Elektriajami mõiste

Elektriajam (Electrical drive) on mitmesuguste töömasinate või abimehhanismide käitamiseks ettenähtud elektromehaaniline süsteem, mis koosneb elektrimootorist, jõuülekandest, toitemuundurist ja juhtseadmetest. Elektriajami põhifunktsiooniks on liikumise juhtimine (motion control). Tüüpilise elektriajami üldistatud plokkskeem on näidatud Joonis 2.1.

Joonise ülemine pool kujutab elektriajami jõuahelat, alumine pool juhtimissüsteemi. Jõupooljuhtmuundur, mida toidetakse ühe- või kolmefaasilisest kindla sageduse ja amplituudiga vahelduvvooluvõrgust, on ette nähtud elektrimasina (mootori) juhtimiseks. Elektrimootor juhib omakorda töömasina kiirust, momenti ja asendit. Kõik seadmed on varustatud anduritega, mis edastavad regulaatorile infot süsteemi oleku kohta. Regulaator võrdleb omavahel anduritelt saadud väärtusi sisendsignaalidega ning juhib sellele vastavalt jõupooljuhtmuundurit. Paljudes üldotstarbelistes rakendustes, nt ventilaatorid ja pumbad, kasutatakse elektriajamite kiiruse ja momendi juhtimiseks avatud juhtimissüsteemi (ilma tagasisideta anduritelt).

Elektri­ajamite peamisteks rakendusaladeks on tööstus, energeetika ja elektertransport, kuid nad leiavad kasutust ka kodumajapidamistes nt külmutites (kompressorid), ventilaatorites, pesumasinates, segistites (mikserid). Tänapäeval tarbitakse umbes 60% toodetud elektrienergiast elektriajamite poolt.

Et paremini aru saada elektril töötavatest täiturmehhanismidest käsitletakse esialgu lihtsamaid elektrotehnika aluseid ning seejärel kirjeldatakse kolme tihti kasutatavate elektriliste täiturite (diood, transistor ja türistor) tööpõhimõtet.

 

Elektriajami põhiomadused

Vaatamata sellele, et 20. sajandi alguseks oli vahelduvvoolusüsteem elektrienergia jaotamisel kindlalt võitnud alalisvoolusüsteemi, ei suudetud siis veel hõlpsalt lahendada mitmeid elektromehaanilise energiamuundamisega seotud probleeme. Tööstuse ja tehnoloogiliste masinate seisukohalt oli kindlasti üheks taoliseks ülesandeks elektrimootorite kiiruse reguleerimine. Kui kolmejuhilise liini ja trafode abil kokku ühendatud vahelduvvoolu sünkroongeneraator ja asünkroonmootor lahendasid põhimõtteliselt elektromehaanilise energiamuundamise ning energia kaugülekande probleemid, siis töömasina kiiruse ja momendi reguleerimine osutus vahelduvvoolumasina abil väga keerukaks ülesandeks.

Kuigi põhimõtteliselt oli teada, et vahelduvvoolumasina kiirust saab reguleerida toitevoolu sageduse muutmisega, osutusid selle põhimõtte realiseerimiseks vajalikud tehnilised lahendused väga keerukaks, kalliks ja energiat raiskavaks. Samas olid alalisvoolumasinate jaoks olemas lihtsad kiiruse reguleerimismeetodid ja -vahendid. Tekkis olukord, kus elektrienergia tootmiseks ja jaotamiseks sobis paremini vahelduvvoolusüsteem, energia kasutamiseks aga alalisvoolusüsteem. Sellest tulenes ka põhimõtteline vastuolu elektrienergia lihtsa, töökindla ja odava tootmise ja jaotamise ning paindliku kasutamise vahel. Selle vastuolu ületamisele ning sobivate tehniliste lahenduste otsingutele kulus peaaegu kogu 20. sajand. Peamisteks probleemideks olid:

• alalisvoolumasinate toitmine vahelduvvooluvõrgust ja vastavate muundurite loomine;
• vahelduvvoolumasina kiiruse reguleerimismeetodite ja -seadmete väljaarendamine;
• elektrimasinate kiiruse reguleerimiskadude vähendamine ning energiamuundamise kasuteguri suurendamine.

Kõige üldisemalt on elektrienergia muundusprotsessid näidatud joonisel 2.2. Elektrienergia paindlikuks kasutamiseks oli vaja seadmeid nende muundusprotsesside teostamiseks. Joonisel näidatud neljast muundusprotsessist kõige hõlpsam oli vahelduvpinge muundamine, milleks sobis hästi 1876. a. (P. Jablotškov) valmistatud vahelduvvoolu jõutransformaator ehk trafo. Märkigem, et impulsstrafo leiutas M. Faraday juba 1831. a. Tänu trafole lahendati edukalt elektrienergia edastamine kõrgepingeliinide abil pikkade vahemaade taha. Vahelduv- ja alalisvoolu vastastikuse muundamise ning alalispinge muundamise probleemidele on otsitud uusi lahendusi kuni tänaseni. Elektrienergia muundamiseks on leiutatud tuhandeid seadmeid ja süsteeme. Kui osutus, et energia vahetu muundamine pole võimalik või otstarbekas, rakendati mitmesuguseid kaudseid muundamisviise, nt. keerukaid vahemuunduritega süsteeme.

Niisuguste süsteemide hulka kuuluvad nt. elektromehaanilised mootor-generaator süsteemid (alalisvoolu puhul Ward-Leonard süsteemid). Reguleeritava alalispinge saamiseks sobib vahelduvvoolu asünkroon­mootorist ja alalisvoolugeneraatorist koosnev süsteem, kusjuures generaatori pinget reguleeritakse ergutusvoolu muutmisega reostaadi abil (joonis 2.4). Muutuva pinge ja sagedusega vahelduvvoolu saab samuti mootor-generaator süsteemist. Sel juhul kasutatakse sünkroongeneraatori käitamiseks reguleeritava kiirusega alalisvoolumootorit. Generaatori kiiruse reguleerimisel muutub ka selle väljundpinge amplituud ning sagedus. Niisugune agregaat sobib omakorda reguleeritava kiirusega vahelduvvoolumasina toiteks.

Elektromehaanilised muundurid olid reguleeritava kiirusega elektriajamite toiteallikatena valdavateks seadmeteks 20. sajandi esimesel poolel. Sellel perioodil loodi palju erinevaid elektrimasinate konstruktsioone, mille eesmärgiks oli suurendada elektrienergia muundamise kasutegurit.

Võimsus ja moment. Ajami poolt elektrivõrgust (toiteallikast) tarbitav elektrienergia muundatakse mehaaniliseks energiaks mootori võllil. Mehaaniline võimsus arvutatakse pöördliikumise puhul valemiga:

Pmeh= T·?

või lineaarse liikumise puhul:

Pmeh= F·xv.

Elektrimasina moment on otseselt seotud tema mõõtmetega. Elektromagnetiline moment on määratud magnetvoo ja voolu korrutisega:

Tem= ?·I.

Mõlemad neist suurustest on aga sõltuvad masina mõõtmetest, sest nii magnetvoo kui ka voolutihedus materjalis on piiratud. Magnetvoo tiheduse ehk magnetilise induktsiooni B maksimaalväärtus on määratud magnetmaterjali küllastusega, voolutiheduse maksimaalväärtus aga elektrijuhtide isolatsiooni piirtemperatuuri ning mähiste jahutustingimustega. Masina piirvõimsuse puhul on oluliseks näitajaks on pöörlemiskiirus. Vastavalt eeltoodud valemitele on masina väljundvõimsus kiirusega võrdeline. Kuna masina mõõtmed sõltuvad peamiselt momendist, on suurekiiruselistel elektrimasinatel samade mõõtmete juures suurem võimsus ning järelikult ka suurem võimsuse ja massi suhe.

Kiiruse võimalik maksimaalväärtus sõltub masina konstruktsioonilisest vastupidavusest (tsentrifugaaljõudude toime ja laagrite hõõrdumine), pöördvälja kiirusest (võrgusagedusel 50 Hz on välja pöörlemiskiiruseks 3000 p/min) või kommutaatori elektrilistest omadustest.

Mootorite kiiruse suurendamine ja ajami efektiivsus pole omavahel üheselt seotud. Suure kiirusega mootori võib küll etteantud võimsuse korral valmistada odavamalt, kui väikesekiiruselise. Töömasina käitamiseks sobiva kiiruse saamiseks tuleb aga sel juhul kasutada kiirust vähendavat reduktorit, mille mõõtmed, mass ja hind võivad ajami kui terviku muuta ebaratsionaalselt kohmakaks ja kalliks. Paindlikult juhitavate muundurite puhul tuleb valitud mootor sobitada ka muunduriga.

Üldjuhul jagatakse elektrimasina talitluspiirkond kiirusest sõltuvalt kahte ossa: konstantse momendiga talitluseks nimikiirusest väiksematel kiirustel ja konstantse võimsusega (tavaliselt nimivõimsusega) talitluseks nimikiirusest suurematel kiirustel (joonis 2.5).

Mootori maksimaalne koormatavus sõltub masina tüübist ning talitlusoludest. Tavaliselt pole võimalik elektrimasinat väga väikestel kiirustel täielikult koormata, sest kiiruse vähenemisega halvenevad ka masina jahutusolud, ning masin võib nimivooluga koormamisel üle kuumeneda. Seepärast annavad masinate tootjad infot masina lubatud koormatavuse kohta sõltuvalt kiirusest (joonis 2).

Nimikiirusest suurematel kiirustel on sageli lubatud masinat koormata nimivõimsusest suurema võimsusega, sest kaod masinas sõltuvalt peamiselt momendist (voolust), mis kiiruse suurenemisel oluliselt ei muutu. Samas paraneb kiiruse suurenemisel masina jahutus. Seepärast võib nt 50 Hz nimisagedusega mootor sagedusmuundurist toitmisel arendada kuni ?3 korda suuremat võimsust kui samavõrd suurendada toitepinge sagedust (87 Hz).

 

Ajami riskivaba talitlusala (safe operation area, SOA) on oluliste tunnussuurustega (pingete, voolude, võimsustega määratud talitlusala, milles ajami talitlus normaaloludes on võimalik ilma riskita ajamit või töömasinat kahjustada. Ajami tööpunkti jäämist riskivabasse talitlusalasse väliste muutujate (toitepinge, koormuse, kiiruse, ümbrustemperatuuri, mere­pinnast mõõdetud talitluskõrguse jm) suvalisel muutumisel kontrollitakse nüüdiselektriajamite puhul ajami kaitseaparaatide ning juhtseadmetesse sisseehitatud kaitsealgoritmidega

Joonistel 1 ja 2 näidatud tunnusjoonte puhul saab abtsiss- ja ordinaattelgedel näidata erinevaid suurusi. Tavaliselt näidatakse abtsissteljel seadme või süsteemi sisendsuurust ja ordinaatteljel väljundsuurust. Elektrimootori puhul võib väljundiks olla nii moment kui ka kiirus. Ajamite puhul on tavaliselt sisendiks moment ja väljundiks kiirus.

Mootor või generaator. Ajami talitlusel muutub nii mootori pöörlemiskiirus kui ka koormusmoment. Teatud juhtudel võib muutuda ka mootori pöörlemissuund või koormusmomendi märk. Sõltuvalt olukorrast võib ajami talitlust kiiruse-momendi tasandil kirjeldada kas ühes, kahes või neljas kvadrandis (joonis 3). Kvadrantide üldlevinud tähistuse puhul töötab ajam I ja III kvadrandis mootoritalitluses (kiirus ja moment on sama märgiga). II ja IV kvadrandis töötab ajam generaatoritalitluses (kiirus ja moment on eri märgiga). Kvadrantide asukoht sõltub telgede asetusest.

Lihtsamad ajamid töötavad tavaliselt I kvadrandis ehk mootoritalitluses. On ajameid mille puhul pöörlemissuund on muutumatu kuid muutub momendi suund (nt. kiirendamine ja pidurdamine). On olemas ajameid, nt. tõstemasinad, kus momendi suund on konstantne, kuid pöörlemissuund muutub vastavalt koormuse tõstmisele või langetamisele. Kõige üldisemal juhul (nt reversiivsed tööpingid, robotid jms) võib ajam talitleda vaheldumisi kõigis neljas kvadrandis