Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa

DIPLOMITYÖ

Jesse Kokkonen 2007

Lappeenrannan teknillinen yliopisto Sähkötekniikan osasto

Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa

Diplomityön tarkastajina ovat toimineet professori TkT Juha Pyrhönen ja TkT Pia Salminen

Diplomityön ohjaajana on toiminut asiantuntija Kauko Lappalainen

Siilinjärvellä 21.3.2007

Jesse Kokkonen Koukkumäentie 80 71800 Siilinjärvi Puh. +358407712619

TIIVISTELMÄ

Tekijä: Jesse Kokkonen

Työn nimi: Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa

Osasto: Sähkötekniikan osasto

Vuosi: 2007 Paikka: Siilinjärvi

Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.

66 sivua, 22 kuvaa, 10 taulukkoa ja 2 liitettä.

Tarkastajat: Professori TkT Juha Pyrhönen, TkT Pia Salminen Hakusanat: sähkökäyttö, monimoottorikäyttö, mitoitus

Sähkökäytön valintaan vaikuttavat useat eri tekijät. Sähkökäytön valinnan perusteena voidaan käyttää tietoa prosessin tai toimilaitteen fysikaalisesta käyttäytymisestä.

Valinnan perusteena voi olla myös riittävän suorituskyvyn tarve prosessissa. Tässä työssä tutustutaan sähkökäytön valintaan vaikuttaviin tekijöihin ja sähkökäytön mitoitukseen.

Työssä on keskitytty yleisempien pienjännitemoottorityyppien ja niiden säätöjen käsittelyyn.

Useissa prosesseissa vaaditaan monen moottorin käyttöä saman kuorman liikuttamisessa.

Monimoottorikäyttöjen ohjauksen tuntemus auttaa ongelmatilanteiden ratkaisussa ja antaa perusteet monimoottorikäytön valinnalle. Tässä työssä käsitellään monimoottorikäyttöjen pyörimisnopeuserojen ja vääntömomenttien epätasaisuuteen liittyviä ongelmia.

ABSTRACT

Author: Jesse Kokkonen

Title: Selection principles of an electric drive and multimotor drives in ore homogenizing process

Department: Electrical Engineering Year: 2007

Location: Siilinjärvi

Master’s thesis. Lappeenranta University of Technology.

66 pages, 22 pictures, 10 tables and 2 appendices.

Examiners: Professor D.Sc Juha Pyrhönen, D.Sc Pia Salminen Keywords: electric drive, multi-motor drive, sizing

Many things influence the selection of an electric drive. One can use information about the physical behavior of the load or the process during making the decision of purchasing an electric drive. Decisions can also be based on the performance criteria demanded by the process. The factors that influence the decision process and sizing of an electric drive are shown in this thesis. Main focus in this thesis has been in most common low voltage motors and their control.

Many processes demand multi-motor drives in moving a load. The knowledge of multi- motor control helps to solve the problem situations and gives one a basic knowledge to make the decision of purchasing a multi-motor drive. Problem situations about torque and speed difference between multi-motor drives are discussed in this thesis.

Sisällysluettelo

1. JOHDANTO ... 5

1.1 Sähkökäyttöympäristö...5

1.2 Stacker- kasauslaite...6

1.3 Kratzer- purkain ...7

1.4 Ongelman määrittely...8

2. TEORIA... 10

2.1 Moottorin kuorma ...10

2.2 Moottori ...12

2.2.1 Tasavirtamoottori...13

2.2.2 Kiertokenttämoottorit...14

2.3 Moottorien hyötysuhteet ...22

2.4 Harmoniset aallot ...24

2.5 Lämpenemä...24

2.6 Kentänheikennys...27

2.7 Avaruusvirtavektori ...28

2.8 Moottorin säätö ...29

2.8.1 Tasavirtamoottorin säätö...30

2.8.2 Kiertokenttämoottorin säätö...30

3. MONIMOOTTORIKÄYTÖT ... 34

3.1 Isäntä/orja- säätö ...35

3.2 Isäntä-orjakäytön ongelmia...35

3.3 Yhteinen välipiiri ...37

3.4 Usean moottorin syöttö yhdellä taajuusmuuttajalla ...38

4. SÄHKÖKÄYTÖN VALINTA ... 39

4.1 Moottorin valinta ...39

4.1.1 Moottoreiden käyttöalueet ...44

4.1.2 Moottorien syöttöjännitteet...45

4.1.3 Taajuusmuuttajan vaikutus moottoriin ...46

4.1.4 Energiatalous...47

4.1.5 Huolto ja varaosat ...47

4.1.6 Moottorin asennus...48

4.2 Säädön valinta...49

4.2.1 Verkkovaikutukset ...49

4.2.2 Suorituskykyvaatimukset...51

4.2.3 Energiatalous...52

4.2.6 Ohjausjärjestelmään liittyminen ...53

4.3 Sähkökäytön investointikustannukset...56

4.4 Säädökset ja standardit...59

5. JOHTOPÄÄTÖKSET ... 60

Lähdeluettelo ... 65 LIITTEET

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET

B magneettivuon tiheys [Vs/m²]

C konevakio

e indusoitunut jännite [V]

E energia [J]

f taajuus [1/s]

F voimavektori [N]

G voimavektori [N]

H koersiivivoima [A/m]

i, I virta [A]

J hitausmomentti [kgm²] k konevakio

l roottorisauvan pituus [m]

L induktanssi [Vs/A]

m massa [kg]

n pyörimisnopeus [1/min]

p napaparien lukumäärä

P teho [W]

R resistanssi [Ohm]

s jättämä

t aika [s]

T lämpötila [K], vääntömomentti [Nm]

U jännite [V]

v harmonisen aallon järjestysluku, nopeus [m/s]

X reaktanssi [Ohm]

Z vaiheeseen kuuluvien osoittimien lukumäärä ϕ

α, astekulma

η hyötysuhde

µ kitka

ξ käämityskerroin

ψ käämivuo [Vs]

ω sähköinen kulmanopeus [rad/s]

Ω mekaaninen kulmanopeus [rad/s]

LYHENTEET

ABB Asea Brown Boveri

DFLC Direct Flux Linkage Control DSP Digital Signal Processor DTC Direct Torque Control EFF1, EFF2, EFF3 hyötysuhdeluokat

IEC International Electrotechnical Commission PWM Pulse Width Modulation

SFS Suomen standardoimisliitto

ALAINDEKSIT

a ankkuri

AC vaihtovirta

Ac,lasku vaihtovirtalasku

a+m ankkuri ja magnetointi

anto anto

cu kupari

d pitkittäis

DC tasavirta

fe rauta

e sähköinen

eq,lasku ekvivalenttinen lasku eq,nosto ekvivalenttinen nosto eq,tot ekvivalenttinen kokonais

kin kineettinen

l kuorma, lisä

n nimellinen

m moottori, magnetointi

otto otto

q poikittais r roottori s staattori sA, sB, sC staattorivaiheet

tot kokonais

totE ekvivalenttinen kokonais

v järjestysluku

0 tyhjäkäynti 2 roottori

µ kitka

δ ilmaväli

σr roottorihajaannus

σs staattorihajaannus

ALKUSANAT

Kiitän Siilinjärven Kemira Growhow:n toimipaikkaa tämän työn mahdollistamisesta.

Työ on ollut mielenkiintoinen ja olen oppinut paljon uutta tietoa liittyen moottoreihin ja sähkökäyttöihin sekä niiden säätöön. Suuret kiitokset myös ohjaajalleni Kauko Lappalaiselle, sähkösuunnittelija Pasi Raatikaiselle ja sähkömies Harri Sahalle, joiden antama tuki ja tekninen tieto ovat auttaneet tämän työn valmistumisessa. Kiitos myös muille kaivoksen sähkökorjaamon ihmisille sekä muille, jotka ovat minua neuvoneet työssäni.

Kiitos myös Kuopion ABB Service:n Jukka Heiskaselle tiedoista ja neuvoista taajuusmuuttajiin liittyvissä kysymyksissä.

Kiitän professori Juha Pyrhöstä hyvistä neuvoista ja mielenkiintoisista luennoista sähkökäyttöihin liittyen vuosien varrella.

Haluan kiittää myös perhettäni ja erityisesti tyttöystävääni Danielaa kaikesta saamastani tuesta ja motivoinnista sekä tämän työn osalta, että opiskelujen aikana. Te amo bebe.

Siilinjärvellä 21.3.2007

Jesse Kokkonen

1. JOHDANTO

1.1 Sähkökäyttöympäristö

Kemira-Growhow:hin kuuluva Siilinjärvellä sijaitseva Kemphos Oy valmistaa lannoitteita pääosin maatalouden käyttöön. Lannoitteita valmistuu vuosittain noin 500 000 tonnia. Siilinjärvellä tuotetut lannoitteet menevät kotimaan myyntiin. Kemphos Oy valmistaa fosforihappoa 300 000 tonnia vuodessa. Osa fosforihaposta kuluu omalla tehtaalla lannoitteiden valmistukseen ja osa myydään eteenpäin. Fosforihapon valmis- tukseen tarvitaan apatiittia, jota saadaan Siilinjärvellä sijaitsevasta esiintymästä.

Esiintymän P2O5-pitoisuus on 3-4 %, joka on maailmalla muihin esiintymiin nähden varsin köyhä. Rikastuksen jälkeen P2O5-pitoisuus on noin 36 %. Avolouhos sijaitsee parin kilometrin päässä fosforihappotehtaalta, jonne rikastettu apatiitti ajetaan kuorma- autoilla.

Avolouhoksesta louhittu malmi ajetaan maansiirtoajoneuvoilla ylös karkeamurskaukseen.

Karkeamurskauksen jälkeen malminkappaleiden halkaisijat ovat alle 30 cm. Karkea- murskattu malmi kuljetetaan hihnalla hienomurskaukseen. Hienomurskauksen jälkeen malminkappaleiden halkaisijat ovat alle 12 mm. Apatiitin rikastuksen helpottamiseksi malmi halutaan saada mahdollisimman tasalaatuiseksi. Tasalaatuisuus varmistetaan kasaamalla malmimurska tasauskentälle. Kentältä tasalaatuinen malmi ajetaan jauha- tukseen, jossa malmiin sekoitetaan vettä ja kemikaaleja. Malmi kulkee jauhatuksen läpi niin monta kertaa kunnes se on riittävän hienoa rikastukseen. Rikastukseen seos pumpa- taan putkia pitkin. Apatiitti erotetaan seosta vaahdottamalla. Sivutuotteena malmista saadaan kalkkia ja kiillettä. Rikastuksen jälkeen lopputuote kuivataan ja siirretään varastoon, minkä jälkeen tuote on valmis fosforihappotehtaan käyttöön.

1.2 Stacker- kasauslaite

Murskattu malmi siirretään tasauskentälle hihnalla, joka kulkee kasauslaitteen (Stacker) läpi. Kuvassa 1.1 on esitetty Stackerin ja Kratzerin sijoittuminen tasausvarastolla.

Stackerin kasaaman malmin maksimikapasiteetti on 1600 t/h. Stacker muodostaa malmimurskasta 400 metriä pitkälle tasauskentälle malmisiivuja, jotka kasan noustessa muodostavat profiililtaan kolmion muotoisen pitkän kasan kentälle. Kasasta muodostuu tasalaatuinen kasauslogiikan ansiosta.

Kratzer

Stacker

Kuva 1.1. Stackerin ja Kratzerin sijoittuminen tasausvarastolla.

Stacker kulkee tasauskentän viereen rakennettujen kiskojen päällä ja sen ajonopeus prosessiajossa on n. 6-8 m/min. Siirtoajossa kentänheikennyksessä laite kulkee n. 12 m/min. Ajomoottoreina Stackerissa on neljä jarruin varustettua erillistuuletettua Siemensin 3,3 kW:n tasavirtamoottoria, joita ohjataan ajomoottoreille yhteisellä Siemensin Simovert- tasavirtakäytöllä syötettävän malmimäärän mukaan. Ajomoottorien maksimipyörimisnopeus on 1360 min⁻¹ täydellä vääntömomentilla ja 2000 min⁻¹

kentänheikennyksessä. Yhden moottorin päässä on takometri nopeuden takaisinkytkentää varten. Nopeutta ohjataan, jotta Stacker tekisi tasamittaista kasaa. Stacker toimii Siemens Simatic S5- logiikan ohjaamana, joskin joitain käskyjä voidaan antaa rikastamon ohjaamosta modbus- linkin välityksellä.

1.3 Kratzer- purkain

Tasauskentältä malmi siirretään hihnalle raappauslaitteella (Kratzer). Kratzer kulkee Stackerin tapaan kiskoilla, mutta tasauskentän vastakkaisella puolella. Kratzerin raappa vetää malmin hihnalle, josta malmi kulkee siilon kautta jauhatukseen. Kratzerin raappapuomia joudutaan nostamaan ja laskemaan prosessin kuluessa. Kratzer liikkuu edestakaisin kasan päässä ottaen aina laskun aikana siivun kasasta. Raappapuomin nosto tapahtuu suoraan verkkoon kytketyllä 37 kW:n n. 1500 kierrosta minuutissa pyörivällä oikosulkumoottorilla. Puomin pikalasku tapahtuu myös oikosulkumoottorin avulla.

Oikosulkumoottorin syöttöjännite on 690 V. Puomin hidas lasku tapahtuu oikosulkumoottorin kanssa samalle akselille asennetulla, magneettikytkimellä erotet- tavalla, Siemensin 8,4 kW:n tasavirtamoottorilla. Oikosulkumoottorin ja tasavirta- moottorin välissä on vaihteisto, jonka välitys on 1:4,769. Tasavirtamoottori toimii hitaasti laskettaessa generaattorina. Siemensin tasavirtakäyttöä syötetään 400 V:n verkkojännitteellä. Kuvassa 1.2 on esitetty Kratzerin puominnostokoneisto. Puomin paikallaan pitoa varten on asennettu kaksi rumpujarrua, jotka toimivat sähkökäyttöisillä työntösylintereillä. Laskunopeutta voidaan prosessin nopeuden mukaan säätää Siemensin Simovert- tasavirtakäytöllä. Stackerin tapaan myös Kratzerin ohjauksen hoitaa Siemensin Simatic S5- logiikkajärjestelmä. Logiikat on sijoitettu kummassakin laitteessa niiden ohjaamoihin.

3 4 5 6 7

8 9

2

1

Kuva 1.2. Kratzerin puominnostokoneisto. Eri laitteet on numeroitu seuraavasti: 1 tasavirta- jarrugeneraattori, 2 kytkin, 3 vaihteisto (välitys 1:4,769), 4 magneettikytkin, 5 oikosulkumoottori, 6 kenkäjarrut, 7 vaihteisto (välitys 1:71,62), 8 köysikela ja 9 nostoköysi.

Ajomoottoreina Kratzerissa on neljä ABB:n ACS 600-taajuusmuuttajilla DTC-säädettyä 15 kW:n 1500 kierrosta minuutissa pyörivää oikosulkumoottoria, jotka on vaihdettu laitteeseen muutama vuosi sitten. Ennen vaihdosta Kratzerin ajomoottorit olivat myös tasavirtamoottoreita. ACS 600-taajuusmuuttajat ovat isäntä/orja- ohjauksessa ja valo- kuituyhteydessä toisiinsa. Isännälle tuodaan logiikalta nopeusohje, jota orjakäytöt seuraavat tiettyjen rajojen sisällä.

1.4 Ongelman määrittely

Tasausvarastolla käytössä oleva tekniikka on suurimmaksi osaksi 1970- luvun loppupuolelta ja kaipaa uusintaa. Uusinnan taustalla ovat käyttövarmuuden lisääminen, entistä parempi prosessin ohjattavuus, huoltokulujen vähentyminen sekä energia- tehokkuuden parantaminen. Työn tarkoituksena on etsiä ja mitoittaa sopivat modernit sähkökäytöt korvaamaan vanhentunut tasavirtakäyttötekniikka. Uutta sähkökäyttöä valittaessa on otettava huomioon Stackerin tuntikapasiteetin mahdollinen nosto 1600:sta t/h 1800 tonniin tunnissa.

Stackerin ajomoottorien kuormitus vaihtelee kulkusuunnan mukaisesti. Ajettaessa hihnan kulkusuuntaan, kuormitus on erittäin pientä ja moottorit saattavat hetkellisesti jopa toimia generaattoreina. Ajettaessa hihnan kulkusuuntaa vastaiseen suuntaan, kuormit- tuvat moottorit huomattavasti enemmän joutuessaan kumoamaan hihnan laitteelle antaman voiman. Kuvassa 1.2 on esitetty hihnan Stackerille aiheuttama voimavaikutus periaatteellisesti. Myös tuulen suunnalla on suuri vaikutus laitteen liikuttamiseen tarvittavaan voimaan, sillä laitteella on suuri pinta-ala.

F

N

G

G G_x

Kuva 1.2. Periaatekuva hihnakuljettimen Stackerille antamasta voimasta hihnan pyöriessä. Hihna kiertää telojen ympäri luoden samalla hihnan pyörimissuuntaan vaikuttavan voiman F teloihin. Hihnan päällä kulkeva massa aiheuttaa laitteelle sivuttaisen voimavaikutuksen johtuen hihnan kulmasta. Kuvassa on jaettu kivimassaan kohdistuva voima G vaaka- ja pystysuuntaisiin komponentteihin. Hihnalla kulkeva kivimurska on havainnollisuuden vuoksi kuvattu laatikkona. Voimavektoreiden suuruudet ovat havain- nollisuuden takia todellisuudesta poikkeavat.

Stackerin tasavirtakäyttö on ollut toimintavarma lukuun ottamatta talvella esiintyvää ylikuormituksesta johtuvaa ajoittaista häiriötä. Kiskoille kertyy lumen, jään ja pölyn muodostama kerros, joka nostaa laitteen liikuttamiseen tarvittavaa tehoa. Ajopyörien molemmilla puolen ovat lumiaurat, jotka poistavat suurimmat määrät lunta pois kiskoilta, mutta kaikkea ei saada poistetuksi. Lisäksi lumi ja jää pääsevät joskus pyöräkotelon sisään ja lisäävät siten kuormitusta. Siirtoajon kentänheikennys on otettu pois käytöstä, koska ajettaessa nimellisnopeutta suuremmilla nopeuksilla ei moottori pysty antamaan riittävää vääntömomenttia siirron liikuttamiseen. Tasavirtakäyttö kuitenkin pyrkii nostamaan nopeutta ohjearvoon ankkurivirtaa lisäämällä, mistä seuraa tasavirtakäytön

ylikuormittuminen. Tasavirtamoottoreita suojaa pitkäaikaista ylikuormitusta vastaan lämpöreleet, jotka on asetettu kymmeneen ampeeriin. Nopeaa ylikuormitusta suojaa 20 ampeerin sulakkeet. Häiriö ilmenee aina yksittäisessä moottorissa, minkä takia moottoreiden kuormitusta on yritetty tasoittaa lisäämällä sarjavastukset ankkuripiiriin.

Ongelmat ilmenevät juuri talviaikaan kuormituksen ollessa suurimmillaan.

Kratzerin neljästä ajomoottorista kahden on huomattu aika-ajoin generoivan nopean siirron aikana. Ajomoottorien nopean siirron aikainen vääntömomentti on aaltoilevaa, sillä Kratzer huojuu ajon aikana ja täten moottoreiden kuormitukset vaihtelevat.

Generointi nostaa välipiirin jännitettä kunnes välipiirin jänniteraja tulee vastaan ja energiaa siirretään jarruvastukseen jännitteen laskemiseksi. Moottorien generointia on pienennetty taajuusmuuttajan ylijännitesäädöllä. Generointia on pienennetty myös suurentamalla kiihdytys- ja jarrutusramppeja. Liiallisen generoinnin takia käytön kokonaishyötysuhde pienenee lievästi. Yhden tai kahden moottorin generoiminen vastaavasti nostaa toisien moottoreiden kuormitusta. Ongelman ratkaisua käytetään hyödyksi valittaessa Stackerin tasavirtakäytöt korvaava tekniikka.

Eräs työn osa on etsiä uusi tekninen ratkaisu Kratzerin nosturikäytön uusintaan.

Nosturikäytössä sähkökäytöltä vaaditaan tarkkaa pyörimisnopeuden säätöä myös nollanopeudella tai lähellä sitä. Tällä hetkellä Kratzerin raapan nostossa on käytössä kaksi moottoria, kaksi vaihdelaatikkoa, magneettikytkin sekä kaksi rumpujarrua.

Ratkaisussa pyritään yksinkertaistamaan teknistä toteutusta ja siten vähentämään vikaantumisriskiä ja vähentämään huoltokuluja. Vanhan tasavirtakäytön korvaamista uudella tekniikalla pyritään tutkimaan.

2. TEORIA

2.1 Moottorin kuorma

Moottorin pyörintää vastustava kuorma voidaan sähkökäyttöä ajatellen jakaa kahteen eri tilanteeseen: vakionopeuteen ja kiihtyvään tai hidastuvaan nopeuteen. Vakionopeudella

toimivan moottorin kuorma muodostuu vain kuorman jatkuvan liikkeen aiheuttamasta vääntömomentista sekä moottorin omasta kitkavääntömomentista : T_l T_µ

µ l

e T T

T = + , (2.1)

missä on moottorin sähköinen vääntömomentti. Kitkavääntömomentti kasvaa suoraan verrannollisesti mekaaniseen kulmanopeuteen

Te

Ω

µ ~

T . Yleensä moottorin laakereiden aiheuttaman kitkan voittamiseen tarvittavan vääntömomentin suuruus on kuormaan verrattuna mitätön eikä sitä laskelmissa oteta huomioon. Kitkan suuruus on funktio pyörimisnopeudesta ja myös lämpötilasta

Tµ

Tl

) , (n T

µ . Lämpötilan vaikutus kohdistuu laakereiden voiteluaineen ominaisuuksiin. Myös laakereiden kunto ja voitelu vaikuttavat kitkan suuruuteen. Kitkaan vaikuttaa myös akselilla oleva jäähdytyspuhallin, jonka kuormitus on neliöllistä nopeuteen nähden. Oikosulkumoottoreiden roottoreissa on rivat roottorin jäähdytystä varten, mikä osaltaan lisää kitkavoimaa.

Kiihtyvässä nopeudessa moottorin kuormitusta lisää kuorman hitausmomentti sekä roottorin hitausmomentti . Kuorman ja roottorin saattaminen uudelle nopeudelle joko vapauttaa tai sitoo energiaa. Nopeuden nostaminen sitoo nopeuseroon verrannollisen määrän energiaa ja hidastaminen vastaavasti vapauttaa energiaa. Kiihdytettäessä tämä energia on annettava kuormalle vääntömomentin välityksellä, joten hetkellisesti vääntömomentin tarve lisääntyy. Kiihtyvyys pyörivien kappaleiden tapauksessa ilmaistaan mekaanisen kulmakiihtyvyyden

Jl

Jr

dt

dΩ avulla. Näin kiihtyvän kuorman vääntö- momentiksi saadaan

( )

dt J d J T T

T_e = _l + _µ + _l + _r Ω . (2.2)

Usein teollisuudessa on kyse pumppu- tai puhallinkäytöstä, jolloin kuormitus on neliöllinen nopeuteen nähden . On myös paljon sovelluksia, joissa kuorma on lineaarisesti pyörimisnopeuteen nähden nouseva kuten esimerkiksi työstökoneet.

Kuormana voi olla myös vakiomomentti , joita esiintyy esimerkiksi hisseissä.

Kuormille saatetaan joutua antamaan ns. irrotusmomentti , joka ilmenee vain kuorman lähtiessä liikenteeseen. /3/

2

e ~Ω

T

1

e~Ω

T

0

e~Ω

T

1 e ~Ω⁻ T

Kuorman kiihdyttämiseen tiettyyn nopeuteen tarvittava aika voidaan laskea jos tiedetään moottorin kuormalle antama vääntömomentti nopeuden funktiona sekä hitausmassat.

Likimääräinen käynnistysaika voidaan laskea /6/

l m

tot

60 π 2

T T

n t J

−

= ∆

∆ . (2.3)

Pienten kuormien tapauksessa käynnistymisaikaa ei tarvitse laskea, sillä käynnistykseen kuluva aika on pieni.

2.2 Moottori

Moottorin tehtävä on muuntaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Moottorin tuottama vääntömomentti ja pyörimisliike käytetään joko sellaisenaan fyysiseen pyörintäliikkeeseen tai muunnetaan erilaisten rattaiden välityksellä lineaariseksi liikkeeksi. Poikkeuksena on lineaarimoottori, jossa tasomaisen staattori- ja roottori- rakenteen avulla saadaan aikaiseksi lineaarinen liike.

Sähkömoottorit tuottavat vääntömomenttia nk. ristikenttäperiaatteen mukaisesti I

ψ

T = × , (2.4)

missä ψ on konetta magnetoiva käämivuovektori ja I on virtavektori. Yhtälö (2.4) on johdettavissa Lorentzin voiman perusteella. Reluktanssimoottorit tuottavat vääntö- momenttia magneettisen epäsymmetrian avulla perustuen reluktanssieroihin. Moottorin antama teho P voidaan lausua vääntömomentin T ja roottorin kulma-nopeuden ω_r avulla

ωr

T

P= . (2.5)

Roottorin kulmanopeus ω_r voidaan lausua myös roottoritaajuuden tai kierrosluvun avulla

fr n

60 min]

/ 1 π [ 2 π 2 _r

r

f = n

ω = . (2.6)

Moottorin pyörimisnopeus on verrannollinen syöttöjännitteeseen n U ja kääntäen verrannollinen käämivuohon ψ

ψ

n~U . (2.7)

2.2.1 Tasavirtamoottori

Tasavirtamoottori toimi pitkään teollisuuden yleismoottorina. Tasavirtamoottorin suosio perustui sen helppoon ja suhteellisen tarkkaan ohjaukseen. Tasavirtamoottoreiden huolto- ja valmistuskustannukset ovat suuret verrattuna esimerkiksi oikosulkumoottoriin nähden.

Tasavirtamoottorissa staattorikäämitys muodostaa koneen magnetoinnin ja ankkurivirta roottorissa luo tarvittavan vääntömomentin. Ankkurikäämin jännite määrittää yhdessä magnetoinnin kanssa koneen pyörimisnopeuden. Sivuvirtamoottorin ja erillismagne- toidun moottorin nopeus noudattaa yhtälöä

kψ I R

n=U− ^{a a} , (2.8)

missä on ankkuriresistanssi, on ankkurivirta ja on konekohtainen vakio.

Vastaavasti sivuvirtamoottorin ja erillismagnetoidun moottorin vääntömomentti on riippuvainen vain magnetoinnista ja ankkurivirrasta

Ra I_a k

, (2.9)

Cψ I T = _a

missä C on konekohtainen vakio. /1/

Tasavirtamoottorien ottama teho lasketaan erityyppisissä tasavirtamoottoreissa eri tavalla. Sarjavirtamoottorissa, jossa ankkuri- ja magnetointikäämitykset ovat sarjankytkettyinä, moottorin ottama teho voidaan laskea

, (2.10)

m a m a otto =U + I +

P

missä on ankkuri- ja magnetointikäämityksien yli oleva jännite ja on ankkuri- ja magnetointikäämitysten läpi kulkeva virta. Sivuvirtamoottorissa ja erillismagne- toidussa moottorissa ottoteho saadaan ankkuri- ja magnetointitehojen summana

a+m

U I_a+m

. (2.11)

m m a a

otto U I U I

P = +

Erillismagnetoidun tasavirtamoottorin hyötysuhde voidaan laskea anto- ja ottotehojen suhteena

m m a a otto anto

I U I U

TΩ P

P

= +

η= , (2.12)

missä Ω on mekaaninen kulmanopeus.

2.2.2 Kiertokenttämoottorit

Kiertokenttämoottoreissa koneen staattoria magnetoidaan monivaihejärjestelmän vaihtovirralla. Staattorin käämit on aseteltu moottoriin niin, että vaihtovirran kulkiessa niiden läpi, muodostuu staattoria kiertävä magneettikenttä. Yleensä staattorin eri vaiheiden käämit ovat toisistaan 120 asteen kulmassa, näin saadaan kolmivaihesyötöllä koneeseen kiertävä magneettikenttä.

Syötettäessä kiertokenttämoottoria vakiotaajuudella ja -jännitteellä pyörimisnopeus riippuu napaparien p lukumäärästä. Yleisimmin napapareja on yksi tai kaksi, jolloin 50 Hz:n syöttötaajuudella päästään 3000 (1/min) ja 1500 (1/min) tahtipyörimisnopeuksiin.

Hidaskäyntisissä koneissa napapareja voi kuitenkin olla kymmeniä. Kiertokenttä- moottorin tahtinopeus voidaan laskea

[

60 ₋

]

= ⋅ p

n f . (2.13)

Yksi vaihe voi magnetoida moottoria vain kahteen suuntaan. Vaiheen tuottama magneettivuo vaihtelee ilmavälissä sinimuotoisesti syöttöjännitteen tahdissa.

Kolmivaiheinen kaksinapainen moottori voi magnetoida moottoria kuuteen eri suuntaan.

Kuitenkin summavuo staattorissa kiertää varsin tasaisesti staattorin ympäri. Vaiheet on asetettu moottorissa niiden syöttöjännitteen vaihe-erokulman etäisyydelle toisistaan.

Oikosulkumoottori

Oikosulkumoottori on saavuttanut teollisuudessa vankan aseman yleiskäyttöisyyden, huoltovapauden ja edullisen hinnan ansiosta. Oikosulkumoottorit ovat pääosin syrjäyttäneet tasavirtamoottorit ja pitänevät asemansa myös lähivuosina. Oiko- sulkumoottorin rinnalle on kuitenkin nousemassa uusien ohjaustekniikoiden ja

kehittyneiden materiaalien myötä erilaisia synkronimoottoreita kuten kestomagneetti- moottorit.

Oikosulkumoottorin roottoriin indusoituu jännitettä ainoastaan silloin kun roottori pyörii hitaammin kuin staattoria kiertävä staattorivuo. Tästä johtuen roottori ei voi moottorina toimiessaan pyöriä samaa tahtia kuin staattorikenttä. Roottorin ja staattorikentän välistä suhteellista nopeuseroa kutsutaan jättämäksi

s r s

n n

s= n − , (2.14)

missä on staattorikentän pyörimisnopeus l. synkroninopeus ja on roottorin pyörimisnopeus. Oikosulkumoottorin roottorivirta perustuu jättämään . Näin ollen ristikenttäperiaatteen nojalla moottorin tuottama vääntömomentti on myös riippuvainen jättämästä. Roottorivirta muodostuu ilmavälivuon leikatessa roottorisauvoja, jolloin roottorisauvoihin indusoituu jännite, joka on verrannollinen staattorikentän ja roottorin nopeuseroon. Indusoitunut jännite voidaan laskea yhtälöstä

ns n_r

ir s

e α

sin Blv

e= , (2.15)

missä B on magneettivuontiheys, lon johtimen pituus, on johtimen ja leikkaavan vuon välinen nopeusero ja

v α

sin on johtimen ja vuon välinen kulma. Suurta virhettä tekemättä voidaan väittää, että sähkömoottorissa kulma α saa arvon 90° astetta, joten

1

sinα = . Oikosulkumoottorissa roottorin sauvojen päät on liitetty oikosulkurenkain kiinni toisiinsa. Näin ollen roottorisauvan päiden yli vaikuttava jännite muodostaa pieniohmisessa roottorihäkkikäämityksessä suuren virran.

Epätahtikoneelle voidaan luoda yksivaihesijaiskytkentä, joka helpottaa koneen toiminnan ymmärtämistä ja sen avulla voidaan laskea koneen parametrit. Yksivaihesijaiskytkentä on esitetty kuvassa 2.1. Yksivaihesijaiskytkennässä koneen sähköiset arvot on redusoitu vastaamaan yksivaiheista syöttöä.

u

R

jX

s

R

R

jX

jX

i

i

i

i

i

e

Kuva 2.1. Oikosulkumoottorin yksivaihetehollisarvosijaiskytkentä.

Yksivaihesijaiskytkennän parametrien arvoja käytetään koneen mitoituksessa ja valinnassa. Parametrien avulla voidaan moottorin toimintaa simuloida matemaattisilla ohjelmistoilla. Yksivaihesijaiskytkennän parametrit ovat lueteltu taulukossa 2.1.

Taulukko 2.1. Yksivaihesijaiskytkennän parametrit.

us Syöttöjännite is Staattorivirta Rs Staattoriresistanssi jXσs Staattorihajareaktanssi

i0 Tyhjäkäyntivirta

em Magnetointijännite Rfe Rautahäviöresistanssi

ife Rautahäviövirta jXm Magnetointireaktanssi

im Magnetointivirta i2 Roottorivirta

s

R₂/ Roottoriresistanssi jXσ2 Roottorihajareaktanssi

Kuten yhtälössä (2.4) esitetään, saa virran ja käämivuon ristitulo aikaan roottoria pyörittävän vääntömomentin oikosulkumoottorissa. Oikosulkumoottorissa virta ja käämivuo eivät välttämättä ole täysin kohtisuorassa toisiaan vastaan. Oikosulkumoottorin vääntömomentti saadaan laskettua roottori- tai staattorivirran, magnetointikäämivuon ja napaparien lukumäärän avulla /5/

m s m

r 2

3 2

3 i ψ i ψ

T = p × =− p × . (2.16)

Epätahtikoneen vääntömomentti voidaan laskea myös sen parametrien avulla

( )

( )

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ ⎟⎟⎠ +

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

=

=

2 'σ2 2

'2

'2 2 2

2 ' '2 δ

e

3 3

s X R

s pE R s

i R pP p

T

ω ω

ω ^{, (2.17)}

missä p on napapariluku, on ilmaväliteho, on roottorin staattoriin redusoitu virta, E on magnetointijännite, on staattoriin redusoitu roottoriresistanssi ja on staattoriin redusoitu roottorihajareaktanssi. /2/

Pδ i'2

'2

R X'σ2

Epätahtikoneen hyötysuhde η voidaan laskea koneen anto- ja ottotehon avulla.

Antotehon selvittämiseksi voidaan mitata koneen vääntömomentti ja akselinopeus.

Epätahtikoneen hyötysuhteen voi laskea myös kilpiarvojen perusteella nimellisellä kuormalla. Epätahtikoneen hyötysuhde muuttuu kuorman muuttuessa. Epätahtikoneen hyötysuhde nimellisarvoilla laskettaessa

n n n

n otto

anto

cos

3 ϕ

η U I

P P

P =

= . (2.18)

Epätahtikoneen hyötysuhde kolmivaihesinisyötössä voidaan esittää myös häviöiden avulla

1 1 1

l fe

cu 1 1 1

cos 3

) (

cos 3

ϕ

η ϕ ^µ

I U

P P P P I

U − + + +

= , (2.19)

missä on virtalämpöhäviö, on rautahäviö, on kitkahäviö ja on lisähäviö.

/2/

Pcu P_fe P_µ P_l

Oikosulkumoottorin verkkokäynnistyksessä suurien kuormien tapauksessa saattavat laitteiden ylivirtarajat ylittyä ja suojalaitteet tiputtavat koneen verkosta. Usein moottorien

tapauksessa käytetään ns. hitaita sulakkeita, jotka mahdollistavat koneen ylivirran riittävän aikaa, jotta saadaan kone käyntiin. Ylivirrat rasittavat luonnollisesti syöttävää verkkoa ja kaapelia.

Taajuudenmuuttajalla epätahtikonetta syötettäessä ei käynnistysvirta poikkea suuresti normaalista sillä taajuudenmuuttaja nostaa vähitellen taajuuden ohjearvoonsa. Jos koneen ja kuorman hitausmomentti eivät ole suuret ja taajuudenmuuttajan nopeusramppi on tarpeeksi loiva, kone yleensä ennättää kiihdyttää roottoria riittävästi ja absoluuttinen jättämä ei nouse kovin suureksi. Pienestä jättämästä johtuen ei myöskään käynnistysvirta pääse nousemaan liian suureksi.

Tahtimoottorit

Tahtikoneita on perinteisesti käytetty voimaloiden generaattoreina sekä suurissa ja hitaissa sähkökäytöissä kuten laivan moottoreina. Tahtimoottoreiden yleistymisen tiellä on ollut roottorin magnetoimiseen tarvittava tekniikka. Roottoria magnetoidaan tasavirralla. Roottorin magnetoimiseen on alun perin käytetty liukurenkaita hiiliharjoineen, mutta tämä vaatii jatkuvaa huoltoa. Harjallinen magnetointi on perinteisin ja dynamiikaltaan paras. Käytössä on myös harjattomia tahtimoottoreita, mutta näissä käytettävä tekniikka on varsin monimutkainen ja siten myös kallis. Harjaton magnetointi on optimaalinen käytöissä, jotka ovat säädön kannalta vaatimattomia. /13/

Tahtikoneissa roottori pyörii samaa nopeutta staattorikentän kanssa. Tahtinopeuden ansiosta moottorin pyörimisnopeudensäätö on tarkempaa kuin epätahtimoottorin tapauksessa, jossa voidaan nopeustietoon käyttää vain estimaattia. Tahtikoneiden roottorit voivat olla umpi- tai avonapaisia. Roottorin ja staattorikentän välillä on vaihe- ero riippuen kuormituksen suuruudesta. Tätä kulmaa kutsutaan tehokulmaksi.

Tahtimoottorilla ja -generaattorilla voidaan roottorin magnetointi asettaa halutulle tasolle, joka mahdollistaa tahtimoottorien käytön loistehon kompensoinnissa. Roottorin magnetointia säädetään siten, että moottorin generoima loisteho vastaa verkon tarvitsemaa loistehoa. Kestomagneettitahtikoneilla magnetoinnin muuttaminen on kuitenkin hankalaa eikä niitä käytetä loistehon kompensoinnissa.

Kestomagneettimoottori

Magneettimateriaalien kehittymisen myötä on saatu aikaan entistä parempia kestomagneettimoottoreita, joiden määrä onkin alkanut teollisuudessa yleistyä.

Kestomagneettimoottorien etuna on magnetointivirran puuttuminen roottorissa, jolloin päästään parempiin hyötysuhteisiin ja halvempiin tekniikoihin verrattuna perinteisiin tahtimoottoreihin. Kestomagneettimoottorin magnetoinnin saa aikaan magneettimateriaalin koersiivivoima [A/m]. Kestomagneettikoneella ei yleensä päästä syvälle kentänheikennykseen, sillä kentänheikennys tapahtuu staattorin kautta magneetteja demagnetoiden.

Hc

Kestomagneettimateriaaleilla on hyvin erilaiset magneettiset ominaisuudet. Yleensä kestomagneetit kestävät magnetoitumisen puolesta hyvin matalia lämpötiloja, mutta korkeissa lämpötiloissa magneettien ominaisuudet alkavat huonontua. Tämä rajoittaa osaltaan kestomagneettimoottoreiden käyttöä erittäin kuumissa olosuhteissa. Koneen roottorin jäähdytykseen on kiinnitettävä huomiota, jottei kone pääse demagnetoitumaan.

Kestomagneettimoottorin etuna on sen kyky aikaansaada suurempi vääntömomentti samasta runkokoosta kuin esimerkiksi oikosulkumoottorin tapauksessa. Runkokoon pienentyminen vähentää moottorin rakentamiseen tarvittavan raudan määrää ja näin vähentää rakennuskustannuksia. Kuvassa 2.2 on esitetty kestomagneettimoottorin rakenne. Kestomagneettikoneilla päästään usean napaparin käytöllä jopa n. 100 kierroksen nimellispyörimisnopeuteen. Hidas pyörimisnopeus mahdollistaa monessa tapauksessa vaihteiston jättämisen pois laitteesta, mistä seuraa kohonnut hyötysuhde, huollon määrän väheneminen ja rakennuskustannusten pienentyminen.

Kuva 2.2. Kestomagneettimoottorin eräs rakenneratkaisu. Roottorin navoissa on käytetty vuonohjaimia sinimuotoisen vuojakauman aikaansaamiseksi. /5/

Kestomagneettimoottoreiden hyötysuhteet vaihtelevat välillä 0,8-0,98 riippuen moottorin koosta, tehosta ja tuuletuksesta. Kestomagneettimoottoreiden hyötysuhdetta nostaa roottorivirtahäviöiden puuttumien. Pienillä, hitailla n. 10 kW:n moottoreilla hyötysuhde jää 0,9 tuntumaan kun taas suurilla megawattiluokan moottoreilla päästään aina 0,98 saakka. /7/

Reluktanssimoottori

Reluktanssimoottorit kuuluvat tahtimoottoreihin. Reluktanssimoottoreita on kahta eri tyyppiä: synkroninen reluktanssimoottori ja molemmin puolin avonapainen moottori.

Reluktanssimoottorien toiminta perustuu reluktanssieroihin. Reluktanssimoottorit eivät ole saaneet vielä suurta jalansijaa teollisuudessa, mutta suunta on nouseva. Parantunut hyötysuhde ja uudet paremmat ohjaustekniikat ovat nostamassa reluktanssimoottoreiden käyttökohdemäärää huomattavasti.

Synkroninen reluktanssimoottori on roottoria lukuun ottamatta samanlainen oikosulkumoottorin kanssa. Synkronisen reluktanssimoottorin vääntömomentin tuottokyky perustuu roottorin induktanssin epäsymmetriaan. Staattorin induktanssi voi magneettinavan navan suuntaan ( ) olla jopa kymmenkertainen poikittaiseen suuntaan ( ) verrattuna. Pieni pitkittäinen reluktanssi luo magneettivuolle paljon helpomman

Ld

Lq

reitin roottorissa pitkittäissuuntaan kuin poikittaissuuntaan. Näin ollen roottori pyrkii kääntymään aina vuon suuntaiseksi. /5/

Molemmin puolin avonapaisessa moottorissa on siis avonavat sekä staattorissa että roottorissa. Staattorin napojen ympärillä on käämitys, joita ohjataan tehoelektroniikalla.

Kuvassa 2.3 on esitetty molemmin puolin avonapaisen moottorin toimintamalli.

Molemmin puolin avonapainen moottori poikkeaa ohjaukseltaan muista moottorityypeistä sillä magneettinapoja täytyy ohjata roottorin kulman funktiona.

Roottorissa voidaan käyttää lamelliterästä eikä sen hinta näin ollen pääse korkeaksi.

Molemmin puolin avonapaisen moottorin haittapuolena on ollut vääntömomentissa esiintyvä suuri väre, joten se on kelvannut moottoriksi vain suorituskyvyltään vaatimattomiin kohteisiin. Tehoelektroniikan ja ohjauksen kehittyminen on tässäkin tapauksessa lisännyt suorituskykyä ja siten myös kiinnostusta moottoriin.

Kuva 2.3. Molemmin puolin avonapaisen moottorin toimintaa havainnollistava toimintamalli. Kuvassa on esitetty 6/4-napainen moottori ja yhtä napaparia syöttävä kytkentä./5/

Molemmin puolin avonaisen moottorin toiminta on vastaavanlainen synkronisen reluktanssimoottoriin verrattuna lukuun ottamatta staattorin ja roottorin avonapaisuutta.

Roottori pyrkii kääntymään staattorinapojen luoman magneettivuon suuntaiseksi energiaperiaatteen mukaisesti. Kun roottorin navat ovat vuon suuntaisessa asennossa, varastoituu systeemiin mahdollisimman vähän energiaa. Kun staattorin vuo siirtyy kulkemaan toisien napojen kautta, kääntyy myös roottori samaan asentoon.

Staattorinapojen ohjauksessa on kuitenkin otettava huomioon, ettei vuota pidetä päällä liian pitkään, muutoin seuraa liikettä jarruttava voima.

2.3 Moottorien hyötysuhteet

Eräs moottorin valintaan vaikuttava tekijä on sen hyötysuhde. Tiukentuneiden päästömääräyksien ja energian hinnan noustessa myös moottorien hyötysuhteisiin aletaan kiinnittää entistä enemmän huomiota. Energian kulutuksen ja ympäristöystävällisyyden vaikutus yrityksen imagoon saattaa myös olla valinnan perusteena. Moottorin hyötysuhteen noustessa saadaan moottorin ottamasta tehosta enemmän varsinaiseen tarkoitukseen eli kuorman liikuttamiseen. Moottorien tuottamasta lämpötehosta on yleensä enemmän haittaa kuin hyötyä. Jos tehdastiloissa on paljon moottoreita, joudutaan ylimääräinen lämpö siirtämään pois tiloista. Lämmönsiirto osaltaan nostaa kustannuksia lisälaitteiston ja huollon takia. Joissain tapauksissa moottorien hukkalämpö voidaan käyttää rakennuksen lämmittämiseen eikä siitä koidu haittavaikutuksia.

Moottorit luokitellaan hyötysuhteen mukaan kolmeen eri luokkaan: EFF1, EFF2 ja EFF3.

Kuvissa 2.4 ja 2.5 on esitetty kaksi- ja nelinapaisten moottorien EFF- luokitusrajat.

Luokitus tapahtuu moottorin tehon ja pyörimisnopeuden perusteella. EFF1- luokka on hyötysuhteeltaan paras ja suositeltavin ja EFF3- luokka on huonoin. Pitkäaikaisessa käytössä hankintahinnaltaan suuremmasta EFF1 moottorista tulee kuitenkin vähäi- semmän energiankulutuksen takia kannattavampi.

Kuva 2.4. Kaksinapaisten moottoreiden EFF- luokitusrajat sekä ABB:n omien moottoreiden rajat.

Eriväriset alueet kuvaavat säädettyjä EFF- rajoja ja viivat kertovat ABB:n moottoreiden hyötysuhteen tehon funktiona luokissa EFF1 ja EFF2. /8/

Kuva 2.5. nelinapaisten moottoreiden EFF- luokitusrajat sekä ABB:n omien moottoreiden rajat. /8/

2.4 Harmoniset aallot

Syöttävän verkon jännitteen käyrämuoto poikkeaa usein täysin sinimuotoisesta ideaalisesta muodosta. Suuritaajuisten verkkohäiriöiden lisäksi verkossa esiintyy usein harmonisia aaltoja, jotka ovat syöttöjännitteen taajuuden kerrannaisia. Harmonisia aaltoja synnyttävät verkkoon pääasiassa tehoelektroniset laitteet. Harmonisien aaltojen poistamiseksi käytetään tehoelektroniikkalaitteiden verkon puolella LC- suodattimia.

Näin saadaan harmonisien aaltojen amplitudit standardien sallimalle tasolle.

Epätahtimoottorille voidaan muodostaa uratähti, joka kuvaa koneen käämityksen kykyä tehdä harmonisia aaltoja koneeseen. Harmoniset aallot ovat haitallisia koneelle, koska ne pyrkivät pyörittämään roottoria eri nopeudella kuin perustaajuus ν =1. Harmoniset aallot luovat koneessa häviöitä, joten niistä pyritään pääsemään eroon sopivalla käämityksellä.

Moottorille voidaan laskea käämityskerroin ξ_v eri harmonisille aalloille ν

∑

= ^Z v

Z v

1

2 cos sin

ρ ρ

ν α

π

ξ , (2.20)

missä Z on vaiheeseen kuuluvien osoittimien lukumäärä ja α_ρ on yksittäisen osoittimen kulma. Uratähden avulla voidaan koneeseen valita sopiva käämityskerroin tiettyjen rajojen sisällä.

2.5 Lämpenemä

Sähkömoottorit kestävät hetkellistä ylikuormitusta tietyissä rajoissa. Pitkään jatkuva pienikin ylikuorma saattaa kuitenkin lyhentää moottorin elinikää huomattavasti. Korkea lämpötila ja varsinkin suuret lämpötilan muutokset rasittavat ja vanhentavat koneen käämityksiä. Moottorien kestämä jatkuva lämpötila on luokiteltu taulukon 2.2 mukaisesti.

Taulukko 2.2. Moottoreiden eristysluokat. (IEC 60085, IEC 60034-1) Eristysluokka Vanha

merkintä Kuumimman pisteen lämmönsieto /

°C

Sallittu lämmönnousu/K, kun ympäristön lämpötila on 40 °C

Sallittu keskimääräinen resistanssimittauksella määritetty käämityksen lämpötila /°C

90 Y 90

105 A 105 60

120 E 120 75

130 B 130 80 120

155 F 155 100 140

180 H 180 125 165

200 200 220 220 250 250

Moottorille voidaan laskea nk. ekvivalenttinen kuormitus moottorin ottaman virran perusteella

∫

= ^tot

0 2 totE

eq 1 ^t ( )

dt t t I

I , (2.21)

missä on ekvivalenttinen kuormitusvirta, on ekvivalenttinen kokonaisjäähtymis- aika ja on kuormitusaikajakson pituus. Ekvivalenttinen kuormitus kuvaa moottorin ottaman epätasaisen kuormitusvirran vastaavana tasaisena virtana, joka kuormittaa moottoria yhtä paljon. Kuvassa 2.6 on esitetty moottorin kuormitettavuus pyörimisnopeuden funktiona itsejäähdytetyn ja ulkoisesti jäähdytetyn moottorin tapauk- sessa kahdella eri käämityksen lämpökestoisuudella. Jos käyttö on jaksottaisesti tasainen, voidaan yhtälöä (2.21) muokata helpommin laskettavaan muotoon jaksojen perusteella

Ieq t_totE

ttot

totE n 2 n 2 2 2 1 2 eq 1

...

t

t I t I t

I = I + , (2.22)

missä ovat aikajaksojen virrat ja ovat aikajakson kuormitusajat.

Ekvivalenttinen kuormitus voidaan laskea myös tehon perusteella.

n 1...I

I t₁...t_n

Kuva 2.6. Moottorin kuormitettavuus nopeuden funktiona eri lämpöluokituksilla. /8/

Moottoreiden erilaisille käyttötavoille on standardissa IEC 60034-1 määritelty käyttöluokat S1-S10. Taulukossa 2.3 on esitetty käyttöluokat selityksineen. Moottoreita voidaan kuormittaa hieman eri tavoin riippuen moottorin ja kuormituksen luokituksesta.

Taulukko 2.3. IEC 60034-1 standardin mukainen käyttöluokitus. /9/

Käyttöluokka Määritelmä S1 Jatkuva vakiokuormitus niin kauan, että loppulämpötila saavutetaan.

S2 Lyhytaikainen vakiokuormituskäyttö loppulämpötilaa saavuttamatta. Moottori ehtii jäähtyä ennen uutta käyttöä.

S3 Jaksottainen ajoittaiskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa vakiokuormitus- ja seisonta-aika. Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S4 Jaksollinen käynnistyskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa käynnistys-, vakiokuormitus- ja seisonta-aika. Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S5 Jaksollinen käynnistys- ja jarrutuskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa käynnistys-, vakiokuormitus-, jarrutus- sekä seisonta-aika.

Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S6 Pysähtymätön ajoittaiskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa vakiokuormitus- ja tyhjäkäyntiaika. Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S7 Pysähtymätön käynnistys- ja jarrutuskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa käynnistys-, vakiokuormitus- ja jarrutusaika Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S8 Pysähtymätön määräjaksolliskäyttö. Koostuu sarjoista samanlaisia jaksoja, joissa vakiokuormitus erilaisilla pyörimisnopeuksilla. Loppulämpötilaa ei saavuteta.

S9 Käyttö vaihtelevalla kuormalla. Käyttö muodostuu sallitulla käyttöalueella tapahtuvista kuorman ja nopeuden vaihteluista, jotka yleensä eivät ole jaksollisia.

S10 Käyttö vaihtelevalla vakiokuormalla. Käyttöjakso muodostuu enintään neljästä osajaksosta erisuurella vakiokuormalla. Käyttöaika kullakin vakiokuormalla on niin pitkä, että loppulämpötila saavutetaan.

2.6 Kentänheikennys

Kentänheikennykseksi sanotaan tilannetta, jolloin nopeuden lisäykseen ei ole mahdollisuutta taajuutta ja jännitettä nostamalla vaan ainoa keino nostaa taajuutta on pitää jännite vakiona ja vähentää siten samalla magnetointia. Magnetoinnin heiken- täminen kuitenkin vähentää nopeasti moottorin kykyä tuottaa vääntömomenttia.

Kentänheikennyksessä vakiotehoalueella vääntömomentti laskee nimellisestä nopeudesta kääntäen verrannollisesti nopeuteen nähden. Oikosulkumoottoreissa noin kaksin- kertaisesta nimellisestä nopeudesta alkaen vääntömomentti laskee kääntäen verran- nollisesti nopeuden neliöön nähden. Tätä aluetta kutsutaan suurnopeusalueeksi. Oiko- sulkumoottoreilla kaksinkertaista nopeutta voi yleensä jo moottorin kestävyyden kannalta pitää rajanopeutena. Suuremmilla moottoreilla kaksinkertainen nopeus voi ylittää moottorin suunnitellun kestävyyden.

Kentänheikennystä käytetään esimerkiksi ajoneuvoissa ajomoottoreissa jolloin moottorin nimelliseen nopeuteen asti on käytössä nimellinen vääntömomentti, jonka jälkeen vääntömomentin pienentyessä myös kiihtyvyys pienentyy. Jos mennään liian pitkälle kentänheikennykseen, saattaa kuorman vaatima vääntömomentti ylittää moottorin vääntömomentin ja moottori kippaa.

2.7 Avaruusvirtavektori

Avaruusvirtavektori käsitteenä luotiin moottorin muuttuvien tilojen ohjausta varten.

Avaruusvirtavektori on fiktiivinen käsite, mutta sen avulla voidaan moottorin toimintaa ohjata. Avaruusvirtavektorin avulla voidaan havainnollistaa käämityksessä kulkevan virran ohella myös magnetoimissuuntaa. Toisin kuin normaalin virtavektorin tapauksessa, avaruusvirtavektori osoittaa käämin magneettiakselin suuntaisena ja sen suuruus on 2/3 oikeasta virrasta. Kertoimen 2/3 käytön ansiosta voidaan moottorin parametreina käyttää todellisia arvoja.

Moottorin ohjauksessa on tärkeää tietää staattorivirtavektorin suunta ja suuruus.

Staattorivirtavektori lasketaan staattorivirtojen avulla /5/ i_s(t)

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ + +

= ^⋅ ( ) ^⋅ ( ) ^⋅ ( ) 3

) 2

( ³ _sC

π 2 2 3 sB

π 2 1 3 sA

π 2 0

s t e^j i t e^j i t e^j i t

i , (2.23)

missä on A- vaiheen virta, on B- vaiheen virta ja on C- vaiheen virta.

Näin saadun staattorivirtavektorin avulla nähdään mihin suuntaan vaihevirrat kullakin )

sA(t

i i_sB(t) i_sC(t)

ajanhetkellä moottoria magnetoivat. Yhtälössä (2.23) esiintyvä kerroin

( )

3 2 1 π

− ji

e kertoo i:nnen vaiheen suunnan kolmivaiheisessa järjestelmässä. Kuvassa 2.7 havainnollistetaan staattorivirtavektorin muodostuminen ajan hetkellä t = 0.

) (t i

) (t

i

i

(t )

) (t i

Kuva 2.7. Staattorivirtavektorin osoitinpiirros ajanhetkellä t = 0. Staattorivirtavektori koostuu vaihevirtavektoreista , ja . A-vaiheen virta on huipussaan ja B- sekä C-vaiheiden virrat ovat puolet negatiivisesta huipustaan. Ajan kasvaessa staattorivirtavektori kiertää katkoviivoitettua ympyrää vastapäivään.

)

s(t i )

sA(t

i i_sB(t) i_sC(t)

2.8 Moottorin säätö

Moottorin säädöllä pyritään ohjaamaan prosessia tai kuormaa haluttuun suuntaan pyörimisnopeutta tai vääntömomenttia muuttamalla. Moottorin säätö voi yksinkertai- simmillaan tapahtua verkon jännitteen ja taajuuden avulla. Teollisuudessa on käytössä valtaisia määriä erilaisia kiertokenttämoottoreita, joita ohjaa vain verkko. Tämä tarkoittaa sitä, että moottori pyörii lähes vakionopeutta eikä säätöön moottorin valinnan jälkeen pyritäkään vaikuttamaan millään. Monet pumput ja puhaltimet ovat esimerkkejä edellä mainituista käytöistä.

Usein kuitenkin moottoria halutaan ohjata, joten on kehitetty tekniikoita moottorien säätämiseen. Säätötekniikoiden suorituskyvyt vaihtelevat paljon ja uusia tekniikoita kehitetään edelleen tarkkuuden parantamiseksi. Monissa tapauksissa käytetään jonkinlaista takaisinkytkentää säädettävästä suureesta säädön tarkkuuden ja nopeuden parantamiseksi. Säädettäviä suureita voivat olla esimerkiksi nopeus, vääntömomentti, paikka, kireys tai jokin muu mitattava suure.

2.8.1 Tasavirtamoottorin säätö

Tasavirtamoottorin säätö on tyristoritekniikan keksimisen jälkeen ollut helppoa ja säädön tarkkuus on ollut aina 1990-luvulle asti ylivoimainen kiertokenttämoottoreiden säätötekniikoihin verrattuna. Tasavirtamoottorin säädössä pyörimisnopeutta ohjataan etupäässä ankkurijännitteellä ja vääntömomentti on suoraan verrannollinen ankkurivirtaan. Pyörimisnopeutta voidaan periaatteessa ohjata myös magnetointi- jännitteellä, mutta suuren magnetoimisinduktanssin vuoksi säätötapa ei ole nopea ja samalla moottorin vääntömomentin tuottokyky muuttuu. Tasavirtamoottoreiden pyörimisnopeuden muuttuminen kuormituksen muuttuessa riippuu tasavirtakoneen tyypistä. Sivuvirtamoottorin ja erillismagnetoidun moottorin tapauksessa pyörimis- nopeudessa ei tapahdu suurta muutosta kuormituksen muuttuessa. Pyörimisnopeus pienenee hieman kuormituksen kasvaessa. Sarjamoottorin pyörimisnopeus sen sijaan pienenee huomattavasti kuormituksen kasvaessa ja pienellä kuormalla pyörimisnopeus ryntää toisin kun edellä mainittujen moottorityyppien tapauksessa. Käytännön säätötehtävissä käytetään nykyään vain erillismagnetoituja tasavirtakoneita. /1/

2.8.2 Kiertokenttämoottorin säätö Pulssinleveysmodulointi

Pulssinleveysmodulointi (PWM) on tekniikka, jolla voidaan tasajännitteestä teho- elektronisten kytkinten avulla muodostaa halutun taajuista vaihtojännitettä. Yksittäisessä vaiheessa jännite on joko maksimissaan tai nolla. Kahden vaiheen välissä vaihtojännite on eri levyisistä pulsseista koostuvaa tasajännitettä, jotka vaihtelevat nollatason molemmin puolin. Pulssien muodostama jännite ei ole sinimuotoista, mutta jännite vastaa

tehollisesti siniaaltoa. Sopivasti suodattamalla pulssijonoa, saadaan jännite sinimuotoiseksi. Pulssien leveyttä muuttamalla saadaan perusaallon jännitetasoa muutetuksi ja pulssiryppäiden jaksonaikaa muuttamalla saadaan haluttu taajuus.

Skalaarisäätö

Skalaarisäätö oli ensimmäisiä kiertokenttämoottoreiden säätötapoja. Skalaarisäädössä ei moottorin tilasta ole tarkkaa tietoa. Moottoria voidaan vääntömomenttisäädössä säätää niin, että suhde U/f pysyy vakiona, saadaan käämivuo ja siten myös moottorin vääntömomentti pidettyä vakiona. Skalaarisäädössä voidaan ohjata taajuutta tai vääntömomenttia kuten kuvasta 2.8 voidaan havaita. Nimelliskuormalla ajettaessa voidaan käyttää nimellisjännitettä ja -nopeutta.

Kuva 2.8. Skalaarisäätö lohkokaaviotasolla. /9/

Skalaarisäätö soveltuu lähinnä dynaamiselta suorituskyvyltään heikkotasoisimpiin käyttöihin ja käyttöihin, joissa ei tarvita tarkkaa moottorin tilan tuntemusta. Joissain käytännön tilanteissa saatetaan joutua paljon käynnistysvääntömomenttia vaativa käyttö käynnistämään skalaarisäädöllä.

Vektorisäätö

Vektorisäädössä pyritään ohjaamaan käämivuota ja vääntömomenttia erikseen toisistaan riippumatta. Vektorisäätö kykenee myös muutostilojen säätämiseen toisin kuin skalaari- säätö. Vektorisäädössä taajuusmuuttajassa mitataan moottorin ottamat vaihevirrat. Vaihe- virtojen avulla saadaan muodostettua moottorille avaruusvirtavektori. Vaihevirtojen ja adaptiivisen moottorimallin avulla saadaan selville moottorin senhetkinen magneettinen tila. Vektorisäädön toimintaa havainnollistaa kuva 2.9. Laskenta suoritetaan digitaalisesti tähän tarkoitukseen valmistetuilla prosessoreilla (DSP). Moottorin tarkan säädön aikaansaamiseksi laskutoimituksia täytyy tehdä sekunnissa jopa kymmeniätuhansia. Kun moottorin tila tunnetaan, voidaan moottoria ohjata haluttuun suuntaan staattorivirtaa muuttamalla.

Kuva 2.9. Vektorisäätö lohkokaaviotasolla./9/

DTC-säätö

Suora vääntömomenttisäätö eli DTC-säätö toimii käämivuon ohjaukseen perustuen.

DTC-säätöä voidaan pitää kehittyneempänä versiona DFLC-säädöstä (Direct flux linkage control) sen sisältämien virheenkorjausmenetelmien ansiosta. Käämivuota ohjataan moottorissa haluttuun suuntaan riippuen vääntömomentin ja nopeuden suuruuksista.

Käämivuon ohjausta havainnollistava piirros on esitetty kuvassa 2.10. DTC-säätö toimii kohtalaisesti ilman, että moottorin parametreja tarvitsee tietää tarkasti, mutta säädön tarkkuuden parantamiseksi myös moottorimallia käytetään. Ainut tarvittava parametri on

staattoriresistanssi ja sekin on helposti määritettävissä. ABB:n taajuusmuuttajissa voidaan moottorille suorittaa identifiointiajo, jossa taajuusmuuttaja tunnistaa eräitä moottorin parametreja magnetoimalla ja pyörittämällä roottoria ilman kuormaa.

Kuva 2.10. Käämivuon ohjausta havainnollistava kuva. Staattorikäämivuon karkeudesta huolimatta magnetointi- ja roottorivuo ovat tasaisia. Tästä johtuen myös moottorin vääntömomentti on tasainen./5/

Käämivuon ohjaus on osoittautunut nopeaksi tavaksi muuttaa moottorin tilaa. DTC- säädössä lasketaan adaptiivisessa moottorilohkossa vääntömomentin ja staattorivuon oloarvot. Oloarvoja verrataan komparaattoreilla ohjearvoihin, jonka jälkeen optimi- kääntötaulukon mukaisesti valitaan sopiva kytkinten asento, jolla oloarvon ja ohjearvon eroarvoa saadaan pienennettyä. Kuvassa 2.11 on esitetty DTC-säätö lohkokaaviotasolla tilannetta havainnollistamaan.

Kuva 2.11. DTC-säätö lohkokaaviotasolla. /9/

DC-välipiirin jännitteen mittauksessa tapahtuu aina pientä virhettä, minkä takia moottori ennen pitkää ajautuisi pois origokeskeisestä ohjauksesta. Tämän estämiseksi DTC- säätöön on kehitetty virheenkorjauskeinoja. Eräs tapa virheen korjaukseen on käyttää keskipisteohjausta, jossa korjaustekijä saadaan ratkaistuksi staattorikäämivuoestimaatin ja staattorivirran pistetulon avulla. Toinen tapa on virtamittauksen ja moottorimallin avulla ratkaista moottorin tila, minkä jälkeen voidaan käämivuo ohjata takaisin origokeskeiseksi. Moottorin ajautuminen epäorigokeskeiseksi kestää jopa sekunteja, joten muuttajalla on reilusti aikaa toimittaa korjaavat kytkennät tilanteen estämiseksi. /5/

3. MONIMOOTTORIKÄYTÖT

Monimoottorikäytöillä tarkoitetaan laitteistoja, joissa samaa kuormaa liikutetaan usealla moottorilla samanaikaisesti. Monimoottorikäyttöjä käytetään esimerkiksi sähköajo- neuvoissa, suurten massojen liikuttelussa tai paperikoneissa. Usean moottorin käyttö mahdollistaa vääntömomentin jakamisen useaan eri pisteeseen, jolloin kuorman käyttäytymistä voidaan säätää tarkemmin. Kiinteän kuorman tapauksessa kaikki käytöt pyörivän samaa vauhtia, jolloin säädöltä vaaditaan tarkempaa nopeuden säätöä.

Joustavan kuorman tapauksessa käyttöjen nopeudet voivat hieman poiketa toisistaan.

3.1 Isäntä/orja- säätö

Isäntä/orja- säädössä isännälle tuodaan nopeus- tai vääntömomenttiohje, jota se pyrkii noudattamaan. Isäntäkäyttö lähettää orjakäytöille ohjearvona nopeus- tai vääntömomenttiohjeen riippuen asetuksista. ABB:n ACS 600- sekä 800-sarjan taajuusmuuttajissa nopeusohjeella kaikkia käyttöjä ajettaessa, on mahdollista käyttää ns.

drooping-parametria, jonka käyttö mahdollistaa pienen nopeuseron käyttöjen välillä.

Drooping-parametri määrää kuinka paljon nopeutta pudotetaan, jos käytön vääntömomentti kasvaa reilusti muita käyttöjä suuremmaksi. Näin saadaan tasatuksi käyttöjen välistä kuormitusta.

Kun orjakäyttöjä ajetaan vääntöohjeella, orjakäytöt pyrkivät tekemään saman vääntömomentin kuin isäntäkäyttö. Tässä säätötavassa orjakäyttöjen pyörimisnopeus saattaa kuitenkin nousta liian korkealle, ellei sitä rajoiteta mitenkään. Rajoitukseksi on tehty ns. pyörintänopeusikkuna, joka määrää millä pyörimisnopeusalueella käyttö voi toimia verrattuna isännän pyörimisnopeuteen. Orjakäytön pyörimisnopeuden noustua yli ikkunan määräämän tason, muuttuu vääntömomenttisäätö nopeussäädöksi ja vääntömomenttiohjetta pienennetään siten, että päästään takaisin tason sisälle. Sama tilanne pätee päinvastoin jos pyörimisnopeus laskee alle ikkunan määräämän tason.

3.2 Isäntä-orjakäytön ongelmia

Isäntä-orjakäytössä voi ilmetä generointia jos moottorit pääsevät pyörimään tarpeeksi paljon eri nopeuksilla. Nopeuserot voivat säädön lisäksi johtua myös mekaanisista syistä.

Mekaanisia eroja voi syntyä esimerkiksi välitysten kulumisesta. Vaikka moottorien nimelliset pyörimisnopeudet ovat samat, lopullinen kuormaa liikuttava nopeus voi eri käytöissä vaihdella. Kuvassa 3.1 on esitetty Kratzerin ajomoottoreissa havaittu generointi-ilmiö. Kratzerin ajomoottoreista P1 on isäntä ja P2, P3 sekä P4 ovat orjakäyttöjä. Generoinnin ehkäisemiseksi täytyy moottorien pyörimisnopeudet saada tasatuksi säädöllisesti.

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

300 310 320 330 340 350

Aika [s]

Teho [%]/Jännite [10*V]

Teho moottori P1 Teho moottori P3 Teho moottori P4 Teho moottori P2 Dc-jännite P2

Kuva 3.1. Kratzerin ajomoottorien tehokäyrät ja moottorin P2 DC-jännite mittaushetkillä 300-350 sekuntia.

Kaaviosta voidaan nähdä kuinka moottorin P2 teho käy negatiivisella puolella eli moottori generoi tehoa välipiiriin. Kaaviosta voidaan huomata kuinka moottorin P2 generoiminen nostaa dc-välipiirin jännitettä.

Moottorit kuormittuvat epätasaisesti. Kaaviossa oleva moottorin P2 DC-jännite on skaalattu kymmenesosaan havainnollistamista varten. Kuvasta voidaan havaita moottoreiden toimivan reilusti nimellisen tehon alapuolella. Isot moottorit kykenevät suuriin vääntömomenttimuutoksiin, joten käytön nyintä pienenisi huomattavasti pienempiä moottoreita käytettäessä.

Taajuusmuuttajien parametreja muuttamalla voidaan yksittäisen moottorin pyörintänopeutta muuttaa siten, ettei jatkuvaa generointia pääse syntymään. Generoivan moottorin maksimipyörintänopeusparametria nostamalla saadaan moottori pyörimään nopeammin, koska taajuusmuuttajan saama ohjearvo skaalautuu maksimiarvojen perusteella. Moottorin pyörintänopeuden kasvu vaikuttaa moottorin kuormaan suurentaen sitä. Kun moottoreita pyöritetään mekaanisesti samalla nopeudella, eivät moottorit pääse generoimaan. Kuvan 3.1 moottorin P2 hetkittäinen generointi johtuu Kratzerin mekaanisesta huojumisesta eikä näin ollen generoinnista kokonaan päästä eroon moottoreiden pyörimisnopeuksia skaalaamalla. Voi olla, että P2:n generointi pienentää huojumista ja on siten jopa hyödyksi. Ratkaisua generointiin voisi tutkia mekaniikan analysointiin perustuvan ohjelmiston käytön avulla. Hetkellinen generointi ei kuitenkaan aiheuta ongelmia, joten kallista tutkimusta ei kannata suorittaa. Jos moottorit tasaisella kuormituksella kuormittuvat yhtä paljon, voidaan pyörimisnopeuden säätöä pitää riittävän tarkkana.

3.3 Yhteinen välipiiri

ABB:n valmistamat Multidrive- taajuusmuuttajat ovat ns. Common DC-käyttöjä, mikä tarkoittaa usean eri taajuusmuuttajan yhdistämistä samaan välipiiriin. Tällöin saadaan mahdollisen generoinnin tuottama energia siirretyksi välipiirin kautta toisiin moottoreihin, ja näin saadaan hyötysuhdetta nostetuksi. Multidrive-käytössä laitteisto on koottu moduuleista, jotka voidaan tarpeen tullen vaihtaa uusiin hyvinkin nopeasti.

Kaikkia multidrive-käytössä olevia taajuusmuuttajamoduuleita voidaan ohjata yhdessä tai erikseen. Common DC-käytön investointikin on edullinen, koska käyttö tarvitsee vain yhden syötön toisin kuin usean taajuusmuuttajan käyttö erikseen. Yhden syötön käytössä täytyy syöttävä tasasuuntauslaitteisto mitoittaa kokonaiskäytön energiantarpeen mukaisesti.

Multidrive-laitteisto on pieniin käyttöihin soveltumaton lähinnä sen kalleuden takia.

Suurissa käytöissä sillä voidaan säästää huomattavia määriä energiaa, jos moottorit generoivat tehoa välipiiriin päin. Common DC-käyttö voidaan joissain tapauksissa rakentaa normaaleista taajuusmuuttajista yhdistämällä näiden välipiirit kaapeleilla.

Kuvassa 3.1 on esitetty Common DC-laitteisto välipiirit kaapeleilla yhdistettynä.

Suojauksen vuoksi välipiirien väliin on asennettava sulakkeet. On myös varmistettava että kaikkien taajuusmuuttajien syöttö kytkeytyy päälle yhtä aikaa, sillä yksittäinen tasasuuntaaja ei välttämättä kestä yhteisen välipiirin latausta. Edellä mainittu tilanne voi syntyä, jos yhteisen välipiirin taajuusmuuttajat ovat huomattavasti eritehoisia, ja pienin taajuusmuuttaja kytkeytyy ensimmäisenä verkkoon. Common DC-kytkennässä voidaan yhteisen välipiirin jarrutusenergia kuluttaa yhdessä jarruvastuksessa usean jarruvastuksen käytön sijaan. Jarruvastuksen ja -katkojan mitoitus on tarkasteltava erikseen, kun tiedetään generoinnin määrä.

Kuva 3.1. Common DC-laitteisto. Jokaiselle taajuusmuuttajalle tulee oma syöttö. Välipiirit on suojattu toisistaan sulakkeilla. Kuvassa esiintyvä EC (External Chopper) on erillisellä jarrukatkojalla ja -vastuksella suojattu välipiiri kun taas IC (Internal Chopper) on taajuusmuuttajaan integroidulla jarrukatkojalla suojattu välipiiri. Molempien jarrukatkojien käyttö yhtä aikaa ei ole sallittu. /10/

3.4 Usean moottorin syöttö yhdellä taajuusmuuttajalla

Kun yhdellä taajuusmuuttajalla syötetään useaa moottoria, ei yksittäisen moottorin tilaa voida tietää tarkasti. Näin ollen joudutaan tyytymään skalaariohjaukseen, jossa moottoreille syötetään haluttua taajuutta. Moottoreiden pyörimisnopeuksien ja kuormitusten välillä saattaa olla hyvinkin suuria eroja, eikä niitä pyritäkään skalaariohjauksessa säätämään. Moottoreiden yhteenlaskettu teho ei saa ylittää taajuusmuuttajan nimellistehoa. Kyseessä oleva käyttö soveltuu vain suorituskyvyltään vaatimattomiin käyttöihin.