Kuormitettavuus ja momenttikäyrä
Tasavirtamoottorin momentti
Tasavirtamoottorin yhtälöthän ovat varsin yksinkertaiset. Jos kyllästymistä ei tapahdu, voimme esimerkiksi kirjoittaa:
- Kirchhoffin jänniteyhtälö: Va = Ra*Ia + E. Va on ankkurijännite, Ra on ankkurivastus ja Ia ankkurivirta. E on ankkuriin kehittyvä vastajännite.
- E = Kb*ω, missä Kb on vastajännitteen kerroin ja ω roottorin kulmataajuus, Kb = Kc*Fii. Kc on vakio ja Fii on koneen vuo.
- T = Kt*Ia, missä Kt on momenttikerroin. Uskomatonta kyllä, Kt = Kb (= Kc * Fii).
Yllä oleva tasavirtamoottorin käyrästö voisi näyttää selkeämmältä, jos x-akselilla olisi vaikka ω tai Ia.
Synkronimoottorin momentti
Kiinteällä sähköisellä syöttötaajuudella maksimimomentilla on yksinkertainen piikkimäinen muoto, kuten on esitetty alla olevassa kuvassa, jos maksimimomenttia ei ylitetä. Jos maksimi momentti ylitetään, putoaa moottori tahdista ja pitää tahdistaa uudelleen, kun kuormamomenttia on riittävästi pienennetty.
Jos haluat synkronisen moottorin kehittävän saman momentin eri nopeuksilla kun roottorivirta pidetään vakiona, tulee suhde VS/ω pitää vakiona, sillä moottori noudattaa seuraavia yhtälöitä:
ΨS = VS/jω,
T = iR x ΨS.
Tässä ΨS is on staattorin pyörivä käämivuo (flux linkage), VS on staattorin syöttöjännite, ω on sähköinen kulmataajuus (ω = Np*ωs eli napaparimäärä kertaa synkrooninen kulmataajuus, synkronimoottorille jatkuvassa tilassa pyörimisnopeus on ωm = ωs), T on koneen momentti ja iR on koneen roottorivirta (magnetointi-), mikä katsotaan tässä vakioksi. - Niinpä jos halutaan lisää nopeutta ωm, pitää myös lisätä jännitettä, jos momentti halutaan pitää vanhassa arvossaan.
Kun muutetaan AC-moottorin taajuutta, pidetään syöttöjännitteen ja taajuuden suhde (V/Hz) yleensä vakiona kunnes saavutetaan maksimi käyttöjännite. Tämän rajan yläpuolella vakio jännitteellä (maksimijännite) toimiminen tarjoaa rajoitetun momentin (reduced V/Hz) ja vakiotehon. Nopeutta, jolla vastajännite on syöttöjännitteen suuruinen, kutsutaan perusnopeudeksi (base frequency or speed), katso kuvaa alla. Toiminta perusnopeutta suuremmilla nopeuksilla on mahdollista ns. kentänheikennysmenetelmällä, jos kenttää (magnetointi-kenttä, ei siis ankkurikenttä) ei ole tehty kestomagneeteilla.
Induktiomoottorin momentti
Kuvassa alla on induktiomoottorin momentti T roottoritaajuuden eli roottorin jättämätaajuuden, ωR, funktiona. ωRh on niin sanottu kippitaajuus eli kulmataajuus, kun momentti on suurimmillaan (x=1). Tästä kuvasta nähdään, että kun moottori pyörii hitaasti (x=5), on momentti pieni. Tällaista moottoria ei voi siis käynnistää suurella kuormalla. Roottorin käynnistysmomenttia voidaan kuitenkin kasvattaa siirtämällä kippimomentti matalammalle taajuudelle.
Tavallisesti roottorin käämitys tehdään automaattisesti säätyväksi siten, että käynnistyksen aikana momentti on suurempi, katso kuva alla, mutta suurella nopeudella kippimomentti siirtyy suuremmalle pyörimisnopeudelle (katso kuva yläpuolella), jolloin moottorin jättämä pienenee ja näin nopeus kasvaa lähemmäs synkronista nopeutta.
Tällainen käyttäytyminen saadaan aikaan tekemällä häkkikäämityksen johtimien poikkileikkaukset korkeiksi moottorin säteen suunnassa tai suorastaan kahdesta erillisestä rinnakkain kytketystä johtimesta (sauva), katso kuva alla vasemmalla. Oikealla puolella nähdään, miten kaksijohtimisuus muuttaa roottorin sijaiskytkentää. Käynnistyksessä jättämä- eli roottoritaajuus on suuri, mikä aiheuttaa virran siirtymisen ulompaan johtimeen. Tämä ilmiö voidaan selittää virran pakkautumisen avulla (skin effect).
Kokeellisesti todettu hajareaktanssien jakautuma induktiomoottoreissa, IEEE Standard 112.
Moottoriluokka | Kuvaus | X1 | X2 |
---|---|---|---|
A | Normaali käynnistysmomentti, normaali käynnistysvirta | 0,5 | 0,5 |
B | Normaali käynnistysmomentti, matala käynnistysvirta | 0,4 | 0,6 |
C | Korkea käynnistysmomentti, matala käynnistysvirta | 0,3 | 0,7 |
D | Korkea käynnistysmomentti, Suuri jättämä s | 0,5 | 0,5 |
Käämitty roottori | Suorituskyky vaihtelee rottorivastuksen mukaan | 0,5 | 0,5 |