Asynkronmotorn - Löjligt enkel men ändå så svår att förstå
Den trefasiga asynkronmotorn eller "trefasinduktionsmotorn"
Hejsan grabbar och kanske tjejer med!
Asynkronmotorn har intresserat mig sedan jag för första gången såg närmare på den. Det var för ganska länge sedan, någon gång på sjuttiotalet tror jag när jag för första gången öppnade en sådan för att se hur den såg ut inuti och med det kunna konstatera hur den fungerade. Det gick inte alls. Jag stod bara där och liksom kliade mig i huvudet: Hur i h-e fungerar det här? Det fanns ju inget annat i den än den där runda järnklumpen som snurrade och en lindning i motorhuset.
I familjens bokhylla stod en upplaga av Nordisk Familjebok som jag greppade förtvivlat för att få klarhet. Under rubriken "Elektriska maskiner" hittade jag ett antal sidor. Jag läste igenom sidorna många gånger men fick aldrig något grepp om det då. Kunde bara inte förstå och det var så mycket runt om kring det hela som var så komplicerat. Jag var väl c:a 20 år då. Åren gick och kanske jag snappade upp lite då och då. För några år sedan tog jag upp ämnet på nytt och det var i samband med en studietid på Komvux där jag mer allmänt lärde mig hämta information ur texter. Med ett stort intresse grep jag nu mig an problemet. Åtskilliga timmar ägnades i diverse böcker åt Tesla's geniala uppfinning som vidareutveckades i Sverige av Jonas Wenström och som bidrog till ASEA:s storhet. Tyvärr gick dessa studier ibland före läxläsningen i övrigt, men utan tiden på KomVux, där jag bl.a. fick lära mig använda en dator, och införskaffade mig så småningom en egen, så hade nog aldrig den här tråden blivit till.
Nu upplever jag en viss behärskning av den enkla asynkronmotorn som ändå är så svår att fullständigt förstå. Genom att i böcker ta del av andras erfarenheter, och själv rent praktiskt, gjorde jag "studier av verkligheten". Sådant kallas empirism fick jag lära mig på KomVux.
Med bakgrund till att asynkronmotorn diskuteras på en annan tråd för tillfället tänkte jag redogöra några viktiga grunder vilka gör asynkronmotorn lättare att begripa.
1. Rotorn i en asynkronmotor har inga utbildade magnetpoler eftersom den magnetiseras med växelström som med frekvensen i hz växlar mellan nord- och sydpol. Rotorns magnetisering sker genom induktion från statorn. Frekvensen på rotorströmmen är inte nätets frekvens, utom när rotorn är stilla. Frekvensen i rotorn är proportionellt lika med varvtalsskillnaden mellan rotorn och det men nätfrekvensen synkront roterande magnetflödet i statorn. När motorn är i drift så är frekvensen på rotorströmmen mycket låg. Kanske 1-5 hz d.v.s. nästan likström. Det som kan tolkas som poler på rotorn är endast materialet (den laminerade järnkärnan) som finns mellan de strömförande rotorstavarna. Motorn som visas på den andra tråden har en s.k. kortsluten bur-rotor. Genom att vidareutveckla tekniken har man kunnat bygga frekvensomformaren som används bl.a. vid högvarviga asynkronmotordrivna träbearbetningsmaskiner exempelsvis en tappfräs.
2. Statorn har heller inga utbildade och synliga poler. Hastigheten på det roterande magnetflödet i statorn bestäms av nätfrekvensen (hz) och statorlindningens konstruktion. Den hastigheten är synkron med nätfrekvensen. Det är alltså hur statorn är lindad som avgör om motorn vid fullt effektuttag och 50 hz t.ex. gör 2880 r/m eller 1440 r/m eller som man mer rätt beskriver att den är 2- eller 4-polig. Rotorn måste gå lite saktare annars uppstår ingen induktion som kan göra en magnetisk. Den lilla varvtalsskillnad som är mellan rotorn och det med nätet synkront roterande magnetflödet i statorn kallas eftersläpning. Eftersläpningen vill man hålla så låg som möjligt eftersom den orsakar värmeutveckling som minskar motorns verkningsgrad. Maskinen har fått namnet asynkronmotor därför att verkningssättet bygger på att rotorn inte är magnetiskt synkront förbunden med statorns roterande magnetflöde.
Är ni med nu? När motorn belastas sjunker varvtalet. Det medför att frekvensen på rotorströmmen ökar och med högre frekvens ökar även induktionen till rotorn. Den ökade induktionen ökar rotorns magnetisering som i sin tur ökar rotorns bindning till statorns med nätfrekvensen roterande magnetflöde. Därmed ökar också motorns vridande moment. Momentökningen pågår ända tills motorn börja "tjippa" och detta moment blir det högsta vridande moment som motorn kan avge. Följakligen kallas detta moment för kippmoment.
Jag nämnde tidigare att man eftersträvar en låg eftersläpning för att undvika alltför stor värmeutveckling. Om motorn tillförs en lägre matningsspänning än vad den är avsedd för ökar eftersläpningen och därmed värmeutvecklingen. Därför kan en asynkronmotor paradoxalt nog bli överhettad om den matas med för låg spänning när den är belastad. Det är något som man kanske vanligtvis inte tänker på. Därför använder man skyddsanordningar som kan bryta strömmen s.k. underspänningsutlösning vid drift av större asynkronmotorer. T.ex. en större luftkompressor som står i ett kompressorrum utan annan övervakning.
Ni förstår kanske nu varför asynkronmotorn har så hög startström. Det beror alltså på att induktionen är högst i startögonblicket eftersom nätfrekvensen uppstår i den kortslutna rotorn därför den inte roterar just då. Följaktligen blir det då även "kortslutning" i statorn vilken begränsas av statorns induktiva motstånd. Tilläggas i sammanhanget kan göras att startströmmen minskar med ökat poltal. En 8-polig asynkronmotor har betydligt lägre startström än en 2-polig. Detta på grund av att antalet lindningshärvor ökar med poltalet, därmed ökar också det induktiva motståndet. Statorn i sig är också en drossel. Vid ökat poltal ökar motorns behov av reaktiv effekt därmed blir motorns märkström större. Kanske måste då ledningsarean ökas och kanske måste också något större säkringar användas.
Reaktiv effekt och reaktiv ström är en annan viktig del i sammanhanget. Den går inte att mäta, vad jag vet, den räknas istället ut matematiskt. Det går att göra med ett ganska enkelt diagram där man mäter vinklar och längder på diagrammets axlar och kan på så sätt skilja den aktiva strömmen från den reaktiva. En bild på ett sådant diagram som jag gjorde då finns nedan.
En viss motors behov av reaktiv effekt anges med motorns effektfaktor och den brukar vara angiven på motorns typskylt. Ex. kan det stå: Cos fi = 0,86 och det är ett förhållande mellan den aktiva och den reaktiva strömmens vinklar, vilket går att mäta på vektordiagrammet. Skulle faktorn vara "1" är strömmen helt aktiv, och "0" strömmen helt reaktiv. Motorns effektfaktor är beroende av tillförda spänningen. Ändras spänningen så ändras också effektfaktorn och strömstyrkan. Rent generellt kan man säga att spänningen inte bör avvika mer än 5 % än den som anges på motorns typskylt. Äldre 380 V motorer går därmed alldeles utmärkt att använda på det nya 400 V nätet. Det som händer är att magnetiseringen ökar något medans eftersläpningen minskar något. Vilket även kan uttryckas som att järnförlusterna ökar men rotorförlusterna minskar. Skillnaderna i de båda förlusterna tar i stort sett ut varandra vid mindre spänningsavvikelser som den här.
Nu mer konkret till daniel.h och han projekt som jag kan likna vid en större tre-fasig cykelgenerator.
Den kommer säkert att med bättre eller sämre resultat fungera så småningom men den blir omöjlig att spänningsreglera eftersom den magnetiseras med permanentmagneter.
Ställer mig dock tvivlande till om det går med lyckat resultat att ta vilket statorhus som helst från en asynkronmotor och sätta t.ex. en 4-polig magnetrotor i. I så fall måste man nog förvissa sig om att statorlindningens uppbyggnad stämmer överens med magnetrotorns antal poler eftersom statorn är olika uppbyggd beroende på vilket poltal asynkronmotorn har. Ett råd jag kan ge är att ringa till en lindarverkstad, t.ex. BEVI i Blomstermåla och be att få tala med någon tekniskt kunnig på lindarverkstaden. De borde veta något om det här.
Jag gissar på att motorns poltal måste stämma med magnetrotorns poltal, men säker är jag inte. Det fordras en mer kunnig inom området än jag för att svara på det.
Kritik, kommentarer, synpunkter och frågor är mycket välkomna. Det här är ett ämne värt att diskutera tycker jag i synnerhet med tanke på att asynkronmotorn även fungerar omvänt som generator. Som generator används den ofta till vindkraftverk, mindre reservelverk och i mindre vattenkraftstationer. Den kallas då asynkrongenerator och anpassas konstruktionsmässigt efter sitt ändamål men några större skillnader gentemot asynkronmotorn är det inte så vitt jag vet.
Jag ska sluta med en intressant fråga:
Är det någon som kan tala om varför rotorstavarna och rotorspåren inte är parallella med rotorn utan istället är något vridna i spiralform?
Ledtrådar:
1. Den som svarar rätt har kanske tittat lite närmare på historien när asynkronmotorn konstruerades.
2. Spiralformen fyller ingen funktion när asynkronmotorn används som generator.
En gammal mindre ASEA släpringad asynkronmotor finns på golvet som prydnad i mitt ganska röriga sovrum. Tycker det är tråktigt att den ska behöva stå på golvet så jag är på jakt efter en kraftig pidestal att ställa den på för jag tycker den förtjänar en mer upphöjd status. Kanske är jag lite "nörd" i alla fall.
Hejsan grabbar och kanske tjejer med!
Asynkronmotorn har intresserat mig sedan jag för första gången såg närmare på den. Det var för ganska länge sedan, någon gång på sjuttiotalet tror jag när jag för första gången öppnade en sådan för att se hur den såg ut inuti och med det kunna konstatera hur den fungerade. Det gick inte alls. Jag stod bara där och liksom kliade mig i huvudet: Hur i h-e fungerar det här? Det fanns ju inget annat i den än den där runda järnklumpen som snurrade och en lindning i motorhuset.
I familjens bokhylla stod en upplaga av Nordisk Familjebok som jag greppade förtvivlat för att få klarhet. Under rubriken "Elektriska maskiner" hittade jag ett antal sidor. Jag läste igenom sidorna många gånger men fick aldrig något grepp om det då. Kunde bara inte förstå och det var så mycket runt om kring det hela som var så komplicerat. Jag var väl c:a 20 år då. Åren gick och kanske jag snappade upp lite då och då. För några år sedan tog jag upp ämnet på nytt och det var i samband med en studietid på Komvux där jag mer allmänt lärde mig hämta information ur texter. Med ett stort intresse grep jag nu mig an problemet. Åtskilliga timmar ägnades i diverse böcker åt Tesla's geniala uppfinning som vidareutveckades i Sverige av Jonas Wenström och som bidrog till ASEA:s storhet. Tyvärr gick dessa studier ibland före läxläsningen i övrigt, men utan tiden på KomVux, där jag bl.a. fick lära mig använda en dator, och införskaffade mig så småningom en egen, så hade nog aldrig den här tråden blivit till.
Nu upplever jag en viss behärskning av den enkla asynkronmotorn som ändå är så svår att fullständigt förstå. Genom att i böcker ta del av andras erfarenheter, och själv rent praktiskt, gjorde jag "studier av verkligheten". Sådant kallas empirism fick jag lära mig på KomVux.
Med bakgrund till att asynkronmotorn diskuteras på en annan tråd för tillfället tänkte jag redogöra några viktiga grunder vilka gör asynkronmotorn lättare att begripa.
1. Rotorn i en asynkronmotor har inga utbildade magnetpoler eftersom den magnetiseras med växelström som med frekvensen i hz växlar mellan nord- och sydpol. Rotorns magnetisering sker genom induktion från statorn. Frekvensen på rotorströmmen är inte nätets frekvens, utom när rotorn är stilla. Frekvensen i rotorn är proportionellt lika med varvtalsskillnaden mellan rotorn och det men nätfrekvensen synkront roterande magnetflödet i statorn. När motorn är i drift så är frekvensen på rotorströmmen mycket låg. Kanske 1-5 hz d.v.s. nästan likström. Det som kan tolkas som poler på rotorn är endast materialet (den laminerade järnkärnan) som finns mellan de strömförande rotorstavarna. Motorn som visas på den andra tråden har en s.k. kortsluten bur-rotor. Genom att vidareutveckla tekniken har man kunnat bygga frekvensomformaren som används bl.a. vid högvarviga asynkronmotordrivna träbearbetningsmaskiner exempelsvis en tappfräs.
2. Statorn har heller inga utbildade och synliga poler. Hastigheten på det roterande magnetflödet i statorn bestäms av nätfrekvensen (hz) och statorlindningens konstruktion. Den hastigheten är synkron med nätfrekvensen. Det är alltså hur statorn är lindad som avgör om motorn vid fullt effektuttag och 50 hz t.ex. gör 2880 r/m eller 1440 r/m eller som man mer rätt beskriver att den är 2- eller 4-polig. Rotorn måste gå lite saktare annars uppstår ingen induktion som kan göra en magnetisk. Den lilla varvtalsskillnad som är mellan rotorn och det med nätet synkront roterande magnetflödet i statorn kallas eftersläpning. Eftersläpningen vill man hålla så låg som möjligt eftersom den orsakar värmeutveckling som minskar motorns verkningsgrad. Maskinen har fått namnet asynkronmotor därför att verkningssättet bygger på att rotorn inte är magnetiskt synkront förbunden med statorns roterande magnetflöde.
Är ni med nu? När motorn belastas sjunker varvtalet. Det medför att frekvensen på rotorströmmen ökar och med högre frekvens ökar även induktionen till rotorn. Den ökade induktionen ökar rotorns magnetisering som i sin tur ökar rotorns bindning till statorns med nätfrekvensen roterande magnetflöde. Därmed ökar också motorns vridande moment. Momentökningen pågår ända tills motorn börja "tjippa" och detta moment blir det högsta vridande moment som motorn kan avge. Följakligen kallas detta moment för kippmoment.
Jag nämnde tidigare att man eftersträvar en låg eftersläpning för att undvika alltför stor värmeutveckling. Om motorn tillförs en lägre matningsspänning än vad den är avsedd för ökar eftersläpningen och därmed värmeutvecklingen. Därför kan en asynkronmotor paradoxalt nog bli överhettad om den matas med för låg spänning när den är belastad. Det är något som man kanske vanligtvis inte tänker på. Därför använder man skyddsanordningar som kan bryta strömmen s.k. underspänningsutlösning vid drift av större asynkronmotorer. T.ex. en större luftkompressor som står i ett kompressorrum utan annan övervakning.
Ni förstår kanske nu varför asynkronmotorn har så hög startström. Det beror alltså på att induktionen är högst i startögonblicket eftersom nätfrekvensen uppstår i den kortslutna rotorn därför den inte roterar just då. Följaktligen blir det då även "kortslutning" i statorn vilken begränsas av statorns induktiva motstånd. Tilläggas i sammanhanget kan göras att startströmmen minskar med ökat poltal. En 8-polig asynkronmotor har betydligt lägre startström än en 2-polig. Detta på grund av att antalet lindningshärvor ökar med poltalet, därmed ökar också det induktiva motståndet. Statorn i sig är också en drossel. Vid ökat poltal ökar motorns behov av reaktiv effekt därmed blir motorns märkström större. Kanske måste då ledningsarean ökas och kanske måste också något större säkringar användas.
Reaktiv effekt och reaktiv ström är en annan viktig del i sammanhanget. Den går inte att mäta, vad jag vet, den räknas istället ut matematiskt. Det går att göra med ett ganska enkelt diagram där man mäter vinklar och längder på diagrammets axlar och kan på så sätt skilja den aktiva strömmen från den reaktiva. En bild på ett sådant diagram som jag gjorde då finns nedan.
En viss motors behov av reaktiv effekt anges med motorns effektfaktor och den brukar vara angiven på motorns typskylt. Ex. kan det stå: Cos fi = 0,86 och det är ett förhållande mellan den aktiva och den reaktiva strömmens vinklar, vilket går att mäta på vektordiagrammet. Skulle faktorn vara "1" är strömmen helt aktiv, och "0" strömmen helt reaktiv. Motorns effektfaktor är beroende av tillförda spänningen. Ändras spänningen så ändras också effektfaktorn och strömstyrkan. Rent generellt kan man säga att spänningen inte bör avvika mer än 5 % än den som anges på motorns typskylt. Äldre 380 V motorer går därmed alldeles utmärkt att använda på det nya 400 V nätet. Det som händer är att magnetiseringen ökar något medans eftersläpningen minskar något. Vilket även kan uttryckas som att järnförlusterna ökar men rotorförlusterna minskar. Skillnaderna i de båda förlusterna tar i stort sett ut varandra vid mindre spänningsavvikelser som den här.
Nu mer konkret till daniel.h och han projekt som jag kan likna vid en större tre-fasig cykelgenerator.
Den kommer säkert att med bättre eller sämre resultat fungera så småningom men den blir omöjlig att spänningsreglera eftersom den magnetiseras med permanentmagneter.
Ställer mig dock tvivlande till om det går med lyckat resultat att ta vilket statorhus som helst från en asynkronmotor och sätta t.ex. en 4-polig magnetrotor i. I så fall måste man nog förvissa sig om att statorlindningens uppbyggnad stämmer överens med magnetrotorns antal poler eftersom statorn är olika uppbyggd beroende på vilket poltal asynkronmotorn har. Ett råd jag kan ge är att ringa till en lindarverkstad, t.ex. BEVI i Blomstermåla och be att få tala med någon tekniskt kunnig på lindarverkstaden. De borde veta något om det här.
Jag gissar på att motorns poltal måste stämma med magnetrotorns poltal, men säker är jag inte. Det fordras en mer kunnig inom området än jag för att svara på det.
Kritik, kommentarer, synpunkter och frågor är mycket välkomna. Det här är ett ämne värt att diskutera tycker jag i synnerhet med tanke på att asynkronmotorn även fungerar omvänt som generator. Som generator används den ofta till vindkraftverk, mindre reservelverk och i mindre vattenkraftstationer. Den kallas då asynkrongenerator och anpassas konstruktionsmässigt efter sitt ändamål men några större skillnader gentemot asynkronmotorn är det inte så vitt jag vet.
Jag ska sluta med en intressant fråga:
Är det någon som kan tala om varför rotorstavarna och rotorspåren inte är parallella med rotorn utan istället är något vridna i spiralform?
Ledtrådar:
1. Den som svarar rätt har kanske tittat lite närmare på historien när asynkronmotorn konstruerades.
2. Spiralformen fyller ingen funktion när asynkronmotorn används som generator.
En gammal mindre ASEA släpringad asynkronmotor finns på golvet som prydnad i mitt ganska röriga sovrum. Tycker det är tråktigt att den ska behöva stå på golvet så jag är på jakt efter en kraftig pidestal att ställa den på för jag tycker den förtjänar en mer upphöjd status. Kanske är jag lite "nörd" i alla fall.