Formlen til beregning af elektrisk effekt i et elektrisk system er P = U x I.
P er effekt i watt
U er spænding i volt
I er strømstyrke i ampere
n er virkningsgrad
For at beregne watt (P) skal man multiplicere spændingen (U) med strømstyrken (I). For en 3-fase motor skal man også gange med kvadratroden af 3.
Formlen ser således ud: P=(UxI)x√3, men man skal også medtage motorens virkningsgrad (n) i beregningen.
Ingen motor fungerer med 100% virkningsgrad. Motoren bliver f.eks. varm, når den er i drift, og noget af energien går tabt i form af varme. Der er også andre faktorer, som gør at virkningsgraden kan variere med omdrejningstal og belastningsgrad. Det betyder, at man leverer mere energi til motoren, end den afgiver i mekanisk arbejde. Kort fortalt er virkningsgraden for en elektrisk motor forholdet mellem tilført effekt og afgivet effekt. Virkningsgraden (n) angives som brøk eller i procent, f.eks. 0,90 eller 90%.
Virkningsgraden (n) er normalt defineret på motor-skiltet. Dette er i mange tilfælde den bedste virkningsgrad for motoren og kan i nogle tilfælde kun opnås ved fuld belastning på motoren. Ofte kører man ikke motoren med fuld belastning, så det kan være en god idé at tage hensyn til motorens aktuelle omdrejningstal og belastningsgrad og se i databladet for motoren, hvad den aktuelle virkningsgrad er.
Virkningsgraden (n) angives som brøk eller i procent, f.eks. 0,90 eller 90%.
Når vi også har virkningsgraden med, har vi en formel, som fungerer i praksis, og formlen ser nu sådan ud: P=((UxI)x√3)xn
Synes du, at formlen er svær? Det forstår vi godt. Lad os tage en ting ad gangen.
Først skal vi multiplicere U og I, og vi har parenteser rundt disse to for at vise, at dette skal gøres som en separat beregning. Lad os sige, at spændingen (U) er 220 volt, og strømmen (I) er 16 ampere. Svaret på U x I er 3520.
Da dette er en 3-fase motor, skal vi også gange 3520 med kvadratroden af 3. Vi sætter også parenteser omkring denne beregning for at gøre den separat, og svaret er 6097. Nu deler vi 6097 med virkningsgraden (n) for at beregne den tilførte effekt til motoren. Hvis virkningsgraden (n) er 0,90, er svaret 6774 watt.
Den tilførte energi til motoren er 6,774 kW.
Vi kan også beregne den tilførte effekt med den nominelle effekten for en elektromotor. Den nominelle effekt er angivet på motor-skiltet og i databladet i kilowatt (kW). Dette er en lidt lettere beregning, som kan bruges, hvis man ikke har brug for at beregne med spænding og strømstyrke. Her skal man blot dividere den nominelle effekt med virkningsgraden.
Lad os tage et nyt eksempel, hvor vi beregner den tilførte energi til en motor med en nominel effekt på 10 kW og en virkningsgrad på 0,9.
10 kW / 0,9 = 11,1 kW.
Den tilførte energi til motoren er 11,1 kW.
Motoren bruger altså 11,1 kW for at producere 10 kW arbejde. Det betyder, at der er et energitab på 1,1 kW (11,1 kW - 10 kW = 1,1 kW).
En elektromotor består af flere komponenter, såsom stator, rotor, viklinger, kuglelejer, ventilator og i nogle tilfælde permanente magneter. Denne artikel giver en detaljeret gennemgang af de centrale komponenter og deres funktioner samt dybdegående information om, hvordan 3-fasede elektromotorer, også kaldet asynkronmotorer, fungerer. Nogle af de tekniske aspekter forklares i større detalje senere.
Statoren er den stationære del af en elektromotor og fungerer som motorhuset. Den indeholder elektriske viklinger, der skaber et magnetfelt, som er nødvendigt for motorens drift. Når elektrisk strøm løber gennem viklingerne, genereres et roterende magnetfelt, der får rotoren til at dreje. Statoren har ofte også køleribber, som ved hjælp af en forøget overflade afleder den varme, der genereres under motorens drift.
Viklingerne i statoren genererer de elektromagnetiske felter, som får rotoren til at rotere. Viklingerne kan være lavet af forskellige materialer, såsom kobber eller aluminium, afhængigt af motortypen og den ønskede effektivitet. Antallet af poler i viklingerne bestemmer, hvor hurtigt elektromotoren kører. Enkelt sagt drejer en 2-polet motor med ca. 3000 o/min, en 4-polet motor med ca. 1500 o/min, en 6-polet motor med ca. 1000 o/min, en 8-polet motor med ca. 750 o/min osv. Dette kaldes nominelle omdrejninger og angives normalt ved 50 eller 60 hertz (Hz).
Som nævnt er rotoren den roterende del af motoren. Den består af en aksel, der typisk understøttes af kuglelejer eller rullelejer. Disse lejer sikrer, at rotoren kan rotere jævnt og med minimal friktion, samtidig med at den holdes centreret i statoren. Forkert valg af lejer til applikationen kan føre til øget vedligeholdelsesbehov.
Valget af lejer afhænger af elektromotorens drift. Hvis motoren for eksempel skal drive en pumpe med lav aksial belastning, kan kuglelejer være et godt valg. Hvis motoren derimod skal drive en rem, der skal spændes, vil motoren blive udsat for betydelig sidebelastning, og her er rullelejer mere hensigtsmæssige, da de bedre kan optage radiale kræfter.
For at holde lejer og aksel (rotor) på plads i elektromotoren anvendes der lejehuse på hver side af statoren. Lejehuse kan, ved hjælp af pakninger, også beskytte motorens indre mod forureninger som støv og fugt, der kan skade viklingerne eller lejerne.
Koblingsboksen eller terminalboksen indeholder motorens elektriske tilslutninger. Denne boks er normalt placeret på ydersiden af statoren og muliggør tilslutning af eksterne kabler til motorens interne viklinger og eventuelt andet udstyr, såsom stilstandsvarme eller PTC. Placeringen kan variere i forskellige design og applikationer, men boksen findes normalt på toppen eller siden af statoren.
Typeskiltet på en elektromotor er en vigtig informationskilde, der giver essentielle tekniske data om motoren. Skiltet er typisk monteret på motorhuset (statoren) og indeholder oplysninger som motorens mærke, modelnummer, serienummer, effekt (kW), hastighed (RPM), spænding, strøm, frekvens (Hz), antal faser, antal poler og andre relevante specifikationer.
Ventilatoren er normalt monteret direkte på elektromotorens aksel. Dette design sikrer, at ventilatoren roterer synkront med motoren og leverer køling proportionalt med motorens driftshastighed. Når omdrejningstallet øges, stiger også ventilatorens hastighed, hvilket resulterer i øget køling ved højere driftstemperaturer.
For elektromotorer, der opererer ved lavere omdrejningstal, eller hvor der er behov for konstant køling uanset motorens hastighed, kan det være fordelagtigt med ventilatorer drevet af en separat motor. Disse ventilatorer er ikke afhængige af elektromotorens driftshastighed og leverer konstant køling, selv når motorens hastighed er for lav til at give tilstrækkelig luftgennemstrømning. Dette er vigtigt ved lave omdrejningstal eller i tunge industrielle applikationer for at undgå overophedning.
Elektriske motorer er maskiner, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi gennem magnetiske interaktioner. Det grundlæggende princip er baseret på Lorentz-kraften, der virker på strømførende ledere i et magnetfelt.
Når elektrisk strøm løber gennem statorviklingerne i en induktionsmotor, genererer den et roterende magnetfelt. Dette magnetfelt inducerer en strøm i rotorens ledere, som ofte er lavet af aluminium. Ifølge Lenz' lov vil den inducerede strøm modvirke ændringen i den magnetiske flux, der forårsagede den. Dette skaber en kraft på rotorlederne, hvilket får rotoren (akslen) til at rotere.
Det roterende magnetfelt genereres, fordi strømmen i statorviklingerne er faseforskudt, hvilket skaber en sekvens af magnetiske pulser, der roterer omkring motoren. Dette felt interagerer med rotorens ledere, som også bliver magnetiseret. Interaktionen mellem disse magnetfelter får rotoren til at dreje og driver dermed det tilsluttede maskineri.
Der findes flere typer elektriske motorer, hver med sine egne karakteristika og anvendelser. De tre hovedtyper er asynkrone motorer, synkrone motorer og permanente magnetmotorer. Her forklarer vi det grundlæggende om, hvordan de forskellige typer fungerer.
Asynkrone elektromotorer, også kendt som induktionsmotorer, er de mest udbredte motortyper i industrielle applikationer. De er robuste, simple og omkostningseffektive. I disse motorer er rotorens rotationshastighed lidt lavere end det roterende magnetfelt i statoren, hvilket kaldes slip. Dette slip tillader motoren at generere drejningsmoment.
I synkrone elektromotorer roterer rotoren i nøjagtig takt med statorfeltet uden slip. Disse motorer bruges ofte i applikationer, hvor præcis hastighedskontrol er påkrævet, og de kan justeres til at håndtere forskellige belastninger uden at miste synkronisering med strømforsyningen. De kræver ofte mere komplekse styringssystemer sammenlignet med asynkrone elektromotorer.
Permanentmagnet-elektromotorer bruger permanente magneter til at etablere rotorens magnetfelt. Dette øger motorens effektivitet og reducerer den fysiske størrelse af elektromotoren, da de ikke kræver elektrisk strøm for at generere magnetfeltet. Disse motorer er ideelle til applikationer, hvor høj effektivitet og kompakt design er nødvendigt, såsom i elektriske køretøjer. Permanentmagnet-elektromotorer udnytter indbyggede magneter til at opretholde et konstant magnetfelt uden behov for ekstern strøm. Dette gør dem mere effektive og mindre komplekse, men de kan også være mere følsomme over for høje temperaturer, som kan reducere deres magnetiske egenskaber.
Synkron hastighed er hastigheden af det magnetiske felt i elektromotorens statorviklinger og er afgørende for, hvor hurtigt rotoren roterer. Denne hastighed afhænger af frekvensen i strømforsyningen og antallet af poler i motoren. Synkron hastighed kan beregnes ved hjælp af formlen: 𝑛𝑠 = 120 × 𝑓 / P, hvor 𝑛𝑠 er synkron hastighed i omdrejninger per minut (RPM), 𝑓 er frekvensen af vekselspændingen i strømforsyningen i Hertz (Hz), og P er antallet af poler i motoren.
Eksempel på omdrejningstal ved forskellige antal poler:
2-pols motorer: 𝑛𝑠=120×50/2=3000 omdrejninger per minut
4-pols motorer: 𝑛𝑠=120×50/4=1500 omdrejninger per minut
6-pols motorer: 𝑛𝑠=120×50/6=1000 omdrejninger per minut
8-pols motorer: 𝑛𝑠=120×50/8=750 omdrejninger per minut
10-pols motorer: 𝑛𝑠=120×50/10=600 omdrejninger per minut
Bemærk: Der er stor variation inden for elektromotorer, og du bør altid tjekke den aktuelle omdrejningshastighed på typeskiltet eller i databladet.
Temperaturtolerance er en kritisk faktor i elektromotorer, især for motorer med permanentmagneter, der kan miste deres magnetiske egenskaber ved høje temperaturer. Magneter kan begynde permanent at miste deres magnetisme, når de udsættes for temperaturer over deres Curie-temperatur, som kan variere mellem materialer, men ofte ligger mellem 80 °C og 250 °C for almindelige magnetmaterialer som neodym. Selvom motorviklingerne normalt kan tåle op til 150 °C, før isoleringen forringes, er det vigtigt at sikre, at temperaturen nær magneterne forbliver godt under deres maksimale tolerance for at bevare deres magnetiske egenskaber.
For at sikre pålidelig drift og undgå skader som følge af overophedning anvendes flere teknologier til at overvåge og regulere temperaturen i en elektromotor. Disse kan spænde fra simple termistorer til avancerede sensorer. Her er en oversigt over de mest anvendte teknologier:
PTC Termistorer (Positiv Temperaturkoefficient)
PTC-termistorer giver enkel og pålidelig detektion ved at øge modstanden, når temperaturen når et bestemt niveau. De kan fungere som et signal til en sikkerhedsmekanisme for at afbryde strømforsyningen og/eller aktivere et alarmsystem. Fordelen ved PTC-termistorer er deres enkelhed og direkte respons på temperaturændringer.
NTC Termistorer (Negativ Temperaturkoefficient)
NTC-termistorer fungerer modsat af PTC-termistorer; deres modstand falder, når temperaturen stiger. Selvom de ikke typisk bruges til direkte overophedningsbeskyttelse i motorer, kan de anvendes til kontinuerlig temperaturmåling.
Bimetalliske Termostater
Bimetalliske termostater udnytter to metaller med forskellige udvidelseskoefficienter, der bøjer ved temperaturændringer, hvilket fører til åbning eller lukning af en elektrisk kreds. Disse er robuste, pålidelige og ofte brugt i applikationer, der kræver en mekanisk, direkte respons ved en bestemt temperaturgrænse.
Termoelementer og RTD Sensorer (Modstandstemperaturdetektorer)
Til applikationer, der kræver større nøjagtighed, anvendes termoelementer og RTD'er til avanceret overvågning. Termoelementer producerer en spænding proportional med temperaturen, mens RTD'er giver præcise modstandsmålinger. Begge typer sensorer er velegnede til fintunede kontrolsystemer, hvor præcis temperaturovervågning er vigtig.
Mikrokontroller-baserede sensorer
Mikrocontrollere forbundet til digitale sensorer kan give detaljeret og kontinuerlig overvågning af forskellige driftsparametre, herunder temperatur. Disse systemer kan programmeres til at træffe automatiske beslutninger og kan indgå i en avanceret form for temperaturkontrol og systemstyring.
IP-klassificering (Ingress Protection) er en standard, der angiver graden af beskyttelse, som elektrisk udstyr har mod indtrængning af faste objekter, inklusive støv, og mod vand. Denne klassificering er defineret i den internationale standard IEC 60529.
Hver IP-kode består af to cifre: det første ciffer angiver beskyttelsesniveauet mod indtrængning af faste objekter eller partikler, mens det andet ciffer beskriver beskyttelsen mod vand. Her er en tabel, der forklarer betydningen af hvert ciffer i en IP-kode:
| Første tal | Beskrivelse |
| 0 | Ingen beskyttelse |
| 1 | Beskyttet mod faste objekter > 50 mm |
| 2 | Beskyttet mod faste objekter > 12,5 mm |
| 3 | Beskyttet mod faste objekter > 2,5 mm |
| 4 | Beskyttet mod faste objekter > 1 mm |
| 5 | Støvbeskyttet (begrænset indtrængning tilladt) |
| 6 | Støvtæt (ingen indtrængning af støv) |
| Andre tal | Beskrivelse |
| 0 | Ingen beskyttelse |
| 1 | Beskyttet mod dryppende vand |
| 2 | Beskyttet mod dryppende vand ved hældning op til 15˚ |
| 3 | Beskyttet mod sprøjtende vand |
| 4 | Beskyttet mod sprøjtende vand fra alle retninger |
| 5 | Beskyttet mod vandstråler fra alle retninger |
| 6 | Beskyttet mod kraftige vandstråler |
| 7 | Beskyttet mod midlertidig nedsænkning i vand |
| 8 | Beskyttet mod kontinuerlig nedsænkning i vand |
| 9K | Beskyttet mod vand fra højtryks-/damprenser |
Eksempel: IP54
Tallet 5 i IP54 indikerer, at udstyret er støvbeskyttet. Dette betyder, at selvom det ikke er helt støvtæt, er beskyttelsen tilstrækkelig til at forhindre skadelig støvindtrængning.
Tallet 4 i IP54 betyder, at udstyret er beskyttet mod sprøjtende vand fra alle retninger, hvilket sikrer, at vandsprøjt ikke vil skade det elektriske udstyr.
IE-klassificeringen refererer til energieffektivitetsklasserne for elektriske motorer, som er defineret i IEC-standarden IEC 60034-30-1 (International Electrotechnical Commission). Denne standard gælder for elektriske motorer med en effekt fra 0,12 kW op til 1000 kW og klassificerer motorer baseret på deres energieffektivitet. Formålet med standarden er at fremme brugen af mere energieffektive motorer i industrielle og kommercielle applikationer for at reducere energiforbrug og miljøpåvirkning. Her er en oversigt og forklaring af de forskellige IE-klasser:
IE1 – Standard Effektivitet
IE1 er den grundlæggende klasse for energieffektivitet. Dette var den lavest acceptable standard for mange markeder, men mange lande har nu udfaset IE1-motorer til fordel for mere energieffektive alternativer.
IE2 – Høj Effektivitet
Elektromotorer i denne klasse er betydeligt mere energieffektive sammenlignet med IE1-motorer og er stadig meget brugt, selvom kravene til energieffektivitet globalt skifter mod endnu højere klasser.
IE3 – Premium Effektivitet
IE3 kræver højere energieffektivitet sammenlignet med IE2. Denne klasse er nu minimumsstandarden i mange udviklede markeder, herunder EU og USA, for nye installationer af visse typer og størrelser af elektriske motorer.
IE4 – Super Premium Effektivitet
Disse motorer har den højeste energieffektivitet, der er tilgængelig på markedet, og er designet til at give maksimal energibesparelse og reducere driftsomkostningerne betydeligt.
IE5 – Ultra Premium Effektivitet
Selvom det ikke officielt er standardiseret under IEC 60034-30-1 i standardens seneste udgave, er IE5 blevet foreslået og anerkendt i nogle dokumenter og markeder som en fremtidig klasse for ultra premium effektivitet. Disse elektromotorer vil tilbyde endnu bedre energieffektivitet end IE4-motorer.
For at vise forskellene i krav til effektivitet i de forskellige klasser har vi lavet denne graf for en mindre del af effektområdet. Prikkerne, vi ser på linjerne, er datapunkter angivet for IEC 60034-30-1 for IE1, IE2, IE3 og IE4.
Figuren viser effektiviteten for 4-polede motorer ved 50 Hz i henhold til IEC 60034-30-1 for IE1, IE2, IE3 og IE4.
Overgangen til højere energieffektivitetsklasser er drevet af behovet for at reducere energiforbruget og de tilhørende udledninger af drivhusgasser. Ved at vælge mere effektive motorer kan virksomheder reducere driftsomkostningerne og CO₂-udledningerne betydeligt. Dette er også i tråd med global lovgivning, der bliver stadig strengere for at fremme bæredygtig udvikling.
Det er værd at bemærke, at selvom de indledende investeringsomkostninger kan være højere for motorer med højere effektivitet, kan de langsigtede besparelser i energiomkostninger og reducerede kulstofudledninger være langt større.
