Annons

Stjärnor, deltan och andra metoder

– som inte heller är alldeles problemfria

Wye/Delta – som det heter på utrikiska är en startmetod för trefasmotorer. På svenska kallas det oftast för Stjärn/triangelstart eller Y/D-start. Metoden används fortfarande och när den ger problem, vilket ganska ofta händer, så står den moderne elteknikern ofta frågande. I ett aktuellt fall (kompressorstart på bilverkstad) hann man elda upp fem motorer på kort tid innan man bad mig titta på problemet.

Så här såg det ut:


Stjärn/triangelstart – en rimlig lösning på ett icke-problem (klicka för större bild)

Y/D-start användes ofta förr, innan elnäten förstärktes och den höga startströmmen hos en asynkronmotor gjorde att spänningen bröt ihop så att ”lampera blinka” och andra förbrukare på nätet fick problem med tjyvstopp och sådant. Så var det förr. Idag är näten så starka att problemet knappast finns längre. Och om det dyker upp så är en mjukstartare eller frekvensomriktare att föredra.

Genom att dra igång motorn i stjärnkoppling kunde startströmmen begränsas till rimliga värden men till priset av högre motortemperatur under starten. Den låga spänningen, 230 V i stället för nominella 400 V, reducerade också momentet på motoraxeln och skonade kopplingar och annan mekanik. Men det kostade också. Ibland mer än det smakade.

Problemet
I bilden visas motorns startström (blå kurva) och att den trots Y-koppling fortfarande är relativt hög – men lägre än den skulle ha varit vid direktstart. Därefter visas strömmen, fortfarande vid Y-koppling, under de drygt fyra sekunder som går innan motorn går över till D-koppling och normal drift. Det ger hög eftersläpning och all förlusteffekt hamnar i rotorn. Som blir riktigt het och så småningom värmer rotorlindningen som inte tål hur mycket värme som helst.

Vid många starter – en del av problemet var att luftsystemet läckte ganska bra så att antalet starter per timme låg en bra bit över rekommenderade – byggs värmen upp och till slut brinner lindningen upp. Det var när detta hade hänt fem gånger som man började titta på nätspänningen och eventuella problem med den.

Där fanns inget att se. Det enda var en bränd bottenkontakt i servisen. Men den påverkade inte trefasspänningen på något sätt. Problemet var helt enkelt den långa tiden innan motorn gick över i D-koppling.

Skrivbordsteorier hade förstås byggts. En av dem var att den brända bottenkontakten ändå ”på något sätt” var orsaken till problemet. Men en så enkel åtgärd som att byta den var det ingen som hade provat. Inte för att det hade spelat någon roll men det hade avfört just den misstanken och kanske lett arbetet framåt lite snabbare.

Y/D är inte längre någon bra idé
Titta i slutet av den blå kurvan över motorströmmen, vid asterisken. Där finns en kraftig strömstöt just som motorn går över i D och Deltalindningen aktiveras (orange kurva). Orsaken till detta är att rotorn har ett magnetflöde som inducerar en mot-EMK i statorlindningen så att strömmen avtar när motorn närmar sig driftvarvtal.

Vid övergång till D ändras fasläget plötsligt 30 eller 60 grader plus den vinkelskillnad som pausen mellan Y och D bidrar med och då kan mot-EMK i olyckliga fall bli med-EMK så att strömmen snabbt ökar till värden som är långt över den startström som Y/D-kopplingen var satt att reducera. Mot nätet märks kanske inte så mycket av detta – det är ju numera så pass starkt att det inte påverkas nämnvärt, se den röda kurvan längst upp. Inte ett hack så långt ögat kan nå. Men den kraftiga momentstöten när rotorn ”rycks” i rätt läge blir kraftig och kan knacka sönder kilar i kopplingar eller knäcka motoraxlar vid laster med stora svängmassor. Fläktar är ett vanligt exempel.

Hur gör man idag, då?
Direktstart är ett mycket bra alternativ. Inga extra apparater och inga stora problem. Nätet är starkt nog att klara det men det kan fortfarande vara problem med viss mekanik.

För ett antal år sedan började mjukstartare att användas. I början var de tyristor eller triacbaserade men dagens frekvensomriktare har blivit så billiga och driftsäkra att de är ett bra alternativ. De gör också bra möjlighet att spara energi genom att varvtalet anpassas till behovet. Kombinationen modern omriktare plus standardmotor ger inte sällan bättre verkningsgrad i driftpunkten än den bästa IE3 eller IE4-motor.

En tidig variant av mjukstart
KUSA – verkar akronymen bekant? Nej, trodde nog inte det.

KUSA står för KUrzschlussSanftAnlauf vilket uttyds ”Skonsam start av kortslutna asynkronmotorer” och är en riktigt bra variant på Y/D. Utan dess tre kontaktorer och ibland även utan tidreläet.

Enkelt förklarat går metoden ut på att man låter ett effektmotstånd ligga i serie med en av motorfaserna. Sedan kan man antingen låta ett relä eller en kontaktor som styrs av spänningen över motorlindningen (eller ett tidrelä) kortsluta motståndet. Resultatet är riktigt bra, speciellt om man utnyttjar spänningen att dra reläet. Och eftersom det inte sker någon omkoppling från Y till D så blir det inte heller någon momentstöt som knackar sönder mekaniken.

Va! Är motorerna kortslutna? Det är väl inte bra!

Jo, faktiskt. Men det är rotorn som är kortsluten. Rotorlindningen utgörs av en aluminiumbur som gjuts in i rotorspåren. Det är just denna bur som gett upphov till det ganska obegripliga namnet ”Squirrel Cage Motor” och bättre kortslutning än aluminium är svårt att hitta. Det skulle vara koppar, då. Eller silver. Men det finns problem med båda. Och det är inte bara kostnaden. Motorns momentkurva blir sällan optimal men visst finns det asynkronmotorer med kopparbur. Standarden är dock aluminium eller legeringar där Al är dominerande.

Då kan man väl skippa just ordet ”kortsluten” – det låter ju inte bra och tillför det verkligen information?

Jo, det finns också rotorlindningar som inte är kortslutna. I stället är lindningarna utdragna till släpringar och där ansluts ett yttre trefasigt startmotstånd som minskas i steg till det också är kortslutet och motorn går med märkdata. Sådana motorer kallas WRIM på engelska (Wound Rotor Induction Motor) och arrangemanget ger bra startmoment utan problem med momentan överström på nätet. Det handlar mest om motorer i megawattklassen och man ser dem sällan numera. Men ganska många finns fortfarande i drift och börjar ställa till problem genom att tekniken mer och mer fallit i glömska.

Glöm Y/D!
En dålig lösning på ett icke-problem förtjänar ingen nåd. Släng Y/D i skrotcontainern och bli kvitt ett problem. Den här krönikan kan gärna få vara ett (inte alltför smickrande) minnesord. RIP Y/D!

Hör detta hemma i periferin? Ja, i högsta grad – motorer är den sista länken mellan el och mekanik – längre ut i periferin kommer man inte. Och kom ihåg att Inget slår Verkligheten. Framför allt inte dåliga teorier när det gäller motorer som brinner upp efter några veckors drift. Att mäta är att veta, som Werner von Siemens konstaterade för mer än hundra år sedan.

Ha det bra i centrum eller periferi. Var den än ligger. Kommentarer läser jag gärna.

Gunnar Englund, GKE Elektronik AB

2 Responses to “Stjärnor, deltan och andra metoder”

  1. Hur är det med riktigt gamla motorer; säg från 50-talet? Fungerar även de bra med frekvensomriktare, eller är det bättre att behålla Y/D-omkopplare där?

    Jag har läst någonstans att nya motorer är gjorda för att klara någon form av högfrekventa läckströmmar (genom lager?) som brukar uppstå om man använder frekvensomriktare, men att äldre motorer ofta tar mycket mer skada av dessa strömmar.

  2. Stämmer. Lindningarna på äldre motorer var sällan utförda så att de klarade av högfrekvenskomponenterna som en PWM-omriktare genererar. Det finns några bra sammanställningar på nätet som behandlar detta. Standardreferensen är förstås ABB Technical Guide #5. Den är inte helt uppdaterad, men ger en bra överblick.
    REMA/BEAMA har en mer omfattande guide med mängder av data. Sök på ”Motor Insulation Voltage Stresses Under PWM Inverter Operation”.
    När det gäller lagerskador (EDM) så kan jag i all blygsamhet referera till sådant som dyker upp när man söker GKE EDM. Där är det sista ordet ännu inte sagt. Att isolerade lager inte hjälper är bevisat många gånger. Och att isolerad inbyggnad, som ger mycket lägre kapacitans, alltid hjälper är hur verkligheten ser ut.