Raportti

2.12.2008

Tasavirtakone

xxxxxxx nimi nimi 0278116 Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

store.hasseb.fi

1

SISLLYSLUETTELO MERKINNT JA LYHENTEET ............................................................................................................. 21. JOHDANTO ..................................................................................................................................... 32. TASAVIRTAKONE ......................................................................................................................... 4

2.1 Tasavirtakoneiden ominaisuuksia ............................................................................................. 42.1.1 Kommutointi ......................................................................................................................... 42.1.2 Ankkurireaktio ja sen kompensointi ..................................................................................... 52.1.3 Tasavirtakoneen pyrimisnopeus .......................................................................................... 62.1.4 Tasavirtakoneen ilmavlin shkvntmomentti ................................................................ 72.1.5 Ryntminen ......................................................................................................................... 8

2.2 Tasavirtakoneen magnetointi .................................................................................................... 82.2.1 Vierasmagnetoitu tasavirtakone .......................................................................................... 102.2.2 Sivuvirtakone ...................................................................................................................... 102.2.3 Sarjakone ............................................................................................................................. 102.2.4 Kompaundikone .................................................................................................................. 11

2.3 Tasavirtakoneen kynnistys .................................................................................................... 112.4 Tasavirtakoneen pyrimisnopeuden st .............................................................................. 12

2.4.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyrimisnopeuden st ....................................... 122.4.2 Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeuden st ...................................................................... 132.4.3 Sarjamoottorin pyrimisnopeuden st ............................................................................. 132.4.4 Kompaundimoottorin pyrimisnopeuden st .................................................................. 14

2.5 Tasavirtamoottorin kyrmuotoja ........................................................................................... 142.5.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin ominaiskyri ....................................................... 142.5.2 Sivuvirtamoottorin ominaiskyri....................................................................................... 142.5.3 Sarjamoottorin ominaiskyri ............................................................................................. 152.5.4 Kompaundimoottorin ominaiskyri .................................................................................. 16

3. MITTAUKSET ............................................................................................................................... 173.1 Tyhjkyntikoe, kun magnetointivirta on vakio ..................................................................... 173.2 Tyhjkyntikoe, kun ankkurijnnite on vakio ......................................................................... 173.3 Kuormituskoe .......................................................................................................................... 18

4. MITTAUSTULOSTEN ANALYSOINTI ...................................................................................... 194.1 Pyrimisnopeuskuvaajat ......................................................................................................... 194.2 Generaattorin hytysuhde ....................................................................................................... 204.3 Tasavirtakoneen yleisi ominaisuuksia ................................................................................... 21

5. YHTEENVETO .............................................................................................................................. 23LIITTEET ............................................................................................................................................... 25

2

MERKINNT JA LYHENTEET

Merkinnt a ankkurikmityksen haaraparien mr C koneen rakenteesta riippuva vakio E shkmotorinen voima f taajuus F voima I virta k koneen rakenteesta riippuva vakio M momentti n pyrimisnopeus N johdinkierrosten lukumr p napapariluku P teho R resistanssi s sauvaluku ankkurin pinnalla t aika U jnnite Kreikkalaiset magneettivuo

kulmataajuus muutos Alaindeksit 0 tyhjkynti a ankkuri m magnetointi mek mekaaninen n nimellinen r remanenssi s shkinen Lyhenteet mmv magnetomotorinenvoima

3

1. JOHDANTO

Shkkone on yleisnimitys shkmoottoreille ja shkgeneraattoreille. Shkmoottori on shkkone, jonka pasiallinen tarkoitus on muuttaa shkenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Generaattori on puolestaan shkkone, jonka pasiallinen tarkoitus on muuttaa mekaanista energiaa shkiseksi energiaksi. Periaatteessa tasashkmoottorin ja tasashkgeneraattorin rakenne ei eroa toisistaan. Samaa konetta voidaan siis kytt sek moottorina ett generaattorina. Nykyisin tasavirtageneraattori on harvinainen, sill useimmiten tasavirta tuotetaan vaihtovirtaverkosta tasasuuntaajilla. Tss tyss tutkitaan tasavirtakoneiden trkeimpi ominaisuuksia, sek eri magnetoimistapojen vaikutusta moottorin ominaisuuksiin.

4

2. TASAVIRTAKONE

Pyrivt shkkoneet voidaan shkisen toimintaperiaatteensa mukaan jakaa vaihtoshkkoneisiin ja tasavirtakoneisiin. Tasavirtakone on kone joka on nimens mukaisesti suunniteltu toimimaan tasavirralla. Tasavirtakoneessa kommutaattori toimii mekaanisena vaihtosuuntaajana. Tss mieless tasavirtakoneen ja vaihtovirtakoneen vntmomentin tuottamisperiaate on sama. Vaikkakin tasavirtakoneen liitinjnnite on tasajnnitett, kun taas vaihtovirtakoneen liitinjnnite on vaihtojnnitett.

2.1 Tasavirtakoneiden ominaisuuksia

2.1.1 Kommutointi Tasavirtageneraattorin ankkurikmitykseen indusoituu generaattorin pyriess vaihtoshkmotorinen jnnite. Koska indusoitunut jnnite on vaihtojnnitett, on se generaattoreissa tasasuunnattava ja moottoreissa vastaavasti syttv tasajnnite vaihtosuunnattava. Tt toimenpidett nimitetn kommutoinniksi ja sen suorittaa kommutaattori. Kommutaattorin ja kommutoinnin periaate on esitetty kuvassa 2.1.

Kuva 2.1. Kommutaattorin ja kommutoinnin periaate.[1]

Kommutaattori on siis periaatteessa mekaaninen tasa-vaihtosuuntaaja. Roottorin liukurengas on halkaistu kahdeksi puolikkaaksi ja kommutaattorin hiiliharjat asetettu niin, ett harjojen vlinen jnnite tulee generaattorissa tasasuunnatuksi. Moottorissa vastaavasti tasajnnite tulee vaihtosuunnatuksi,

5

jonka seurauksena roottori alkaa pyri pnapojen muodostamassa magneettikentss. Kuvassa 2.2 on esitetty kommutoidun tasavirtageneraattorin jnnite ja virta, kun piirin induktanssi on nolla.

Kuva 2.2. Tasavirtageneraattorin jnnite ja virta, induktanssin arvolla nolla.[1]

2.1.2 Ankkurireaktio ja sen kompensointi Ideaalitapauksessa tasashkkoneen ainoa magneettikentt olisi pnavoilla. Ankkuripiiriss kulkeva virta muodostaa kuitenkin oman magneettikentn. Mikli harjat sijaitsevat neutraalitasossa eli kohtisuorassa pnapoja vastaan, on ankkurivirran muodostama magneettikentt kohtisuorassa pnapojen magneettikentt vastaan. Ilmit kutsutaan ankkurireaktioksi, jolloin syntynyt kentt vrist pmagneettikentt kuvan 2.3 mukaisesti.

Kuva 2.3. Tasashkgeneraattorin ankkurireaktio.[1]

Ilmi on sama sek generaattorissa, ett moottorissa. Ainoastaan ankkuripiirin muodostaman kentn suunta on virran suunnasta johtuen vastakkainen. Ankkurireaktio voidaan kumota sijoittamalla pnapojen P vliin kntnavat K, kuvan 2.4 mukaisesti. Koska kntnapojen kautta kulkee koko ankkurivirta, vaihtelee mys niiden synnyttm kntnapakentt kuormituksen mukaan, kumoten ankkurireaktion.

Kuva 2.4.

Toinen tapasennettavanapakenkieosan aihekntnapo

2.1.3 Tas

Tasavirtakoshkmoto

jossa k on k Tasashkkmoottorikliitinjnniteverran pien

ja kynnisty

Kntna

pa kompensat kompeen uriin. Koeuttaman ojen kanssa

savirtakone

oneen pyrinen jnnit

E kn

koneen rake

koneen olytss se oett U kmnempi. Kuor

EU

yneen moot

EU

apojen sijoitus

soida ankkensointikmompensointikmagneettikekuvan 2.4 m

een pyrim

rimisnopeute E riippuu

,

enteesta riipp

llessa genon syttvmin jnnitehrmitetun gen

Aa RI

ttorin liitinj

Aa RI .

s ja vaikutus ta

kurivirran vmitykset. kmiss kuentn. Tavmukaisesti.

misnopeus

us voidaan pyrimisno

puva vakio.

neraattorikyn liitinjnnhvin IaRaneraattorin l

nnite

6

asashkmoot

vaikutusta mTasavirtak

ulkeva ankkvallisesti

laskea yopeudesta ja

.

ytss E nitteen vasta

verran suuliitinjnnite

ttorissa.[4]

magneettikeoneissa k

kurivirta pyrkompensoin

yksinkertaista magneettiv

toimii sajnnite. Gurempi ja m

on siis

nttn on kompensoinrkii kumoamntikmityst

ten yhtlivuosta yhtl

hklhteeneneraattorin

moottorissa

lhelle ankntikmitys maan ankkut kytet

iden avullaln 2.1 muk

(2.1)

n lhdejnn tapauksesvastaavan j

(2.2)

(2.3)

kkurin pintasijoitetaa

ripiirin muun yhdess

a. Ankkurkaisesti

nnitteen jssa E on sijnnitehvi

aa an un s

rin

ja iis n

7

Yhtliden 2.1 ja 2.2 avulla voidaan tasavirtageneraattorin pyrimisnopeudelle johtaa yhtl

kRIU

n aa

. (2.4)

Vastaavasti tasavirtamoottorin pyrimisnopeudeksi saadaan yhtliden 2.1 ja 2.3 perusteella

kRIU

n Aa

. (2.5)

2.1.4 Tasavirtakoneen ilmavlin shkvntmomentti Tasavirtakoneen ankkurin kehittm shkteho eli ankkuriteho Pa on ohmin lain mukaan aa EIP (2.6)

Mekaniikan mukaan ankkurin kokonaisshktehoa vastaa koneen ilmavliss vaikuttava shkvntmomentti

nP

M a2

(2.7)

Yhtlt 2.7, 2.6 ja 2.1 yhdistmll saadaan shkvntmomentti muotoon

aIkM 2

. (2.8)

Koneen rakenteesta riippuva vakio k voidaan kirjoittaa mys muodossa

pska

, (2.9)

jossa p on napapariluku, s sauvaluku ankkurin pinnalla ja a ankkurikmityksen haaraparien mr. Nyt moottorin shkvntmomentti voidaan kirjoittaa muotoon

2 a apsM I C I

a

, (2.10)

jossa C on koneen rakenteesta riippuva vakio.

8

2.1.5 Ryntminen

Sarjamoottorissa pnapojen magnetointikmitys on kytketty sarjaan ankkuripiirin kanssa kuvan 2.5 mukaisesti.

Kuva 2.5. Sarjamoottorin virtapiiripiirros.[1]

Tarkasteltaessa kuvaa 2.5 ja yhtl 2.11 nhdn, ett tyhjkynniss, jossa 0aI eli on pieni,

sarjamoottorin pyrimisnopeus olisi

kUn 0 . (2.11)

Yhtln 2.11 mukaan sarjamoottorin pyrimisnopeus tyhjkynniss on erittin suuri. Ilmit, jossa pyrimisnopeus saavuttaa tyhjkynniss vaarallisen suuren arvon, kutsutaan ryntmiseksi. Tst syyst sarjamoottorin kytss on huolehdittava siit, ett moottori ei koskaan joudu tyhjkyntiin. Liitettess moottori kuormaan on huolehdittava siit, ett liitnt moottorin ja kuorman vliss ei pse katkeamaan, joten esimerkiksi hihnakytt ei tule kysymykseen.

2.2 Tasavirtakoneen magnetointi

Tasashkkoneen kytttekniset ominaisuudet riippuvat ratkaisevasti magnetointitavasta. Magnetointitavan perusteella tasavirtakoneet voidaan jakaa vierasmagnetoituihin, sivuvirta-, sarja- ja kompaundikoneisiin. Tasavirtakone magnetoidaan pnavoille asennettujen kmitysten avulla(kuva 2.6).

Kuva 2.6.

Magnetointepideaalis

Kuva 2.7.

Pvuo kuljnnitteen magnetoitu

Kuvassa

Ankkurik

tikmitystesuuksien aih

Tasavirta

lkee siis anksyntymisee

umiskyr on

on esitetty

kmitys, 3. K

en aikaansaheuttama haj

akoneen pvu

kkurin kautten ankkurissn esitetty ku

y tasavirtako

Kommutaattori

aamaa vuotjavuo. P-

uo ja hajavu

ta ja hajavusa. Hajavuouvassa 2.8.

9

oneen perusr

i, 4. Staattorin

ta kutsutaanja hajavuo o

uo . [1]

uo ankkurin o vaikuttaa

rakenne. 1.

n keh.

n yleisesti on esitetty k

ohitse. Vaia pnapoje

Magnetointi

pvuoksi.kuvassa 2.7.

in pvuo ven kyllstym

ikmitys ja

. Lisksi p

.

vaikuttaa shmiseen. Tas

a pnapa,

piiriin synty

hkmotorisesavirtakonee

2.

yy

en en

Kuva 2.8.

Pnavalle johdinkierr

2.2.1 VieVierasmagnVierasmagnja vntmpyrimisno

2.2.2 SivuSivuvirtakopysyy likimvoisi lukeapvuota, j

2.2.3 Sar

SarjakoneeankkuripiirTst syystkuormitusvja kasvaa n

Tasavirta

syntyv rosten N tulo

erasmagnet

netoidussa netoidun ta

momentti suopeuden ja v

uvirtakone

oneessa on pmain vakiona tasaisen oka aiheutta

rjakone

essa on prin kanssa st mys sarjvirran nelinopeasti kuo

akICM

akoneen magn

magnetomoo. Pnavan

toitu tasavir

tasavirtasavirtamoot

uurenee verrvntmome

e

pnavoille na vaikka kpyrimisno

aa shkisen

navoille assarjaan. Sarjjamoottorin n yhtlt (2ormituksen k

2aa CII

netoitumiskyr

otorinen von mmv F syn

rtakone

akoneessa ttorin pyrimrattain jyrkentin sto

asennettu vkoneen kuoopeuden. Knvntmom

sennettu vajakoneessa vntmom2.12) ja (2.kasvaessa.

10

r.[1]

oima F onnytt pv

magnetoimisnopeus sti kuormiominaisuude

vain sivuvirtormitus muuKuorman mumentin hitaa

ain sarjakmagnetointi

mentti kasva13). Sarjam

on magnetovuon .

intivirta muuttuu va

ituksen kasvet.

takmitys. uttuisi. Sivuuuttuessa aamman kasv

mitys, jokaivirtana toimaa kuormitu

moottorin tuo

ointi virran

otetaan ain vhn kvaessa. Ts

Sivuvirtakouvirtakoneenankkurireakvun ankkuri

a nimens mii siis ank

uksen kasvaeottama vn

n Im ja y

ulkoisesta kuormituksenst syyst si

oneessa magn hyviin om

ktio kuitenkvirtaan nhd

mukaisesti kkuri- eli kuessa ja on v

ntmomentti

(2.12) (2.13)

yhden nava

lhteestn muuttuessill on hyv

gnetointivirminaisuuksikin pienentden.

on kytkettuormitusvirterrannollinei on siis hyv

an

t. sa

vt

rta in

ty ta. en v

11

2.2.4 Kompaundikone

Kompaundikoneessa on sek sarja- ett sivuvirtakmitykset. Sivuvirtakmitykset toimivat yleens varsinaisina magnetointikmityksin ja sarjakmityksill joko heikennetn tai vahvistetaan sivuvirtakmityksen muodostamaa magneettikentt. Mikli sarjakmitys heikent kentt kutsutaan konetta vastakompaundoituksi ja kun se vahvistaa kentt kutsutaan sit mytkompaundoituksi tasavirtakoneeksi. Kentn heikentv kmitys ei saa olla liian suuri, koska kuormituksen muuttuessa tarvitaan lis vntmomenttia, joka on vuon funktio. Heikentv kmitys heikent vuota sek ankkurireaktio heikentvt vuota ankkurivirran kasvaessa. Liian voimakas kentn heikennys kmi voi siis saada systeemin epstabiiliksi.

2.3 Tasavirtakoneen kynnistys

Moottorin kynnistyminen on muutostila, jossa moottorin ja siihen kytketyn kuorman pyrimisnopeus muuttuu nopeasti nollasta kyttnopeuteen. Kynnistyminen on moottorin toiminnan kannalta erikoistilanne, jossa moottorin ottama virta, kehittm vntmomentti ja lmpeneminen poikkeavat normaalista nimelliskytst. Kynnistyshetkell moottorin magnetoitumiseen tarvittava energia, pyrivien osien hitausmomenttien varastoima liike-energia, sek kuorman vaatima mekaaninen energia otetaan shkverkosta, joka aiheuttaa hyvin suuren virtapiikin kynnistyshetkelle. Kynnistysvirta voi olla jopa kymmenkertainen nimellisvirtaan nhden. Vierasmagnetoitua moottoria kynnistess on otettava huomioon ett magnetointivirta on varmasti kytketty ja arvokilvess ilmoitetun suuruinen, jotta riittv kynnistysmomentti saadaan aikaiseksi. Jos kynnistysmomentti ei ole riittv ja piiriin sytetn virtaa voi se lmmet liikaa. Moottoria kynnistettess on otettava huomioon ett moottoripiirin resistanssi koostuu pelkstn ankkuripiirin resistanssista, joka on hyvin pieni. Moottori on siis kytnnss oikosulussa. Jotta vltytn oikosulun aiheuttamalta virran nousulta, on moottori kynnistettv nostamalla shklhteen jnnitett asteittain tai asentamalla piiriin stvastus sarjaan moottorin kanssa. Kynnistyksess piirin virran yhtl on yksinkertaistettuna

aS RR

UI

, (2.14)

jossa IS on kynnistysvirta, Ra ankkuripiirin resistanssi, R sarjavastuksen arvo ja U liitinjnnite. Ankkurin lhdetty pyrimn indusoituu ankkurikmitykseen vastashkmotorinen voima, joka pienent ankkurivirtaa. Sarjavastus on oltava alussa suurimmillaan ja pienennettv sit portaittain,

12

jotta piirin virta ei pse kasvamaan liian suureksi. Ankkurin lhdetty pyrimn on moottoripiirin virta

aRREUI

, (2.15)

jossa E on ankkurikmityksiin indusoitunut shkmotorinen voima. Sivuvirtamoottori kynnistetn kuten vierasmagnetoitu moottorikin. Erona on ett nyt magnetointivirta tulee samasta lhteest kuin ankkurivirta. Kynnistmisess on kuitenkin huomioitava ett stvastuksilla ei rajoiteta virtaa nimellist pienemmksi. Mys sarja- ja kompoundimoottorit kynnistetn kuten vierasmagnetoitumoottori.

2.4 Tasavirtakoneen pyrimisnopeuden st

Tasavirtakone on aina ollut helposti sdettv, ja tyristorien kehittyminen on mahdollistanut tasavirtakoneiden kyttmisen todella vaativiin kyttihin. Varsinkin tysin kompensoidun tasashkkoneen ominaisuudet ovat stteknisesti erinomaiset. Tasashkmoottorin pyrimisnopeuteen voidaan yhtln 2.5 perusteella vaikuttaa kolmella eri tavalla: ankkurijnnitett, magnetoimisvirtaa tai ankkuripiirin resistanssia muuttamalla. Kytnnn moottorin sttapa riippuu paljon sen magnetointitavasta. Tasavirtageneraattorin pyrimisnopeuden stminen tapahtuu ppiirteittin samalla tavalla kuin tasavirtamoottorin, tosin tasavirtageneraattoreiden tapauksessa generaattoriin liitetty kuorma mr millainen jnnite ja virta generaattorilta vaaditaan. Tasavirtageneraattorin pyrimisnopeusyhtlst 2.4 havaitaan, ett haluttu jnnite sek virta ovat saavutettavissa pyrimisnopeutta tai magnetointia muuttamalla. Jos tasavirtageneraattorin pyrimisnopeutta halutaan muuttaa jnnitteen ja virran ollessa vakio, on sen tapahduttava magnetointia muuttamalla.

2.4.1 Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyrimisnopeuden st Tasavirtamoottorin pyrimisnopeusyhtln (yhtl 2.5) mukaan ankkurijnnitteen U pienentminen pienent pyrimisnopeutta. Vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyrimisnopeutta voidaan siis st muuttamalla ankkuripiiriin vaikuttavaa jnnitett. Ankkurijnnitteen stalue on yleens

nUU ...0 .

Koska tasavirtamoottorin pvuo on riippuvainen magnetoimisvirrasta Im, voidaan tasavirtamoottorin pyrimisnopeutta st mys muuttamalla magnetoimisvirtaa. Magnetoimisvirran pienentminen

13

pienent pvuota , mutta suurentaa pyrimisnopeutta n. Tllaista sttapaa kutsutaan mys

magneettikentn heikennykseksi. Tt sttapaa kytetn koneen nimellist pyrimisnopeutta suuremmilla pyrimisnopeuksilla. Yleens nopeusalueella n = 12,5nn. Tasavirtamoottorin pyrimisnopeutta on mahdollista st mys muuttamalla moottorin ankkuripiirin resistiivist jnnitehvit. Tllin kynnistysvastustus korvataan sdettvll vastuksella. Tm sttapa on eptaloudellinen resistanssissa syntyvien hviiden takia. Lisksi pienill ankkurivirroilla stresistanssin suuruus ei juuri vaikuta pyrimisnopeuteen. Nist syist tt sttapaa ei yleens kytet.

2.4.2 Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeuden st Sivuvirtamoottori ja vierasmagnetoitu tasavirtamoottori ovat ominaisuuksiltaan kytnnllisesti katsoen hyvin samanlaiset, mutta niiden pyrimisnopeuden stminen eroaa toisistaan. Jos sivuvirtakoneen liitinjnnitett muutetaan, pysyy pyrimisnopeus lhes samana koska magnetoimisvirta Im muuttuu samassa suhteessa kuin ankkurijnnite U. Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeutta ei voida siis st liitinjnnitett muuttamalla. Sen pyrimisnopeuden st voidaan toteuttaa joko muuttamalla magnetoimisvirtaa stvastuksella, tai stmll ankkuripiirin resistiivist jnnitehvit.

2.4.3 Sarjamoottorin pyrimisnopeuden st

Sarjamoottorin pyrimisnopeuden st eroaa muista konetyypeist suuresti, sill sen pyrimisnopeus on suuresti riippuvainen kuormitusvirrasta. Lisksi sarjamoottorin pyrimisnopeus on tyhjkynniss hyvin suuri. Sarjamoottoria ei siksi saa koskaan pst tyhjkyntiin. Sen virtaa on siis rajoitettava kynnistyksen aikana kynnistysvastuksen avulla. Pyrimisnopeuden kasvaessa voidaan kynnistysvastusta pienent. Kynnistysvirran rajoittaminen voidaan mys toteuttaa siten, ett kytetn tasashkn kehittmiseen tyristoritasasuuntaajaa. Tllin kynnistminen voidaan toteuttaa siten ett syttv tasajnnitett nostetaan hitaasti. Sarjamoottorin pyrimisnopeutta voidaan st ankkurin kanssa sarjaan kytketyll stvastuksella, jolloin haittana ovat vastuksessa syntyvt ylimriset hvit. Nykyisin tasashksarjamoottori on menettnyt merkityksens, koska sivuvirtamoottorilla voidaan saada sarjamoottoria vastaavat ominaisuudet kyttmll magnetointivirran stn nykyaikaista elektronisesti ohjattua tyristorisuuntaajaa.

2.4.4 Kom

Kompaundmoottorin povatko sivu

2.5 Tasavi

Tasavirtampyrimisnoerityisesti mmoottoreid

2.5.1 Vie

Kuvassa 2ominaisuukmuuttuessakasvaessa.

Kuva 2.9.

2.5.2 Sivu

Sivuvirta mjolloin mykuormituksKuvassa 2.

mpaundim

dimoottorin pyrimisnopuvirta- vai s

rtamoottor

moottorin kopeus. Vnmoottorin m

den pyrimis

erasmagnet

2.9 on esksia. Kuvaa. Shkine

Vierasma

funktiona

uvirtamoot

moottorille s vuo on lsen kasvaes10 on esitet

oottorin py

pyrimisnpeutta. Sdarjamoottor

rin kyrm

ytn kannantmomenttmagnetointitsnopeuden j

toidun tasav

itetty trkesta 2.9 haen vntm

agnetoidun ta

a. b) Shkv

ttorin omin

ominaista ohes vakio.ssa. Kytntty sivuvirta

yrimisnop

opeutta vodn vaikuturin ominaisu

uotoja

alta ehk tti ja pyrimtavasta. Seua vntmo

virtamootto

eimmt kuavaitaan, etmomentti p

asashkmoot

ntmomentin

naiskyri

on, ett ma Tst syys

nnss voidamoottorin p

14

euden st

oidaan stus riippuu vuudet hallits

rkeimmt misnopeus suuraavissa kaomentin riip

orin omina

uvaajat jotktt pyrimipuolestaan

ttorin ominai

n ja pyrimisn

agnetointi vst sivuvirtadaan sanoa, pyrimisnop

t samallavoimakkaastsevia.

ominaisuuduinkaan ole

appaleissa onpuvuutta an

aiskyri

ka selvittisnopeus m

suurenee

iskyri. a)

nopeuden riipp

virta Im on amoottorin p

ett nopeupeus ankkur

a tavalla kti siit, kum

det ovat see vakioita vn tutkittu er

nkkurivirras

vt vierasmmuuttuu vai

verrattain

Shkvntm

puvuus ankkur

lhes kuormpyrimisnopus on kuormrivirran funk

kuin vierasmpi kmi o

en vntmvaan riippuvri tavoilla mta.

magnetoiduin vhn k

jyrksti k

momentti py

rivirrasta.[1]

mituksesta peus laskeemituksesta

ktiona.

smagnetoiduon hallitsev

omentti sekvat moottormagnetoituje

un moottorkuormituksekuormitukse

rimisnopeud

riippumato vain hitaasriippumato

un va,

k rin en

rin en en

en

n, sti n.

15

Kuva 2.10. Sivuvirtamoottorin pyrimisnopeus ankkurivirran funktiona.

Kuten edell havaittiin, on sivuvirtamoottorin vuo lhes vakio. Joten kasvaa moottorin vntmomentti teoriassa suoraan verrannollisesti roottorivirtaan nhden. Todellisuudessa momentti pienenee hieman ankkurireaktion vaikutuksesta. Kuvassa 2.11 on esitetty sivuvirtamoottorin vntmomentti ankkurivirran funktiona.

Kuva 2.11. Sivuvirtamoottorin vntmomentti ankkurivirran funktiona.

2.5.3 Sarjamoottorin ominaiskyri

Kuten kohdassa 2.1.5 todettiin, tyhjkynniss sarjamoottori rynt eli sen pyrimisnopeus saavuttaa vaarallisen suuren arvon. Kuormituksen kasvaessa pvuo sek ankkuripiirin jnnitehvi suurenee, joten sarjamoottorin pyrimisnopeus pienenee huomattavasti kuormituksen kasvaessa. Pyrimisnopeuden voimakas riippuvuus kuormituksesta on havaittavissa selvsti kuvasta 2.12, jossa on esitetty pyrimisnopeus ankkurivirran funktiona. Sarjamoottorin vntmomentti kasvaa likimrisesti verrannollisena kuormitusvirran nelin. Raudan magneettisen kyllstymisen ja ankkurireaktion takia ei sarjamoottorin vntmomentti suurilla kuormitusvirroilla suurene aivan nin nopeasti. Vntmomentin kyttytyminen ankkurivirran(kuormituksen) funktiona on selvsti havaittavissa kuvasta 2.12.

Kuva 2.12.

Koska sarjraitiovaunu

2.5.4 Kom

Kytnnssmoottori kekuormituksMytkompyrimisnomagnetoimkompaundi

Kuva 2.13.

Sarjamoo

amoottorin ujen, veturei

mpaundim

s kytetehitt suursen kasvaes

mpaundimootopeus pien

misvirran pimoottorin v

Mytko

ottorin ominai

vnt kasiden ja shk

oottorin om

n vain viremman vssa ankkurivttori lis nenee enepysyess vntmome

ompaundoidun

iskyri.[1]

svaa pyrimkautojen vo

minaiskyri

ierasmagnetntmomentvirta kasvaa

siis pmmn kuvakiona.

entti sek py

n kompaundim

16

misnopeudenoimakoneek

i

toituja ja mtin kuin viea, jolloin mvuota ku

uin vierasmKuvassa

yrimisnope

moottorin omin

n pienentyeksi.

mytkomperasmagnetomys sarjakuormituksen magnetoidun

2.13 on eus ankkuriv

naiskyri.[1]

ess, sopii s

paundoituja oitu moottormityksen

kasvaessn moottor

esitetty virran funkt

se erityisen

moottoreitri. Tm johaiheuttamaa. Tst rin, liitinj

mytkomtiona.

n hyvin esim

ta. Tllainehtuu siit eta vuo kasva

syyst sennitteen jmpaundoidu

m.

en tt aa. en ja

un

17

3. MITTAUKSET

Mittauksissa tutkittiin tasavirtakonetta, jonka kilpiarvot on esitetty taulukossa 3.1. Koneelle suoritettiin tyhjkyntikoe piten magnetointivirta vakiona sek tyhjkyntikoe piten ankkurijnnite vakiona. Lisksi tasavirtakoneen toimintaa generaattorina tutkittiin kuormituskokeella. Taulukko 3.1. Tasavirtakoneen kilpiarvot

Nimellismagnetoimisvirta, Im 0,72A Nimellismagnetoimisjnnite, Um 200V

Nimellisankkurivirta, Ia 11A Nimellisankkurijnnite, Ua 160V

3.1 Tyhjkyntikoe, kun magnetointivirta on vakio

Moottorille tehtiin tyhjkyntikoe piten magnetointivirtaa Im vakiona ja nostamalla ankkuripiirin jnnitett portaittain 10 V aina 70 V saakka. Tyhjkyntikoe suoritettiin kuvan 3.1 mukaisella kytkennll. Mittauksen tulokset on esitetty liitteess 1.

Kuva 3.1. Tasavirtamoottorin kytkent.[3]

3.2 Tyhjkyntikoe, kun ankkurijnnite on vakio

Moottorille tehtiin tyhjkyntikoe piten ankkurijnnite Ua vakiona(40 V), ja laskemalla magnetointivirtaa portaittain 0.72 A aina 0.2 A saakka. Tyhjkyntikoe suoritettiin kuvan 3.1 mukaisella kytkennll. Mittauksen tulokset on esitetty liitteess 1.

3.3 Kuorm

Tasavirtakotoimii genkilpiarvot omuutettiin Taulukko 3.2

Kuva 3.2.

mituskoe

oneelle suoneraattorinaon esitetty ta6,8 aina 1

2. Eptahtik

Kuormitu

oritettiin kua. Kokeessaaulukossa 3122 asti. M

koneen kilpiar

TePyr

uskokeessa k

uormituskoea generaat

3.2. GeneraaMittauksen

rvot. NimellisjnNimellisv

Nimellihokerroin nimrimisnopeus n

Nimellist

ytetty kytkent

18

kuvan 3.2ttorin pyrattorin kuormtulokset on

nnite /Y virta /Y isteho mellispisteessnimellispisteetaajuus

t.[3]

2 mukaisellrittmiseen mana kytet

n esitetty liitt

220/7,25/

15s 0,ess 1350

50

la kytkennkytettiin

ttiin stvateess 1.

380 V /4,2 A kW

,76 0 rpm

0 Hz

ll, jossa teptahtiko

astusta jonk

tasavirtakononetta, jonkka resistanss

ne ka sia

19

4. MITTAUSTULOSTEN ANALYSOINTI

4.1 Pyrimisnopeuskuvaajat

Kuvissa 4.1 ja 4.2 on esitetty tyhjkyntikokeiden perusteella piirretyt kuvaajat. Kuvasta 4.1 havaitaan, ett pidettess magnetointia vakiona pyrimisnopeus kasvaa lineaarisesti ankkurijnnitteen funktiona. Tm voidaan todeta mys tarkastelemalla tasavirtamoottorin pyrimisnopeuden yhtl 2.5, josta nhdn ett magnetoinnin ja ankkuripiirin resistanssi pysyess vakiona pyrimisnopeuteen vaikuttaa vain jnnite liitinjnnite U. Kuvasta 4.2 havaitaan, ett pidettess liitinjnnitett vakiona pienenee pyrimisnopeus magnetointivirran kasvaessa. Tm voidaan havaita mys pyrimisnopeuden yhtlst 2.5, josta nhdn ett liitinjnnitteen ja ankkuripiirin resistanssin ollessa vakioita on pyrimisnopeus knten verrannollinen pvuohon. Pvuo on puolestaan suoraan verrannollinen magnetointivirtaan, joten vierasmagnetoidun tasavirtamoottorin pyrimisnopeus on siis knten verrannollinen magnetointivirtaan, kuten mys kuvasta 4.2 on havaittavissa.

Kuva 4.1. Tasavirtamoottorin pyrimisnopeus ankkurijnnitteen funktiona, kun magnetointia

pidettiin vakiona(0.72 A).

20

Kuva 4.2. Tasavirtamoottorin pyrimisnopeus magnetointivirran funktiona, kun ankkurijnnitett

pidettiin vakiona(40 V).

4.2 Generaattorin hytysuhde

Generaattoria pyritettiin vakioteholla ja mitattiin generaattorin antama teho erilaisilla kuormilla. Generaattoria pyrittvn koneen akseliteho saatiin mittaamalla akselilta vntmomentti ja pyrimisnopeus. 2inP T n , (4.1)

jossa Pin on generaattoria pyrittv teho, T akselin vntmomentti ja n akselin pyrimisnopeus . Hytysuhde on tss tapauksessa generaattoria pyrittvn akselin tehon ja generaattorin antavan shktehon suhde.

outin

PP

(4.2)

Generaattorin antama shkteho Pout on ankkuripiirin virta Ia kerrottuna ankkurijnnitteell Ua. out a aP U I (4.3)

21

Mittauspytkirjassa on esitetty mittaustulokset joiden pohjalta on piirretty kuvaajat 4.3 ja 4.4, joissa on esitetty pyrimisnopeus sek hytysuhde akselitehon funktiona.

a Kuva 4.3. Pyrimisnopeus akselitehon funktiona.

Kuva 4.4. Hytysuhde akselitehon funktiona.

4.3 Tasavirtakoneen yleisi ominaisuuksia

Tutkittava tasavirtakone oli tyypiltn vierasmagnetoitu, joten moottorin magnetointi hoidettiin erillisell magnetointipiirill. Sivuvirtakoneessa ja vierasmagnetoidussa tasavirtakoneessa magnetointi ei riipu ankkurivirrasta, joten magnetointia pystytn stmn tysin itsenisesti. Tm tekee kyseisist moottorityypist helposti ja tehokkaasti sdettvn.

22

Kuvasta 4.1 havaitaan, tasavirtamoottorin pyrimisnopeuden olevan lineaarisesti verrannollinen ankkurijnnitteeseen. Koska nykyn ankkurijnnitett voidaan helposti st tyristorilla, jota taas voidaan ohjata shkisesti, on tasavirtakoneen pyrimisnopeuden stminen yksinkertaista ja tehokasta. Lisksi kuvasta 4.3 voidaan havaita, ett moottorin pyrimisnopeus pienenee hyvin hitaasti kuormituksen kasvaessa. Koska pyrimisnopeutta voidaan kuitenkin tarvittaessa st ankkurijnnitett muuttamalla, voidaan tasavirtamoottoriin kohtalaisen helposti tehd st, joka pit moottorin pyrimisnopeuden kuormasta riippumattomana. Tm ominaisuus tekee moottorityypist erittin kyttkelpoisen moniin sovelluksiin.

23

5. YHTEENVETO

Laboratorioty oli opiskeluaikamme ensimminen todellinen kosketus shkmoottoreiden maailmaan. Teoriaa on tullut luennoilla kyllstymiseen asti, mutta mitn kytnnnlheist ei tt ennen ole shkmoottoreiden parissa tullut tehty. Shktekniikan tykurssilla shkmoottoreista taisi joku ty olla, mutta en juuri muista siit mitn oppineeni. Nyt kun teoria on jo paremmin hallussa tuli tyt tehdess paljon tuttuja asioita vastaan, jotka oli joskus ohimennen kuullut, mutta niit ei ollut tullut sen enemp ajateltua. Nyt kun asioihin joutui oikeasti perehtymn, oli oppiminen erittin tehokasta, kun varsinaista uutta asiaa ei paljoa ollut, vaan jo opitut asiat oikeasti vain ymmrsi.

24

LHTEET [1] Aura, Lauri. Tonteri, Antti. Shkmiehen ksikirja 2. WSOY. Porvoo 1986. [2] Aura, Lauri. Tonteri, Antti. Shkmiehen ksikirja 3. WSOY. Porvoo 1986. [3] Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Shkvoimatekniikantykurssin tasavirtakonetyn -tyn

tyohje. Saatavilla pdf-muodossa osoitteesta http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/Sa2720700/Lab_214_tasavirtakonetyo.pdf

[4] Pyrhnen, Juha, Design of an electrical machine luentomateriaali,

http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/Sa2720400/luku2%20kaamit.pdf, 23.12.2008

25

LIITTEET