1. Mitoituksen yleiskuvaus
Mitoituksen vaiheet:
- Käyttöolosuhteiden tarkistaminen : Valitaan sopiva taajuus ja verkkojännite.
- Prosessin vaatimusten tarkistaminen: tarvitaanko käynnistysmomenttia, käytettävä kierrosalue ja minkälainen on aiottu kuormitus.
- Moottorin valitseminen: Momenttilähteenä käytetään yleensä sähkömoottori. Moottorin on kestettävä prosessin ylikuormitusta, ja muodostamaan tietty momentti. Moottorin maksimimmomentille varattava 30% marginaali, kun otetaan huomioon mitoitusvaiheen maksimimomentti
- Taajuumuutajan valitseminen: Valitaan käyttöolosuhteiden ja valitun moottorin perusteella. Tarkistetaan taajuusmuutujan kyky tuottaa tarvittava virta ja teho. Lyhytaikaisessa jaksottaisessa kuormituksessa voidaan hyödyntää taajuusmuuttujan ylikuormitettavuutta.
2. Kuormitustyypit
- Vakiomomentti
Vakiomomentti-kuormitustyyppiä käytetään yleensä silloin,kun käsitellään kiinteitä määriä. Esimerkiksiruuvikompressorit, syöttölaitteet ja kuljettimet ovat tyypillisiä vakiomomenttisovelluksia. Momentti on vakio ja teho suoraan verrannollinen kierroslukuun. - Neliöllinen momentti
Neliöllinen momentti on yleisin kuormitustyyppi. Tyypillisiä sovelluksia ovat keskipakopumput ja puhaltimet. Momentti on neliöllisesti ja teho kuutiollisesti verrannollinen kierroslukuun. - Vakioteho
Vakioteho-kuormitustyyppi on tavallinen silloin, kun materiaalia rullataan ja läpimitta muuttuu rullauksen aikana. Teho on vakio ja momentti kääntäen verrannollinen kierroslukuun. - Vakioteho/momentti
Tämä kuormitustyyppi on yleinen paperiteollisuudessa. Kyseessä on vakioteho- ja vakiomomentti- kuormitustyyppien yhdistelmä. Tämä kuormitustyyppi on usein seurausta tilanteesta, jossa järjestelmä mitoitetaan suurella kierrosluvulla tarvittavan tehon mukaan. - Käynnistys/irrotusmomentin tarve
Joissakin sovelluksissa tarvitaan suuri momentti alhaisilla taajuuksilla. Tämä on otettava huomioon mitoituksessa.
Tämän kuormitustyypin tavallisia sovelluksia ovat esimerkiksi ekstruuderit ja ruuvipumput.
On myös muita kuormitustyyppejä. Niitä on kuitenkin vaikea kuvailla lyhyesti. Esimerkkeinä voidaan mainita erilaiset symmetriset (rullat, nosturit jne.) ja epäsymmetriset kuormat. Momentin symmetrisyys/epäsymmetrisyys voi olla esimerkiksi kulman tai ajan funktio. Tällaiset
kuormitustyypit on mitoitettava huolellisesti ottamalla huomioon moottorin ja taajuusmuuttajan ylikuormitus-
marginaalit sekä moottorin keskimääräinen momentti.
3. Moottori kuorma
Moottorin pyörintää vastustava kuorma voidaan sähkökäyttöä ajatellen jakaa kahteen eri
tilanteeseen: vakionopeuteen ja kiihtyvään tai hidastuvaan nopeuteen. Vakionopeudella
11
toimivan moottorin kuorma muodostuu vain kuorman jatkuvan liikkeen aiheuttamasta
vääntömomentista Tl sekä moottorin omasta kitkavääntömomentista Tμ :
Te = Tl + Tμ ,
missä Te on moottorin sähköinen vääntömomentti. Kitkavääntömomentti kasvaa suoraan
verrannollisesti mekaaniseen kulmanopeuteen Tμ ~ Ω . Yleensä moottorin laakereiden
aiheuttaman kitkan voittamiseen tarvittavan vääntömomentin suuruus Tμ on kuormaan
Tl verrattuna mitätön eikä sitä laskelmissa oteta huomioon. Kitkan suuruus on funktio
pyörimisnopeudesta ja myös lämpötilasta μ ( n, T ) . Lämpötilan vaikutus kohdistuu
laakereiden voiteluaineen ominaisuuksiin. Myös laakereiden kunto ja voitelu vaikuttavat
kitkan suuruuteen. Kitkaan vaikuttaa myös akselilla oleva jäähdytyspuhallin, jonka
kuormitus on neliöllistä nopeuteen nähden. Oikosulkumoottoreiden roottoreissa on rivat
roottorin jäähdytystä varten, mikä osaltaan lisää kitkavoimaa.
Kiihtyvässä nopeudessa moottorin kuormitusta lisää kuorman hitausmomentti J l sekä
roottorin hitausmomentti J r . Kuorman ja roottorin saattaminen uudelle nopeudelle joko
vapauttaa tai sitoo energiaa. Nopeuden nostaminen sitoo nopeuseroon verrannollisen
määrän energiaa ja hidastaminen vastaavasti vapauttaa energiaa. Kiihdytettäessä tämä
energia on annettava kuormalle vääntömomentin välityksellä, joten hetkellisesti
vääntömomentin tarve lisääntyy. Kiihtyvyys pyörivien kappaleiden tapauksessa
ilmaistaan mekaanisen kulmakiihtyvyyden
dΩ
avulla. Näin kiihtyvän kuorman vääntö-
dt
momentiksi saadaan
Te = Tl + Tμ + (J l + J r )
dΩ
.
dt
Usein teollisuudessa on kyse pumppu- tai puhallinkäytöstä, jolloin kuormitus on
neliöllinen nopeuteen nähden Te ~ Ω 2 . On myös paljon sovelluksia, joissa kuorma on
lineaarisesti pyörimisnopeuteen nähden nouseva Te ~ Ω1 kuten esimerkiksi työstökoneet.
Kuormana voi olla myös vakiomomentti Te ~ Ω 0 , joita esiintyy esimerkiksi hisseissä.
Kuormille saatetaan joutua antamaan ns. irrotusmomentti Te ~ Ω −1 , joka ilmenee vain
kuorman lähtiessä liikenteeseen.