Generaattori

Oikosulkumoottori generaattorina

Huom !

Tämän sivun kytkennät toimivat verkkojännitteellä, joka on tappavan vaarallista. Näiden kytkentöjen tekeminen kuuluu vain alan ammattihenkilölle tai riittävän kokeneelle alan harrastajalle. Kytkentöjen soveltamisen tekee jokainen omalla vastuullaan eikä tämän sivun tekijä ei ota mitään vastuuta mahdollisista vahingoista.

Toimintaperiaate

Helpoimmin pääsee jujusta kiinni, jos ensin ajattelee oikosulkumoottoria normaali moottorikäytössä. Kun se pyörii vapaasti, sen pyörimisnopeus on hiukan alle synkroninopeuden ja se kuluttaa tyhjäkäyntivirran. Kun akselia kuormitetaan, lisääntyy tietysti verkosta otettu virta ja pyörimisnopeus hiukan hidastuu (=jättämä).

Entä sitten, jos autetaan moottoria akselista pyörittämällä niin, että se pyörii tasan synkroninopeudella. Silloinhan se ei tarvitse verkosta virtaa pyöriäkseen. Ja sitten kun vielä autetaan lisää, eli pyöritetään nopeammin kuin synkroninopeus. Silloin moottori työntää virtaa verkkoon päin eli toimii generaattorina. Mitä enemmän kierroksia nostetaan, sitä enemmän se työntää verkkoon virtaa. Samalla kasvaa "negatiivinen jättämä" eli ero synkroninopeuteen.

Oikeasti silti generaattorina toimiva oikosulkumoottori ottaa verkostakin tehoa, nimittäin loistehoa. Sitä se tarvitsee joka tapauksessa, oli se moottorina tai generaattorina. Pätöteho on kuitenkin se, mitä se generaattorina tuottaa, loisteho on "ilmaista" eli esim. kWh-mittari ei sitä rekisteröi eikä siitä pienkuluttajat joudu sähkölaitokselle maksamaan. Loistehoa saa myös "tyhjästä" eli asentamalla moottorin rinnalle riittävästi kondensaattoreita. Silloin moottori on omavarainen loistehon suhteen myös generaattorina.

Jos oikosulkumoottoria käytetään varavoimageneraattorina, silloin ei ole verkkovirtaa käytettävissä ja silloin tuo loisteho on ehdottomasti tuotettava kondensaattoreilla, muuten generaattori ei toimi. Voidaan vertailun vuoksi ajatella, että tuo loisteho vastaa ikäänkuin tasavirtageneraattorissa olevaa magnetointia.

Yksi varavoimageneraattorikäytön ongelma on generaattorin herääminen. Eli alkutilanteessa, kun ei ole vielä sähköä, ei laite saa kondensaattoreista huolimatta loistehoa. Jännite ei nouse ellei saada jostain ensin jännitettä. Jos moottorin raudassa on jonkin verran remanenssimagnetismia, toimii se sen verran tasavirtageneraattorina, että jännite alkaa nousta ja se nousu ruokkii itseään niin, että päästään nimellisjännitteisiin. Paha kyllä, nykyaikaiset muuntajaraudat on liian "hyviä", ettei niihin tahdo sitä remanenssia jäädä. Heräämiseen tarvitaan siksi useimmiten ulkopuolinen jännitesysäys. Mutta jos akusta tyrkkää jännitettä pyörivään generaattorin käämeihin, käy huonosti sitten, kun se jännite yhtäkkiä nousee verkkojännitteiseksi. Yksi tapa on käyttää vaihtokytkintä, jolla ladataan yksi kondensaattoreista esim. akusta ja sitten käännetään kytkimellä kondensaattori oikeaan paikkaansa. Vaihtokytkin pitää olla sen mallinen, että se varmasti katkaisee toisen puolen ennenkuin kytkee toisen eikä kytkentävalokaarikaan saa tehdä yhteyttä kytkimen haarojen välille. Generaattorin heräämisen aikana ei saa olla vielä mitään kuormaa kytkettynä.

Oikosulkumoottori voi siis toimia generaattorina:
   - jos se pyörii verkkoon kytkettynä verkkotaajuutta suuremmalla nopeudella
   - tai jos se tarvitsemansa loisenergian kondensaattoreista
   - lisäksi, jos se ei ole kytketty verkkoon, tarvitaan toiminnan käynistämiseksi tarpeeksi remanenssikenttää tai käynnistys järjestetään virtaimpulssilla

Testaus 1,5 kW moottorilla

Olen testannut opiskeluaikana oikosulkumoottorin käyttäytymistä eri kuormitustilanteissa. Mittaukset on tehty Vaasan Teknillisessä opistossa v.1974 sähkölaboratorion työryhmässä: Palomäki E, Palomäki M, Rahkola, Timonen (terve vaan, kaverit).

Moottori pitää siis olla 220/380V (nykyisin 230/400V), joka moottorina ja generaattorina kytketään tähteeen.
Suuremmat moottorit tapaa olla 380/660V (400/690V), joka moottorina kytketään kolmioon. Tämä malli ei ole hyvä generaattorina, koska siitä puuttuu tähtipiste eli nolla, joten yksivaiheista 220V kuormitusta ei voi käyttää.

Yksivaiheinen kuorma paras !

Järkyttävin havainto näistä tuloksista on se, että moottori toimii parhaiten silloin, kun kuormitus on yksivaiheista. Kun yleensä sähköverkon kuormituksessa pyritään tasaamaan kuormitus mahdollisimman tasaisesti kaikille kolmelle vaiheille, on tässä tapauksessa sellainen ajattelu virhe.

Jos kuormitetaan tasaisesti kolmea vaihetta, laskee jännite sitä mukaa kun kuormitusta lisätään. Näin koneen "magnetointiin" tarvittava loisteho pienenee, se aiheuttaa jännitteen pienenemisen jne. ketjureaktio on valmis. Lopputuloksena varsin pienellä kuormituksella generaattori lakkaa tuottamasta sahköä.

Yksivaiheisella kuormalla vapaissa vaiheissa jännite ei laske kuormitusta lisättäessä - päinvastoin, määrättyyn rajaan asti se jopa nousee. Se pitää paremmin vakiona moottorin saaman loistehon ("magnetoinnin") ja jännite ei paljoa laske. Näin saadaan kaksi kertaa enemmän tehoa ulos yhdestä vaiheesta kuin kolmivaiheisella kuormalla yhteensä !!

Testikytkentä

380/220V 3-vaihemoottori, teho 1,5 kW, nimellisnopeus 1415 1/min.
Kondensaattorit kolmioon kytkettynä 3 kpl 11-15 uF, jännitekestoisuus pääjännitteen 380VAC mukainen + runsaasti varaa jännitteennousun takia, ehkä 450VAC vähintään (630VDC).

Kuvasta näkyy myös mistä 1-vaihekuorman lähtö otetaan, L1 ja L2 jätetään silloin kytkemättä kuormaan.

Jos kondensaattorit kytketään tähteen, pitää niiden olla kolme kertaa isompia kapasitanssiltaan eli 3 kpl 33-45 uF. Jännitekestoisuus voi olla vaihejännitteen mukaan: 220V + varaus = ehkä 300VAC (420VDC).

Tyhjäkäyntijännite pyörimisnopeuden funktiona

Tyhjäkäyntijännite eli kuormittamattoman generaattorin jännite eri suuruisilla kondensaattoreilla. Jännite siis kasvaa, kun kondensaattorien kapasitanssit kasvaa.

Vakio pyörimisnopeus, jännite tehon funktiona

Kondensaattorit 3 * 11uF, pyörimisnopeus vakio 1550 1/min. Tyhjäkäyntijännite 235V.
Kuormituskoe 3-vaiheisena ja 1-vaiheisena. Tehot kokonaistehoja.
Lisätään resistiivistä kuormaa ja havaitaan selvä maksimiteho. Käyrän alempi osa kääntyy takaisinpäin, koska jännite laskee niin alas, että tehot putoaa.

1-vaiheisella kuormituksella siis saadaan myllystä parhaiten tehot ulos.

Vakiojännitesovellus, tarvittava pyörimisnopeus tehon funktiona

Sama kuin edellä, mutta nostetaan generaattorin pyörimisnopeutta kuormituksen kasvaessa niin, että jännite pysyy vakiona (nimellisjännitteessä).

Tässäkin nähdään 1-vaihekuorman paremmuus: nopeutta ei tarvitse nostaa läheskään niin paljon kuin 3-vaihekuormalla.

Vaihtoehtokytkentä

Jos moottorin/generaattorin käämit kytketään kolmioon, saadaan 1-vaihelähtö kahden vaiheen välistä. Moottorin nimellisjännitteet tulee tässäkin olla 220/380V (nykyisin 230/400V).

Moottorin kytkentäkotelo

Oikosulkumoottorin kytkentäkotelo. Kuvassa kolmiokytkentä

Tähtikytkentä

Muita sivuja

Wlan-antennit . Tee-se-itse projekteja

Impedanssin muunto Microstrip neljännesaaltomenetelmällä

Puhelinverkko kahden tietokoneen välille, ohje

Internetin jako ja VPN

Tehovahvistin 3886 piirillä

Vaihejärjestysindikaattori

**Toimintaperiaate**
	Helpoimmin pääsee jujusta kiinni, jos ensin ajattelee oikosulkumoottoria normaali moottorikäytössä. Kun se pyörii vapaasti, sen pyörimisnopeus on hiukan alle synkroninopeuden ja se kuluttaa tyhjäkäyntivirran. Kun akselia kuormitetaan, lisääntyy tietysti verkosta otettu virta ja pyörimisnopeus hiukan hidastuu (=jättämä).
	Entä sitten, jos autetaan moottoria akselista pyörittämällä niin, että se pyörii tasan synkroninopeudella. Silloinhan se ei tarvitse verkosta virtaa pyöriäkseen. Ja sitten kun vielä autetaan lisää, eli pyöritetään nopeammin kuin synkroninopeus. Silloin moottori työntää virtaa verkkoon päin eli toimii generaattorina. Mitä enemmän kierroksia nostetaan, sitä enemmän se työntää verkkoon virtaa. Samalla kasvaa "negatiivinen jättämä" eli ero synkroninopeuteen.
	Oikeasti silti generaattorina toimiva oikosulkumoottori ottaa verkostakin tehoa, nimittäin loistehoa. Sitä se tarvitsee joka tapauksessa, oli se moottorina tai generaattorina. Pätöteho on kuitenkin se, mitä se generaattorina tuottaa, loisteho on "ilmaista" eli esim. kWh-mittari ei sitä rekisteröi eikä siitä pienkuluttajat joudu sähkölaitokselle maksamaan. Loistehoa saa myös "tyhjästä" eli asentamalla moottorin rinnalle riittävästi kondensaattoreita. Silloin moottori on omavarainen loistehon suhteen myös generaattorina.
Jos oikosulkumoottoria käytetään varavoimageneraattorina, silloin ei ole verkkovirtaa käytettävissä ja silloin tuo loisteho on ehdottomasti tuotettava kondensaattoreilla, muuten generaattori ei toimi. Voidaan vertailun vuoksi ajatella, että tuo loisteho vastaa ikäänkuin tasavirtageneraattorissa olevaa magnetointia.
	Yksi varavoimageneraattorikäytön ongelma on generaattorin herääminen. Eli alkutilanteessa, kun ei ole vielä sähköä, ei laite saa kondensaattoreista huolimatta loistehoa. Jännite ei nouse ellei saada jostain ensin jännitettä. Jos moottorin raudassa on jonkin verran remanenssimagnetismia, toimii se sen verran tasavirtageneraattorina, että jännite alkaa nousta ja se nousu ruokkii itseään niin, että päästään nimellisjännitteisiin. Paha kyllä, nykyaikaiset muuntajaraudat on liian "hyviä", ettei niihin tahdo sitä remanenssia jäädä. Heräämiseen tarvitaan siksi useimmiten ulkopuolinen jännitesysäys. Mutta jos akusta tyrkkää jännitettä pyörivään generaattorin käämeihin, käy huonosti sitten, kun se jännite yhtäkkiä nousee verkkojännitteiseksi. Yksi tapa on käyttää vaihtokytkintä, jolla ladataan yksi kondensaattoreista esim. akusta ja sitten käännetään kytkimellä kondensaattori oikeaan paikkaansa. Vaihtokytkin pitää olla sen mallinen, että se varmasti katkaisee toisen puolen ennenkuin kytkee toisen eikä kytkentävalokaarikaan saa tehdä yhteyttä kytkimen haarojen välille. Generaattorin heräämisen aikana ei saa olla vielä mitään kuormaa kytkettynä.
Oikosulkumoottori voi siis toimia generaattorina: - jos se pyörii verkkoon kytkettynä verkkotaajuutta suuremmalla nopeudella - tai jos se tarvitsemansa loisenergian kondensaattoreista - lisäksi, jos se ei ole kytketty verkkoon, tarvitaan toiminnan käynistämiseksi tarpeeksi remanenssikenttää tai käynnistys järjestetään virtaimpulssilla

**Testaus 1,5 kW moottorilla**
Olen testannut opiskeluaikana oikosulkumoottorin käyttäytymistä eri kuormitustilanteissa. Mittaukset on tehty Vaasan Teknillisessä opistossa v.1974 sähkölaboratorion työryhmässä: Palomäki E, Palomäki M, Rahkola, Timonen (terve vaan, kaverit).
Moottori pitää siis olla 220/380V (nykyisin 230/400V), joka moottorina ja generaattorina kytketään tähteeen. Suuremmat moottorit tapaa olla 380/660V (400/690V), joka moottorina kytketään kolmioon. Tämä malli ei ole hyvä generaattorina, koska siitä puuttuu tähtipiste eli nolla, joten yksivaiheista 220V kuormitusta ei voi käyttää.

**Yksivaiheinen kuorma paras !**
Järkyttävin havainto näistä tuloksista on se, että moottori toimii parhaiten silloin, kun kuormitus on yksivaiheista. Kun yleensä sähköverkon kuormituksessa pyritään tasaamaan kuormitus mahdollisimman tasaisesti kaikille kolmelle vaiheille, on tässä tapauksessa sellainen ajattelu virhe.
Jos kuormitetaan tasaisesti kolmea vaihetta, laskee jännite sitä mukaa kun kuormitusta lisätään. Näin koneen "magnetointiin" tarvittava loisteho pienenee, se aiheuttaa jännitteen pienenemisen jne. ketjureaktio on valmis. Lopputuloksena varsin pienellä kuormituksella generaattori lakkaa tuottamasta sahköä.
Yksivaiheisella kuormalla vapaissa vaiheissa jännite ei laske kuormitusta lisättäessä - päinvastoin, määrättyyn rajaan asti se jopa nousee. Se pitää paremmin vakiona moottorin saaman loistehon ("magnetoinnin") ja jännite ei paljoa laske. Näin saadaan kaksi kertaa enemmän tehoa ulos yhdestä vaiheesta kuin kolmivaiheisella kuormalla yhteensä !!

**Testikytkentä**
	380/220V 3-vaihemoottori, teho 1,5 kW, nimellisnopeus 1415 1/min. Kondensaattorit kolmioon kytkettynä 3 kpl 11-15 uF, jännitekestoisuus pääjännitteen 380VAC mukainen + runsaasti varaa jännitteennousun takia, ehkä 450VAC vähintään (630VDC). Kuvasta näkyy myös mistä 1-vaihekuorman lähtö otetaan, L1 ja L2 jätetään silloin kytkemättä kuormaan.
	Jos kondensaattorit kytketään tähteen, pitää niiden olla kolme kertaa isompia kapasitanssiltaan eli 3 kpl 33-45 uF. Jännitekestoisuus voi olla vaihejännitteen mukaan: 220V + varaus = ehkä 300VAC (420VDC).

**Tyhjäkäyntijännite pyörimisnopeuden funktiona**
	Tyhjäkäyntijännite eli kuormittamattoman generaattorin jännite eri suuruisilla kondensaattoreilla. Jännite siis kasvaa, kun kondensaattorien kapasitanssit kasvaa.

**Vakio pyörimisnopeus, jännite tehon funktiona**
	Kondensaattorit 3 * 11uF, pyörimisnopeus vakio 1550 1/min. Tyhjäkäyntijännite 235V. Kuormituskoe 3-vaiheisena ja 1-vaiheisena. Tehot kokonaistehoja. Lisätään resistiivistä kuormaa ja havaitaan selvä maksimiteho. Käyrän alempi osa kääntyy takaisinpäin, koska jännite laskee niin alas, että tehot putoaa. 1-vaiheisella kuormituksella siis saadaan myllystä parhaiten tehot ulos.

**Vakiojännitesovellus, tarvittava pyörimisnopeus tehon funktiona**
	Sama kuin edellä, mutta nostetaan generaattorin pyörimisnopeutta kuormituksen kasvaessa niin, että jännite pysyy vakiona (nimellisjännitteessä). Tässäkin nähdään 1-vaihekuorman paremmuus: nopeutta ei tarvitse nostaa läheskään niin paljon kuin 3-vaihekuormalla.

**Vaihtoehtokytkentä**
	Jos moottorin/generaattorin käämit kytketään kolmioon, saadaan 1-vaihelähtö kahden vaiheen välistä. Moottorin nimellisjännitteet tulee tässäkin olla 220/380V (nykyisin 230/400V).

**Moottorin kytkentäkotelo**
	Oikosulkumoottorin kytkentäkotelo. Kuvassa kolmiokytkentä
	Tähtikytkentä

**Muita sivuja**
Wlan-antennit . Tee-se-itse projekteja
Impedanssin muunto Microstrip neljännesaaltomenetelmällä
Puhelinverkko kahden tietokoneen välille, ohje
Internetin jako ja VPN
Tehovahvistin 3886 piirillä
Vaihejärjestysindikaattori

12.12.2001
13.12.2001