Redigerer Elektrisk motor (avsnitt)

=== Styring og drift av asynkronmotoren ===
==== Start av asynkronmotoren med stjerne trekant-vender ====
[[Fil:Stern-Dreieck.svg|thumb|En [[vekselstrøm#Stjernekobling|stjerne]]-eller [[vekselstrøm#Trekantkobling|trekant]]-kobler for en asynkronmotor. Viklingene for hver av fasene har to terminaler, dermed kan omkoblingene ved oppstart foretas utenfor motoren.]]

[[Fil:Kennlinie Asynchronmotor.svg|thumb|Moment/turtallskarakteristikk for en typisk asynkronmotor med viklingene i  [[vekselstrøm#Stjernekobling|stjerne]]- (rød linje) og [[vekselstrøm#Trekantkobling|trekant]]kantkobling. Turtall langs x-aksen og momentet langs y-aksen, begge i prosent av merkeverdiene. Den rosa linjen er arbeidsmaskinens moment som motoren må overvinne. ''K'' er det såkalte ''kippmomentet'' som er det høyeste oppnåelige momentet, mens ''B'' er stabile arbeidspunkter for de forskjellige momente og turtallene.{{Byline|Kölscher Pitter}}]]

Et typisk problem for en asynkronmaskin er den store startstrømmen når rotoren skal settes i bevegelse. Typisk kan strømmen ved stillestående rotor være fire til åtte ganger større en merkestrømmen. Startstrømmen forandrer seg lite inntil det såkalte ''kippturtallet'' er nådd, se fremstilling av moment og turtall i figuren nede til høyre. Om arbeidsmaskinen tar lang tid å akselerere opp, trekker motoren stor strøm over lengre tid, noe som kan forstyrrer øvrige forbrukere tilknyttet kraftnettet.<ref name="EMS178">[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 178.]]</ref> Vanligvis vil også motoren trekke overveiende reaktiv effekt ved start. Til tross for stor startstrøm kan derfor startmomentet ved start være lavt. Dette er typiske dårlige egenskaper for en motor.<ref name="ReferenceB">[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 161.]]</ref> Ikke bare fører dette til forstyrrelser på nettet, det fører også til stor oppvarming i motoren.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 162.]]</ref>

Det enkleste er selvsagt at motoren kan kobles direkte til kraftnettet ved at [[Strømbryter|bryteren]] legges rett inn. Imidlertid vil dette ikke kunne tillates om problemene som er beskrevet over er for store, for eksempel kan elverket ha krav til hvor store motorer som tillates direktestartet.<ref name="EMS178" /> En løsning på dette er stjerne/trekant-start, som har vært mye brukt. Som nevnt over vil vanligvis begge terminalene til viklingene for hver fase være tilgjengelige i motorens koblingsboks. Dermed kan det foretas kobling av motorens viklinger mens den er under oppstart. Bildet øverst til høyre viser hvordan dette utføres for en motor som i normal drift er beregnet for trekantkobling. For å forbedre oppstartegenskapene kobles maskinen i stjerne ved oppstart, det vil si at bryteren merket K2 kobles inn først, deretter legges selve hovedbryteren K1 inn. Først når motoren har fått tilnærmet normalt turtall skjer en omkobling fra bryter K2 til K3. Som moment/turtall-karakteristikken i illustrasjonen til høyre viser kan motoren etter at K3 er koblet inn belastes betydelig mer: I stjerne-kobling kan den ikke en gang belastes opp til merkemoment (100 %), mens den i trekant-kobling kan belastes betydelig mer (opp mot 300 %).

Årsaken til at effekten er så mye lavere ved sternekobling er at spenningen over motorviklingene bare er <math>\scriptstyle \frac{U}{\sqrt {3}}</math>. Strømmen i hver ledning til motoren blir lik strømmen i hver vikling, og blir en tredjedel av strømmen i trekant-kobling. Motormomentet er proporsjonalt med kvadratet av spenningen, dermed blir det redusert til en tredjedel av momentet ved full spenning over viklingene.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 167-168.]]</ref>

Brytere og [[Relé|releer]] som er nødvendig for at disse omkoblingene skal skje kan monteres i et eget koblingsskap ved siden av motoren. Ved hjelp av turtallsmåling direkte på motoren kan riktig tidspunkt for omkoblingen skje helt automatisk via et turtallsrele.

==== Start av asynkronmotor med startmotstander ====
[[Fil:Slipringmotor.svg|thumb|Symbol for en asynkronmotor med sleperinger og eksterne regulerbare motstander (til høyre).]]

[[Fil:Kennlinie schleifringläufer schweranlauf.svg|thumb|Moment som funksjon av turtall (blå linje) for en asynkronmotor med eksterne startmotstander. De tynne grå linjene viser moment/turtall-karakteristikken for hele turtallsintervallet for hver av startmotstandene. Den svarte linjen er arbeidsmaskinens karakteristikk. Denne har et moment som er større ved lavt turtall enn ved nominelt turtall.]]

Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor også er vanlig for asynkronmaskiner. Denne har sleperinger for tilknytting av eksterne regulerbare motstander. Ved å regulere disse motstandene kan motorens karakteristikk ved start påvirkes ved at startmomentet økes, samt at startstrømmen og det reaktive effektopptaket reduseres.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 166.]]</ref> Til høyre er det vist symbolet til en motor med sleperinger og regulerbare startmotstander. Startmotstanden består av tre resistanser som med en regulerbar enhet kan reguleres fra stor til liten verdi. Startmotstandene kan også være delt opp i mange enheter som kobles ut og inn av brytere som styres automatisk under startforløpet.

I bildet under til høyre er det vist moment/turtall-karakteristikken for en motor med syv startmotstander. Under oppstartforløpet kobles disse ut etter tur, og momentet endres som den blå kurven viser. Den åttende og siste kurven viser momentkarakteristikken etter at det syvende og siste startmotstandstrinnet er koblet ut. Her er viklingene helt kortsluttet og normale forhold for drift inntrer.

Arbeidsmaskinens moment/turtall-karakteristikken er vist med svart kurve. I dette spesielle tilfellet kjennetegnes den av meget stort moment ved lavt turtall, faktisk er momentet ved omtrent en tredjedels turtall større enn ved normalt turtall. Uten startmotstandene ville ikke motoren kunne greid å starte opp denne arbeidsmaskinen. Det sees ved at moment/turtall-karakteristikken ved normal drift, altså kurven med kippmoment lengst til høyre, har et område som ligger under arbeidsmaskinens kurve.

==== Noen andre startmetoder for asynkronmotorer ====
Noen andre startmetoder er ''primærimpedansstart'' der det kobles inn motstander i faselederne til motoren. Dette fører til lavere spenning for motoren som igjen gir redusert strøm, turtall og moment.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 169-170.]]</ref> ''Starttransformator'' er en metode som brukes for motorer med burvikling og ytelse typisk over 500&nbsp;kW.<ref name="EMS189">[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 189.]]</ref> Transformatoren har gjerne flere trinn slik at oppstarten skjer i flere tinn med redusert spenning. Helt til slutt i startforløpet kobles transformatoren helt ut.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 170.]]</ref> En annen startmetode er ''Kusa-kobling'' der en motstand settes inn i bare en av faselederne. Dette brukes blant annet for å redusere startmomentet.<ref name="EMS189" />

==== Start av asynkronmotor med kraftelektronisk omformer ====
[[Fil:Asynchronmotor Softstart Schaltung.svg|thumb|En såkalt soft-starter i forbindelse med en asynkronmotor.]]

Startmetodene beskrevet over er tradisjonelle metoder, men med kraftelektronikk har nye metoder blitt vanlige. Bildet til høyre viser et eksempel på en såkalt «soft-starter», eller på norsk «mykstarter». Tyristorene som blir styrt av enheten kalt «Softstart controller» sørger for at spenningen til asynkronmotoren blir redusert til et lavere nivå enn normalt. Hver av disse enhetene slipper strøm og spenning gjennom i bare en retning. Dermed kan «pulser» av sinusformet strøm og spenning slippes gjennom. Softstarteren kan være så enkel at den øker spenningen fra null til full spenning, uten å ta hensyn til størrelsen av strømmen og motorens turtall. En mer avansert enhet kan kontrollere oppstartsekvensen med hensyn på turtall eller strøm. Dette skjer ved at parametrene måles, slik at ønskes respons kan oppfylles.<ref>{{Kilde www| forfatter= |url=http://www.softstarter.org/how-does-soft-start-work-959233.html | tittel=How does soft start work? | besøksdato=13. november 2015 | utgiver=Softstarter | arkivdato= }}</ref>

I tillegg til alle disse kompliserte startmetodene forklart i de siste avsnittene over, er det viktig å være klar over at motorfabrikanten en gang for alle har bestemt asynkronmaskinens strøm- og momentkarakteristikk ved konstruksjonen. Det er nemlig slik at forholdet mellom resistans og reaktans i rotoren bestemmer disse egenskapene. En annen ting er at frekvensen i rotoren endres fra nettfrekvens (50 eller 60&nbsp;Hz) når rotoren står stille (med det samme spenningen slås på), til å få en verdi på mellom 2 eller 3&nbsp;Hz ved normal hastighet. Ved å utnytte ''[[skinneffekt]]en'' kan resistansen gjøres avhengig av denne frekvensen, som igjen blir en avhengighet av rotorens turtall. Skinneffekt vil si at for en leder som fører strøm med stor frekvens, vil strømmen tendere mot å gå i lederens overflate. Dermed blir den ohmske motstanden stor. Derimot vil motstanden bli liten ved lav frekvens når strømmen ikke lenger bare går i lederens overflate. Motorkonstruktøren kan dermed påvirke karakteristikkene en hel del bare med å velge utforming av rotorstavene.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 171-173.]]</ref><ref>[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 359-364.]]</ref>

==== Bremsing av asynkronmaskinen ====
Ved drift av for eksempel verktøymaskiner kan det være nødvendig å stanse driften meget hurtig. En asynkronmotor kan hurtig bremses ned ved at to av faseledningene byttes om. Dette bevirker at dreiefeltet plutselig skifter retning, noe som gir et stort bremsende moment. Motoren må da forhindres i å akselerere opp i motsatt retning, om det er hurtig stans som er ønsket. Et turtallsrele som måler turtallet og kobler fra bryterne sørger for ønsket funksjon. Brytere som styres med releer kan gjøre dette automatisk ved at operatøren kun trykker på en knapp.<ref>[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 195.]]</ref>

I en heisekran der en last skal senkes kontrollert ned er bremsing viktig. Med en asynkronmotor med viklet rotor kan det settes inn stor ekstern motstand i rotorkretsen ved senking av lasten. Om en tenker seg motoren i normal drift der en gradvis øker rotormotstanden vil den til slutt stoppe. Dette skjer når motorens moment er likt momentet fra arbeidsmaskin; i dette tilfellet lasten i en heisekran. Økes motstanden enda mer vil motoren rotere i motsatt retning, og lasten i heisekranen senkes, noe som kalles ''motstrømsenkebremsekobling''. Denne metoden kan kombineres med å snu om på to av motorens tilførselsledninger, noe som kalles ''oversynkron sakbremse'' med ''sakkingsresistans''. I disse tilfellene vil asynkronmotoren levere effekt til nettet, med andre ord virker den som generator.<ref>[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 196]]</ref>

==== Styring av omdreiningstallet i trinn ====
[[Fil:Dahlander.svg|thumb|Dahlander-kobling for statorviklingene i en asynkronmotor. Til venstre [[vekselstrøm#Stjernekobling|stjerne]]- og vil høyre [[vekselstrøm#Trekantkobling|trekant]]kobling.]]

En asynkronmotor er i hovedsak en maskin for konstant hastighet, der turtallet for en maskin med burvikling har et fall på typisk 5 % fra tomgang til fullast.<ref name="ReferenceC">[[#DNTO|A. E. Fitzgerald: ''Electric machinery'' side 341.]]</ref> En meget enkelt metode for å regulere turtallet er å endre antallet poler, dette ble forklart lenger opp å være bestemmende for synkronhastigheten. Som forklart har ikke asynkronmotorens stator synlige poler, disse roterer og antallet er bestemt av hvordan viklingene i statoren er utført. Det er dermed mulig å lage viklingene slik at antallet poler kan endres i trinn. Tegningen til høyre viser ''Dahlander-koblingen'' der to koblinger er mulig for viklingene i en og samme maskin. Her er det seks viklingsgrupper og seks terminaler. I tegningen til venstre er viklingene koblet i trekant for lavt turtall, mens de til høyre er koblet i ''parvis parallell med dobbel stjernekobling''. I det siste tilfellet får motoren to poler og om frekvensen er 50&nbsp;Hz blir synkront turtall 3000&nbsp;r/min, mens i det første tilfellet blir synkront turtall 1500&nbsp;r/min.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 174.]]</ref>

Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor kan brukes for endring av egenskapene ved start. Ved å regulere disse motstandene kan hastigheten til rotoren styres i normal drift. Virkemåten er at økt motstand i rotoren fører til lavere strøm, lavere strøm fører igjen til at sakkingen øker, samtidig som momentet avtar. En ulempe med denne metoden er dårlig virkningsgrad ved lav hastighet og dårlig hastighetskontroll ved endring av arbeidsmaskinens effektbehov.<ref name="ReferenceC" />

==== Asynkronmaskin uten trefaseforsyning ====
[[Fil:Steinmetzschema-1.svg|thumb|Den såkalte Steinmetz-koblingen kan brukes for å drive trefase asynkronmotorer der en ikke har tilgang på annet enn enfasestrøm. Skjemaet til venstre viser motorens statorviklinger med tilkobling til kraftnettet (L og N), og kondensator koblet mellom to av terminalene til viklingene. Tilkobling i motorens koblingsboks er vist til høyre]]

En trefase asynkronmotor i drift vil kunne fortsette å gå selv om en av faselederne kobles fra, men turtallet vil synke alt etter hvor stort moment arbeidsmaskinen krever. Om motoren med bare to faseledere blir tilkoblet nettet vil den ikke kunne starte, men om den gis en vridning kan den dyttes i gang, forutsatt at lastmomentet ikke er for stort. Den kan da starte å rotere i begge retninger, alt etter hvilken retning den dyttets.<ref name="REM193">[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 193.]]</ref> Lenger ned blir forholdene i enfasede asynkronmotorer forklart.

I spesielle tilfeller kan en trefase asynkronmotor kobles opp slik at den får startmoment selv om den tilknyttes et enfase-nett. Dette kan være nyttig der det ikke er tilgang til et trefase kraftsystem. Det kan for eksempel være at en abonnent kun har enfase tilførselsledninger (to faseledninger i [[IT-nett|IT-system]] eller faseleder og N-leder (nøytralleder) i [[TN-nett|TN-system]]).

En løsning på dette er den såkalte ''Steinmetz-koblingen'' der en [[Kondensator (elektrisk)|kondensator]] kobles til motorens ene terminal, slik som illustrasjonen til høyre viser. Det som oppnås med dette er faseforskyvning av strømmene i motorens statorviklinger, noe som gir et dreiefelt som får motoren til å løpe rundt. En ulempe med dette er redusert moment.<ref>{{Kilde www| forfatter= |url=http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=63144&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D63144 | tittel=Operation of three-phase induction motors connected to one-phase supply | besøksdato=13. november 2015 | utgiver=IEEE | arkivdato=desember 1990 }}</ref> Det finnes flere variasjoner for hvordan dette konseptet kan utnyttes: Kondensatoren kan enten være tilkoblet kontinuerlig, eller bare ved start.<ref>[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 207.]]</ref>

==== Asynkronmaskinens turtall styrt med kraftelektronikk ====
{{Hoved|Puls-bredde modulasjon}}

[[Fil:Small variable-frequency drive.jpg|right|thumb|Liten frekvensomformer for hastighetsstyring av asynkronmotor.]]
[[Fil:AC-Chopper.svg|thumb|Puls-bredde-modulert-styring (PWM) for en asynkronmotor.]]

Med utviklingen av kraftelektronikk har asynkronmotoren fått enkle og billige løsninger for hastighetskontroll. Bildet til høyre viser en enkel frekvensomformer for asynkronmotordrift. Som navnet sier blir trefaset vekselstrøm omformet til høyere eller lavere frekvens enn nettfrekvensen. Dette påvirker direkte hastigheten til statorens dreiefeltet, altså den synkrone hastigheten til dreiefeltet. Andre metoder har også blitt brukt, og en stadig utvikling på dette feltet skjer.

Tegningen til høyre viser hvordan omforming for turtallstyring skjer med såkalt [[Puls-bredde modulasjon]], eller PBM-modulasjon{{Efn|Fra engelsk Pulse-Width Modulation, PWM}}, som har vært en mer og mer vanlig metode siden begynnelsen i 1960-årene<ref name="BKB" /><ref>{{Kilde artikkel| etternavn =Schönung | fornavn=A. |forfatter2=Stemmler, H. | tittel=Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren | publikasjon=BBC Mitteilungen | bind=51 | nummer=8/9 | sider=555–577 | utgiver=Brown Boveri et Cie | dato=august 1964 }}</ref> Til venstre i illustrasjonen er det seks dioder som likeretter spenningen fra de tre faselederne. Den likerettede spenningen blir så tilført vekselretteren som består av de seks tyristorene til høyre. Enheten mellom likeretteren og vekselretteren kalles mellomleddet, og kondensatoren som tegningen viser skal opprettholde jevn spenning her. Kontrollenheten med de røde ledningene til hver av tyristorene lukker og åpner disse etter et spesielt mønster. Enkelt forklart slipper tyristorene ut pulser av spenning med lik amplitudeverdi, men med variabel lengde av pulsene. Derav navnet puls-bredde modulering. Dermed får motoren til høyre i tegningen tilført en slags trefase spenning som den «oppfatter» som en vekselspenning. Motoren kan dermed få kontrollert turtallet innenfor et stort område. Slike motorstyringer er mye brukt i all type industri.

På mange måter erstatter denne typen kraftelektronikk alle de tradisjonelle metodene nevnt over for oppstart, stopp, bremsing og kontroll av turtallet for asynkronmaskiner. Det er heller ikke nødvendig å tilføre asynkronmotoren trefase strøm, den kan tilknyttes et kraftnett med enfase eller likestrøm. Derfor er denne typen motordrift brukt i tog og trikker, som kan ha strømforsyning med enfase 50&nbsp;Hz, enfase 16,7&nbsp;Hz eller likestrøm.

==== Fordeler og ulemper med asynkronmotoren ====
Asynkronmotoren er på grunn av sin enkle oppbygging svært driftsikker og billig.<ref>[[#EMS|F. Moeller og P. Vaske : ''Elektriske maskiner og omformere'' side 150]]</ref> Den kan konstrueres for meget høy virkningsgrad, over 95 % for maskiner av en viss størrelse er ikke uvanlig. Typisk kan virkningsgraden være over 95 % for asynkronmotorer større enn 15&nbsp;kW, men en del lavere for små motorer.<ref>{{Kilde www | forfatter= | url=http://www.industry.siemens.com/drives/global/en/motor/low-voltage-motor/efficiency-standards/Pages/line-motors.aspx | tittel=Efficiency classes for IEC line motors | besøksdato=13. november 2015 | utgiver=Siemens | arkivdato=2015-11-27 | arkiv-url=https://web.archive.org/web/20151127132423/http://www.industry.siemens.com/drives/global/en/motor/low-voltage-motor/efficiency-standards/Pages/line-motors.aspx | url-status=yes }}</ref> Lenger ned blir normer for virkningsgrad beskrevet.

En ulempe med asynkronmotoren er at den trekker en del reaktiv effekt for magnetisering.<ref>[[#REM|Svein Bua m.fl.: ''Roterende elektriske maskiner'' side 112.]]</ref> En annen ulempe er startkarakteristikker som kan være problematiske, spesielt meget store strømmer ved direkte start av store arbeidsmaskiner.<ref name="ReferenceB" /> Disse ulempene kan imidlertid i stor grad unngås med kraftelektroniske omformere, eller med de andre metodene som er nevnt.

En asynkronmotor kan også brukes for generatordrift, spesielt i [[Mikrokraftverk|mikro]]- [[Minikraftverk|mini]]- og [[småkraftverk]] er den mye brukt på grunn av mulighet for enkel tilknytningsform. I slike tilfeller går den alltid i tilknytning med overliggende kraftsystem som sørger for konstant spenning og frekvens, samt forsyner generatoren med nødvendig reaktiv effekt.