. Urissa olevia

    vyyhdensivuja yhdistvt toisiinsa urien piss olevat vyyhdenpt. Urat suljetaan joko

    uratikulla (puolisuljettu ura) tai urakiilalla (avoin ura). Tasavirta- ja tahtikoneissa voi

    jompikumpi uritus puuttua, jolloin niiden tilalla on magneettinavat (napakmitys) kuten

    kuvassa 10.1a. Napakmitys kierretn napavarren ymprille, jonka pss on

    napakenk.

    Kuva 10.1 a) Magneettivuon kulkureitti koneessa, jossa on magneettinavat. b) Shkkone,

    jonka staattori ja roottori ovat uritetut. /4/

    Shkkoneen kmityksill muodostetaan moottorin ilmavliin magneettikentt, jolla on

    parillinen napaluku. Yksi pohjois- (N) ja yksi etelnapa (S) muodostavat napaparin.

    Joskus koneen napaluku (p on napaparien luku) on nhtviss koneesta helposti, kuten

    kuvassa 10.1a, jossa kone on varustettu neljll magneettinavalla. Napapareja on siis

    tllin kaksi.

    Shkkoneiden kehn pituutta mitataan shkasteella, joka mrytyy koneen

    geometriasta (napapariluvusta) seuraavasti

    (10.1) miss

    s on shkaste

    g on geometrinen aste.

  • Esimerkiksi kuvan 10.1a koneen kehn pituus on shkasteina 2360 = 720. Tm

    tarkoittaa sit, ett kun roottori on pyrhtnyt yhden kierroksen niin magneettikentt on

    pyrhtnyt kaksi kierrosta. Eli yksi napapari edustaa 360 shkist astetta.

    Shkkoneen kydess sen kmityksiss ja rautaosissa syntyy hviit, jotka

    lmmittvt konetta. Hvit on poistettava koneesta, jotta koneen lmptila ei nousisi yli

    suurimman sallitun. Luonnollinen lmmn siirtyminen koneesta ympristn ei yleens

    riit, jolloin lmmnsiirtoa on tehostettava. Tm tehdn yleens kyttmll tuuletinta

    tai puhallinta. Tuuletin voi olla sijoitettu koneen akselille, jolloin koneen pyriess

    tuuletin kierrtt ilmaa. Koneen jhdytys voidaan hoitaa mys erillisell apumoottorin

    pyrittmll puhaltimella. Esimerkiksi suurissa generaattoreissa on erillisten

    puhaltimien lisksi suljettu ilman kierto, jotta kmitykset eivt likaantuisi.

    10.1.2 Shkkoneiden toimintaperiaate

    Moottori

    Shkmoottorin toiminta perustuu magneettikentss olevan virrallisen johtimen

    (johdinsilmukan) ja kentn vliseen voimavaikutukseen. Kuvassa 10.2 on piirros

    kaksinapaisesta moottorista, jossa roottorikmityksen on yksi vyyhti, jossa on yksi

    johdinkierros. Kun johtimessa kulkee virta I ja vyyhden sivun kohdalla vaikuttaa

    magneettivuontiheys B, on vyyhden sivun johtimeen kohdistuva voima F

    (10.2)

    miss L on johtimen pituus.

    Kuva 10.2 Magneettikentss olevaan virralliseen roottorivyyhteen vaikuttava voima. /6/

  • Vyyhteen vaikuttava voima on kohtisuorassa magneettikentt vastaan. Vastaavasti

    vyyhden vastakkaisella puolella olevaan johtimeen vaikuttaa saman suuruinen voima.

    Voiman momenttivarsi on kuvan 10.2 mukaisesti D/2, miss D on roottorin halkaisija.

    Koska johtimet on kiinnitetty roottoriin, vaikuttaa roottoriin vntmomentti T

    (10.3)

    Tm momentti pyrkii saattamaan roottorin pyrivn liikkeeseen. Vyyhden kehittm

    momentti vaihtelee roottorin asennon mukaan ollen vaaka-asennossa T on 0 koska B on

    0. Moottoreissa on roottorin koko keh varustettu vyyhdeill, jolloin roottoriin vaikuttaa

    jatkuva ja aina saman suuntainen momentti. Roottorin pyrimisnopeus asettuu

    sellaiseksi, ett syntynyt shkinen vntmomentti T on yht suuri kuin akselia jarruttava ulkoinen kuormitusmomentti.

    Generaattori

    Generaattorin toiminta perustuu magneettikentss liikkuvaan johtimeen syntyvn

    shkmotoriseen voimaan (smv) eli lhdejnnitteeseen. Kuvasta 10.3 nhdn, kun

    johdin (pituus L) liikkuu nopeudella v kohtisuoraan magneettikentt vastaan syntyy

    siihen smv E, joka voidaan laskea kaavalla:

    (10.4)

    Kuva 10.3 Johtimeen indusoituva shkmotorinen voima E. /6/

    Shkmotorisen voiman syntymisen kannalta on samantekev liikkuuko

    magneettikentt vai johtimet. Vaihtovirtageneraattoreissa osien jrjestys onkin sellainen,

    ett vyyhdet ovat kiintesti staattorissa ja magneettinavat voimakoneen pyrittmss

    roottorissa. Kun magneettinavat ovat roottorissa, kokevat staattorikmitykset

    muuttuvan magneettikentn roottorin pyriess. Kun generaattorin kmitykset on

    kytketty ulkoiseen kuormitukseen, saa staattoriin indusoituva smv suljettuun virtapiiriin

    aikaan virran I. Tm virta ja napojen magneettivuo saavat aikaan pyrint vastustavan

  • vntmomentin, joka roottoria pyrittvn voimakoneen on voitettava. Hvittmss

    generaattorissa voimakoneen generaattorille antama mekaaninen teho on sama kuin

    generaattorin syttmn ulkoisen kuormituksen shkteho. Todellisuudessa

    generaattoreissa syntyy kuitenkin aina hviit, jotka pienentvt generaattorin antamaa shktehoa.

    10.1.3 Shkvntmomentti

    Shkkoneen shkvntmomentin Ts suuruuden mr koneen ilmavliss siirtyv

    ns. ilmavliteho Pi (ilmavlitehosta lis kappaleessa 10.2.) ja roottorin kulmanopeus

    (=2n)

    (10.5)

    Yhtl 10.5 on trke moottorin shkisen mitoituksen kannalta. Yleens moottorin

    kuormasta tiedetn sen mekaaninen vntmomentti ja tarvittava pyrimisnopeus,

    jolloin tarvittava moottoriteho voidaan likimain mritt kaavalla 10.5. Hviiden vuoksi moottorin verkosta ottama teho on aina jonkin verran ilmavlitehoa suurempi.

    10.1.4 Kolmivaihekmitykset ja kiertokentn syntyminen

    Tasavirtakoneet toimivat nimens mukaan tasavirralla, jota niihin sytetn

    tasavirtalhteest. Tahti- ja eptahtikoneet puolestaan vaativat vaihtovirtaa toimiakseen.

    Yleens nm vaihtovirtakoneet ovat kolmivaiheisia kuten shkn jakelujrjestelmkin.

    Kolmivaiheiseen shkverkkoon liitettvien vaihtovirtakoneiden toiminta perustuu

    koneen sisll pyrivn magneettikenttn eli kiertokenttn. Kiertokenttkoneiden

    staattorissa on symmetrinen kolmivaiheinen urakmitys, joka synnytt koneen sislle

    pyrivn magneettikentn, kun niit sytetn kolmivaihevirralla. Magneettikentn

    syntymist voidaan tarkastella tarkemmin kuvan 10.4 vaihtovirtakoneessa (p=1), jossa

    on vain kuusi uraa eli kaksi uraa vaihetta kohti. Kmit on kytketty thteen yhdistmll

    kmien loppupt U2, V2 ja W2. Kun kmien alkupt U1, V1 ja W1 kytketn

    kolmivaihesyttn, alkaa kmien lpi kulkea kolmivaihevirta, joka on esitetty kuvassa

    10.5.

  • Kuva 10.4 Kolmivaiheisen vaihtoshkkoneen yksinkertaistettu kmitys. /2/

    Kuva 10.5 Symmetrisen kolmivaihejrjestelmn vaihevirrat. /2/

    Kuvan 10.6 esittmll kuvasarjalla on havainnollistettu kolmivaihekmityksen

    synnyttm pyriv magneettikentt, kun kuvan 10.4 koneeseen johdetaan kuvan

    10.5 mukainen kolmivaihevirta. Kuvan 10.5 ajanhetket t1-t7 on valittu siten, ett jonkin

    kmin vaihevirta on huippuarvossaan.

  • Kuva 10.6 a-f Kolmivaihekmityksen synnyttm pyriv magneettikentt ajanhetkill t1-t7.

    /2/

    Ajanhetkell t1 vaiheen U virta on huipussaan, jolloin koneen sislle syntynyt

    magneettikentt on kuvan 10.6a mukainen. Kentn psuunta on silloin oikealta

    vasemmalle (pohjoisnavalta N etelnavalle S). Kun tilannetta tarkastellaan 1/6 jaksoa

    (60, 1/(506) s = 3,33 ms) myhemmin, on vaiheen U virta pienentynyt ja vaiheen W

    virta vaihtanut suuntaa. Tllin koneen sisll oleva resultoiva kentt on kuvan 10.6b

    mukainen. Huomataan, ett kentt on kntynyt 60 vastapivn. Vastaavasti kun

    tutkitaan ajanhetki t3-t6 huomataan, ett kentt on pyrhtnyt aina 60 vastapivn.

    Verkkojnnitteen yhden jakson aikana on kentt pyrhtnyt koneen sisll kokonaisen

    kierroksen. Kuvan 10.6 tapauksessa, kun p on 1, kentt pyrii koneen sisll verkon

    taajuudella (5060) = 3000 rpm. Jos napaparien lukumr on suurempi, on kentn

  • pyrimisnopeus n = (3000 / p) rpm. Kahdella napaparilla pyrimisnopeus on siis 1500

    rpm. Kuvassa 10.7 on esitetty magneettikentn muodostuminen koneessa, jossa

    napapareja on kaksi.

    Kuva 10.7 Magneettikentn muodostuminen koneessa, jossa p = 2. /2/

    10.2 Eptahtikoneet

    Eptahtikoneet ovat vaihtoshkkoneita ja niiden toiminta perustuu koneen sisll

    pyrivn magneettikenttn. Eptahtinimitys tulee siit, ett koneen roottorin

    pyrimisnopeus poikkeaa koneen sisll pyrivn magneettikentn pyrimisnopeudesta

    eli ns. tahtinopeudesta. Eptahtikoneet jaetaan tavallisesti oikosulku- ja

    liukurengaskoneisiin, joista oikosulkukone on yleisempi. Tss kappaleessa ksitelln

    eptahtikoneista tarkemmin vain moottoreita, koska oikosulkukoneita kytetn enemmn moottoreina.

    10.2.1 Eptahtimoottorin rakenne

    Oikosulkumoottori

    Oikosulkumoottori on yksinkertaisen rakenteensa vuoksi erittin suosittu moottori.

    Verrattuna muihin yleisimpiin moottorityyppeihin, oikosulkumoottorissa ei ole erillisi

    magnetointikmityksi, vaan ainoastaan suhteellisen yksinkertaiset staattori- ja

    roottorikmitykset. Moottorin rakenteesta on esimerkki kuvassa 10.8. Koneen

    toiminnan kannalta trkeimmt osat ovat staattorin kmitykset levypaketteineen ja

  • roottorin kmitys levypaketteineen. Kytnnss ainoat moottorin kuluvat osat ovat

    laakerit.

    Kuva 10.8 Oikosulkumoottorin rakenne. 1 staattorin runko, 2 laakerikilvet, 3 roottori, 4

    laakerit, 5 tuuletin, 6 tuulettimen suojus, 7 staattorikmitys, 8 staattorin

    levypaketti, 9 roottorin kmitys, 10 roottorin levypaketti, 11 liitntkotelo, 12

    akseli. /1/

    Oikosulkumoottorin roottorin kmitys on ns. hkkikmitys, joka on sijoitettu roottorin

    uriin ja suljettu molemmista pist oikosulkurenkaalla. Kuvassa 10.9 on esitetty

    hkkikmityksen rakenne.

    Kuva 10.9 Hkkikmityksen rakenne. /4/

    Yleens roottorikmityksess on yksi sauva yht uraa kohti, mutta haluttaessa muuttaa

    moottorin ominaisuuksia sauvan muoto ja lukumr vaihtelevat. Yleens

    roottorikmitys valmistetaan alumiinista painevalamalla. Roottorikmi ei ole erikseen

    eristetty roottoriraudasta. Kuparilangasta valmistettu staattorikmitys on puolestaan

    sijoitettu staattorin uriin. Staattorikmitys on symmetrinen ja se on kytketty joko

    thteen tai kolmioon. Oikosulkumoottorin toiminnan edellytyksen oleva pyriv

  • magneettikentt syntyy staattorin kolmivaihekmityksess ilman erillisi lislaitteita,

    kuten kappaleessa 10.1.4 kuvattiin.

    Liukurengasmoottori

    Liukurengasmoottori eroaa rakenteensa puolesta oikosulkumoottorista siin, ett

    liukurengas-moottorissa kolmivaiheisen roottorikmityksen toiset pt on kytketty

    koneen akselilla oleviin liukurenkaisiin, joita liukuharjat laahaavat. Liukuharjoihin on

    kytketty ulkoinen, usein sdettv, vastus. Tllin voidaan roottoripiirin resistanssia

    stmll vaikuttaa koneen ominaisuuksiin. Liukurengasmoottorin periaatekuva on

    esitetty kuvassa 10.10. Liukurengasmoottorin roottorikmit on eristetty

    roottoriraudasta.

    Kuva 10.10 Liukurengasmoottorin periaatekuva.

    10.2.2 Eptahtimoottorin toimintaperiaate

    Kun staattoriin kytketn jnnite, syntyy koneen sisn pyriv magneettikentt, jonka

    kenttviivat leikkaavat roottorikmin sauvoja. Sauvoihin indusoituu tllin smv Er, joka

    saa aikaan roottorivirran Ir. Virran Ir ja pyrivn kentn vlinen voimavaikutus saa

    roottorin pyrivn liikkeseen. Moottorin tarvitsema shkteho sytetn siis

    staattorikmityksiin, joista teho siirtyy roottoriin pasiassa mekaaniseksi tehoksi.

    Liukurengasmoottorin roottorikmitykseen syntyy mys smv Er, mutta koneen

    ulkopuolelle tuotujen kminpiden kytkennst riippuu, lhteek roottori pyrimn.

    Jos pt ovat irti, on virta nolla, eik moottori kehit momenttia.

    Moottori aloittaa pyrimisen, kun shkinen vntmomentti on suurempi kuin roottoria

    jarruttavan kuorman vntmomentti. Roottori pyrii aina samaan suuntaan kuin kentt.

    Roottorin nopeuden lisntyess pienenee roottorisauvojen ja kentn vlinen nopeusero,

    jolloin roottorijnnite ja -virta pienenevt ja niiden taajuudet alenevat. Jos roottori

    pyrisi samalla nopeudella kuin kentt, niin tllin roottorisauvat eivt leikkaisi

    vuoviivoja ollenkaan, jolloin Er ja Ir olisivat nolla. Tllin ei syntyisi myskn

  • pyrint yllpitv momenttia. Roottori pyrii siis aina hitaammin kuin

    magneettikentt, jolloin roottorin nopeus on aina pienempi kuin tahtinopeus.

    Moottorin teoreettinen tahtinopeus ns mrytyy napapariluvusta p ja syttvn verkon

    taajuudesta f kaavan 10.6 mukaan.

    (10.6)

    Eptahtimoottorien teoreettiset tahtinopeudet ovat Suomessa (verkon taajuus 50 Hz)

    3000, 1500, 1000, 750... (rpm). Esimerkiksi USA:ssa (verkon taajuus 60 Hz) vastaavat

    nopeudet ovat 3600, 1800, 1200, 900... (rpm).

    Oikosulkumoottorin todellinen pyrimisnopeus ilmaistaan yleens ns. jttmn avulla.

    Jttm s tarkoittaa, kuinka monta prosenttia roottorin nopeus n on tahtinopeutta ns

    pienempi. Jttm voidaan laskea kaavalla 10.7. Kuormittamattoman moottorin

    pyrimisnopeus asettuu tilaan, miss moottorin kehittm vntmomentti on yht suuri

    kuin laakerien ja tuulettimen kitkan aiheuttama kuormittava vntmomentti.

    (10.7)

    Pienten ja keskisuurten moottorien jttmt ovat kuormituksesta riippuen 5 - 15%, kun taas suurilla moottoreilla jttm on luokkaa 0,8 - 2%.

    10.2.3 Vntmomentti

    Kuormitettaessa moottoria sen shkist vntmomenttia vastustava mekaaninen

    vntmomentti kasvaa, mist aiheutuu roottorin pyrimisnopeuden pieneneminen.

    Samalla kasvaa roottorin ja staattorin kentn vlinen nopeusero, jolloin mys roottorin

    virta kasvaa. Samalla kasvaa mys shkinen vntmomentti, jolloin roottori j

    pyrimn uudella nopeudella, jossa kuormituksen ja moottorin momentit ovat yht

    suuret. Nin ollen oikosulkumoottorin pyrimisnopeus ei ole vakio vaan riippuu

    kuormituksesta. Kuvassa 10.11 on esitetty tyypillinen oikosulkumoottorin

    vntmomenttikyr.

    Kuvan 10.11 kyrst nhdn, ett moottorin huippumomentti voi olla huomattavasti

    suurempi moottorin nimellismomenttiin verrattuna (normaalisti yli kaksinkertainen).

    Moottoria voidaan kuormittaa lyhytaikaisesti yli nimellismomentin, mutta silloin on

    huolehdittava, ettei moottorin lmptila nouse yli suurimman sallitun lmptilan.

    Kuormitettaessa moottoria nimellismomentillaan moottori ei ylit suurinta sallittua

    lmptilaansa. Suurin momentti, mill moottoria voi kuormittaa, on sen

    huippumomentti. Jos moottoria kuormitetaan viel suuremmalla momentilla, roottori

    pyshtyy eli moottori kippaa.

  • Kuva 10.11 Oikosulkumoottorin tyypillinen vntmomenttikyr. Tn on nimellismomentti, Th

    on huippumomentti, Ts on kynnistysmomentti ja n on pyrimisnopeus.

    Vntmomenttikyrn muoto riippuu koneen roottorin rakenteesta. Erityisesti kyrn

    muotoon vaikuttaa roottoripiirin resistanssi. Resistanssin kasvaessa kasvaa mys jttm

    ja kynnistysmomentti. Moottori saavuttaa mys huippumomentin pienemmll

    pyrimisnopeudella. Huippumomentin suuruuteen roottoriresistanssi ei vaikuta. Kuvassa

    10.12 on havainnollistettu roottoriresistanssin vaikutusta momenttikyrn muotoon.

    Kuva 10.12 Roottoriresistanssin (R1, R2, R3) vaikutus momenttikyrn muotoon.

    Moottorin napajnnite vaikuttaa moottorin huippumomenttiin nelillisesti. Jos jnnite

    moottorin navoissa laskee 10%, pienenee momentti 19%. Tm tulee ottaa huomioon

    erityisesti kynnistettess moottoria kuormitettuna, koska suuren kynnistysvirran

    vuoksi jnnite moottorin navoissa saattaa laskea niin paljon, ettei moottori lhde kyntiin.

  • 10.2.4 Moottorin kynnistminen

    Eptahtimoottorin kynnistysvirta on normaalisti 5-10 kertainen nimellisvirtaan

    verrattuna, ellei sit jotenkin rajoiteta. Suuresta virrasta huolimatta moottorin kehittm

    kynnistysmomentti j yleens alle nimellismomentin. Riippuen verkosta, johon

    moottori on kytketty, voidaan joutua kyttmn virtaa rajoittavia kynnistinlaitteita,

    jotta vltytn liiallisilta hiriilt. Nin on varsinkin suurilla moottoreilla.

    Liukurengasmoottorit varustetaan tavallisesti roottoripiiriin kytkettvll

    stvastuksella. Lisvastuksen avulla voidaan st kynnistysvirran lisksi mys

    vntmomenttia halutun suuruiseksi. Moottorin kynnistytty vastusta pienennetn,

    kunnes nimellisnopeudella se oikosuljetaan ja moottori j pyrimn tavallisena

    oikosulkumoottorina.

    Kuten aikaisemmin tuli jo todettua, niin moottori voidaan varustaa erillisell

    kynnistysvirtaa pienentvll laitteella. Ers tllainen yleisesti kytetty laite on ns. thti

    - kolmio -kynnistin (Y/D-kynnistin). Normaalisti kolmioon kytketty moottori

    kytketn kynnistyksen ajaksi thteen. Tllin moottorin kmityksen jnnite on 1/ 3

    nimelliseen verrattuna, jolloin kmivirta alenee samassa suhteessa. Thtikytkennst ja

    alemmasta jnnitteest johtuen moottori ottaa verkosta virran, joka on vain kolmasosa

    suoran (kolmio)kynnistyksen virrasta. On syyt mys huomata, ett

    kynnistysmomentti pienenee samalla ja on vain yksi kolmasosa nimellisest. Kyseinen

    kynnistystapa on yleisesti kytss pieniss ja keskisuurissa moottoreissa, koska Y/D-

    kynnistin on suhteellisen halpa.

    Moottori voidaan kynnist mys elektronisella ns. pehmokynnistimell.

    Pehmokynnistimess on jokaiseen vaiheeseen kytketty vastarinnan tyristoripari.

    Tyristoreja sopivasti ohjaamalla voidaan st moottorin verkosta ottamaa virtaa.

    Kuvassa 10.13 on vertailtu eri kynnistystapojen vaikutuksia moottorin virtaan ja

    momenttiin.

    Kuva 10.13 Kynnistystavan vaikutus moottorin virtaan ja momenttiin. 1 suorakynnistys, 2

    thti - kolmio -kynnistys, 3 kynnistys pehmokynnistimell. /5/

  • Moottori voidaan varustaa mys kynnistysmuuntajalla, jolla moottorin napajnnitett

    pienennetn kynnistyksen ajaksi. Kynnistysvirta pienenee samassa suhteessa ja

    momentti pienenee nelin verrannollisesti kaavan 10.8 mukaisesti. Tm tapa soveltuu

    parhaiten suurten moottorien kevyeeseen kynnistmiseen.

    (10.8)

    Jos moottorin pyrimisnopeutta ohjataan taajuusmuuttajalla, ei moottori tarvitse erillisi kynnistyslaitteita, sill taajuusmuuttajalla kynnistysvirta voidaan pit pienen.

    10.2.5 Nopeudenst

    Eptahtimoottorin pyrimisnopeus n riippuu siis syttvn verkon taajuudesta,

    napapariluvusta ja jttmst kaavan 10.9 mukaisesti.

    (10.9)

    Nopeutta voidaan siten st muuttamalla taajuutta f, napaparilukua p tai stmll

    jttm s. Taajuudenst vaatii erillisen taajuusmuuttajan, jolla moottorille sytettvn

    virran taajuutta muutetaan. Taajuusmuuttajista kerrotaan tarkemmin luvussa 11.

    Staattorikmityksen napaparilukua voidaan muuttaa varustamalla staattori kahdella eri

    napaparilla varustetuilla kmityksill, joista jompikumpi toimii vuorollaan. Napaluvut

    voivat olla esimerkiksi p on 2 ja p on 3, jolloin vastaavat moottorin nopeudet ovat 1500

    ja 1000 rpm.

    Nopeuden muuttaminen jttm stmll onnistuu vain liukurengasmoottorilla sen

    roottoriresistanssia stmll. Resistanssia lismll loivenee moottorin

    momenttikyrn muoto, jolloin uusi toimintapiste saavutetaan uudella jttmll.

    Jttmn kasvaessa entist suurempi osa ilmavlitehosta muuttuu roottorin resistanssissa

    lmmksi, joten moottorin hytysuhde heikkenee nopeuden alentuessa.

    Pyrimissuunnan vaihtaminen eptahtimoottorilla on yksinkertaista. Vaihdettaessa

    mink tahansa vaiheen paikkoja pyrii magneettikentt koneen sisll toiseen suuntaan ja samoin siis mys roottori. Asiaa voi kokeilla kappaleesta 10.1.4.

    10.2.6 Sijaiskytkent, tehon jakautuminen ja hytysuhde

    Sen tarkemmin sijaiskytkent tss johtamatta todetaan, ett eptahtimoottorille

    voidaan muodostaa kuvan 10.14 mukainen sijaiskytkent. Sijaiskytkennn arvot voidaan

    mritt samaan tapaan kuin muuntajillakin tyhjkynti- ja oikosulkukokeella.

  • Kuva 10.14 Eptahtimoottorin sijaiskytkent. Pilkulla merkityt suureet on redusoitu roottorista.

    Tyhjkyntikokeessa roottori pyrii tahtinopeudella (s=0), jolloin roottorissa ei kulje

    virtaa ja eptahtikone vastaa tyhjkyv muuntajaa. Kone ottaa verkosta vain

    magnetointivirtaa, jolloin voidaan selvitt magnetointihaaran komponentit. Mikli

    roottoria ei pyritet apumoottorilla, pyrii moottori pienell jttmll ja kone ottaa

    verkosta rautahviidens lisksi tehoa tuuletus- ja hankaushviihin.

    Oikosulkukokeessa roottori lukitaan paikalleen (s=1), jolloin kokeen tuloksista voidaan

    laskea sijaiskytkennn kmien resistanssit ja hajareaktanssit.

    Eptahtimoottori ottaa verkosta tehoa, josta suurin osa kuluu mekaaniseen tyhn (ts.

    roottorin pyrittmiseen). Tehon jakautumista moottorissa on havainnollistettu kuvassa

    10.15.

    Kuva 10.15 Verkosta otetun tehon jakautuminen moottorissa. /8/

    Osa verkosta otetusta tehosta P1 muuttuu hviiksi staattorissa ja roottorissa. Staattorissa

    tehoa kuluu rauta- PFe ja kuparihviihin PCu1. Magneettikentn vlityksell roottoriin

    siirtyy ilmavliteho Pi. Roottorissa syntyy resistiivisi hviit PCu2 sek kitka- ja

    tuuletushviit Pr. Pienell jttmll roottorin rautahvit ovat pienet vuon pienen

    taajuuden vuoksi. Moottori kehitt mekaanisen tehon Pm johon sisltyvt hvit Pr.

    Moottorin akselilta antama teho on siis P2 = Pm - Pr. Moottorin antama mekaaninen teho

    Pm voidaan laskea kaavalla 10.10.

    (10.10)

  • miss r on roottorin kulmanopeus.

    Ilmavliteho eli pyrivn kentn teho on

    (10.11)

    miss s on kentn kulmanopeus

    Moottorin antama mekaaninen teho on

    (10.12)

    Roottorissa syntyvt resistiiviset hvit

    (10.13)

    Toisin sanoen, roottorissa syntyvt hvit ovat suoraan verrannollisia jttmn.

    Kytnnss tm tarkoittaa sit, ettei eptahtimoottoria kannata kytt pitki aikoja

    suurella jttmll (liukurengasmoottori).

    Jttmn ollessa 1 ei roottori pyri, jolloin koko ilmavliteho muuttuu roottorissa

    lmmksi. Jttmn ollessa 0 (ideaalinen tyhjkynti) roottorissa ei synny hviit.

    Roottori on tllin virraton, eik myskn kehit momenttia.

    Moottorin nimellishytysuhde saadaan laskettua moottorin arvokilpeen merkityist

    tiedoista.

    (10.14)

    miss

    P2 on moottorin antama teho

    P1 on moottorin arvokilven tiedoista laskettu teho

    Hytysuhteen likiarvot osakuormituksella saadaan mm. valmistajan antamista kyrist.

    Kuvassa 10.16 on esitetty 4-napaisen kolmivaiheisen oikosulkumoottorin hytysuhde.

  • Kuva 10.16 0,25 - 800 kW oikosulkumoottoreiden hytysuhteita osakuormilla. /2/

    10.2.7 Eptahtikone generaattorina

    Eptahtikonetta voidaan kytt mys generaattorina. Generaattorikytss roottori

    pyrii eptahdissa magneettikentn kanssa, kuten moottorinakin, mutta nopeammin kuin

    magneettikentt. Eptahtigeneraattorit voidaan magnetoinnin perusteella jakaa kahteen

    ryhmn, verkko- ja kondensaattorimagnetoituihin (itsemagnetoituva)

    eptahtigeneraattoreihin.

    Verkkomagnetoidut eptahtigeneraattorit ottavat magnetointivirran shkverkosta, joten

    ne eivt pysty syttmn shktehoa muuhun kuin jnnitteelliseen verkkoon. Tllaisia

    verkkomagnetoituja eptahtigeneraattoreita on kytetty esimerkiksi pienitehoisissa

    vesivoimalaitoksissa ja tuulivoimalaitoksissa. Sen sijaan kondensaattorimagnetoitu

    eptahtigeneraattori ottaa tarvitsemansa magnetoimisvirran koneen liittimiin kytketyist

    magnetoimiskondensaattoreista, joten ne pystyvt toimimaan tysin itsenisin

    generaattoreina. Nit generaattoreita kytetnkin usein poltto- tai dieselmoottorin

    ollessa voimakoneena. Itsemagnetoituvan generaattorin rautaosien pit olla

    magneettisesti kyllstyvi, jotta generaattorin hermiselle vlttmtn remanenssivuo

    olisi olemassa.

    10.2.8 Yksivaiheinen oikosulkumoottori

    Yksivaiheisen oikosulkumoottorin staattorissa on yksivaiheinen urakmitys. Tm

    kmitys ei synnyt koneen sislle pyriv magneettikentt vaan sykkivn

    magneettikentn. Tm sykkiv magneettikentt, jonka voidaan ajatella muodostuvan

    kahdesta vastakkaiseen suuntaan pyrivst magneettikentst, ei pysty kynnistmn

  • moottoria ilman apua, eli moottori ei kehit paikalla ollessaan momenttia. Jos

    moottorille annetaan alkunopeus, se lhtee pyrimn. Yksivaiheinen moottori siis voi

    pyri kumpaan suuntaan tahansa.

    Jotta moottorille saadaan tarvittava alkumomentti, varustetaan moottori sit varten

    apukmill, eli kynnistyskmill, joka sijoitetaan 90 (shkasteen) phn

    pkmist. Thn kmiin johdetaan verkosta virta kondensaattorin kautta. Tllin

    pkmin ja kynnistyskmin virrat ovat lhes 90 vaihesiirrossa ja kone toimii kuin

    kaksivaiheinen moottori, jolloin koneen ilmavliin syntyy kiertokentt vastaava kentt

    ja roottori lhtee pyrimn. Kmi voidaan kytke kynnistyksen jlkeen irti, jolloin

    sit kutsutaan kynnistyskondensaattorimoottoriksi.

    Pieni yksivaiheoikosulkumoottoreita valmistetaan mys ns. sulkunapamoottoreina,

    jonka periaate on esitetty kuvassa 10.17. Staattorissa on yksivaiheiset

    avonapakmitykset. Napoihin on tehty noin kolmanneksen etisyydelle sen reunasta

    ura, johon on sijoitettu oikosulkurenkaat. Renkaisiin syntyvt virrat saavat aikaan

    renkaan lvistvn magneettivuon viivstymisen, jolloin ilmavliin syntyy siirtyv

    kentt. Syntyv lhtmomentti on pieni, mutta se riitt saamaan vhn kuormitetun

    moottorin kyntiin.

    Kuva 10.17 Sulkunapamoottorin poikkileikkaus. /4/

  • 10.3 Tahtikoneet

    10.3.1 Rakenne

    Toinen merkittv vaihtovirtakoneiden ryhm on tahtikoneet. Tahtikoneiden nimitys

    tulee siit, ett niiden roottorit pyrivt koneen sisisen magneettikentn, ja siten mys

    syttvn verkon kanssa tarkalleen samalla nopeudella eli ns. tahtinopeudella.

    Periaatteessa tahtikoneen staattorin rakenne on samanlainen kuin eptahtikoneessakin,

    mutta roottorin rakenne on erilainen. Suuret moottorit ovat usein tahtikoneita, sill ne

    ovat usein taloudellisin ratkaisu. Tahtikoneiden yleisin kyttsovellus on kuitenkin

    shkenergian tuotantoon kytettv tahtigeneraattori. Suurimmillaan

    tahtigeneraattoreiden tehot voivat olla 1000 MVA ja jnnite 10-30 kV. Voimalaitosten

    generaattorit ovat poikkeuksetta kolmivaiheisia ja ne kytketn thteen.

    Tahtikoneen pyrimisnopeus on sidoksissa syttvn verkon taajuuteen f

    (10.15)

    Tahtikone voi pyri vain yhtln (10.15) mukaisella nopeudella. Jos koneen kuormitus

    kasvaa liian suureksi, kone ns. putoaa tahdista, jolloin kone on irroitettava verkosta.

    Roottorin, eli napapyrn, rakenteen puolesta tahtikoneet voidaan jakaa kahteen eri

    ryhmn: avonapaisiin ja umpinapaisiin tahtikoneisiin, joiden napapyrien eroja on

    havainnollistettu kuvassa 10.18. Napapyrien rakenteellisista eroista johtuen niiden

    matemaattinen ksittelykin on erilaista.

    Kuva 10.18 a) 2-napainen lieri- eli umpinaparoottori ja b) 4-napainen avonaparoottori. /4/

  • Tahtikoneen staattorissa on kolmivaiheinen vaihtovirtakmitys kuten

    eptahtikoneissakin. Ero eptahtikoneisiin on, ett roottorin magnetointikmityksiin on

    johdettava magnetointivirtaa, joka on tasavirtaa. Tm tasavirta synnytt roottorin

    magneettinapaan pysyvn magneettivuon, vaikka roottori pyriikin. Tt

    magnetoimisvirran synnyttm magneettivuota sanotaan pvuoksi. Tahtikoneissa on

    siis erikseen tyvirta- ja magnetointikmitykset. Lisksi tahtikoneissa on mys ns.

    kynnistys- eli vaimennuskmitys. Se on oikosulkumoottorin hkkikmityksen

    kaltainen.

    Avonaparoottorissa on akselille sijoitettu koneen napaluvun mukainen mr

    magneettinapoja. Staattorikmitys on aina tehty samalle napaluvulle kuin roottori.

    Jokaisella navalla on omat magnetointikmins, jotka on kytketty sarjaan siten, ett

    navat magnetoituvat vuorotellen S- ja N-navoiksi. Koska napojen vuo ei tasavirralla

    vaihtele, ei niiss synny rautahviit, jolloin ne tehdn massiivisesta terksest. Navan

    pss on napakenk, joka on muotoiltu siten, ett vuon jakautuminen napakengn ja

    staattorikehn vliss on mahdollisimman siniminen. Ilmavli ei siis ole vakio, vaan

    suurenee reunoille pin. Avonapaisia koneita kytetn hitaasti pyriviss koneissa (75-

    500 rpm), kuten vesivoimalaitosten generaattoreissa. Suurten avonapageneraattoreiden

    halkaisijat voivat olla useita metrej.

    Umpinaparoottorissa kmitys on sijoitettu roottorin akselin suuntaisiin uriin. Uria ei ole

    sijoitettu tasaisesti koko kehlle, vaan niiden vliss on mys urattomia alueita, eli

    magneettinapoja. Tavoitteena on mys mahdollisimman sinimuotoinen vuontiheys

    ilmavliss. Umpinaparakennetta kytetn nopeasti pyriviss koneissa (3000 rpm),

    kuten hyryvoimalaitosten generaattoreissa. Isoissa generaattoreissa roottorin pituus voi

    olla kymmeni metrej.

    Tahtimoottorit ja useimmat generaattoritkin ovat vaaka-akselikoneita.

    Vesivoimalaitosten generaattorit sen sijaan ovat yleens pystyakselikoneita. Niiden

    akseli tuetaan ohjaus- ja kannatuslaakereilla. Kannatuslaakerin varassa on kaikkien

    pyrivien osien paino sek vesiturbiinin hydraulinen voima. Kannatuslaakeri voi olla

    joko napapyrn yl- tai alapuolella.

    Tahtikoneessa toimintaideana on, ett staattorin ja roottorin magneettinapojen vlille

    luodaan magneettinen kytkent. Tss kytkennss staattorin N-navat ovat kiinni

    roottorin S-navoissa ja pinvastoin. Tm kytkent saa staattorin magneettikentn ja

    roottorin pyrimn tsmlleen samalla nopeudella. Kuormitetun tahtikoneen

    kyttytymist voidaan tarkastella kuvien 10.19 avulla.

  • Kuva 10.19 Generaattorin staattorin ja roottorin magneettikenttien vlinen kytkent a)

    tyhjkynniss ja b) kuormitettuna. /8/

    Kuvassa 10.19 on esitetty staattorin ja roottorin magneettikenttien vlinen kytkent

    generaattorikytss. Tyhjkynniss kenttien vastakkaismerkkiset navat ovat tarkalleen

    vastakkain. Kun voimakoneen tehoa listn (kuva b), pyrkii roottori kiihtymn verkon

    taajuudella pyrivn staattorikentn edelle, jolloin napojen vlinen kulma (ns.

    tehokulma) pyrkii kasvamaan. Tahtikoneen kuormitettavuuteen ja tehokulmaan palataan tarkemmin kappaleessa 10.3.3.

    10.3.2 Napapyrn magnetointi

    Tahtigeneraattorin magneettinavat on toteutettu muotoilemalla tai kmitysteknisin

    keinoin siten, ett ne magnetoitaessa synnyttvt ilmavliin sinimuotoisen

    magneettikentn. Kun napapyr pyritetn voimakoneella, leikkaavat roottorin

    vuoviivat staattorikmityksi, jolloin staattoriin indusoituu sinimuotoinen vaihtojnnite.

    Magnetoimismenetelmien perusteella koneet voidaan jakaa harjallisiin ja harjattomiin

    tahtikoneisiin.

    Harjallisessa magnetoinnissa magnetointikmityksen tarvitsema tasavirta johdetaan

    pyrivn roottorikmiin akselille sijoitettujen liukurenkaiden ja niit laahaavien

    metalligrafiittiharjojen kautta ulkoisesta tasavirtalhteest. Generaattorin

    magnetoimisvirta voidaan tehd tasasuuntaamalla generaattorin vaihtojnnite ja

    johtamalla se liukurenkaiden avulla takaisin roottoriin. Nin magnetoitua generaattoria

    kutsutaan itsehertteiseksi generaattoriksi.

    Tarvittava tasavirta voidaan mys tuottaa esimerkiksi generaattorin kanssa samalle

    akselille sijoitetulla ulkonapaisella vaihtoshkgeneraattorilla, jossa magneettinavat ovat

    staattorissa ja kmitys, johon lhdejnnite indusoituu, on roottorissa.

    Magnetointigeneraattorin tuottama vaihtojnnite sytetn tasasuuntauksen jlkeen

    pkoneen roottorikmiin, jolloin liukurenkaita ei tarvita.

  • Napapyr voidaan mys valmistaa kestomagneetista, jolloin erillist magnetointivirtaa

    ei tarvita. Navat magnetoidaan koneen kokoonpanon jlkeen, ja jos kone joudutaan

    avaamaan esimerkiksi korjausten vuoksi, on navat yleens magnetoitava uudelleen.

    Kestomagnetoitujen koneiden tehot ovat toistaiseksi viel pieni.

    Kun tahtikonetta kytetn generaattorina, staattorin kolmivaihekmityksiin

    indusoituvan shkmotorisen jnnitteen taajuus mrytyy napapyrn

    pyrimisnopeudesta ja sen tehollisarvo on

    (10.16) miss

    f on taajuus

    N on staattorin vaihekmin kierrosmr

    on yhden navan pvuo.

    Yhtlss (10.16) ovat kaikki muut vakioita paitsi vuon suuruus. Vuon suuruus

    puolestaan riippuu magnetoivien ampeerikierrosten lukumrst, jolloin siihen voidaan

    vaikuttaa magnetointivirtaa stmll. Jos magnetointivirta on nolla, ei kone kehit

    jnnitett. Kuvasta 10.20 nhdn koneen kehittmn jnnitteen muuttuminen kun

    magnetointivirtaa Im muutetaan.

    Kuva 10.20 Staattorikmityksiin indusoituva jnnite U magnetoimisvirran Im funktiona.

    Alaindeksi 0 viittaa nimellisarvoon.

    Kyrss on selvsti kaksi osaa: lineaarinen alku- ja kyllstyv loppuosa. Kyrn

    alkuosalla kuluu koko magnetointikmin mmv ilmavlin reluktanssissa. Vuontiheys

    raudassa on viel niin pieni, ettei sen vaikutus ny, joten jnnitteen ja magnetoimisvirran

    yhteys on suoraviivainen. Im:n kasvaessa alkaa rauta kyllsty, jolloin jnnitteen kasvu hidastuu ja tyhjkyntikyr alkaa taipua enemmn oikealle.

  • 10.3.3 Tahtikoneen sijaiskytkent ja teho

    Yksinkertaisuuden vuoksi tss ksitelln vain umpinapakoneita, koska avonapakoneen

    ilmavli ei ole vakio ja siten koneen yhtlt ovat monimutkaisempia.

    Tahtikoneelle voidaan muodostaa kuvan 10.21a mukainen kolmivaiheinen

    sijaiskytkent. Tavallisesti sijaiskytkent esitetn yksivaiheisena, jolloin saadaan kuvan

    10.21b mukainen kytkent. Kuvassa kone on ajateltu generaattoriksi, sill virta on

    koneesta pois pin

    Kuva 10.21 Tahtikoneen a) kolme- ja b) yksivaiheinen sijaiskytkent. Xd on tahti-, Xs on haja-

    ja Xm magnetoimisreaktanssi.

    Koneen jnniteyhtlksi voidaan sijaiskytkennn perusteella kirjoittaa

    (10.17)

    miss

    R on koneen resistanssi

    I on koneen virta

    Us on koneen liitinjnnite.

    Suuritehoisissa koneissa resistanssi on yleens paljon reaktanssia pienempi, jolloin se

    voidaan jtt huomiotta. Koneen ollessa moottorina, kuva 10.21b, virran suunta

    muuttuu ja yhtln 10.17 miinusmerkki vaihdetaan plusmerkiksi.

    Yhtln 10.16 mukaan kasvattamalla koneen magnetointia kasvaa mys koneen

    kehittm jnnite. Tst seuraa yhtln 10.17 mukaan se, ett mys koneen liitinjnnite

    kasvaa. Kun kone on kytketty jykkn verkkoon (jnnite vakio), ei koneen

    magnetoimisvirran kasvattaminen kuitenkaan vaikuta koneen liitinjnnitteeseen, vaikka

    se vaikuttaakin koneen kehittmn shkmotoriseen jnnitteeseen Em.

    Magnetointivirtaa sdettess ja koneen ollessa jykss verkossa muuttuu staattorin

    virta siten, ett jnnitehvi koneen tahtireaktanssissa ja resistanssissa kumoaa Em:n

  • muutoksen. Staattorivirran ptkomponentti ei voi muuttua, koska generaattoria

    pyrittvn voimakoneen teho mr generaattorin antaman pttehon suuruuden.

    Magnetointivirran suuruudella voidaan tllin vaikuttaa vain virran loiskomponenttiin.

    Kun magnetointia pienennetn, ottaa kone verkosta tarvitsemansa loisvirran, eli kone

    kuluttaa tllin loistehoa. Vastaavasti ylimagnetoituna kone tuottaa loistehoa verkkoon.

    Kuvassa 10.22 on esitetty, kuinka koneen staattorivirta muuttuu magnetoimisvirran

    funktiona. Kyrien muodon perusteella niit kutsutaan V-kyriksi. Kuvasta havaitaan,

    ett magnetointia voidaan pienent vain tiettyyn rajaan asti, mik mrytyy

    kuormituksesta. Jos magnetointia pienennetn tmn rajan yli, ei kone kykene en

    kehittmn kuormituksen vaatimaa momenttia ja kone putoaa tahdista.

    Kuva 10.22 Tahtikoneen V-kyrt. /7/

    Kun tahtikonetta kuormitetaan, kasvaa ns. tahtikulma kuten kuvassa 10.19 on esitetty.

    Tm kulma on sama kuin roottorikmin indusoiman jnnitteen Em ja generaattorin

    napajnnitteen Uv vlinen kulma, mist seuraa tehokulmayhtln 10.18 mukaisesti, ett

    generaattorin verkkoon syttm ptteho kasvaa.

    (10.18)

    miss X on koneen reaktanssi.

    Generaattorin verkkoon syttmn tehon kasvaessa roottorin vastamomentti kasvaa

    mys, jolloin roottori j edelleen pyrimn verkon kanssa samalla taajuudella mutta

    suuremmalla kulman arvolla. Jos voimakoneen tehoa kasvatetaan liikaa, kasvaa >

    90, jolloin staattorin ja roottorin magneettinapojen vlinen yhteys katkeaa ja kone

    putoaa tahdista.

    Jos tahtikone putoaa tahdista, toimii se vuorotellen generaattorina ja moottorina

    magneettinapojen asemasta riippuen. Kone toimii kuin tehopumppu vuorotellen

    verkkoon tehoa siirten ja tehoa sielt ottaen. Tm aiheuttaa verkossa teho- ja

    jnniteheilahteluja, jotka voivat aiheuttaa verkkoon vakavia hiriit. Tahdista pudonnut

    moottori on irroitettava verkosta, ellei sit ole varustettu laitteilla, jotka estvt kyseisen

  • ilmin. Tllainen laite on rele, joka tahdistaputoamisen jlkeen katkaisee magnetoinnin,

    jolloin kone j pyrimn verkkoon eptahtimoottorina hkkikmityksens varassa.

    Jos kuormitus voidaan poistaa tai riittvsti alentaa, voidaan moottori tahdistaa

    uudelleen verkkoon.

    10.3.4 Kynnistys ja verkkoon kytkeminen

    Konetta kynnistettess roottorin pyrimisnopeus ei ole sama kuin verkon taajuus,

    mist seuraa, ettei tahtikonetta voida kytke verkkoon samalla tavalla kuin esimerkiksi

    oikosulkumoottoria.

    Kun tahtikonetta kytetn generaattorina, pyritn tahtikoneen pyrimisnopeus

    saamaan voimakoneen avulla mahdollisimman lhelle verkon taajuutta. Generaattori

    voidaan kytke verkkoon, jos jnnite on generaattorikatkaisijan yli nolla, verkon ja

    generaattorin taajuudet ovat samat ja vaihejrjestys on sama. Tllin suljettaessa

    generaattorikatkaisija ei synny virtasysyst verkkoon, eivtk verkon muut kyttjt

    havaitse muutosta tapahtuneen. Oikean katkaisijan sulkemishetken toteamiseksi

    kytetn erilaisia apulaitteita. Yksinkertainen laitteisto on kuvassa 10.23, miss lamput

    on kytketty katkaisijan yli.

    Kuva 10.23 Generaattorin tahdistuskytkent. /7/

    Volttimittareilla voidaan todeta, ovatko jnnitteet yhtsuuret. Jos generaattorin jnnitteen

    taajuus tai suuruus poikkeaa verkon vastaavista arvoista, on lamppujen yli jnnite dU ja

    ne palavat. Jos generaattorin nopeus ja jnnitteen suuruus ovat samat kuin verkossa, niin

    jnnite lamppujen yli on 0, jolloin ne ovat pimein ja katkaisija voidaan sulkea.

    Kytnnss tahdistamiseen kytetn automaattisia tahdistimia, jotka suorittavat

    taajuuden sdn ja sulkevat katkaisijan oikealla hetkell.

    Tahtimoottorin kytkemiseksi verkkoon edell kuvatulla tavalla tarvittaisiin moottoria

    pyrittv apukone. Kustannussyist apukone usein kuitenkin jtetn pois. Moottori

    kynnistetn tllin hkkikmityksen avulla kuten oikosulkumoottori, jolloin moottori

  • ottaa verkosta kynnistysvirran, joka on 3-5 kertainen koneen nimelliseen virtaan

    verrattuna. Kun moottori on kynnistynyt ja pyrii tyhjkynniss, on sen nopeus lhell

    tahtinopeutta, jolloin koneen napapyrn kytketn magnetointi ja moottori tahdistuu

    automaattisesti. Magnetoinnin kytkeminen napapyrlle ilman tahdistavia laitteita

    aiheuttaa verkkoon virtasysyksen, sill moottorin kehittm jnnite voi magnetoinnin kytkemishetkell olla tysin vastakkainen verkkojnnitteelle.

    10.4 Tasavirtakoneet

    10.4.1 Koneen rakenne

    Tasavirtakoneiden rakenne poikkeaa huomattavasti tahti- ja eptahtikoneiden

    rakenteesta, sill tasavirtakoneet eivt tarvitse kiertokentt toimiakseen. Kuvasta 10.24

    nhdn tasavirtakoneen rakenne. Periaatteessa tasashkgeneraattorin ja -moottorin

    rakenteet eivt eroa toisistaan, joten samaa konetta voidaan kytt sek moottorina ett

    generaattorina. Nykyisin tasavirran tuottaminen tasavirtageneraattorilla uusissa

    kyttkohteissa on harvinaista, sill useimmiten tasavirta tuotetaan vaihtovirtaverkosta

    puolijohdekomponenteista rakennettavilla tasasuuntaajilla.

    Kuva 10.24 Tasavirtakoneen osat: 1 staattorin keh, 2 pnavan sydn, 3 napakenk, 4

    kntnavan sydn, 5 roottorin eli ankkurin rautasydn, 6 roottori- eli

    ankkurikmitys, 7 sivuvirtakmitys, 8 sarjavirtakmitys, 9 kntnavan

    kmitys, 10 kompensointikmitys, 11 kommutaattori harjoineen. /2/

    Kuten muissakin koneissa, tasashkkoneissa rautaosat muodostavat koneen

    magneettikentlle magneettipiirin. Koska kentt koneessa ovat tasakentti, voidaan

    koneen keh ja napojen rautaosat tehd tysraudasta. Roottorin rautaosat sen sijaan on

    tehty shklevyst, sill se joutuu pyrimn tasamagneettikentss. Pyrimisliike

    aiheuttaa siin vuon vaihtelun ja rautahviit.

  • Pnapojen magnetointikmityksill synnytetn koneen toiminnalle vlttmtn

    magneettivuo eli ns. pkentt. Riippuen magnetointikmityksen kytkennst

    roottorikmin kanssa puhutaan joko sivu- tai sarjakmityksest. Magnetointikmitys

    on tehty kuparilangasta ja se on eristetty staattorista. Roottori- eli ankkurikmitys on

    valmistettu eristetyst kuparilangasta tai muotojohtimesta.

    Roottorikmitykseen indusoituu vaihtoshkmotorinen jnnite sen pyriess

    magnetointikmitysten muodostamassa magneettikentss. Generaattorissa tm jnnite

    on luonteeltaan lhdejnnite ja moottoreissa vastajnnite moottoriin vaikuttavalle

    liitinjnnitteelle. Koska roottoriin indusoitunut jnnite on vaihtojnnitett, on se

    generaattoreissa tasasuunnattava ja moottoreissa syttv tasajnnite vaihtosuunnattava.

    Tt toimenpidett kutsutaan kommutoinniksi ja sen suorittaa kommutaattori yhdess

    liukuharjojen kanssa. Kuvassa 10.25 on esitetty tasavirtakoneen kommutaattori.

    Etualalla nkyvt kommutaattoriliuskat, joita liukuharjat laahaavat. Kommutaattori

    muodostaa periaatteessa mekaanisen tasavaihtosuuntaajan. Kommutointi on selvitetty

    lhemmin kappaleessa 10.4.2.

    Kuva 10.25 Tasavirtakoneen kommutaattori. /2/

    Kntnapakmityksen tehtvn on saada kommutaattori harjoineen kommutoimaan

    ilman kipinit, mik vhent kommutaattorin huoltotarvetta. Kntnapakmityksell

    pienennetn mys ankkurikmityksen muodostamaa kentt eli ankkurikentt.

    Kntnapakmitys kytketn ankkurikmityksen kanssa sarjaan.

    Kompensointikmitys sijoitetaan magnetointinapojen uriin ja sen tehtvn on kumota

    ankkurivirran ankkurikentt. Jotta tm onnistuisi mahdollisimman hyvin, on sekin

    kytkettv ankkurin kanssa sarjaan.

    10.4.2 Kommutointi

    Aikaisemmin mainittiin, ett roottoriin muodostuva smv on vaihtoshk, joka

    tasasuunnataan kommutaattorilla. Selvyyden vuoksi tarkastellaan kuvien 10.26 ja 10.27

    tapausta. Siin voimakone pyritt yht johdinsilmukkaa homogeenisessa

    magneettikentss. Tllin johdinsilmukkaan indusoituu kuvan 10.27 mukainen

    sinimuotoinen jnnite, jonka suuruus voidaan laskea kaavalla

    (10.19)

  • Kuva 10.26 Vaihtojnnitteen indusoituminen ankkurin silmukkaan. /1/

    Kuva 10.27 Jnnitteen hetkellisarvo. /1/

    Tm vaihtojnnite E on tasasuunnattava kommutaattorilla. Kommutaattorissa

    liukurengas on jaettu lamelleiksi, joihin silmukoiden pt on yhdistetty. Kuvissa 10.28

    on esitetty kommutoinnin periaate. Nhdn, ett harjojen vlinen jnnite tulee

    tasasuunnattua, koska harja A on aina yhdistetty sauvaan, joka liikkuu N-navan alla ja

    harja B sauvaan, joka liikkuu S-navan alla. Kun ankkuriin sijoitetaan useampia

    silmukoita, saadaan jnnitteen sykkeisyys pieneksi.

    Kun moottori on kytketty verkkoon, muodostuu sen virrallisen roottorin ja

    magnetointinapojen vlille voimia. Kommutaattorilla saadaan aikaan se, ett kaikissa N-

    navan alla olevissa johtimissa kulkee virta samaan suuntaan ja vastaavasti samoin S-

    navan alla olevissa johtimissa. Nin kaikki voimat vaikuttavat samaan suuntaan.

  • Kuva 10.28 Kommutaattorin ja kommutoinnin periaate. /1/

    10.4.3 Tasashkkoneen shkmotorinen jnnite

    Kun tasavirtakoneen roottoria pyritetn magneettikentss, syntyy siihen

    shkmotorinen jnnite (smj), jonka suuruus E on

    (10.20)

    miss

    E on shkmotorinen jnnite

    n on pyrimisnopeus

    s on ankkurisauvojen lukumr

    on yhden navan magneettivuo

    a on ankkurikmin rinnakkaishaaraparien lukumr

    p on napaparien lukumr

    Jos yhtln (10.20) sijoitetaan , saadaan

    (10.21)

    eli shkmotorinen jnnite riippuu vain pyrimisnopeudesta, vuosta ja konekohtaisesta

    vakiosta.

    Magnetointikmityksen tarvitsema tasavirta voidaan ottaa joko koneen navoista

    (itsemagnetointi) tai ulkoisesta tasavirtalhteest (vierasmagnetointi). Itsemagnetoivan

    koneen magnetointikmityksen kytkennn perusteella koneet jaetaan sivu-, sarjavirta-

    ja kompoundikoneisiin. Kuvassa 10.29 on esitetty eri koneiden kmien

    kytkentperiaatteet.

  • Kuva 10.29 a) vierasmagnetointi, b) sivuvirta-, c) sarjavirta-, d) kompoundikone.

    10.4.4 Ankkurireaktio

    Kun tasavirtamoottoria tai -generaattoria kuormitetaan, sen roottorikmityksess kulkee

    roottorivirta Ia, joka muodostaa koneeseen pnapojen pkentlle poikittaisen

    magneettikentn a, jonka suuruus riippuu ankkurivirrasta Ia. Ankkurikentn vaikutusta

    pnapojen muodostamaan pkenttn kutsutaan ankkurireaktioksi. Ankkurivirta

    vahvistaa magnetointikmityksen synnyttm pkentt magnetointinavan toisella

    reunalla ja heikent sit toisella reunalla. Tst syyst koneen pvuo pienenee, mik

    pienent koneen shkmotorista voimaa. Ankkurikentn vaikutuksia pkenttn

    voidaan pienent pnapojen uriin sijoitetulla kompensaatiokmityksell.

    Kompensaatiokmitys magnetoi vastakkaiseen suuntaan kuin ankkurikmitys ja

    kumoaa nin ankkurikentn pnapojen kohdalla.

    Ankkurireaktiolla on toinenkin haitallinen vaikutus. Kommutaattorin harjat ovat napojen

    puolivliss, jossa koneen ollessa tyhjkynniss (ankkurivirta on pieni) on

    magneettivuon tiheys nolla. Kuormitettuna ankkurivirta luo ankkurikentn, jonka

    seurauksena resultoivan magneettikentn nollataso siirtyy. Tllin kommutoiva vyyhti

    on magneettikentss, jonka seurauksena siihen indusoituu jnnite. Tm jnnite pyrkii

    estmn virran muutoksen, josta on seurauksena kommutaattorin kipininti. Tm

    kipininti kuluttaa kommutaattoria ja liukuharjoja.

    Ankkurikentn kumoamiseksi pnapojen vliin sijoitetaan kntnavat, jotka ovat

    ankkuripiirin kanssa sarjassa, jolloin niiss kulkee sama virta. Kntnapojen

    kmikierrokset valitaan sopivasti siten, ett niiden muodostama mmv kumoaa ankkurikentn kntnavan kohdalla.

  • 10.4.5 Tasavirtamoottori

    Sivuvirtamoottori

    Sivuvirtamoottori voi olla joko erillismagnetoitu tai itsemagnetoitu.

    Erillismagnetoidussa moottorissa magnetointivirta sytetn erillisest tasavirtalhteest

    eik se ole shkisesti yhteydess tyvirtapiirin kanssa. Itsemagnetoidussa moottorissa

    magnetointivirta saadaan moottorin liittimist. Sivuvirtamoottorissa

    magnetointikmitys on kytketty rinnan roottorikmityksen kanssa.

    Moottorin pyriess magneettikentss indusoituu sen roottoriin smv E, joka on virralle

    vastakkaissuuntainen. Napajnnitteen U, ankkurivirran Ia ja ankkuripiirin

    kokonaisresistanssin Ra vlille voidaan kirjoittaa yhtl

    (10.22)

    Itsemagnetoidun sivuvirtamoottorin verkosta ottama kokonaisvirta on I = Im+Ia.

    Yhtlst 10.22 voidaan ratkaista koneen verkosta ottama kuormitusvirta:

    (10.23)

    Yhtlst voidaan todeta, ett moottorin ottama virta riippuu pyrimisnopeudesta.

    Koneen magnetointivirta riippuu magnetointijnnitteest ja vastuksesta. Magnetointia

    voidaan siten st magnetointipiiriin kytkettvll erillisell stvastuksella.

    Kynnistettess moottoria n on nolla, jolloin mys vastashkmotorinen voima on

    nolla. Tst huomataan, ett kynnistettess moottorin ottama virta on erittin suuri,

    sill ankkuripiirin resistanssi on hyvin pieni, yleens alle 1 hviiden minimoimiseksi.

    Tst syyst tasavirtamoottoria ei voi kytke suoraan tyteen jnnitteeseen.

    Kynnistyksess kytetn esimerkiksi kynnistysvastusta, jota pienennetn

    pyrimisnopeuden kasvaessa.

    Koneen pyrimisnopeudelle voidaan johtaa matemaattinen esitys, kun yhtlst 10.23

    ratkaistaan pyrimisnopeus n

    (10.24)

    Moottorin magnetointivirta Im=Um/Rm on lhes kuormituksesta riippumaton, jolloin

    mys vuo on lhes vakio. Koneen napajnnite pienenee vain tulon IaRa verran, joka

  • tydellkin kuormalla on suhteellisen pieni. Tten sarjamoottorin pyrimisnopeus laskee

    vain hitaasti kuormituksen kasvaessa. Lasku on niin pieni, ett kytnnss voidaan

    sanoa, ett nopeus on kuormituksesta riippumaton. Tt on havainnollistettu kuvassa

    10.30a. Koska useat kytt vaativat vakionopeutta kuormituksesta riippumatta, on

    sivuvirtamoottori saavuttanut laajemman kytn kuin mikn muu tasavirtamoottori.

    Kuva 10.30 a) Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeus kuormituksen funktiona, b) momentin

    riippuvuus roottorivirrasta.

    Roottorikmityksen ja magneettikentn vlinen voimavaikutus antaa moottorille

    vntmomentin T, jonka suuruus on

    (10.25) miss

    c on konekohtainen vakio

    Ia on ankkurivirta

    Moottorin akselilta saatava todellinen momentti on todellisuudessa hieman pienempi

    mm. ankkurireaktion ja tuuletushviiden vuoksi.

    Koska sivuvirtamoottorin vuo on lhes riippumaton kuormituksesta, kasvaa moottorin

    momentti teoriassa suoraan verrannollisesti roottorivirtaan nhden, kuten katkoviivalla

    on merkitty kuvaan 10.30b. Todellisuudessa vuo ja siten momentti pienenevt hieman

    ankkurireaktion vaikutuksesta.

    Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeutta voidaan st vaikuttamalla moottorin

    napajnnitteeseen U, jnnitehvin IaRa tai magneettivuohon . Napajnnitett on

    helppo muuttaa, jos moottoria sytetn tasasuuntaajalla vaihtoshkverkosta.

    Jnnitehvin voidaan vaikuttaa kytkemll roottoripiirin kanssa sarjaan ylimrinen

    vastus. Tm tapa kuitenkin aiheuttaa suuret hvit. Vuohon voidaan vaikuttaa, jos

    magnetointipiiriin on kytketty stvastus.

    Moottorin pyrimissuunnan vaihto voidaan toteuttaa muuttamalla virran suuntaa joko

    magnetointi- tai roottorikmityksess. Jos molempia muutetaan, pysyvt voimien suunnat muuttumattomina ja moottori pyrii samaan suuntaan.

  • Sarjamoottori

    Sarjamoottorissa magnetointikmi on roottorikmin kanssa sarjassa, jolloin mys koko

    kuormitusvirta menee sen lpi. Tst syyst sarjamoottorin magnetointikmitys tehdn

    paksummasta johtimesta kuin sivuvirtamoottorissa. Sarjamoottorin

    magnetointikmityksiss on yleens mys vhemmn kierroksia. Kuormituksen

    kasvaessa kasvaa mys . Sarjamoottorin verkosta ottama kokonaisvirta on I = Im = Ia.

    Moottorin sijaiskytkennlle voidaan johtaa matemaattinen esitys

    (10.26)

    Sarjamoottorin pyrimisnopeudelle voidaan johtaa samalla periaatteella yhtl kuin

    sivuvirtamoottorillekin

    (10.27)

    Yhtlss 10.27 sek osoittaja ett nimittj riippuvat voimakkaasti Ia:sta, josta seuraa,

    ett pyrimisnopeus on suuresti riippuvainen kuormitusvirrasta. Pienell kuormalla

    (tyhjkynti) vuo ja roottorivirta ovat hyvin pieni, mist seuraa pyrimisnopeuden

    voimakas kasvu, eli moottori ns. rynt. Tt moottorin pyrivt osat eivt kest.

    Sarjamoottoria ei siksi saa koskaan pst tyhjkyntiin. Moottorin kynnistminen

    tapahtuu kuten sivuvirtamoottorillakin, eli sit ei saa kytke suoraan tyteen

    jnnitteeseen.

    Mys sarjamoottorille ptee vntmomentin yhtl 10.25. Koska sarjamoottorilla

    riippuu Ia:sta, riippuu momentti kuormituksesta erittin voimakkaasti. Kuvassa 10.31 on

    esitetty sarjamoottorin pyrimisnopeuden ja momentin riippuvuudet kuormitusvirrasta.

    Kuva 10.31 Sarjamoottorin a) pyrimisnopeuden ja b) momentin riippuvuus kuormitusvirrasta

    Sarjamoottorin pyrimisnopeutta voidaan st ankkurin kanssa piiriin kytketyll

    stvastuksella, jolloin haittana on vastuksessa syntyvt ylimriset hvit.

    Sarjamoottorin ominaisuuksien vuoksi koneen verkosta ottama teho vaihtelee vhemmn

  • kuin momentin vaihtelu. Tst syyst moottori sopii kyttmn vaihtelevia kuormia,

    mikli ne eivt vaadi vakionopeutta ja mikli kone ei joudu kymn tyhjn. Thn

    perustuu sarjamoottorin laaja kytt raskaissa liikennesovelluksissa. Sen sopivuutta lis

    viel, ett moottorilla on suuri lhtmomentti, koska momentti kasvaa voimakkaasti

    ankkurivirran kasvaessa.

    Muutettaessa moottorin pyrimissuuntaa on virran suuntaa muutettava joko ankkurissa

    tai magnetointikmityksess. Liitinjohtimien vaihtaminen ei vaikuta, sill sek

    ankkurivirta ett vuo vaihtavat suuntaansa samalla.

    Kompoundimoottori

    Kompoundimoottorissa magnetointikmitys on jaettu sek sarja- ett

    rinnakkaiskmiin. Riippuen siit, kumpi kmi on hallitseva, ovat moottorilla joko

    sivu- tai sarjavirtamoottorin ominaisuudet hallitsevia. Kone voi olla myt- tai

    vastakompoundoitu riippuen siit, miten kmien mmv:t vahvistavat tai heikentvt

    toisiaan. Ylesimmin kytetty kompoundimoottori on vierasmagnetoitu

    mytkompoundoitu moottori.

    Vahvistavassa kompoundoinnissa kuormituksen kasvaessa kasvaa mys . Kun

    pyrimisnopeus noudattaa yhtl 10.27 huomataan, ett pyrimisnopeus pienenee

    kuorman kasvaessa, mutta vhemmn kuin sarjamoottorin tapauksessa.

    Kompoundimoottori, jossa on vahvistava kmitys sopii korvaamaan sarjamoottorin

    kytiss, joissa moottori joutuu pyrimn tyhjn.

    Heikentvss kmityksess pienenee kuorman kasvaessa. Riippuen heikentvn kmityksen voimakkuudesta pyrimisnopeus voi joko kasvaa, pysy vakiona tai laskea.

    10.4.6 Tasavirtageneraattorit

    Koska tasavirtageneraattoreiden kytt on nykyn kohtalaisen harvinaista, ksitelln

    niit vain hyvin lyhyesti. Tasavirtamoottori voi kuitenkin toimia generaattorina silloin,

    kun jarruttavan tasavirtamoottorin jarrutusenergia halutaan sytt takaisin verkkoon.

    Magnetointi- ja roottorikmitysten keskinisen kytkennn perusteella generaattorit

    jaetaan vastaaviin ryhmiin kuin moottoritkin.

    Vierasmagnetoidussa generaattorissa magnetointi tapahtuu nimenskin mukaisesti

    erillisest tasavirtalhteest. Magneettipiiri on ankkurista erilln ja magnetointia

    voidaan st mm. stvastuksella. Koneen magnetointivirta riippuu

    magnetointijnnitteest ja vastuksesta.

    Itsemagnetoidussa sivuvirtageneraattorissa tapahtuu magnetointi pnapojen

    sivuvirtakmityksell, joka kytketn ankkuripiirin kanssa rinnakkain.

    Magnetoimisjnnitteen toimii koneen oma liitinjnnite ja magnetoimisvirtaa voidaan

  • st vastuksella. Erillismagnetoidussa koneessa saadaan vuo heti kun magnetointi on

    kytketty plle, mutta itsemagnetoitu kone on saatava hermn.

    Koneessa on edellisen kytn jljilt pieni remanenssivuo. Kun ankkuria pyritetn

    tss heikossa remanenssivuossa, syntyy ankkurikmitykseen pieni smj, joka alkaa

    sytt magnetointivirtaa koneen magnetointipiiriin. Tm virta vahvistaa edelleen

    kentt ja kone kehitt edelleen isomman smv:n ja virran. Jos koneen tm vuo

    vaikuttaa toiseen suuntaan kuin remanenssivuo, ei kone her, eik siten lhde

    pyrimn. Tllin koneen magnetointikmitys on kytketty vrin pin tai koneessa ei

    ole remanenssivuota. Mikli remanenssi on hvinnyt, on konetta magnetoitava erillisell

    tasavirralla.

    Sarjavirtageneraattorissa magnetointikmi on ankkurikmin kanssa sarjassa, jolloin

    mys koko kuormitusvirta menee sen lpi. Ominaisuuksiensa vuoksi sarjageneraattoria kytetn vain harvoissa tapauksissa.

    LHTEET

    /1/ Aura L., Tonteri A.; Shkkoneet ja tehoelektroniikan perusteet.; WSOY 1996, 544

    s.

    /2/ Aura L., Tonteri A.; Teoreettinen shktekniikka ja shkkoneiden perusteet.;

    WSOY 1994, 446 s.

    /3/ Chapman S.; Electric Machinery Fundamentals.; McGraw-Hill Series in Electrical

    Engineering 1991, 716 s.

    /4/ Match L., Morgan J.; Electromagnetic and Electromechanical Machines.; John Wiley

    & Sons 1987, 574 s.

    /5/ Partanen J.; Shkmoottorikytt.;luentomoniste TTKK 1994

    /6/ Paavola M., Lehtinen P.; Shktekniikan oppikirja.; WSOY 1982, 427 s.

    /7/ Toim. Pyhnen O.; Shktekniikan ksikirja 1.; Tammi 1975, 673 s.

    /8/ Nousiainen K.; Shkenergiatekniikka; luentomoniste TTKK 1994

  • 11 SHKMOOTTORIKYTT Heikki Tuusa

    Suomessa kulutetaan vuosittain noin 70 TWh shkenergiaa. Teollisuuden kyttm

    osuus tst on yli puolet, josta taas yli 70% muunnetaan erilaisilla

    shkmoottorikytill edelleen mekaaniseksi energiaksi.

    Teollisuuden yleisin shkmoottorityyppi on oikosulkumoottori, joka viel nykyn on

    useimmiten kytketty suoraan syttvn shkverkkoon ja pyrii nin likipiten

    vakionopeudella. Moottorin ja prosessin pyrimisnopeudet voidaan sovittaa tarvittaessa

    toisiinsa kytten vakio vlityssuhteen omaavaa kiinte vaihdetta. Tyypillisesti tllaisia

    kyttj ovat pumppu- ja puhallinkytt sek erilaiset kuljettimet. Mikli tarvitaan kahta

    melko kiinte pyrimisnopeutta, voidaan oikosulkukone varustaa esimerkiksi kaksilla

    eri napapariluvun omaavilla staattorikmityksill.

    Liukurengaskonetta kytetn kohteissa, joissa tarvitaan suurta kynnistysmomenttia tai

    joissa koneen kippijttmn on oltava suuri. Edellisest esimerkkin voidaan mainita

    nosturikytt ja jlkimmisest murskaimet, joissa hetkellinen tehon tarve ylitt

    moninkertaisesti kytn keskimrisen tehon. Liukurengaskoneen uusimpia

    kyttkohteita ovat tuulivoimageneraattorikytt, joissa sdetyll roottorivastuksella

    varustettu kone sallii suoraan verkkoon kytkettynkin kohtuulliset pyrimisnopeuden

    muutokset ja mahdollistaa nin puuskittaisen tuulienergian paremman hydyntmisen.

    Tahtikone on tyypillisesti isojen, megawattiluokan kyttjen shkkone. Erillisen

    magnetoinnin ansiosta sen hytysuhde on hiukan oikosulkumoottoria parempi ja

    toisaalla joissakin tapauksissa sit voidaan mekaanisen tehon tuottamisen ohella kytt

    mys laitoksen loistehon kompensointiin.

    Useimmiten, kun shkkone pyrii vakionopeudella, joudutaan prosessin mahdollinen

    stminen tekemn keinoilla, jotka eivt ole energiataloudellisia. Tyypillinen

    esimerkki on pumppukytt, jossa virtausmr pienennettess koneen

    pyrimisnopeuden sdn sijasta virtausta kuristetaan stventtiilill. Toisaalta

    monessa prosessissa moottorikyttjen tarkka pyrimisnopeuden st kasvattaa

    merkittvsti prosessin tuottavuutta. Esimerkkin voidaan mainita uudet paperikoneet,

    joiden ratanopeudet lhestyvt arvoa 2 km/min. Sdn tuomien etujen vuoksi

    sdettyjen moottorikyttjen osuus uusista kytist kasvaakin lhes 10%:n

    vuosivauhdilla. Merkittvn tekijn voidaan pit mys tehoelektroniikan

    viimeaikaista nopeaa kehityst ja sen mahdollistamaa sdettyjen kyttjen hintojen suhteellista halpenemista ja kyttjen luotettavuuden parantumista.

  • 11.1 Sdettvvien moottorikyttjen rakenne

    Sdetty moottorikytt rakentuu tavallisesti kuvan 11.1 mukaisesti varsinaisen

    moottorin lisksi tehoelektroniikalla toteutetusta, kolmivaiheverkkoon liitetyst,

    moottoria syttvst suuntaajalaitteesta, mahdollisesta moottorin ja tykoneen vlisest

    vaihteesta sek itse tykoneesta ja siihen liittyvst prosessista. Tyypillisi sdettvi

    suureita prosessissa ovat koneen kehittm momentti Tm, kiihtyvyydet a tai ,

    lineaarisen liikkeen nopeus v tai pyrimisnopeus sek paikka s tai akselin asentokulma

    . Moottorin ja prosessin hitausmassat vaikuttavat mys oleellisesti sdn toteutukseen.

    Hyv esimerkki vaativasta sdetyst moottorikytst on suurnopeushissikytt, joka

    on tarkoitettu henkilkuljetukseen ja jonka nousunopeudet saattavat ylitt 10 m/s ja

    joka on paikannettava miellyttvsti, mutta samalla mahdollisimman nopeasti ja tarkasti,

    halutulle kerrostasolle.

    Kuva 11.1 Shkmoottorikytn periaatteellinen rakenne ja siihen yleens liittyvt sdettvt

    suureet.

    Sdetyiss shkmoottorikytiss prosessiin vaikutetaan stmll ensisijaisesti

    koneen kehittm vntmomenttia. Koneen kehittm momentti on taas konetyypist

    riippumatta verrannollinen koneen teholliseen vuohon ja ptvirran suuruuteen, joita

    voidaan st konetta syttvll suuntaajalla. Esimerkiksi tasavirtakoneen kehittm

    momentti on suoraan verrannollinen magnetointipiirin virran synnyttvn vuon ja

    ankkurivirran tuloon. Koneen akselin kulmakiihtyvyys taas riippuu yhtln 11.1

    mukaisesti koneen kehittmn momentin Tm ja kuormamomentin Tk erosta ja kytn

    kokonaishitausmomentista J. Koneen kulmanopeus riippuu kulmakiihtyvyydest yhtln

    11.2 mukaisesti ja akselin asentokulma edelleen kulmanopeudesta yhtln 11.3

    mukaisesti.

    (11.1)

    (11.2)

    (11.3)

  • Toisin sanoen suuntaajan syttmill virroilla voidaan vaikuttaa shkkoneen

    kehittmn momenttiin, momentilla kulmakiihtyvyyteen, kulmakiihtyvyydell

    moottorin ja edelleen prosessin nopeuteen ja nopeudella viimein halutun paikan stn.

    Sdn onnistumisella onkin sit paremmat mahdollisuudet, mit tarkemmin koneen

    momentin ohjaus voidaan toteuttaa.

    Aikaisemmin tarkkaa nopeudenst vaativat moottorikytt toteutettiin psntisesti

    kytten tasavirtamoottoria ja sit syttv, sdettv tyristoritasasuuntaajaa. Kytn

    suosio on perustunut juuri helposti toteutettavaan tarkkaan momentin stn.

    Tasavirtakoneen rakenne ei kuitenkaan sovellu parhaalla mahdollisella tavalla

    teollisuusolosuhteisiin; sen kommutaattoria on snnllisesti puhdistettava,

    jhdytystapansa ansiosta kone on rakenteeltaan avoin eik sit sellaisenaan ole

    turvallista kytt esimerkiksi rjhdysvaarallisissa tiloissa.

    Koska oikosulkumoottori on rakenteeltaan suljettu, yksinkertainen ja luotettava, ovat

    sdetyt oikosulkumoottorikytt kehittyessn syrjyttneet tasavirtamoottorikyttj

    yh vaativimmissa sovellutuskohteissa. Tll hetkell oikosulkumoottorikytn

    stominaisuudet ovat lhes tasavirtamoottorikyttjen ominaisuuksia vastaavat ja siksi

    uusista sdetyist moottorikytist noin 70% on vaihtovirtamoottorikyttj,

    vuosituhannen vaihteeseen menness luvun ennustetaan kasvavan 75%:iin. Kuvassa 11.2

    on esitetty eri tehoisten tasavirta- ja vaihtovirtakyttjen (DC, AC) sovellutuskohteita.

    Kuvassa suorituskyvyll tarkoitetaan lhinn kytn sdn vaativuutta.

    Kuva 11.2 Shkmoottorikyttjen sovellutuskohteita.

    11.2 Suuntaajat moottorikytiss

  • Moottoria syttvn suuntaajan valinta riippuu lhinn kytettviss olevan

    shkmoottorin ja syttverkon tyypist, eli toisin sanoen tehonsyttlaitteen tehtv on

    muokata shkenergiaa moottorille sopivaan muotoon. Tasasuuntauksessa

    shkenergiaa siirretn vaihtovirtaverkosta tasashkverkkoon, vaihtosuuntauksessa

    pinvastaiseen suuntaan. Tasa- ja vaihtosuuntaajien lisksi on olemassa tasa- ja

    vaihtovirtamuuttajia. Tasavirtamuuttajalla voidaan muuttaa tasashkverkon jnnitteen

    tasoa, vaihtovirtamuuttajalla voidaan muuttaa sek verkon taajuutta ett jnnitett. Eri

    suuntaajalajeja on havainnollistettu kuvassa 11.3.

    Kuva 11.3 Eri suuntaajatyypit, a) tasasuuntaaja, b) vaihtosuuntaaja, c) vaihtovirtamuuttaja,

    taajuudenmuuttaja, d) vaihtovirtamuuttaja, jnnitteen stlaite, e)

    tasavirtamuuttaja.

    11.2.1 Suuntaajissa kytetyt tehopuolijohdekytkimet

    Suuntaajalaitteiden pvirtapiirit toteutetaan tehopuolijohdekytkimill. Nimens

    mukaisesti niit kytetn kytkemn kuorma toistuvassa sekvenssiss haluttuun

    jnnitetasoon tai vaihejnnitteeseen. Mekaanisiin kytkimiin verrattuna niiden

    kytkentnopeudet ja tarkkuudet ovat aivan omaa luokkaansa, parhaat kytkimet yltvt

    usean kymmenen kHz:n kytkenttaajuuteen eli kymmeniin tuhansiin kytkentihin

    sekunnissa.

    Nykyisin yleisimmin moottorikyttjen syttlaitteissa kytettyj

    tehopuolijohdekomponentteja ovat diodi, tyristori, IGBT-transistori ( Insulated Gate

    Bipolar Transistor) ja GTO-tyristori ( Gate Turn-Off), joiden piirrosmerkit on esitetty

    kuvassa 11.4. Diodi on komponentti, jota kytetn yleisesti ohjaamattomissa

    tasasuuntauskytkenniss. Se pst virran kulkemaan virtapiiriss vain toiseen

    suuntaan, anodilta (A) katodille (K). Tyristoria


Program JA TO JA

Program JA TO JA

ESCUELA TRANSFORMADORA PARA LA PATRIA DIGNA 1ro. …...tumbas, tumbas y tumbas, ja, ja, ja, ja, ja. Tumbas por aquí, tumbas por allá, tumbas, tumbas y tumbas, ja, ja, ja, ja, ja.

ESCUELA TRANSFORMADORA PARA LA PATRIA DIGNA 1ro. …...tumbas, tumbas y tumbas, ja, ja, ja, ja, ja. Tumbas por aquí, tumbas por allá, tumbas, tumbas y tumbas, ja, ja, ja, ja, ja.

Muuntajat muutoksessa - tuotekehityksen tulos yli 100 vuoden ajalta

Muuntajat muutoksessa - tuotekehityksen tulos yli 100 vuoden ajalta

Ja ja ja – challenging a question's askability

Ja ja ja – challenging a question's askability

VALUHARTSIERISTEISET MUUNTAJAT - Klinkmannmedia.finnelectric.fi/catalogue/content/data_fe/Imefy/Finn_Electric... · TEKNISET OMINAISUUDET (REK. EU 548/2014 - IEC 60076-11 - IEC 50588-1)

VALUHARTSIERISTEISET MUUNTAJAT - Klinkmannmedia.finnelectric.fi/catalogue/content/data_fe/Imefy/Finn_Electric... · TEKNISET OMINAISUUDET (REK. EU 548/2014 - IEC 60076-11 - IEC 50588-1)

Toimintaympäristön ja toimintatapojen muutokset ... · • tausta ja taival • asiakkaat ja palvelut • rakentuminen, nykytila ja tulevaisuus • toiminta-ajatus, tavoitteet ja

Toimintaympäristön ja toimintatapojen muutokset ... · • tausta ja taival • asiakkaat ja palvelut • rakentuminen, nykytila ja tulevaisuus • toiminta-ajatus, tavoitteet ja

S !j t o c k b Lawn Ja r C i d e M u l i n s W om g e !j ......Ja Ja Ja Ja Ja J Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja J Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja

S !j t o c k b Lawn Ja r C i d e M u l i n s W om g e !j ......Ja Ja Ja Ja Ja J Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja J Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja

t Frankfurt am Main Johannes Ahrends Muss es …...Failsafe NEIN JA JA JA Online und Incremental Backup and Recovery JA JA JA JA Clusterware NEIN JA JA JA Bitmapped Index und Bitmapped

t Frankfurt am Main Johannes Ahrends Muss es …...Failsafe NEIN JA JA JA Online und Incremental Backup and Recovery JA JA JA JA Clusterware NEIN JA JA JA Bitmapped Index und Bitmapped

Moottoriajoneuvojen ja työkoneiden …Asennus- ja huoltoliike noudattaa suunnittelu- ja asennusohjeita Asennus- ja huoltoliikkeen on suunniteltava ja asennettava sammutusjärjestelmät

Moottoriajoneuvojen ja työkoneiden …Asennus- ja huoltoliike noudattaa suunnittelu- ja asennusohjeita Asennus- ja huoltoliikkeen on suunniteltava ja asennettava sammutusjärjestelmät

Den Richtigen finden › ... › 02 › Den-Richtigen-finden.pdf · 2020-02-18 · Haftungsdach ja nein ja nein nein nein nein nein nein Versicherungen ja ja ja nein ja ja ja ja ja

Den Richtigen finden › ... › 02 › Den-Richtigen-finden.pdf · 2020-02-18 · Haftungsdach ja nein ja nein nein nein nein nein nein Versicherungen ja ja ja nein ja ja ja ja ja

Jala ja rattaga, meil ja mujal, täna ja homme.

Jala ja rattaga, meil ja mujal, täna ja homme.

JA FAX-23-3333 TEL.63-5050 FAX.63-7227 JA JA JA JA JA JA · JA FAX-23-3333 TEL.63-5050 FAX.63-7227 JA JA JA JA JA JA . Created Date: 11/8/2018 1:11:16 PM

JA FAX-23-3333 TEL.63-5050 FAX.63-7227 JA JA JA JA JA JA · JA FAX-23-3333 TEL.63-5050 FAX.63-7227 JA JA JA JA JA JA . Created Date: 11/8/2018 1:11:16 PM

Serie 6 J6370 DE v1 - SAMSUNG... · innovative Bildverbesserungs-Technik dem Ge- ... Smart Hub Der Smart Hub ist ... Media Player Ja Ja Ja Ja Brief on TV Ja Ja Ja Ja

Serie 6 J6370 DE v1 - SAMSUNG... · innovative Bildverbesserungs-Technik dem Ge- ... Smart Hub Der Smart Hub ist ... Media Player Ja Ja Ja Ja Brief on TV Ja Ja Ja Ja

Sosiaali-ja terveysministeriönja · • Maakunta-ja sote-uudistuksen valmisteluun ja toimeenpanoon liittyvät tehtävät • Maakuntien sosiaali- ja terveydenhuollon arvioinnin ja

Sosiaali-ja terveysministeriönja · • Maakunta-ja sote-uudistuksen valmisteluun ja toimeenpanoon liittyvät tehtävät • Maakuntien sosiaali- ja terveydenhuollon arvioinnin ja

INGLISE KEEL Üldalused Õppe- ja kasvatuseesmärgidKodu ja lähiümbrus.Kodu ja perekond – ühistegemised ja traditsioonid. Lõiming läbivate teemadega:Keskkond ja jätkusuutlik

INGLISE KEEL Üldalused Õppe- ja kasvatuseesmärgidKodu ja lähiümbrus.Kodu ja perekond – ühistegemised ja traditsioonid. Lõiming läbivate teemadega:Keskkond ja jätkusuutlik

Sexo Debil La Mujer Ja Ja Ja

Sexo Debil La Mujer Ja Ja Ja

Terveyttä ja hyvinvointia edistävän taide- ja ... · HYVIEN KÄYTÄNTÖJEN TYÖKALUPAKKI - Toimintamallit ja käytännöt - Työvälineet ja käytännöt TOIMEENPANO JA TOTEUTUS

Terveyttä ja hyvinvointia edistävän taide- ja ... · HYVIEN KÄYTÄNTÖJEN TYÖKALUPAKKI - Toimintamallit ja käytännöt - Työvälineet ja käytännöt TOIMEENPANO JA TOTEUTUS

Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat - media.finnelectric.fimedia.finnelectric.fi/catalogue/content/data_fe/TMC/Valuhartsieri... · Muuntajat on valmistettu IEC 726, CEI 14-8 ja CEI

Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat - media.finnelectric.fimedia.finnelectric.fi/catalogue/content/data_fe/TMC/Valuhartsieri... · Muuntajat on valmistettu IEC 726, CEI 14-8 ja CEI

PCB ja dioksiinid töö- ja elukeskkonnas, terviseriskid ja vältimine

PCB ja dioksiinid töö- ja elukeskkonnas, terviseriskid ja vältimine

Cartridge Heaters, PDF-CAR-017 - ROTFIL · 2010. 9. 8. · 20 22 Ja 25 22 Ja 30 22 Ja 35 22 Ja 40 22 Ja 50 22 - 12 26 Ja 15 26 Ja 18 26 Ja 22 26 Ja 25 26 Ja 29 26 Ja 36 26 - 44 26

Cartridge Heaters, PDF-CAR-017 - ROTFIL · 2010. 9. 8. · 20 22 Ja 25 22 Ja 30 22 Ja 35 22 Ja 40 22 Ja 50 22 - 12 26 Ja 15 26 Ja 18 26 Ja 22 26 Ja 25 26 Ja 29 26 Ja 36 26 - 44 26