Asynkronmotor
Asynkronmotor – definition, virkemåde, opbygning og anvendelse på jernbaner
En asynkronmotor er en elektrisk vekselstrømsmotor, hvor rotorens rotation frembringes ved elektromagnetisk induktion fra et roterende magnetfelt i motorens stator. Asynkronmotoren betegnes derfor også som en induktionsmotor. Den mest almindelige type til jernbanedrift er en trefaset asynkronmotor, der anvendes som banemotor eller trækmotor i elektriske lokomotiver, dieselelektriske lokomotiver, motorvogne og elektriske togsæt. Det særlige ved asynkronmotoren er, at rotoren under normal motordrift roterer med en lidt lavere hastighed end statorens roterende magnetfelt. Denne hastighedsforskel kaldes slip og er nødvendig for, at der kan induceres elektriske strømme i rotoren og dermed udvikles et drejningsmoment. Det er denne forskel mellem magnetfeltets og rotorens omdrejningshastighed, der har givet motoren betegnelsen asynkron. Asynkronmotoren adskiller sig fra traditionelle jævnstrømsmotorer ved normalt ikke at have kommutator og kulbørster. Det giver en relativt enkel og robust konstruktion med færre mekaniske sliddele og et mindre vedligeholdelsesbehov. Disse egenskaber har gjort asynkronmotoren særligt velegnet til moderne jernbanekøretøjer, hvor motorerne skal kunne levere stor trækkraft, tåle kraftige vibrationer og fungere pålideligt gennem mange års drift. Den moderne anvendelse af asynkronmotorer i jernbanedrift er tæt forbundet med udviklingen af halvlederteknologi, frekvensomformere og elektronisk motorstyring. Ved at regulere frekvensen og spændingen på den trefasede vekselstrøm kan trækmotorens omdrejningstal og drejningsmoment styres præcist. Derved kan den samme motortype anvendes til både igangsætning, acceleration, kørsel med konstant hastighed og elektrisk bremsning. Asynkronmotorer fik særlig betydning for udviklingen af moderne elektrisk togdrift i sidste del af det 20. århundrede. I Danmark blev teknologien blandt andet indført med DSB's dieselelektriske lokomotiver litra ME fra 1981 og de elektriske lokomotiver litra EA fra 1984. Den blev efterfølgende anvendt i en række elektriske togsæt og lokomotiver og er fortsat en vigtig motorteknologi i jernbanedriften.
Asynkronmotorens grundlæggende virkemåde
En asynkronmotor fungerer ved, at elektrisk vekselstrøm gennem motorens statorviklinger danner et magnetfelt, som roterer omkring motorens centrale akse. Når magnetfeltet bevæger sig forbi rotorens elektrisk ledende dele, induceres der strømme i rotoren. Disse inducerede strømme danner deres eget magnetfelt, som vekselvirker med statorens roterende magnetfelt. Denne elektromagnetiske påvirkning skaber et drejningsmoment, der får rotoren til at dreje rundt. Rotoren vil under normal motordrift forsøge at følge statorens roterende magnetfelt, men den når ikke helt op på samme hastighed. Hvis rotoren bevægede sig med præcis samme hastighed som magnetfeltet, ville der ikke længere være nogen relativ bevægelse mellem feltet og rotorens ledere. Dermed ville der under de normale forudsætninger ikke blive induceret den strøm, som er nødvendig for at skabe motorens drejningsmoment. Denne grundlæggende egenskab adskiller asynkronmotoren fra en synkronmotor, hvor rotoren under normal synkron drift følger statorens magnetfelt med samme omdrejningshastighed. På en moderne jernbaneasynkronmotor reguleres det roterende magnetfelt elektronisk. Motorstyringen kan derfor ændre magnetfeltets hastighed, så motoren udvikler det ønskede drejningsmoment ved forskellige omdrejningstal. Dette gør det muligt at opnå både stor trækkraft ved igangsætning og effektiv drift ved højere hastigheder.
Asynkronmotorens vigtigste komponenter
En asynkronmotor er opbygget af forholdsvis få hovedkomponenter, men hver komponent har stor betydning for motorens egenskaber og driftssikkerhed.
Statoren – motorens stillestående del
Statoren er den ydre, stationære del af motoren. Den består normalt af en jernkerne opbygget af tynde, elektrisk isolerede stålplader, som er samlet i en cylindrisk konstruktion. Inde i statoren findes særlige spor, hvor motorens elektriske viklinger er placeret. Når disse viklinger forsynes med trefaset vekselstrøm, dannes et roterende magnetfelt. Statorens konstruktion er afgørende for motorens magnetiske egenskaber, virkningsgrad og evne til at udvikle drejningsmoment. De elektrisk isolerede stålplader anvendes for at begrænse hvirvelstrømme og andre magnetiske tab i motorens jernkerne. Ved jernbanedrift stilles der store krav til statorviklingernes elektriske isolation, fordi motoren udsættes for både mekaniske vibrationer, temperaturudsving og elektriske belastninger fra motorstyringen.
Rotoren – motorens roterende del
Rotoren er den del af motoren, som roterer inde i statoren og overfører den udviklede mekaniske kraft til motorens aksel. På den mest almindelige type asynkronmotor anvendes en såkaldt kortslutningsrotor, også betegnet egernburrotor eller squirrel-cage rotor. Denne rotor består af en jernkerne med elektrisk ledende stave, som er forbundet i begge ender ved hjælp af kortslutningsringe. Konstruktionen danner et lukket elektrisk kredsløb, hvor der kan induceres strøm, når rotorens ledere påvirkes af statorens roterende magnetfelt. Den store fordel ved kortslutningsrotoren er, at den ikke kræver elektrisk strømtilførsel gennem kulbørster eller slæberinge. Strømmene dannes i stedet direkte ved elektromagnetisk induktion. Det giver en mekanisk robust konstruktion med få sliddele og gør motoren velegnet til den krævende anvendelse som banemotor.
Motoraksel og lejer
Rotoren er fastgjort til en motoraksel, som understøttes af lejer. Lejerne sikrer, at rotoren kan rotere med mindst mulig mekanisk modstand og samtidig fastholde den korrekte placering i forhold til statoren. Ved jernbanedrift kan motorakslen være forbundet med en gearkasse, som overfører motorens drejningsmoment til lokomotivets eller togsættets drivaksel. Lejerne udsættes for betydelige mekaniske belastninger og kræver derfor korrekt smøring, temperaturkontrol og vedligeholdelse. Selvom asynkronmotoren har færre mekaniske sliddele end en traditionel kommutatormotor, er den ikke vedligeholdelsesfri. Lejer, tætninger, kølesystem og elektrisk isolation skal fortsat kontrolleres.
Motorhus og kølesystem
Motorhuset beskytter motorens indvendige komponenter mod mekaniske påvirkninger, fugt, støv og andre miljømæssige belastninger. Under drift udvikles varme som følge af elektriske og magnetiske tab. Varmen skal bortledes for at forhindre overophedning af statorviklinger, rotor og lejer. På jernbanekøretøjer anvendes forskellige former for ventilation og køling, herunder luftkøling med ventilatorer og på visse motorkonstruktioner væskekøling. Kølesystemets udformning afhænger blandt andet af motorens effekt, størrelse og placering i køretøjet.
Trefaset vekselstrøm og roterende magnetfelt
Den almindelige asynkronmotor til jernbanedrift anvender trefaset vekselstrøm. Det betyder, at motoren forsynes med tre vekselstrømme, som er elektrisk faseforskudt i forhold til hinanden. Når strømmen løber gennem statorens tre sæt viklinger, dannes et magnetfelt, som roterer kontinuerligt omkring motorens akse. Hastigheden af dette magnetfelt bestemmes af vekselstrømmens frekvens og antallet af magnetiske poler i motoren. Ved at øge frekvensen kan magnetfeltets omdrejningshastighed øges, mens en lavere frekvens giver en lavere magnetfelthastighed. På jernbanekøretøjer anvendes derfor en elektronisk frekvensomformer, som kan regulere den elektriske frekvens, motoren forsynes med. Dette er en væsentlig forskel fra en almindelig asynkronmotor, der er direkte tilsluttet et fast vekselstrømsnet. En sådan motor vil normalt have en omdrejningshastighed, der ligger tæt på den hastighed, som netfrekvensen og motorens poltal bestemmer. På et tog er det nødvendigt at kunne regulere motorens hastighed over et meget stort område, fra stilstand til maksimal kørehastighed. Derfor er frekvensomformeren en central del af det moderne elektriske trækkraftsystem.
Slip – forskellen mellem rotorens og magnetfeltets hastighed
Slip er et af de vigtigste begreber ved forståelsen af en asynkronmotor. Når statorens magnetfelt roterer, vil rotorens hastighed under normal motordrift være lidt lavere end magnetfeltets hastighed. Denne forskel kaldes slip. Slip er nødvendigt, fordi det er den relative bevægelse mellem magnetfeltet og rotorens ledere, der skaber de inducerede strømme i rotoren. Ved lille mekanisk belastning vil rotorens omdrejningshastighed normalt ligge tæt på magnetfeltets hastighed, og slippet vil være forholdsvis lille. Når motoren belastes kraftigere, vil der normalt opstå et større slip, så motoren kan udvikle et højere drejningsmoment. På moderne jernbanekøretøjer regulerer motorstyringen slippet og de elektriske strømme for at opnå det ønskede drejningsmoment. Ved elektrisk bremsning kan rotorens hastighed være højere end det roterende magnetfelts hastighed. Asynkronmaskinen arbejder da som generator og omdanner mekanisk energi fra togets bevægelse til elektrisk energi. Slip har derfor betydning for både motordrift og generatordrift.
Frekvensomformerens betydning for asynkronmotoren
Asynkronmotorens store udbredelse i moderne jernbanedrift blev muliggjort af udviklingen af effektive elektroniske frekvensomformere. En frekvensomformer er en elektronisk enhed, som kan fremstille vekselstrøm med variabel frekvens og spænding. Den gør det muligt at regulere motorens omdrejningstal og drejningsmoment uden at ændre motorens mekaniske konstruktion. På et elektrisk lokomotiv modtages energien normalt fra køreledningsanlægget. På danske fjernbaner er forsyningen eksempelvis baseret på 25 kV vekselstrøm med en frekvens på 50 Hz. Denne strøm kan ikke uden videre anvendes direkte til at regulere en moderne asynkrontrækmotor gennem hele togets hastighedsområde. I et typisk moderne vekselstrømslokomotiv omdannes energien derfor gennem en transformator, en netkonverter og en elektrisk mellemkreds, inden en motorvekselretter fremstiller den trefasede vekselstrøm, som forsyner banemotorerne. Motorvekselretteren kan regulere både frekvensen og spændingen og dermed styre motorens arbejde. På dieselelektriske lokomotiver produceres den elektriske energi af en generator, som drives af lokomotivets dieselmotor. Herefter behandles strømmen gennem det elektriske transmissionssystem og omdannes til den trefasede vekselstrøm, der skal anvendes af asynkronmotorerne. Fælles for begge konstruktioner er, at motorstyringen gør det muligt at tilpasse trækkraften til togets hastighed, belastning og de aktuelle adhæsionsforhold.
Elektronisk motorstyring og regulering af trækkraft
Moderne asynkronmotorer i jernbanekøretøjer styres af avancerede elektroniske systemer, som regulerer motorernes elektriske spænding, frekvens og strøm. En almindelig reguleringsmetode er pulsbreddemodulation, ofte forkortet PWM. Ved hjælp af hurtige elektroniske omskiftninger kan motorvekselretteren fremstille en kontrolleret trefaset spænding, som giver motoren de ønskede driftsegenskaber. Motorstyringen kan desuden anvende vektorstyring, hvor motorens magnetiske flux og drejningsmoment reguleres gennem en matematisk model af motorens elektriske egenskaber. Disse teknologier gør det muligt at opnå præcis trækkraftregulering ved både lave og høje hastigheder. Ved igangsætning kan motorstyringen sørge for, at motoren udvikler et stort drejningsmoment, så lokomotivet eller togsættet kan sættes i bevægelse. Under acceleration reguleres motorens elektriske frekvens, så omdrejningstallet øges i takt med kørehastigheden. Ved højere hastigheder kan motoren arbejde i et område med omtrent konstant effekt, hvor drejningsmomentet aftager, efterhånden som omdrejningstallet stiger. Motorstyringen kan samtidig begrænse trækkraften, hvis hjulene begynder at miste adhæsionen mod skinnerne.
Asynkronmotorens anvendelse som banemotor
En banemotor er en elektrisk motor, der anvendes til at drive et jernbanekøretøjs hjulsæt. På moderne lokomotiver og togsæt placeres banemotorerne normalt i eller ved bogierne, hvor de gennem gear og mekaniske forbindelser overfører kraften til de drivende aksler. På mange lokomotiver anvendes én banemotor pr. drivaksel, men der findes også konstruktioner, hvor en motor driver flere aksler gennem en fælles transmission. Asynkronmotoren har vist sig særligt velegnet til denne opgave, fordi den kan udvikle et stort drejningsmoment og samtidig tåle betydelige mekaniske og termiske belastninger. Ved jernbanedrift udsættes banemotorerne for kraftige accelerationer, vibrationer og temperaturændringer. De kan desuden blive påvirket af fugt, støv og andre forhold fra omgivelserne. Kortslutningsmotorens robuste konstruktion uden kommutator og kulbørster er derfor en væsentlig fordel. Samtidig kan elektronisk motorstyring give præcis regulering af trækkraften og dermed forbedre udnyttelsen af adhæsionen mellem hjul og skinne.
Asynkronmotorer i elektriske lokomotiver
I elektriske lokomotiver anvendes asynkronmotorer til at omdanne elektrisk energi fra køreledningsanlægget til mekanisk trækkraft. Den elektriske energi føres gennem lokomotivets strømforsynings- og reguleringsudstyr til banemotorerne, som derefter driver lokomotivets hjulsæt. Et lokomotiv med akselrækkefølgen Bo′Bo′ har eksempelvis to bogier med hver to individuelt drevne aksler. Hvis lokomotivet er udstyret med én asynkronmotor pr. drivaksel, vil det dermed have fire trækmotorer. Tilsvarende kan et seksakslet lokomotiv med akselrækkefølgen Co′Co′ være forsynet med seks individuelt regulerede trækmotorer. Det betyder dog ikke, at akselrækkefølgen alene kan fastslå motortypen. Bo′Bo′ angiver de individuelt drevne akslers placering, men fortæller ikke, om motorerne er asynkronmotorer, synkronmotorer eller en anden motortype. Ved registrering af historiske lokomotiver bør motorernes elektriske konstruktion derfor beskrives særskilt.
Asynkronmotorer i dieselelektriske lokomotiver
Asynkronmotorer anvendes også i dieselelektriske lokomotiver, selv om disse ikke modtager deres elektriske energi fra en køreledning. I et dieselelektrisk lokomotiv driver dieselmotoren en generator, som producerer elektrisk energi. Denne energi omdannes og reguleres gennem lokomotivets elektriske transmissionssystem, inden den tilføres trækmotorerne. Dieselmotorens mekaniske kraft overføres således ikke direkte til hjulene gennem en traditionel gearkasse. I stedet sker kraftoverføringen gennem en elektrisk transmission. Anvendelsen af asynkronmotorer gør det muligt at regulere trækkraften præcist, selv om dieselmotoren arbejder ved et andet omdrejningstal end banemotorerne. Det giver gode muligheder for at tilpasse dieselmotorens arbejde til det aktuelle effektbehov og samtidig styre trækkraften på de enkelte aksler. Denne teknologi fik blandt andet betydning for DSB's litra ME, som blev leveret fra begyndelsen af 1980'erne.
DSB litra ME – tidlig dansk anvendelse af asynkronmotorer
DSB's litra ME var blandt de tidlige europæiske dieselelektriske lokomotivtyper med trefasede asynkronmotorer som banemotorer. De første ME-lokomotiver blev leveret i 1981, og leverancerne fortsatte frem til 1985. Lokomotiverne blev bygget af Henschel med elektrisk udstyr fra Brown, Boveri & Cie. (BBC). Litra ME var konstrueret med fire individuelt drevne aksler fordelt på to toakslede bogier og havde akselrækkefølgen Bo′Bo′. Den elektriske transmission med asynkronmotorer repræsenterede et teknologisk fremskridt sammenlignet med de ældre dieselelektriske lokomotiver, hvor jævnstrømsmotorer havde været almindelige. Anvendelsen af asynkronmotorer med elektronisk regulering gjorde det muligt at opnå en mere fleksibel motorstyring og reducere behovet for vedligeholdelse af motorernes elektriske sliddele. Litra ME er derfor en væsentlig lokomotivtype i den danske jernbanehistorie, fordi den illustrerer overgangen fra traditionelle jævnstrømsbanemotorer til moderne trefaset vekselstrømstrækkraft.
DSB litra EA – elektrisk lokomotiv med asynkronmotorer
DSB's litra EA blev udviklet i begyndelsen af 1980'erne i forbindelse med elektrificeringen af det danske fjernbanenet. De første EA-lokomotiver blev leveret i 1984, og typen blev konstrueret med asynkrone banemotorer og elektronisk reguleringsteknik. Konstruktionen var beslægtet med den tyske Deutsche Bundesbahn litra 120, som var blandt de første moderne elektriske lokomotivtyper med trefaset asynkrontrækkraft. Litra EA var udstyret med fire individuelt drevne aksler og havde akselrækkefølgen Bo′Bo′. En af fordelene ved motor- og reguleringssystemet var muligheden for regenerativ bremsning, hvor banemotorerne under opbremsning fungerer som generatorer og kan sende elektrisk energi tilbage til køreledningsnettet. Denne egenskab var et væsentligt teknologisk fremskridt sammenlignet med ældre elektriske lokomotiver, hvor bremseenergien i større omfang blev omsat til varme eller alene optaget af de mekaniske bremser. DSB's litra EA var dermed en vigtig del af overgangen til moderne elektrisk togdrift i Danmark.
Asynkronmotorer i danske elektriske togsæt
Efter indførelsen af asynkronmotorer i lokomotiver blev teknologien også almindelig i elektriske motorvogne og togsæt. DSB's elektriske regionaltog litra ER, også kendt som IR4, blev leveret fra 1990'erne og anvendte moderne trefaset asynkrontrækkraft. Tilsvarende blev Øresundstogene litra ET og DSB's elektriske godslokomotiver litra EG udstyret med asynkronmotorer og elektronisk motorstyring. Et andet væsentligt eksempel er DSB's fjerde generation af S-tog, litra SA, som blev introduceret fra 1990'erne. Disse togsæt var de første af DSB's S-tog, der blev udstyret med vekselstrømsbanemotorer. Anvendelsen af asynkronmotorer i S-tog var særlig hensigtsmæssig, fordi togene har mange standsninger og accelerationer. Motorstyringen skulle derfor kunne levere stor trækkraft ved igangsætning og samtidig understøtte effektiv elektrisk bremsning. Asynkronmotorer blev dermed en central del af den elektriske trækkraftteknologi i flere generationer af danske lokomotiver og togsæt. Det skal dog bemærkes, at moderne elektrisk jernbanemateriel også kan anvende andre motortyper, herunder permanentmagnetiserede synkronmotorer. Asynkronmotoren er derfor en meget udbredt, men ikke den eneste, teknologi til moderne elektrisk trækkraft.
Asynkronmotorens betydning for elektrisk bremsning
En af asynkronmotorens vigtigste egenskaber i jernbanedrift er, at den kan anvendes både som motor og generator. Når toget accelererer, modtager asynkronmotoren elektrisk energi og omdanner den til mekanisk kraft, som driver hjulsættene. Ved elektrisk bremsning kan energistrømmen vendes. Hjulsættene driver da motorens rotor, og motoren fungerer som generator, hvor togets bevægelsesenergi omdannes til elektrisk energi. Denne form for bremsning kaldes elektrodynamisk bremsning. Den elektriske energi kan i visse anlæg sendes tilbage til køreledningsnettet. Dette betegnes regenerativ bremsning eller tilbagefødningsbremsning. Hvis energien ikke kan sendes tilbage til forsyningsnettet, kan den i stedet omsættes til varme i særlige bremsemodstande. Dette betegnes modstandsbremsning. Den konkrete mulighed for tilbagefødning afhænger blandt andet af lokomotivets elektriske konstruktion, køreledningsnettets egenskaber og muligheden for at modtage den producerede energi. Elektrisk bremsning kan reducere belastningen af de mekaniske bremser og mindske slitagen på bremseklodser og bremseskiver. Den kan også bidrage til en mere energieffektiv drift, når en del af togets bevægelsesenergi kan genanvendes.
Asynkronmotorens betydning for adhæsion og hjulslip
Ved jernbanedrift er det afgørende, at motorens trækkraft kan overføres til skinnerne gennem hjulenes kontakt med skinneoverfladen. Denne kraftoverførsel afhænger af adhæsionen mellem hjul og skinne, som blandt andet påvirkes af fugt, blade, sne, is, olie og andre forureninger. Hvis motoren udvikler et større drejningsmoment, end hjulene kan overføre til skinnerne, opstår der hjulslip. Moderne asynkronmotorer kan reguleres hurtigt og præcist gennem deres elektroniske motorstyring. Det gør det muligt at reducere eller tilpasse trækkraften, når systemet registrerer begyndende hjulslip. På lokomotiver med individuelt drevne aksler kan motorstyringen regulere trækkraften på de enkelte aksler eller motorgrupper. Dette forbedrer mulighederne for at udnytte lokomotivets adhæsionsvægt og opnå en stabil acceleration under vanskelige forhold. Tilsvarende kan motorstyringen under elektrisk bremsning regulere bremsemomentet for at begrænse risikoen for hjulblokering.
Virkningsgrad og energiforbrug
Asynkronmotorer har generelt en høj virkningsgrad, især når de er korrekt dimensioneret og anvendes sammen med en moderne elektronisk motorstyring. Virkningsgraden beskriver forholdet mellem den mekaniske energi, som motoren afgiver, og den elektriske energi, den modtager. I en asynkronmotor opstår der energitab i blandt andet statorviklingerne, rotorens elektriske ledere, motorens jernkerne, lejerne og ventilationssystemet. Rotorens elektriske tab er tæt forbundet med motorens slip, fordi strømmen i rotoren frembringes gennem elektromagnetisk induktion. Moderne motorstyringer kan regulere motorens drift, så den arbejder energieffektivt under forskellige belastningsforhold. Ved jernbanedrift skal motorens virkningsgrad dog ses i sammenhæng med hele trækkraftsystemet. Der opstår også tab i transformatorer, frekvensomformere, gearkasser og andre komponenter. Den samlede energieffektivitet afhænger derfor ikke alene af asynkronmotoren, men også af motorstyringen, togets konstruktion, kørselsmønster og muligheden for at udnytte regenerativ bremsning.
Fordele ved asynkronmotorer i jernbanedrift
Asynkronmotorer har en række egenskaber, som har gjort dem særligt attraktive som trækmotorer i lokomotiver og togsæt. Den robuste mekaniske konstruktion er en af de vigtigste fordele. Da en almindelig kortslutningsmotor ikke har kommutator og kulbørster, er der færre elektriske sliddele, som kræver regelmæssig udskiftning. Motorerne kan desuden konstrueres forholdsvis kompakt og har gode muligheder for at udvikle stort drejningsmoment inden for deres dimensioner. Elektronisk motorstyring giver mulighed for præcis regulering af både acceleration og bremsning, hvilket er væsentligt i togdrift med hyppige hastighedsændringer. Asynkronmotoren kan også anvendes som generator ved elektrisk bremsning, hvilket gør det muligt at reducere slitage på de mekaniske bremser og i visse tilfælde genanvende en del af togets bevægelsesenergi. En yderligere fordel er, at den samme grundlæggende motorteknologi kan anvendes i både elektriske og dieselelektriske køretøjer. Fordelene skal dog vurderes sammen med de krav, som motorens elektroniske reguleringssystem stiller. En asynkronmotor til variabel hastighed kræver en egnet motorvekselretter, og den samlede installation kan være teknisk avanceret.
Begrænsninger og tekniske udfordringer
Selvom asynkronmotoren er robust, er den ikke uden tekniske begrænsninger. For at kunne anvendes effektivt som trækmotor med variabel hastighed skal den forsynes gennem en frekvensomformer, som kan regulere motorens spænding og frekvens. Dette stiller krav til motorstyringens elektronik, kølesystem og elektriske isolation. De hurtige elektroniske omskiftninger i motorvekselretteren kan desuden skabe elektromagnetiske forstyrrelser og elektriske spændingspåvirkninger, som skal håndteres gennem korrekt konstruktion og filtrering. Motorens virkningsgrad og temperatur påvirkes også af dens belastning og driftsforhold. Ved hård acceleration, langvarig belastning og høje omgivelsestemperaturer kan det være nødvendigt at begrænse motorens ydelse for at forhindre overophedning. Selvom asynkronmotoren generelt har et relativt lavt vedligeholdelsesbehov, kræver lejer, kølesystem, viklingsisolation og øvrige komponenter fortsat kontrol. Endelig er asynkronmotoren ikke nødvendigvis den optimale løsning til alle former for elektrisk togdrift. Andre motorteknologier kan under bestemte forhold give fordele med hensyn til eksempelvis vægt, virkningsgrad og effekttæthed.
Forskellen mellem asynkronmotor, synkronmotor og jævnstrømsmotor
I jernbaneteknik anvendes flere forskellige elektriske motortyper, som adskiller sig væsentligt fra hinanden i både konstruktion og reguleringsprincip.
| Motortype | Virkemåde | Karakteristiske egenskaber |
|---|---|---|
| Asynkronmotor | Rotoren drives ved elektromagnetisk induktion og har normalt slip i forhold til statorens magnetfelt. | Robust konstruktion, normalt uden kommutator og kulbørster. |
| Synkronmotor | Rotoren følger statorens roterende magnetfelt med synkron hastighed. | Kan anvende elektromagneter eller permanentmagneter. |
| Jævnstrømsmotor | Drejningsmomentet frembringes ved samspil mellem magnetfelt og elektrisk strøm i motoren. | Traditionelle banemotorer havde ofte kommutator og kulbørster. |
| Permanentmagnetmotor | En type synkronmotor, hvor rotorens magnetfelt dannes af permanentmagneter. | Kan give høj effekttæthed og god virkningsgrad. |
| Kommutatormotor | Anvender en kommutator til at omkoble strømmen i rotoren. | Historisk udbredt i elektriske jernbanekøretøjer. |
Asynkronmotorens vigtigste konstruktive fordel i forhold til den traditionelle kommutatormotor er fraværet af en mekanisk kommutator med tilhørende børstesystem. Til gengæld kræver den moderne asynkronmotor en mere avanceret elektronisk styring for at kunne reguleres effektivt over hele togets hastighedsområde.
Historisk udvikling af asynkronmotoren
Asynkronmotorens tekniske udvikling tog sin begyndelse i slutningen af 1800-tallet, hvor flere ingeniører og opfindere arbejdede med mulighederne for at udnytte roterende magnetfelter til elektrisk motordrift. Den italienske ingeniør Galileo Ferraris og den serbisk-amerikanske opfinder Nikola Tesla var blandt de vigtigste pionerer inden for udviklingen af flerfasede vekselstrømsmotorer og roterende magnetfelter. Ferraris offentliggjorde i 1888 sine undersøgelser af det roterende magnetfelt, mens Tesla samme år fik amerikanske patenter på flere konstruktioner med flerfaset vekselstrøm. Den russisk-tyske ingeniør Michail Dolivo-Dobrowolsky videreudviklede i de følgende år trefasesystemet og bidrog væsentligt til fremkomsten af den praktisk anvendelige kortslutningsmotor. Asynkronmotoren fik hurtigt stor betydning i industrien, hvor den blev anvendt til at drive pumper, ventilatorer, kompressorer og forskellige typer produktionsmaskiner. Dens anvendelse som banemotor var imidlertid i mange år begrænset af vanskelighederne ved at regulere motorens omdrejningstal.
Tidlige forsøg med trefaset elektrisk jernbanedrift
I slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet blev der gennemført forsøg med trefaset vekselstrøm til elektrisk jernbanedrift. En af de væsentlige udfordringer var, at motorernes omdrejningshastighed i høj grad var bestemt af den tilførte strømfrekvens. Det gjorde hastighedsreguleringen vanskelig sammenlignet med de jævnstrømsmotorer, som efterhånden blev almindelige i elektriske lokomotiver. På visse tidlige elektrificerede jernbaner anvendtes derfor trefasede motorer med særlige koblings- og reguleringsprincipper, som kun gav mulighed for et begrænset antal driftshastigheder. Teknologien blev blandt andet anvendt på visse italienske elektrificerede baner, men fik ikke samme brede udbredelse som de senere jævnstrømsbaserede trækkraftsystemer.
Udviklingen af halvlederteknologi
Det afgørende gennembrud for asynkronmotoren i moderne jernbanedrift kom med udviklingen af effektelektronik i anden halvdel af det 20. århundrede. Udviklingen af tyristorer og senere andre kraftige halvlederkomponenter gjorde det muligt at konstruere elektroniske omformere, som kunne regulere både spænding og frekvens. Dette betød, at asynkronmotorens omdrejningshastighed ikke længere behøvede at være bestemt af en fast netfrekvens. I 1953 blev der i Frankrig bygget et af de tidlige forsøgs- og udviklingslokomotiver med asynkrone banemotorer, men teknologien fik først større praktisk betydning, da elektroniske reguleringssystemer blev tilstrækkeligt effektive og driftssikre. I 1970'erne blev der gennemført omfattende forsøg med trefaset asynkrontrækkraft i europæiske lokomotiver. Blandt de væsentlige udviklingsprojekter var det tyske forsøgsdiesellokomotiv Henschel-BBC DE 2500 fra 1971. Denne type anvendte asynkronmotorer og elektronisk regulering og var en vigtig forløber for senere elektriske lokomotiver.
Deutsche Bundesbahn litra 120
Et af de mest betydningsfulde gennembrud kom med den vesttyske Deutsche Bundesbahn litra 120. De første forsøgs- og prototypelokomotiver blev leveret i 1979 og anvendte moderne trefaset asynkrontrækkraft med elektronisk regulering. Litra 120 var udviklet som et alsidigt elektrisk lokomotiv, der kunne anvendes til både hurtige persontog og tunge godstog. Den elektroniske regulering gjorde det muligt at udnytte asynkronmotorernes egenskaber over et stort hastighedsområde og samtidig anvende motorerne til elektrisk bremsning. De tekniske erfaringer fra litra 120 fik stor betydning for udviklingen af efterfølgende europæiske lokomotiver, herunder DSB's litra EA.
Asynkronmotorens gennembrud i dansk jernbanedrift
I begyndelsen af 1980'erne var DSB blandt de tidlige jernbaneselskaber, der tog moderne trefaset asynkrontrækkraft i brug. Med litra ME i 1981 blev teknologien indført i dieselelektriske lokomotiver, mens litra EA fra 1984 anvendte asynkronmotorer i elektriske lokomotiver. Disse to lokomotivtyper markerede et væsentligt teknologisk skifte i dansk jernbanedrift. I de følgende årtier blev den samme grundlæggende motorteknologi anvendt i flere nye lokomotiv- og togsætstyper, herunder IR4, Øresundstog og fjerde generation af S-tog. Asynkronmotoren blev dermed en central del af udviklingen mod moderne elektronisk reguleret elektrisk trækkraft.
Asynkronmotorens betydning for moderne jernbaneteknik
Asynkronmotoren har haft afgørende betydning for udviklingen af moderne elektriske og dieselelektriske trækkraftsystemer. Dens robuste konstruktion og mulighed for præcis elektronisk regulering har gjort det muligt at udvikle lokomotiver og togsæt med stor trækkraft, effektiv acceleration og forholdsvis begrænset vedligeholdelsesbehov. Samtidig har muligheden for elektrisk bremsning bidraget til at forbedre både energieffektiviteten og udnyttelsen af de mekaniske bremser. Teknologien har desuden gjort det lettere at anvende beslægtede motor- og reguleringssystemer på køretøjer med forskellige energiforsyninger, herunder dieselelektriske lokomotiver, elektriske lokomotiver og elektriske togsæt. Asynkronmotorens betydning rækker derfor langt ud over selve motorens konstruktion. Den har været en af de vigtigste tekniske forudsætninger for overgangen fra traditionelle elektriske banemotorer til moderne computerstyret togtrækkraft.
Kort definition til jernbaneordbogen
Asynkronmotor (induktionsmotor): En elektrisk vekselstrømsmotor, hvor rotorens drejningsmoment frembringes ved elektromagnetisk induktion fra et roterende magnetfelt i statoren. Rotoren roterer under normal motordrift med en lidt lavere hastighed end magnetfeltet, hvilket betegnes slip. Asynkronmotorer til jernbanedrift er normalt trefasede kortslutningsmotorer uden kommutator og kulbørster, hvilket giver en robust konstruktion med relativt begrænset vedligeholdelsesbehov. Ved hjælp af en elektronisk frekvensomformer kan motorens hastighed og drejningsmoment reguleres præcist, og motoren kan desuden anvendes til elektrisk bremsning. Asynkronmotorer anvendes som banemotorer i elektriske og dieselelektriske lokomotiver samt elektriske togsæt. I Danmark blev teknologien blandt andet indført med DSB litra ME fra 1981 og litra EA fra 1984 og fik efterfølgende stor betydning for udviklingen af moderne elektrisk togdrift. Beslægtede begreber: Vekselstrømsmotor, induktionsmotor, trefaset vekselstrøm, kortslutningsmotor, kortslutningsrotor, stator, rotor, slip, synkronmotor, jævnstrømsmotor, banemotor, trækmotor, frekvensomformer, motorvekselretter, pulsbreddemodulation, vektorstyring, drejningsmoment, adhæsion, elektrisk bremsning og regenerativ bremsning.
Historiske kilder og dokumentation
Følgende kilder dokumenterer asynkronmotorens tekniske virkemåde, udviklingen af trefaset elektrisk trækkraft og anvendelsen i danske og udenlandske lokomotiver og togsæt.
1. Lex – Lokomotiv. Faglig gennemgang af lokomotivteknologiens udvikling, herunder overgangen fra traditionelle jævnstrømsbanemotorer til asynkronmotorer med frekvensregulering. Artiklen beskriver blandt andet de tidlige franske forsøg i 1953, udviklingen af tyristorteknologien og anvendelsen af trefaset asynkrontrækkraft i DSB's litra ME, EA, EG, ER og ET samt S-tog litra SA. Lex – Lokomotiv.
2. DSB – De vigtigste milepæle i DSB's historie, 1980–1984. DSB's egen historiske gennemgang af indførelsen af litra EA og den moderne reguleringsteknik med asynkrone banemotorer. Kilden beskriver også forbindelsen til Deutsche Bundesbahn litra 120, teknikkens vedligeholdelsesmæssige fordele og muligheden for regenerativ bremsning. DSB – Milepæle 1980–1984.
3. Danmarks Jernbanemuseum – De vigtigste milepæle i DSB's historie. Historisk oversigt over den danske jernbanes teknologiske udvikling. Kilden dokumenterer blandt andet indførelsen af elektriske lokomotiver og senere S-tog med vekselstrømsbanemotorer. Danmarks Jernbanemuseum – DSB's milepæle.
4. Brenneisen, Futterlieb, Müller og Schulz – New Converter Drive System for a Diesel Electric Locomotive with Asynchronous Traction Motors, 1973. Teknisk artikel offentliggjort i IEEE Transactions on Industry Applications, bind IA-9, nr. 4, side 482–491. Artiklen gennemgår et tidligt dieselelektrisk lokomotiv med asynkronmotorer og elektronisk kraftoverføring. Det er en væsentlig samtidig kilde til teknologiens udvikling i begyndelsen af 1970'erne. IEEE – Asynchronous Traction Motors, 1973.
5. Stempina, G. – Drehstrom-Fahrmotoren für Schienenfahrzeuge seit nahezu einem Jahrhundert, 1980. Artikel i Eisenbahntechnische Rundschau, bind 29, nr. 4, side 287–291. Gennemgår udviklingen af trefasede banemotorer fra slutningen af 1800-tallet til de moderne elektriske lokomotiver i Deutsche Bundesbahns litra 120. Eisenbahntechnische Rundschau – Trefasede banemotorer, 1980.
6. Wagner, R. – Drehstromantriebstechnik mit Strom-Zwischenkreisumrichtern für Lokomotiven, 1982. Teknisk artikel i Glasers Annalen, bind 106, side 93–102. Beskriver anvendelsen af trefasede asynkronmotorer sammen med frekvensomformere, herunder regulering af motorernes spænding og frekvens i forskellige lokomotivkonstruktioner. Glasers Annalen – Asynkrontrækkraft, 1982.
7. Railway Technical – Railway Technical Handbook, afsnittet AC Motors og The Asynchronous Motor. Teknisk undervisningsmateriale med forklaring af forskellen mellem synkrone og asynkrone motorer samt kortslutningsmotorens opbygning, trefaset strømforsyning og anvendelse som banemotor. Railway Technical – Håndbog om jernbaneteknik.
Historisk præcisering: Asynkronmotoren blev udviklet i slutningen af 1800-tallet, men dens brede anvendelse i jernbanedrift kom betydeligt senere. Det skyldtes især behovet for at kunne regulere motorens spænding og frekvens effektivt. Udviklingen af elektroniske frekvensomformere i 1970'erne blev derfor afgørende. DSB's litra ME fra 1981 og litra EA fra 1984 er særligt relevante danske eksempler på overgangen til denne teknologi.