Formelen for beregning av elektrisk effekt i et elektrisk system er P = U x I.
P er effekt i Watt
U er spenning i Volt
I er strømstyrke i Ampere
n er virkningsgrad
For å beregne Watt (P) må man multiplisere Volt (U) med Ampere (I). For en 3-fase motor må man også dele på kvadratroten av 3. Formelen ser da slik ut: P=(UxI)x√3, men vi må også ha med motorens virkningsgrad (n) i beregningen.
Ingen motor fungerer med 100% virkningsgrad. Motoren blir for eksempel varm når den er i drift, og noe av energien går tapt i form av varme. Det er også andre faktorer som måten motoren er konstruert som gjør at virkningsgraden kan variere med turtall og belastningsgrad. De vil si at man leverer mer energi til motoren en den avgir i mekanisk arbeid. Kort fortalt er virkningsgraden for en elektrisk motor forholdet mellom tilført effekt og avgitt effekt. Virkningsgraden (n) oppgis som brøk eller i prosent, for eksempel 0,90 eller 90%.
Virkningsgraden (n) pleier å være definert på motor-skiltet. Dette er i mange tilfellet den aller beste virkningsgraden for motoren, og kan i noen tilfeller oppnås kun ved full belastning på motoren. Ofte kjører man ikke motoren med full belastning, og det kan derfor være lurt å ta stilling til motorens aktuelle turtall og belastningsgrad og se i databladet for motoren hva som er den aktuelle virkningsgraden.
Virkningsgraden (n) angis som brøk eller i prosent, for eksempel 0,90 eller 90%.
Når vi også har med virkningsgraden har vi en formel som fungerer i praksis, og formelen ser nå slik ut: P=((UxI)x√3)xn
Syns du formelen er vanskelig? Det skjønner vi. La oss ta en ting om gangen.
Vi må først multiplisere U og I, og vi har parenteser rundt disse to for å vise at dette skal gjøres som en egen utregning. La oss si strømmen (U) er 220 volt og strømmen (I) er 16 ampere. Svaret på U x I er 3520.
Siden dette er en 3-fase motor må gange 3520 med kvadratroten av 3. Vi setter inn parenteser rundt denne utregningen også for å gjøre denne separat og svaret her er 6097. Vi deler nå 6097 med virkningsgraden (n) for å beregne motorens tilførte effekt. Hvis virkningsgraden (n) er 0,90 er svaret 6774 watt.
Den tilførte energien til motoren er 6,774 kW.
Vi kan også beregne tilført effekt med den nominelle effekten for en elektromotor. Nominell effekt er angitt på motor skiltet og i datablad i kilowatt (kW). Dette er en litt enklere beregning som kan brukes hvis man ikke trenger å beregne med spenning og strømstyrke. Her deler man helt enkelt den nominelle effekten på virkningsgraden.
La oss ta et nytt eksempel hvor vi beregner den tilførte energien for en motor med nominell effekt på 10 kW og en virkningsgrad på 0,9.
10 kW / 0,9 = 11,1 kW.
Den tilførte energien til motoren er 11,1 kW.
Motoren forbruker altså 11,1 kW for å avgi 10 kW arbeid. Det vil si at det er et energitap på 1,1 kW (11,1 kW - 10 kW = 1,1 kW).
En elektromotor består av flere komponenter som stator, rotor, viklinger, kulelager, vifte og i noen tilfeller permanente magneter. Denne artikkelen gir en detaljert gjennomgang av sentrale komponenter og deres funksjon, samt dybdeinformasjon om hvordan 3-fasede elektromotorer, også kalt asynkronmotorer, fungerer. Noen av de tekniske aspektene forklares i større detalj senere.
Statoren er den stasjonære delen av en elektromotor og fungerer som motorhuset. Den inneholder elektriske viklinger som skaper et magnetisk felt som er nødvendig for motorens drift. Når elektrisk strøm løper gjennom viklingene, genereres et roterende magnetfelt som gjør at rotoren roterer. Statoren har i mange tilfeller også kjøreribber, som via større overflate avleder varmen som genereres ved drift av elektromotoren.
Viklingene i stator genererer de elektromagnetiske feltene som får rotoren til å rotere. Viklingene kan være laget av ulike materialer som kobber eller aluminium, avhengig av motortypen og ønsket effektivitet. Hvor mange poler viklingene har avgjør hvor fort elektromotoren fungerer. Enkelt sagt roterer en 2-polt motor på ca 3000 rpm, 4-polt motor på ca 1500 rpm, 6-polt motor på ca 1000 rpm, 8-polt motor på ca 750 rpm, og så videre. Dette kalles for nominelt turtall og er gjerne oppgitt ved 50 eller 60 hertz (hz).
Rotoren er som nevnt den roterende delen av motoren. Dette er en aksel som vanligvis støttes av kulelager eller rullelager. Disse lagrene sikrer at rotoren kan rotere jevnt og med minimal friksjon, og holder rotoren i senter av stator. Feil valg av lager til applikasjonen kan føre til økt behov for vedlikehold.
Valg av lager er avhengig av elektromotorens drift. Hvis motoren for eksempel skal drive en pumpe med lav aksial belastning kan kulelager være et godt valg. Hvis motoren skal drive en reim som må strammes opp får motoren til sammenlikning stor sideveis belastning, og her er det hensiktsmessig med rullelager som er bedre egnet til å ta opp radiale krefter.
For å holde lager og aksel (rotor) på plass i elektromotoren, benyttes lagerdeksel på hver side av stator. Lagerdeksel kan ved hjelp av tetninger også beskytte motorens indre mot forurensninger som støv og fuktighet, som kan skade viklingene eller lager.
Koblingsboks, eller terminalboks, inneholder motorens elektriske tilkoblinger. Denne boksen er normalt plassert på utsiden av stator, og muliggjør tilkobling av ekstern kabel til motorens interne viklinger og eventuelt annet utstyr som stillestandsvarme eller PTC. Plasseringen kan variere i forskjellige design og applikasjoner, men befinner seg normalt på toppen eller på siden av stator.
Motorskiltet på en elektromotor er en viktig informasjonskilde som inneholder essensielle tekniske data om motoren. Dette skiltet er vanligvis festet på motorhuset (stator) og inneholder detaljer som motorens merke, modellnummer, serienummer, effekt (kW), hastighet (RPM), spenning, strøm, frekvens (Hz), antall faser, antall poler, og andre relevante spesifikasjoner.
Normalt er viften montert direkte på elektromotorens aksel. Dette designet sikrer at viften roterer i takt med motoren, og gir kjøling proporsjonal med motorens driftshastighet. Når motoren øker turtall, øker også viftens hastighet, som resulterer i mer kjøling ved høyere driftstemperaturer.
For elektromotorer som opererer ved lavere turtall, eller der det er behov for konstant kjøling uavhengig av motorens hastighet, kan det være hensiktsmessig å bruke vifter som drives av en egen motor. Disse viftene er ikke avhengige av elektromotorens driftshastighet og gir konstant kjøling når motorens hastighet er for lav til å sikre tilstrekkelig luftgjennomstrømning. Dette er viktig ved lave turtall eller i krevende industrielle applikasjoner for å unngå overoppheting.
Elektromotorer er maskiner som konverterer elektrisk energi til mekanisk energi gjennom magnetiske interaksjoner. Grunnprinsippet er basert på Lorentz-kraften som virker på strømførende ledere i et magnetfelt.
Når elektrisk strøm går gjennom statorviklingene i en asynkronmotor, genereres et roterende magnetfelt. Dette magnetfeltet induserer en strøm i rotorens ledere, som ofte er laget av aluminium. I henhold til Lenz' lov vil den induserte strømmen motvirke endringen i den magnetiske fluksen som forårsaket den. Dette skaper en kraft på rotorlederne som får rotoren (akselen) til å rotere.
Det roterende magnetfeltet oppstår fordi strømmen i statorviklingene er faseforskjøvet, noe som skaper en sekvens av magnetiske pulser som roterer rundt motoren. Dette feltet trekker i rotorens ledere, som også blir magnetisert. Interaksjonen mellom disse magnetfeltene får rotoren til å rotere og driver dermed maskineriet den er koblet til.
Det finnes flere typer elektromotorer, hver med sine unike egenskaper og bruksområder. De tre hovedtypene er asynkrone motorer, synkrone motorer og motorer med permanent magnet. Nedenfor forklarer vi det grunnleggende om hvordan de forskjellige typene fungerer.
Asynkrone elektromotorer, også kjent som induksjonsmotorer, er de mest brukte motortypene i industrielle applikasjoner. De er robuste, enkle og rimelige. I disse motorene er rotasjonshastigheten til rotoren litt lavere enn det roterende magnetfeltet i statoren, noe som kalles slipp. Dette slippet tillater motoren å generere dreiemoment.
I synkrone elektromotorer roterer rotoren i eksakt takt med statorfeltet uten slipp. Disse motorene er ofte brukt i applikasjoner hvor nøyaktig hastighetskontroll er nødvendig, og de kan tilpasses for å håndtere forskjellige belastninger uten å miste synkronisering med strømforsyningen. Disse motorene krever ofte mer komplekse styringssystemer sammenliknet med en asynkron elektromotor.
Elektromotorer med permanent magnet bruker permanente magneter til å opprette rotorens magnetfelt. Dette øker motorens effektivitet og reduserer den fysiske størrelsen på motoren siden de ikke trenger strøm for å generere magnetfeltet. Disse motorene er ideelle for applikasjoner hvor høy effektivitet og kompakt design er nødvendig, slik som i elektriske kjøretøy. Elektromotorer med permanent magnet benytter seg av innebygde magneter for å opprettholde et konstant magnetfelt uten behov for ekstern strøm. Dette gjør dem mer effektive og mindre komplekse, men de kan også være mer sensitive overfor høye temperaturer som kan redusere deres magnetiske egenskaper.
Synkron Hastighet er hastigheten på det magnetiske feltet elektromotorens statorviklinger og er avgjørende for hvor raskt rotoren roterer. Denne hastigheten avhenger av frekvensen i strømforsyningen og antall poler i motoren. Synkron hastighet kan beregnes ved hjelp av formelen: 𝑛𝑠 = 120 × 𝑓/ P hvor 𝑛𝑠 er synkron hastighet i omdreininger per minutt (RPM), 𝑓 er frekvensen av vekselspenningen i strømforsyningen Hertz (hz), og P er antall poler i motoren.
Eksempel på turtall ved forskjellige antall poler:
2-polte motorer: 𝑛𝑠=120×50/2=3000 omdreininger per minutt
4-polte motorer: 𝑛𝑠=120×50/4=1500 omdreininger per minutt
6-polte motorer: 𝑛𝑠=120×50/6=1000 omdreininger per minutt
8-polte motorer: 𝑛𝑠=120×50/8=750 omdreininger per minutt
10-polte motorer: 𝑛𝑠=120×50/10=600 omdreininger per minutt
Nb. Det er stor variasjon innen elektromotorer og du må alltid sjekke aktuelt turtall på motorskilt eller datablad.
Temperaturtoleranse er en kritisk faktor i elektromotorer, spesielt for motorer med permanentmagneter som kan miste sine magnetiske egenskaper ved høye temperaturer. Magneter kan begynne å permanent miste sin magnetisme når de utsettes for temperaturer over deres Curie-temperatur, som kan variere mellom materialer, men ofte ligger mellom 80 °C og 250 °C for vanlige magnetmaterialer som neodym. Selv om motorviklingene normalt kan tåle opp til 150 °C før lakken forringes, er det viktig å sørge for at temperaturen nær magnetene holder seg godt under deres maksimale toleranse for å bevare deres magnetiske egenskaper.
For å sikre pålitelig drift og unngå skader som følge av overoppheting, benyttes flere teknologier for å overvåke og regulere temperaturen i en elektromotor. Dette kan være enkle termistorer til avanserte sensorer. Her er en gjennomgang av de mest brukte teknologiene:
PTC-termistorer (Positive Temperature Coefficient)
PTC-termistorer gir enkel og pålitelig deteksjon ved at motstanden øker når temperaturen når et visst nivå. Disse kan fungere som signal til en sikkerhetsmekanisme for å kutte strømforsyningen og/eller aktivere et alarmsystem. Fordelen med PTC-termistorer er deres enkelhet og direkte respons på temperaturendringer.
NTC-termistorer (Negative Temperature Coefficient)
NTC-termistorer fungerer på motsatt måte av PTC-termistorer; deres motstand avtar når temperaturen stiger. Selv om de ikke vanligvis brukes for direkte overopphetingssikring i motorer, kan de brukes til kontinuerlig temperaturmåling.
Bimetalliske Termostater
Bimetalliske termostater benytter to metaller med forskjellige utvidelseskoeffisienter som bøyer seg ved temperaturforandringer, som fører til åpning eller lukking av en elektrisk krets. Disse er robuste, pålitelige og ofte brukt i applikasjoner som krever en mekanisk, direkte respons på en bestemt temperaturgrense.
Termokoblere og RTD-sensorer (Resistance Temperature Detectors)
For applikasjoner som krever mer nøyaktighet, tilbys termokoblere og RTD-er til avansert overvåking. Termokoblere produserer en spenning proporsjonal med temperaturen, mens RTD-er gir nøyaktige motstandsmålinger. Begge typer sensorer er egnet for finjusterte kontrollsystemer der nøyaktig temperaturovervåkning er viktig.
Mikrokontrollerbaserte sensorer
Mikrokontrollere koblet til digitale sensorer kan gi detaljert og kontinuerlig overvåking av ulike driftsparametere, inkludert temperatur. Disse systemene kan programmeres til å ta automatiske beslutninger og kan inngå i en avansert form for temperaturkontroll og systemstyring.
IP-klassifisering (Ingress Protection) er en standard som angir graden av beskyttelse et elektrisk utstyr har mot inntrengning av faste objekter, inkludert støv, og mot vann. Denne klassifiseringen er definert i den internasjonale standarden IEC 60529.
Hver IP-kode består av to siffer: det første sifferet indikerer beskyttelsesnivået mot inntrengning av faste objekter eller partikler, mens det andre sifferet beskriver beskyttelsen mot vann. Her er en tabell som forklarer betydningen av hvert siffer i en IP-kode:
| Første tall | Beskrivelse |
| 0 | Ingen beskyttelse |
| 1 | Beskyttet mot faste objekter > 50 mm |
| 2 | Beskyttet mot faste objekter > 12,5 mm |
| 3 | Beskyttet mot faste objekter > 2,5 mm |
| 4 | Beskyttet mot faste objekter > 1 mm |
| 5 | Støvbeskyttet (begrenset inntrenging tillatt) |
| 6 | Støvtett (ingen inntrenging av støv) |
| Andre tall | Beskrivelse |
| 0 | Ingen beskyttelse |
| 1 | Beskyttet mot dryppende vann |
| 2 | Beskyttet mot dryppende vann når kapslingen er vippet opptil 15˚ |
| 3 | Beskyttet mot sprutende vann |
| 4 | Beskyttet mot sprutende vann fra alle retninger |
| 5 | Beskyttet mot vannstråler fra alle retninger |
| 6 | Beskyttet mot kraftige vannstråler |
| 7 | Beskyttet mot midlertidig neddykking i vann |
| 8 | Beskyttet mot kontinuerlig neddykking i vann |
| 9K | Beskyttet mot vann fra høytrykks-/damprensere |
Eksempel: IP54
Tallet 5 i IP54 indikerer at utstyret er støvbeskyttet. Dette betyr at selv om det ikke er helt støvtett, er beskyttelsen tilstrekkelig til å hindre skadelig støvinntrenging.
Tallet 4 i IP54 betyr at utstyret er beskyttet mot sprutende vann fra alle retninger, som sikrer at vannsprut ikke vil skade det elektriske utstyret.
IE-klassifiseringen viser til energieffektivitetsklassene for elektriske motorer som er definert i IEC (International Electrotechnical Commission) standarden IEC 60034-30-1. Denne standarden gjelder for elektriske motorer med en ytelse fra 0,12 kW og opp til 1000 kW, og klassifiserer motorer basert på deres energieffektivitet. Målet med standarden er å fremme bruk av mer energieffektive motorer i industrielle og kommersielle applikasjoner for å redusere energiforbruk og miljøpåvirkning. Her er oversikt og forklaring av de forskjellige IE-klassene:
IE1 – Standard Effektivitet
IE1 er den grunnleggende klassen for energieffektivitet. Dette var den laveste akseptable standarden for mange markeder, men mange land har nå faset ut IE1-motorer til fordel for mer energieffektive alternativer.
IE2 – Høy Effektivitet
Elektromotorer i denne klassen er betydelig mer energieffektive sammenliknet med IE1-motorer og er fortsatt mye brukt, selv om kravene til energieffektivitet globalt skifter mot enda høyere klasser.
IE3 – Premium Effektivitet
IE3 krever høyere energieffektivitet sammenlignet med IE2. Denne klassen er nå minimums-standarden i mange utviklede markeder, inkludert EU og USA, for nye installasjoner av visse typer og størrelser av elektriske motorer.
IE4 – Super Premium Effektivitet
Disse motorer har den høyeste energieffektiviteten som er tilgjengelig på markedet og er designet for å gi maksimal energibesparelse og redusere driftskostnader betydelig.
IE5 – Ultra Premium Effektivitet
Selv om det ikke er offisielt standardisert under IEC 60034-30-1 for standardens siste utgivelse, er IE5 blitt foreslått og anerkjent i noen dokumenter og markeder som en fremtidig klasse for ultra premium effektivitet. Disse elektromotorene vil tilby enda bedre energieffektivitet enn IE4-motorer.
For å vise forskjellene i krav til effektivitet i de forskjellige klassene har vi laget denne grafen for en mindre del av effektområdet. Prikkene vi ser på linjene er datapunkt angitt for IEC 60034-30-1 for IE1, IE2, IE3, og IE4.
Figuren viser effektivitet for 4-polte motorer ved 50hz i henhold til IEC 60034-30-1 for IE1, IE2, IE3, og IE4.
Overgangen til høyere energieffektivitetsklasser er drevet av behovet for å redusere energiforbruket og de tilhørende utslippene av klimagasser. Ved å velge mer effektive motorer kan bedrifter redusere driftskostnadene og CO₂-utslippene betydelig. Dette er også i tråd med global lovgivning som stadig blir strengere for å fremme bærekraftig utvikling.
Det er verdt å merke seg at selv om de innledende investeringskostnadene kan være høyere for motorer med høyere effektivitet, kan de langsiktige besparelsene i energikostnader og reduserte karbonutslipp være langt større.
