Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

elektriske maskiner

Oprindelig forfatter JR-H Seneste forfatter Redaktionen

Elektriske maskiner. I jævnstrømsgeneratoren induceres der en elektrisk spænding i ankerviklingens ledere, når de bevæges i et magnetfelt. Jævnstrømsmotoren er konstrueret på samme måde som generatoren. Når der sendes en jævnstrøm gennem ankerviklingen, som befinder sig i et magnetfelt, påvirkes ankeret af kræfter, der får det til at rotere. Den enfasede vekselstrømsgenerator adskiller sig kun fra jævnstrømsmaskinerne, ved at kommutatoren er erstattet af slæberinge. Vekselstrømmen overføres derfor direkte fra ankerviklingen til nettet. Seriemotorens magnetiseringsvikling gennemløbes af den samme strøm som ankeret, hvilket giver et felt og dermed et omdrejningstal, der varierer stærkt med belastningen. Shuntmotorens magnetiseringsvikling gennemløbes derimod af en konstant strøm. Herved bliver felt og omdrejningstal næsten uafhængige af belastningen.

Elektriske maskiner. I jævnstrømsgeneratoren induceres der en elektrisk spænding i ankerviklingens ledere, når de bevæges i et magnetfelt. Jævnstrømsmotoren er konstrueret på samme måde som generatoren. Når der sendes en jævnstrøm gennem ankerviklingen, som befinder sig i et magnetfelt, påvirkes ankeret af kræfter, der får det til at rotere. Den enfasede vekselstrømsgenerator adskiller sig kun fra jævnstrømsmaskinerne, ved at kommutatoren er erstattet af slæberinge. Vekselstrømmen overføres derfor direkte fra ankerviklingen til nettet. Seriemotorens magnetiseringsvikling gennemløbes af den samme strøm som ankeret, hvilket giver et felt og dermed et omdrejningstal, der varierer stærkt med belastningen. Shuntmotorens magnetiseringsvikling gennemløbes derimod af en konstant strøm. Herved bliver felt og omdrejningstal næsten uafhængige af belastningen.

elektriske maskiner, maskiner til omdannelse af elektrisk effekt til mekanisk effekt eller omvendt. Hvis maskinen skaber mekanisk effekt, er der tale om en motor; hvis den producerer elektrisk effekt, er den en generator eller dynamo. Maskiner af denne art har tidligere været næsten enerådende til produktion af elektrisk effekt; siden er der til specielle formål eller på forsøgsbasis taget andre metoder i anvendelse, fx brændselsceller og solceller.

Ved sammenbygning af to elektriske maskiner kan elektrisk effekt også ændres fra en form til en anden. Tidligere benyttedes en sådan omformer til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm, men denne og lignende funktioner er i dag overtaget af effektelektroniske komponenter.

En elektrisk maskine består af en stationær del, statoren, og en bevægelig del, rotoren. Energiomsætningen er baseret på magnetisk induktion, idet en leder, som bevæges gennem eller passeres af et inhomogent magnetfelt, får induceret en spænding proportional med den hastighed, hvormed feltet ændres. Hvis lederen indgår i en lukket kreds, vil der gå en strøm gennem den, og der vil således dannes elektrisk effekt. Når maskinen opererer på denne måde, siges den at være i generatordrift. Tilsvarende gælder, at en strømførende leder i et magnetisk felt påvirkes af en kraft, som er proportional med strømmen i lederen og feltstyrken af magnetfeltet på stedet. Kraftpåvirkningen vil forskyde lederen således, at kredsen, den indgår i, omslutter det mindst mulige felt. Når maskinen opererer på denne måde, omsættes elektrisk effekt til mekanisk effekt, og maskinen siges at være i motordrift. Den samme maskine kan i princippet virke både som generator og som motor. Kredsen, som er forbundet med nettet for enten at aftage eller levere elektrisk effekt, benævnes ofte ankerviklingen. Den kan være placeret på enten statoren eller rotoren.

Annonce

Den enkleste form for en elektrisk maskine er en roterende spole i feltet fra en permanent magnet. Når spolen er drejet en halv omgang, har magnetfeltet skiftet retning i forhold til spolen, hvorved den inducerede spænding ligeledes har skiftet retning; efter en hel omdrejning har spændingen beskrevet en sinuskurve, og der er således produceret en vekselspænding. Maskinen kan ændres til en jævnstrømsmaskine, ved at spolens retning vendes for hver halve omdrejning. Det kan gøres med en såkaldt "kommutator", som er en sektioneret ring, der er fastgjort til rotoren og gennem slæbekontakter forbundet til det ydre net. Kommutatoren virker derved som en mekanisk ensretter. I det primitive tilfælde med den roterende spole i feltet er der to lameller på kommutatoren, som hver dækker en halvdel af omkredsen. Den enfasede vekselstrøm ensrettes herved til to halvbølger med samme fortegn, dvs. en stærkt pulserende jævnstrøm, som dog er uanvendelig i praksis. Tænker man sig imidlertid ankeret udvidet til tre spoler, som er jævnt fordelt langs rotorfladen, fås et væsentligt glattere forløb af den ensrettede spænding.

Jævnstrømsmaskiner

Jævnstrømsmaskiner bygges af praktiske grunde med hovedviklingen anbragt på rotoren og magnetiseringsviklingen på statoren. Denne maskintype har været den fremherskende til industrielle formål på grund af fleksibelt omløbstal, som kan ændres enten ved at variere spændingen over ankerviklingen eller ved at regulere magnetiseringen. Jævnstrømsmaskiner deles grundlæggende i to undergrupper: seriemaskiner og shuntmaskiner. De to typer adskiller sig ved forskellig indbyrdes forbindelse mellem rotor- og statorviklingerne. I seriemotoren gennemløbes begge viklinger af den samme strøm, mens de to viklinger er koblet parallelt i shuntmotoren. De to maskintyper har meget forskellige karakteristika og forskellige anvendelsesområder.

Seriemaskinen anvendes udelukkende som motor. Dens omløbstal er meget afhængigt af belastningen og kan i tomgang stige så meget, at motoren ødelægges. Ved stor belastning og lavt omdrejningstal er momentet på akslen stort. På grund af konstruktionen kan magnetiseringsstrømmen ikke reguleres selvstændigt, så den eneste mulighed for at influere på motorens opførsel er justering af netspændingens størrelse. Seriemotoren har været meget anvendt til fremdrift af lokomotiver og sporvogne samt i kraner; ved disse anvendelser opstår der ikke fare på grund af tomgangsdrift.

Shuntmaskinen er i modsætning til seriemaskinen lettere at regulere, idet magnetiseringen kan ændres uafhængigt af ankerviklingens forhold. Det foregår ved enten at indsætte en regulerbar modstand i serie med magnetiseringsviklingen eller at forsyne magnetiseringsviklingen fra en uafhængig spændingskilde. Svækkes magnetiseringen, vil motorens omløbstal øges, men samtidig mindskes momentet, så effekten bliver nogenlunde uændret. I modsætning til seriemotoren er shuntmotorens omløbstal ikke stærkt afhængigt af belastningens størrelse.

Kompoundmaskinen er en hybrid af serie- og shuntmaskinen, hvor magnetiseringsviklingen er delt i to, hvoraf den ene svarer til seriemotorens, mens den anden er uafhængig af ankerstrømmen. Herved får maskinen en karakteristik med en næsten konstant spænding uanset belastningsstrømmen. Kompoundmaskinen er derfor velegnet som dynamo til produktion af jævnstrøm.

Vekselstrømsmaskiner

Vekselstrømsmaskiner findes i tre almindeligt anvendte typer, hver med sine undertyper.

Elektriske maskiner. I synkrongeneratoren, der her er vist i en trefaset udgave, vil det roterende magnetfelt inducere vekselspændinger i de tre separate ankerviklinger. Vekselspændingernes frekvens afhænger af rotorens omdrejningstal. Det roterende magnetfelt i asynkronmotoren bliver frembragt af tre separate ankerviklinger, der er tilsluttet en trefaset spændingsforsyning. Feltet inducerer spændinger i rotorens ledere (aluminiumsstave i den viste kortslutningsmotor), hvorved der går strøm gennem disse. De strømførende stave bliver pga. det roterende magnetfelt påvirket af kræfter, som sætter rotoren i bevægelse.

Elektriske maskiner. I synkrongeneratoren, der her er vist i en trefaset udgave, vil det roterende magnetfelt inducere vekselspændinger i de tre separate ankerviklinger. Vekselspændingernes frekvens afhænger af rotorens omdrejningstal. Det roterende magnetfelt i asynkronmotoren bliver frembragt af tre separate ankerviklinger, der er tilsluttet en trefaset spændingsforsyning. Feltet inducerer spændinger i rotorens ledere (aluminiumsstave i den viste kortslutningsmotor), hvorved der går strøm gennem disse. De strømførende stave bliver pga. det roterende magnetfelt påvirket af kræfter, som sætter rotoren i bevægelse.

Synkronmaskinen er karakteriseret ved, at rotoren bærer et magnetisk system, mens ankerviklingen på statoren har de tre faser jævnt fordelt langs overfladen mod rotor. Tilføres ankerviklingen en sinusformet trefaset strøm, hvor de tre faser har samme amplitudeværdi og er faseforskudt nøjagtigt 120° i forhold til hinanden, vil en ideel udformning af viklingerne bevirke, at der i maskinen skabes et konstant, roterende felt, hvis hastighed bestemmes af frekvensen i det net, ankerviklingen er koblet til. Et magnetisk system i rotoren vil følge med dette felt og dermed rotere "synkront", dvs. med samme hastighed som ankerfeltet. Maskinen er ideel til generatordrift, idet styrken af det magnetiske system effektivt kan kontrollere spændingen gennem produktion af reaktiv effekt. Den synkrone maskine med to poler (nordpol og sydpol) i rotor skal ved 50 Hz i vekselstrømsnettet rotere med 50 o/s. Anbringes flere magnetiske poler i rotor og tilsvarende flere poler i stator, formindskes rotationshastigheden således, at den i et 50 Hz net er 50/(antal polpar) o/s. Ved udnyttelse af vandkraft er der oftest behov for langsomtgående generatorer, og de bygges derfor med lille dybde, men stor omkreds, så der er plads på statoren til et stort antal polpar med tilhørende ankerviklinger. Det magnetiske system på rotoren består almindeligvis af jævnstrømsmagnetiserede spoler, men permanente magneter er begyndt at vinde indpas i små maskiner til specielle formål.

Til dampkraftværker bygges synkrongeneratorer i størrelser op til 1000-1200 MW.

Asynkronmaskinen er en af de mest anvendte elektriske maskiner til motordrift. Det skyldes en enkel konstruktion, stor robusthed og simpel vedligeholdelse. Maskinen er karakteriseret ved, at den ikke har et magnetisk system indbygget i rotoren, som tilfældet er for synkronmaskinen. Det magnetiske felt frembringes ved, at rotoren løber med en hastighed, som er lidt forskellig fra det synkront roterende felt fra statoren, hvis viklinger i princippet ikke adskiller sig fra synkronmaskinens ankervikling. Da det enkelte sted på rotor således udsættes for et varierende felt, når ankerviklingens felt passerer forbi, induceres der hvirvelstrømme i rotoren, som derved selv skaber sit magnetiske system. Forskellen i hastighed kaldes "slippet". Ved motordrift er rotorhastigheden mindre end den synkrone hastighed, mens den ved generatordrift er større. Forskellen i hastighed for en typisk maskine på ca. 1 kW er nogle få procent af synkronhastigheden ved maskinens mærkelast.

Asynkronmotoren anvendes i to gængse konstruktioner: kortslutningsmotoren og slæberingsmotoren. Førstnævnte har en kortsluttet rotorvikling, mens der i slæberingsmotoren kan indkobles ekstra modstand i rotorkredsen, hvorved drejningsmomentet under igangsætning øges væsentligt. En anden velkendt metode til at forbedre starten er den såkaldte stjerne-trekant-igangsætning, hvorved man gennem en simpel omkobling nedsætter spændingen over statoren til ca. 60% af sin fulde værdi. Det gør startmomentet mindre, og strømmen fra nettet begrænses som ønsket. Stjerne-trekant-start kan derfor kun anvendes, hvis motoren er ubelastet eller meget svagt belastet under start.

Enfasede asynkronmaskiner benyttes også, men kun ved meget små effekter. For at skabe et drejefelt må man ved hjælp af en kondensator tilføje en ekstra spænding, som er faseforskudt 90° fra spændingen fra nettet.

Vekselstrømskommutatormotoren har sin styrke i et variabelt omdrejningstal. I den enfasede udgave, universalmotoren, er den meget lig jævnstrømsseriemotoren: Vendes strømmen i enten rotoren eller statoren på en jævnstrømsmaskine, skifter omløbsretningen. I seriemotoren, hvor stator- og rotorvikling er serieforbundet, vendes strømmen i begge viklinger samtidig, så den roterende bevægelse fortsætter. Denne motortype er meget anvendt i småmaskiner til dagligt brug. Store maskiner af denne type anvendtes tidligere i stor udstrækning til elektrisk banedrift, og for at skåne kommutatorringen valgtes lavere frekvenser end for det almindelige elforsyningsnet. I vore nabolande, som tidligt gennemførte elektrificering, er frekvensen 162/3 Hz til banedrift. DSB har, med den senere elektrificering af fjernbanerne, valgt at anvende højspændt 50 Hz vekselspænding, idet man i moderne lokomotiver benytter trefasede asynkronmotorer eller endog (i Frankrig) synkronmotorer. Disse forsynes fra det enfasede net gennem en frekvensomformer, som tilfører motoren trefaset spænding med varierende frekvens afhængigt af den øjeblikkelige hastighed.

Trefasede vekselstrømskommutatormotorer har også været anvendt. Der var her tale om ret komplicerede konstruktioner, hvor fx en trefaset ankervikling placeredes på statoren med tilhørende slæberinge for tre faser og nulleder, mens en yderligere statorvikling uden forbindelse til nettet via en kommutator med bevægelige børster var forbundet til statorviklingen. Omdrejningshastigheden kunne i dette tilfælde reguleres ved at flytte børsterne, hvorved spændingen i statorviklingen og dermed hastigheden kunne ændres.

Linearmotoren er i sin funktion beslægtet med asynkronmaskinen. Tænker man sig rotoren gjort uendelig stor, bliver overfladen retlinjet. Statoren må nødvendigvis begrænses til kun at dække en meget beskeden del af rotorens overflade. Ved successiv indkobling af en række spoler placeret langs statoren skabes et "vandrefelt". I det enkleste tilfælde forsynes statoren med tre viklinger, som tilført en trefaset strøm skaber vandrefeltet. Feltet inducerer hvirvelstrømme i rotoren og dermed en kraftpåvirkning mellem de to overflader, så statoren skubbes langs rotorens overflade. Den gensidige hastighed mellem de to magnetiske komponenter styres enkelt gennem den hastighed, hvormed spolerne indkobles. Variabel hastighed kan opnås ved indkobling af en frekvensomformer. Linearmotoren har en ringere virkningsgrad end de roterende maskiner, og anvendelsen er meget begrænset. I Vancouver i Canada drives dog en fuldautomatisk bybane ved hjælp af linearmotorer, ligesom denne maskintype er den eneste anvendelige til magnetsvævebaner. Mange projekter af denne art er udarbejdet, men kun få er realiseret.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jan Rønne-Hansen: elektriske maskiner i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 14. december 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=69659