Read Microsoft Word - strojevi_07_c.doc text version

Elektricni strojevi

13

Sinkroni strojevi Asinkroni strojevi

ELEKTRICNI STROJEVI

Model elektricnog stroja

Strojevi istosmjerne struje Posebne vrste motora

13.1 Nacelni model elektricnog stroja

Elektricni strojevi pretvaraju jedan oblik energije u drugi na temelju zakona elektromagnetske d indukcije e = Blv ili e = - , sile na strujom protjecani vodic u magnetskom polju dt uuu r uu u r r uu uu r r dF = I dl × B i zakona protjecanja H dl = I . Prema zakonu elektromagnetske

(

)

l

indukcije napon se inducira giba li se vodic u magnetskom polju (generatori i motori) ili je izlozen samo vremenskim promjenama magnetskog toka (transformatori). U motorima se pretvara elektricna u mehanicku energiju pomou sila na strujom protjecane vodice u magnetskom polju. Budui je magnetsko polje neophodno, zakon protjecanja opisuje kako je mogue postii magnetsko polje protjecanjem struje kroz namot (uzbuda), sto se koristi u veini strojeva. Primjenu prvospomenutih zakona ilustrira sljedei zadatak: U nacelnom modelu elektricnog stroja (prema slici) ravni vodic duzine l=0,5 m moze se klizati translatorno po vodljivom okviru u homogenom magnetskom polju indukcije B=0,8 T okomitom na ravninu okvira. Otpor vodica neka je 0,5 , trenje i otpor okvira se zanemaruju, a stalan napon izvora iznosi vS=12 V. Treba nai:

190

Elektricni strojevi

a) brzinu i smjer gibanja vodica u stacionarnom stanju kad na njega ne djeluje opteretna sila Ft (prazni hod), b) struju izvora pri pokretanju vodica iz mirovanja, c) struju koju daje izvor ako na vodic djeluje opteretna sila 3 N, d) inducirani napon u vodicu u slucaju c), e) brzinu gibanja vodica u slucaju c), f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakocio i struju koju pritom daje izvor, g) brzinu u smjeru gibanja pri kojoj bi struja bila jednaka nuli, h) rad koji u jedinici vremena ostvaruje vodic u slucaju c) i potrebnu snagu izvora, i) prikazite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i snaga te korisnosti za opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te velicine za stanja praznog hoda i zakocenja (kratkog spoja). Pitanja i rjesenje a) brzinu i smjer gibanja vodica u stacionarnom stanju kad na njega ne djeluje opteretna sila Ft (prazni hod), Stacionarno stanje mogue je pri brzini nula ili pri nekoj konstantnoj brzini. Brzina nula odrziva je samo ako je vodic zakocen, ali tada na njega djeluje sila, sto je suprotno pretpostavkama iz a). Slijedi da se stacionarno stanje za dane uvjete ostvaruje pri konstantnoj brzini. Ako na vodic ne djeluje nikakva sila, za gibanje ne treba ulagati energiju, ostvaruje se idealni prazni hod. Iako je strujni krug zatvoren preko pokretnog vodica, iz F = B I l i Ft=0 i=0 slijedi Struja moze biti nula samo ako prikljucenom naponu izvora vS prema 2. KZ ravnotezu drzi inducirani napon e = Blv nastao gibanjem vodica e = vS = 12 V Strujni krug prikazuje shema.

r r Inducirani napon pri brzini vo iznosi ( v i B su okomiti)

e = Bvo l e 12 m vo = = = 30 a brzina praznog hoda Bl 0,8 0,5 s Jednakost napona e = vS znaci da gornja tocka pomicnog vodica na slici mora biti pozitivna. r r Vektor v × B usmjeren je gore pri gibanju udesno, dakle vodic se mora gibati udesno.

191

Elektricni strojevi

b) struju izvora pri pokretanju vodica iz mirovanja, Vodic miruje i ne inducira se protunapon te se napon izvora trosi sav na otporu vodica a struja pokretanja (struja kratkog spoja) iznosi

v = 0, e = 0 vS = I R v 12 I= S= = 24 A R 0,5

c) struju koju daje izvor ako na vodic djeluje opteretna sila 3 N, Sila na vodic kojim tece struja i sila tereta jednake su Fm = Ft = 3 N Sila na vodic iznosi Fm = BIl F 3 iz cega se dobiva struja pri optereenju I= m = = 7,5 A Bl 0,8 0,5 d) inducirani napon u vodicu u slucaju c), Primjena 2. KZ na strujni krug iz cega inducirani napon mora iznositi

vS = e + IR e = vS - IR = 12 - 7,5 0,5 = 8, 25 V

e) brzinu gibanja vodica u slucaju c), Inducirani napon nastaje gibanjem vodica iz cega je brzina vodica

e = Blv e 8, 25 m v= = = 20, 625 Bl 0,8 0,5 s

f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakocio i struju koju pritom daje izvor, Zakoceni vodic miruje i ne inducira se protunapon v = 0, e = 0 , a struju odreuju napon izvora i otpor vodica v 12 I= S= = 24 A (struja kratkog spoja jednaka struji pokretanja) R 0,5 Sila na vodic iznosi Fm = BIl = 0,8 24 0,5 = 9, 6 N

g) brzinu u smjeru gibanja pri kojoj bi struja bila jednaka nuli Struja iz izvora bit e nula kad se u vodicu inducira e = vS eS - IR 12 - 0 m = = 30 Bl 0,8 0,5 s Zbog struje iznosa nula, sila na vodic kao i opteretna sila jednake su nuli, dakle ostvaruje se slucaj a). sto se dogaa pri brzini v= h) rad koji u jedinici vremena ostvaruje vodic u slucaju c) i potrebnu snagu izvora, Koristan rad vodica u jedinici vremena je snaga P=3·20,625=61,875 W P=F·v PR=7,52·0,5=28,125 W Na otporu vodica postoji snaga PR=I2·R Izvor mora pokriti i koristan rad i gubitke u otporu Piz= P+PR=90 W

192

Elektricni strojevi

Za gibanje vodica nasuprot opteretnoj sili 3 N izvor mora u svakoj sekundi pruzati energiju od 90 J. i) prikazite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i snaga te korisnosti za opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te velicine za stanja praznog hoda i zakocenja (kratkog spoja). sila brzina v ind. napon e struja i korisna naziv korisnost snaga N m/s V A snaga P stanja izvora Piz P W W Piz 0 30 12 0 0 0 1 prazni hod 3 20,625 8,25 7,5 61,875 90 0,6875 optereenje 6 11,25 4,5 15 67,5 180 0,375 optereenje 9,6 0 0 24 0 288 0 kratki spoj Kako doi do maksimalno mogueg iznosa korisne snage? (Uputa: treba izraziti korisnu snagu pomou struje i nai ekstrem). Maksimalna korisna snaga postize se na polovici maksimalne struje i polovici maksimalne brzine i iznosi 72 W (tada vrijedi =0,5). Slijede zakljucci iz ovog primjera koji uglavnom vrijede i za realne slucajeve: 1. Prikljuci li se na vodic u magnetskom polju napon, potei e struja i nastat e sila zbog koje se vodic moze poceti gibati ako je nastala sila vea od opteretne. Na tom nacelu rade motori. Kod rotacijskih motora (u praksi prevladavaju) umjesto brzine i sile promatraju se kutne brzine i momenti. 2. Struja je u pokretanju najvea, pa je tada i sila na vodic najvea. 3. Razlika sile na vodic i opteretne sile ubrzava vodic. 4. Stacionarna brzina ostvaruje se kad se izjednace opteretna sila i sila na vodic. 5. U vodicu koji se giba u magnetskom polju inducira se napon razmjeran brzini. 6. Napon izvora jednak je zbroju induciranog napona i pada napona na otporu. 7. Pri veoj protusili (optereenju, teretu) struja je vea, a brzina manja. Nije tesko zamisliti primjer razlicit od gornjega po tomu sto na mjestu izvora stoji otpor trosila RT. Pri ulaganju energije u gibanje vodica inducirat e se napon (nacelo generatora), krugom e potei struja ovisna o otporu trosila i na trosilu e se elektricna energija pretvarati u neku drugu korisnu energiju. Nacelno se prema takvom modelu ostvaruje elektricni sustav: proizvodnja (generatori) ­ mreza (prijenos) ­ potrosnja (trosila).

193

Elektricni strojevi

13.2 Osnove elektricnih strojeva

Prema namjeni dijele se na generatore, motore i transformatore. Generatori proizvode elektricnu energiju iz mehanicke, a motori pretvaraju elektricnu energiju u mehanicku. Transformatori se ubrajaju uvjetno meu elektricne strojeve, jer, iako nemaju pokretnih dijelova, koriste iste zakone i ostvaruju pretvorbu energije, doduse samo oblika, ne i vrste. Pri pretvorbi energije u elektricnom stroju dolazi do gubitaka energije: - u bakru (zbog prolaza struje kroz omske otpore namota i kontakata), - u zeljezu (zbog pojave histereze i vrtloznih struja), - dielektricnih gubitaka (nastaju u izolaciji, zamjetni su tek kod vrlo visokih napona), - mehanickih gubitaka (trenja i ventilacije uslijed gibanja dijelova stroja). Zivotnu dob elektricnog stroja uglavnom odreuje slabljenje izolacijskih svojstava uzrokovano zagrijavanjem.

13.2.1 Princip izvedbe elektricnih strojeva

Elektricni stroj sadrzi magnetski dio (jezgru od feromagnetskog materijala) i elektricni dio (jedan ili vise namota). Rotacijski elektricni strojevi uobicajeno imaju: - nepomicni stator (zeljezna jezgra, namot, prikljucci i kuiste), - pomicni rotor (zeljezna jezgra, namot, klizni kontakti, osovina i ventilator), - zracni raspor izmeu statora i rotora. Najcese se rotor nalazi unutar statora, iako ima i suprotnih izvedbi. Kod nerotacijskih izvedbi pomicni dio stroja ostvaruje translacijsko gibanje (npr. linearni motori).

13.2.2 Magnetski krug elektricnih strojeva

Magnetski krug elektricnog stroja cine feromagnetski dijelovi statora i rotora i zracni raspor. Kroz magnetski krug zatvara se glavni magnetski tok (korisni magnetski tok) kojeg zajednicki uzbuuju svi namoti i obuhvaa namot i statora i rotora. Rasipni magnetski tok s obuhvaa ili samo statorski ili samo rotorski namot i prolazi tek dijelom magnetskog kruga. Inducira rasipne padove napona (padove napona u induktivnim otporima) koji ne sudjeluju aktivno u pretvorbi energije.

Sl. 13.1 Primjeri magnetskih krugova cetveropolnog stroja a) s istaknutim polovima statora b) s istaknutim polovima rotora

a) b)

194

Elektricni strojevi

13.2.3 Namot elektricnih strojeva

Namot elektricnih strojeva je skup svih vodica meusobno spojenih po nekom pravilu i smjestenih u (ili na) zeljeznu jezgru. Prema smjestaju namot je statorski i rotorski, prema namjeni uzbudni (stvara magnetski tok) i radni ili armaturni (direktno sudjeluje u pretvorbi energije), prema izvedbi koncentrirani (obicno uzbudni) i raspodijeljeni (obicno radni, ali moze biti i uzbudni). Koncentrirani namot cine svici oko istaknutih polova. Raspodijeljeni se namot realizira svicima ulozenima u uzduzne statorske i/ili rotorske utore razlicitih oblika. Sl. 13.2 Razni oblici utora za smjestaj namota

13.2.4 Pogonska stanja elektricnih strojeva

Elektricni stroj u primjeni moze biti u trajnom, kratkotrajnom ili isprekidanom (intermitiranom) pogonu. Osnovno pogonsko stanje je optereenje, a njegove krajnosti su pogonska stanja praznog hoda i kratkog spoja. Pocevsi od mirovanja prema stacionarnoj brzini stroj prolazi fazu zaleta. U praznom hodu optereenje stroja je nula, brzina nazivna, a gubici i zagrijavanje su najmanji. Gubici su prakticno jednaki gubicima u zeljezu:

= 0, Po PFe

U kratkom spoju optereenje stroja je najvee, gubici se svode na gubitke u bakru:

= 0, Pk PCu = I 2 R ,

a zagrijavanje je najvee i postoji opasnost od toplinskog preoptereenja. Svojstva elektricnih strojeva odreuju odnosi meu elektricnim, magnetskim i mehanickim velicinama koji su cesto nelinearni. Osim matematickim modelima ponasanje strojeva rado se prikazuje graficki, razlicitim karakteristikama. Poznatije su ovisnosti momentna (ili vanjska) karakteristika M=f(n) ili njen obrat n=f(M), te meu elektricnim velicinama vanjska karakteristika V=f(I) i unutrasnja karakteristika E=f(I). Karakteristika pri nazivnim vrijednostima parametara naziva se prirodna.

13.3

Sinkroni strojevi

13.3.1 Osnovni podaci

Sinkroni strojevi su strojevi izmjenicne struje s brzinom vrtnje ns odreenom brojem pari polova p i frekvencijom f prikljucenog napona prema:

195

Elektricni strojevi

ns =

f p

s -1

Pretezno se koriste kao generatori, te su generatori za napajanje veih elektroenergetskih sustava redovito sinkroni. Rotori sinkronih strojeva izvode se: - s neistaknutim polovima (turbogeneratori, obicno brzohodni s ns>1000 min-1) ili - s istaknutim polovima (hidrogeneratori, obicno sporohodni s 60<ns<200 min-1).

a)

b)

Sl. 13.3 Presjek sinkronog stroja a) turbogenerator (p=1) b) hidrogenerator (p=3)

Armaturni (radni) namot sinkronog stroja nalazi se na statoru i spaja se s mrezom, a uzbudnom namotu na rotoru privodi se iz nekog vanjskog istosmjernog izvora preko bakrenih cetkica i kliznih kolutova uzbudna (primarna) struja koja pobuuje uzbudni magnetski tok. Nekad se u uzbudi koriste i trajni magneti.

13.3.2 Princip rada sinkronog generatora

Vodici statorskog namota sinkronog generatora izlozeni su vremenskoj promjeni magnetskog toka kad rotor rotira pogonjen pogonskim strojem (tako rotira i uzbudni magnetski tok), te se u njima se inducira izmjenicni (priblizno sinusni) napon. Frekvencija induciranog napona ovisi o broju okretaja rotora n (min-1) i broju pari polova p prema: n p f = 60

Da bi se u trofaznom sinkronom generatoru inducirala tri fazna napona meusobno pomaknuta za 120°, moraju u utorima statora biti smjestena tri fazna armaturna namota ciji su 120° poceci prostorno meusobno pomaknuti za kut = . p

196

Elektricni strojevi

Sl. 13.4 Raspored dvopolnog trofaznog namota Polazei od izraza za inducirani napon u jednom vodicu:

e = B l v

efektivna vrijednost ukupnog induciranog napona jedne faze iznosi:

E = 4, 44 f N

13.3.3 Sinkroni motor

Armaturni (radni, statorski) namot prikljucuje se na izmjenicnu mrezu, a uzbudni (rotorski) namot na izvor istosmjerne struje. Brzina vrtnje ns (ili s) je sinkrona i ovisi o frekvenciji mreze i broju pari polova prema: ns = 60 f p [min-1]

Mehanicka karakteristika n=f(M) za sinkroni je motor apsolutno kruta ili sinkrona. Brzina vrtnje je konstantna i unutar sinkronizma ne ovisi o optereenju.

Sl. 13.5 Shema spoja i mehanicka karakteristika sinkronog motora Iz stanja mirovanja sinkroni se motor moze pokretati - samostalno i asinkrono ako ima kavezni prigusni namot. Tek pri brzini blizu nazivne ukljucuje se uzbuda i rotor uskace u sinkronizam. - uz stalno odrzavani sinkronizam pomou izvora promjenljive frekvencije s pocetnom frekvencijom nula. - s posebnim zaletnim motorom. Pri brzini blizu nazivne ukljucuje se uzbuda i rotor uskace u sinkronizam.

197

Elektricni strojevi

Promjena smjera vrtnje motora izvodi se promjenom redoslijeda faza, tj. meusobnom zamjenom bilo koja dva prikljucka motora na trofaznu mrezu. Glavne su znacajke sinkronog motora: - konstantna brzina vrtnje, - vea specificna tezina i specificna cijena od asinkronog motora, - ako se preuzbudi moze popravljati faktor snage cos mreze na koju je prikljucen, - brzina vrtnje moze se mijenjati promjenom frekvencije ili brojem pari polova, - kod velikih optereenja ispada iz sinkronizma. Sinkronim motorima pripadaju i motori s rotorskim trajnim magnetima napajani iz statickih pretvaraca s promjenljivom frekvencijom.

13.4 Asinkroni strojevi

Asinkronim strojevima brzina vrtnje razlicita je od brzine vrtnje okretnog polja i mijenja se s promjenom optereenja. Asinkroni se strojevi uglavnom koriste kao trofazni motori, a za male snage i kao jednofazni.

13.4.1 Princip izvedbe i vrste asinkronih motora

Stator je nacelno suplji valjak sastavljen od tankih (0,5 mm) meusobno izoliranih "dinamo" limova i smjesten u kuistu motora. Po unutrasnjim uzduznim utorima raspodijeljeni su svici trofaznog armaturnog namota. Tri pocetka i tri kraja faznog namota izvode se na prikljucnu kutiju na kuistu. Namot se moze spajati u spoj zvijezda ili spoj trokut. Sl. 13.6 Spoj statorskog namota a) zvijezda b) trokut a) b)

Rotor cini valjak paketa limova navucen na osovinu, a rotorski namot smjesten je u uzduznim utorima plasta. Prema izvedbi rotorskog namota asinkroni motori mogu biti kliznokolutni (s rotorskim svicima) ili kavezni (s rotorskim vodicima u obliku kaveza). Kliznokolutni asinkroni motor ima rotorski namot izveden po istim nacelima kao i statorski. Moze biti spojen u spoj zvijezda ili trokut. Pocetak namota svake faze spojen je s kliznim kolutom (bakrenim prstenom). Tri klizna koluta smjestena na osovinu meusobno su i prema osovini izolirana. Po kolutima klize cetkice (klizni kontakt) na koje se spaja izvan motora postavljen otpornik (rotorski uputnik) u trofaznom spoju. Otporima rotorskog uputnika moze se mijenjati momentna karakteristika. Kolutni asinkroni motori koriste se za teske uvjete pokretanja, gdje je potreban veliki potezni moment. Tezi su, skuplji i osjetljiviji u pogonu od kaveznih asinkronih motora.

198

Elektricni strojevi

Sl. 13.7 Shema kolutnog asinkronog motora a) detaljna b) tropolna c) jednopolna

Kavezni asinkroni motor ima za rotorski namot u utore ulozene bakrene ili mesingane stapove bocno kratko spojene prstenima od istog materijala. Motori malih i srednjih snaga cesto imaju kavez od legure aluminija izraen tlacnim ili vibracijskim lijevom. Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specificno najlaksi i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najcese koristeni elektromotor. Broj faza i broj pari polova kaveznog rotora prilagouju se broju faza i broju pari polova statorskog namota.

Sl. 13.8 Rotor kaveznog asinkronog motora a) izgled b) vodljivi kavez

13.4.2 Princip rada asinkronog motora

Statorski namot prikljuci se na trofaznu mrezu, pri cemu trofazna izmjenicna struja stvori okretno magnetsko polje koje rotira sinkronom brzinom ns. Okretno magnetsko polje presjeca vodice statorskog i rotorskog namota, pa se induciraju naponi E1 i E2. Napon E1 drzi ravnotezu s naponom mreze, a napon E2 u rotorskom namotu prouzroci struju I2 :

I2 = E2 = Z2 E2

2 2 R2 + X 2

Na svaki vodic protjecan strujom u magnetskom polju postoji sila i nastaje okretni moment razmjeran toku i radnoj komponenti rotorske struje:

M = K I 2 cos 2 Smjer djelovanja momenta u smjeru je vrtnje okretnog polja. Brzina vrtnje rotora nesto je manja od sinkrone brzine vrtnje okretnog polja. Rotor se uvijek okree asinkrono, po cemu je

199

Elektricni strojevi

ovaj motor i dobio ime. Ako rotorski strujni krug nije zatvoren, ili ako bi brzina vrtnje rotora bila jednaka brzini okretnog polja, struja I2 i moment jednaki su nuli.

13.4.3 Klizanje asinkronog motora

Razlicitost brzina rotora n i okretnog polja ns navodi na klizanje:

s= ns - n n = ns ns f (1 - s ) p

Brzina vrtnje rotora iznosi:

n = ns (1 - s ) = 60

Vrijednosti nazivnog klizanja (klizanja kod nazivnog optereenja) iznose u praksi 2 do 8 %. Motorsko podrucje rada (ukljucujui zalet) ograniceno je s dva pogonska stanja: mirovanjem (n=0, s=1) i sinkronizmom (n=ns, s=0). U stanju sinkronizma vodici rotora ne sijeku silnice okretnog polja, u njima se ne inducira napon E2, kroz njih ne teku struje I2 i nema zakretnog momenta na rotor, te stanje sinkronizma nije mogue odrzati. Za postojanje momenta potrebno je neko klizanje, tj. zaostajanje rotorske brzine n za brzinom okretnog polja ns. Frekvencija rotorske struje f2 i statorske struje f1 odnose se prema:

f 2 ns - n = = s f 2 = f1 s f1 ns

13.4.4 Momentna karakteristika asinkronih motora

Momentna (vanjska ili mehanicka) karakteristika M=f(n) ili M=f() moze se izraziti i pomou klizanja: M=f(s). Graf na slici 13.9 obuhvaa mogua podrucja rada asinkronog stroja. Klizanje pri maksimalnom momentu naziva se prekretno klizanje spr, a pripadni moment je prekretni moment Mpr. Potezni moment je moment pri n=0 (ili s=1). Protustrujno kocenje nastaje pri rotaciji rotora suprotnoj rotaciji okretnog polja (n<0, s>1). Generatorsko kocenje nastaje pri rotaciji rotora brzoj od rotacije okretnog polja (n> ns, s<0), sto je posljedica ulozenog, a ne dobivenog momenta.

200

Elektricni strojevi

Sl. 13.9 Vanjska karakteristika asinkronog stroja M=f(s)

Vanjska karakteristika u oblicima M=f(n) i n=f(M) za asinkroni motor je tvrda, jer se u podrucju stacionarnog rada brzina vrtnje malo mijenja s momentom optereenja.

Sl. 13.10 Vanjska karakteristika asinkronog motora u oblicima M=f(n) i n=f(M)

Da bi motor krenuo iz mirovanja potezni moment Mp mora biti vei od momenta optereenja Mt. Dok postoji moment ubrzanja

Mu = M - Mt

raste brzina rotora i traje zalet. Stacionarna brzina vrtnje dobije se u sjecistu momentne karakteristike motora i momentne karakteristike radnog mehanizma pokretanog motorom. Kod sedlastih karakteristika motora i konstantnog momenta tereta to bi se moglo nezeljeno dogoditi na malim brzinama, sto treba sprijeciti.

Sl. 13.11 Karakteristika momenta motora i konstantnog momenta optereenja

Snaga, moment i brzina vrtnje povezani su prema:

201

Elektricni strojevi

M=

Pmeh

=

Pokr

s

gdje je Pmeh mehanicka snaga, a Pokr snaga okretnog polja.

13.4.5 Pokretanje asinkronih motora

U trenutku pokretanja asinkronog motora (n=0, s=1) maksimalni je inducirani rotorski napon i maksimalna struja pokretanja Ik (struja kratkog spoja). Ovisno o izvedbi (broju pari polova) i velicini motora, struja kratkog spoja kree se priblizno u granicama:

I k = ( 3 ÷ 8) I N

Poveanjem brzine vrtnje tijekom zaleta smanjuje se klizanje, inducirani napon i struja pokretanja. Kod pokretanja jednostavnim prikljuckom na napon struja pokretanja je velika, a potezni moment relativno mali. Kolutni motori mogu se pokretati ukljucivanjem otpora (tzv. uputnika) u rotorski krug. Otpor djeluje na struju pokretanja (uz vei otpor struja je manja) i momentnu karakteristiku (potezni moment i prekretno klizanje se mijenjaju, a prekretni moment ostaje konstantan).

Sl. 13.12 Karakteristike momenta i struje kod pokretanja kolutnog motora

Odgovarajuim otporom uputnika moze se u trenutku pokretanja (n=0, s=1) postii potezni moment jednak prekretnom Mp=Mpr; tada je spr=1. Kod kaveznih motora ne moze se ukljucivati otpor u rotorski krug, no postoje izvedbe kaveznog rotora s efektom potiskivanja struje (skin efekt) sa slicnim djelovanjem pri pokretanju kao sto je ukljucivanje otpora u rotorski krug. Time se moze znatno poveati potezni moment i smanjiti struja pokretanja. Obicna izvedba kaveznih motora moze se pokretati na razlicite nacine, a glavni su: - direktno prikljucivanjem na mrezu, - pri smanjenom naponu pomou transformatora, statorskog predotpora ili prigusnice, - preko statickog pretvaraca napona i frekvencije, - pomou preklopke zvijezda-trokut (Y/).

202

Elektricni strojevi

13.4.6 Namjestanje brzine vrtnje asinkronih motora

Brzina vrtnje asinkronih motora moze se mijenjati: a) Promjenom sinkrone brzine: - promjenom frekvencije - promjenom broja pari polova b) Promjenom klizanja - promjenom prikljucnog napona - promjenom otpora rotorskog kruga c) Kaskadnim spojevima.

13.4.7 Jednofazni asinkroni motor

Kod jednofaznog prikljucka stvara se pulzirajue magnetsko polje koje se moze prikazati s dva suprotno rotirajua magnetska polja. Svako rotirajue polje stvara s rotorskim strujama okretne momente u smjeru rotacije polja sto prikazuje slika. Prema karakteristici mirujui jednofazni motor ne bi razvijao potezni moment: za n=0 M=0. U praksi se pokree ili dovoenjem momenta ili specijalnim konstrukcijama (kratkospojeni zavoj ili pomona faza).

Sl. 13.13 Vanjska karakteristika jednofaznog asinkronog motora

Kod motora s pomonom fazom da bi se postiglo okretno magnetsko polje (dvofazni sustav), mora postojati fazni pomak izmeu struje Ir u glavnoj (radnoj) i struje Ip u pomonoj fazi. To se postize izvedbom pomone faze s: a) omskim otporom b) induktivnim otporom c) kapacitivnim otporom

Sl. 13.14 Sheme spajanja asinkronog motora s raznim otporima pomone faze

203

Elektricni strojevi

Samo uz ukljuceni kondenzator mogue je izmeu Ir i Ip dobiti pomak od 90°. Pomona faza obicno se automatski iskljuci nakon zaleta.

13.5 Strojevi istosmjerne struje

Strojevi istosmjerne struje (istosmjerni strojevi) elektricni su rotacijski strojevi s istosmjernom strujom u strujnom krugu prikljucaka.

13.5.1 Graa istosmjernog stroja

Istosmjerni stroj stoji se od tri osnovna dijela: - statora s uzbudnim namotom (ili kod manjih snaga s trajnim magnetom), - rotora s armaturnim namotom, - kolektora (ili komutatora) na rotoru. -

Sl. 13.15 Nacelna izvedba i pojednostavljeni presjek istosmjernog stroja

Na bakreni kolektor izvedeni su rotorski svici, a izvana po kolektoru klizu vodljive cetkice spojene sa stezaljkama u prikljucnoj kutiji.

13.5.2 Princip rada

Istosmjerna uzbudna struja (ili permanentni magnet) uzbuuje magnetski tok indukcije B. Ako se rotor pomou vanjske sile odrzava u rotaciji, u vodicu duzine l (dio armaturnog namota spojen s dvodjelnim kolektorom) koji rotira obodnom brzinom v inducira se napon:

e = Bl v

Prolazei pokraj magnetskih polova vodic (iz slike 13.15) se izlaze promjeni indukcije prema slici 13.16. Inducirani napon mijenja se kao indukcija, tj. izmjenican je.

204

Elektricni strojevi

Sl. 13.16 Raspored magnetske indukcije u zracnom rasporu i oblik induciranog napona u vodicu

Napon na cetkicama koje miruju je istosmjeran jer se u neutralnoj zoni NZ na dvodjelnom kolektoru (kolektor s dvije lamele) u trenutku promjene smjera ostvari zamjena prikljucaka. Jedan svitak daje pulzirajui napon prema slici 13.17. Vise svitaka (rasporeenih u utorima po obodu rotora) s izvodima na vei broj kolektorskih lamela daju napon sa znatno manjim pulzacijama. Na opisanom principu djeluje istosmjerni generator.

Sl. 13.17 Dobivanje pulzirajueg istosmjernog napona na cetkicama

Ako se na "+" i "-" stezaljke spojene s cetkicama izvana prikljuci istosmjerni napon, potei e struja I suprotnog smjera od one kod generatora. Na vodice djeluje sila:

F = BIl

i nastaje zakretni moment, te stroj radi kao motor. Zakretni moment pokrene rotor u istom smjeru u kojem se okretao generator, ali uz suprotan smjer struje. Kad vodic napusti podrucje ispod jednog pola i prijee u podrucje drugog, mijenja se smjer magnetske indukcije B kojoj je izlozen, ali se istovremeno promijenio i smjer struje u vodicu (djelovanje komutatora s cetkicama) i smjer momenta ostaje isti. Vei broj svitaka daje ravnomjerniji moment. Dva naziva ­ kolektor i komutator koriste se zbog dvije uloge: kolektor "skuplja" napon ili struju, dok komutator "komutira" struju (preklapa joj smjer).

13.5.3 Iznos induciranog napona i momenta

Ukupni inducirani napon iznosi:

E = K E n

Pri optereenju istosmjernog stroja u generatorskom radu napon stezaljki V iznosi:

V = E - I A RA - VC

205

Elektricni strojevi

a u motorskom se prikljuceni napon V trosi na padove napona na cetkicama VC, pad napona na armaturnom otporu IARA, te na inducirani napon E razmjeran brzini:

V = E + I A RA + VC Ukupni moment razmjeran je struji armature i uzbudnom toku prema: M = K M I A

13.5.4 Vrste uzbude istosmjernih strojeva

Nezavisna (strana) uzbuda ostvaruje se prikljuckom uzbudnog namota na nezavisni izvor. Zavisna (vlastita) uzbuda ostvaruje se kad su uzbudni i armaturni namot u galvanskoj vezi, a osnovni su oblici serijska, poredna i slozena (mjesovita, kompaundna) uzbuda. Vrsta uzbude ima odlucujui utjecaj na momentnu karakteristiku istosmjernog stroja. Nezavisna i poredna uzbuda slicno djeluju na svojstva stroja.

13.5.5 Motori istosmjerne struje

Smjer vrtnje istosmjernih motora moze se promijeniti promjenom smjera uzbudne struje (smjer magnetskog polja) ili promjenom smjera armaturne struje. Rad istosmjernog motora opisuje se modelom u kojem se potvruju osnovni zakoni elektromagnetizma: sila na vodic protjecan strujom II Kirchhoffov zakon zakon elektromagnetske indukcije

M = K M I A , V = E + I A RA , E = K E n .

a)

b)

c)

Sl. 13.18 a) nezavisni motor b) poredni motor c) karakteristike n ­ zanemarena reakcija armature 1 ­ izjednacen je utjecaj armaturnog pada napona i reakcije armature 2 ­ prejak utjecaj reakcije armature

206

Elektricni strojevi

Istosmjernom nezavisnom i porednom motoru brzina vrtnje moze se mijenjati promjenom predotpora, promjenom napona i smanjivanjem uzbude (za brzine iznad nazivne), pa se taj motor susree u pogonima sa potrebnim cestim promjenama brzine vrtnje. Kod serijskog motora uzbuda je spojena serijski s armaturom, pa su struja optereenja, armaturna i uzbudna struja jednake: I=IA=IM. Smjer vrtnje mijenja se ako se zamijene prikljucci ili samo armature ili samo uzbude. Promjena polariteta na prikljuccima motora ne mijenja smjer vrtnje.

13.6 POSEBNE VRSTE MOTORA

Osnovne vrste elektricnih motora najsire koristene u elektromotornim pogonima su sinkroni, asinkroni i istosmjerni motori. U preko 150 godina razvoja za razne posebne namjene pojavilo se mnogo inacica osnovnih vrsta s posebnim nazivima. Osobito su raznovrsne u podrucju malih i sitnih motora, te one povezane s elektronickim upravljackim sklopovima. Ovdje se prikazuju najvaznije meu njima.

13.6.1 Beskolektorski (brushless DC) motori

Unatoc svom imenu, beskolektorski ili bezcetkasti istosmjerni motori (BrushLess Direct Current - BLDC) nisu istosmjerni motori, nego sinkroni strojevi s rotorskim permanentnim magnetom i statorskim armaturnim namotom. Ime su dobili po radnim znacajkama, koje najblize odgovaraju istosmjernom (DC) motoru s nezavisnom uzbudom. Armaturni namot, najcese trofazni, napaja se iz izvora s frekvencijom povezanom s frekvencijom rotacije rotora. Izvor promjenljive frekvencije sadrzi DC/AC pretvornik (invertor, s elektronickim sklopkama) koji istosmjerni napon pretvara u izmjenicni. Kako bi kroz svitke armaturnog namota protjecale struje potrebnog iznosa i smjera, elektronicke sklopke invertora upravljaju se pomou podataka o polozaju rotora.

a)

b)

Sl. 13.19 Nacelna graa DC motora a) kolektorskog b) beskolektorskog

Istosmjerni motor uobicajene grae imao je statorsku uzbudu i rotorski armaturni namot izveden na kolektorske lamele. Simbolicki je to prikazano za trodjelni armaturni namot u zvijezda spoju na slici 13.19 a). Istosmjerni napon prikljucen je na cetkice, a kolektorom se preklapaju rotorski svici tako da struja protjece kroz dva svitka i stvara rotacijski moment uvijek istoga smjera. Odgovarajui beskolektorski motor (slika 13.19 b) graen je obrnuto: u 207

Elektricni strojevi

rotoru je trajni magnet, a statorske armaturne svitke u spoju zvijezda ne preklapa kolektor, ve za stvaranje momenta rotacije potreban smjer struje dobivaju preko elektronickih sklopki. Nacin ostvarenja potrebnog napajanja statorskih svitaka pomou sklopki i vremenski tijek napona na fazama prikazuje slika 13.20.

Sl. 13.20 Djelovanje invertora i pripadni naponi na fazama

Realizacija invertora ostvaruje se pomou bipolarnih tranzistora na mjestu sklopki.

13.6.2 Koracni (step) motori

Koracni motori (KM) u biti su sinkroni motori. Rotor koracnog motora sinkrono prati kretanje statorskog polja zbog sila nastalih meudjelovanjem s poljem rotorskih magneta ili reluktantnih sila tako, da se magnetske osi rotora nastoje podudarati s osima statorskog polja. Pozicija rotora mijenja se u koracima jer statorsko polje stvaraju svici napajani strujnim impulsima potrebnog rasporeda i polariteta upravljanima s pomou binarnih signala. Postoje tri glavne vrste koracnih motora: s promjenljivom reluktancijom (magnetskim otporom), s trajnim magnetom i hibridni (sa svojstvima prethodnih). Smjer vrtnje moze se mijenjati promjenom impulsnog slijeda, brzina rotacije promjenom frekvencije impulsa, a prijeeni broj koraka (kut) ovisi o ukupno pristiglom broju impulsa. Rotor se moze i drzati u zeljenoj kutnoj poziciji. Kut pogreske po koraku vrlo je malen i ne akumulira se. Statorski namot je visefazni, a jednu fazu cine svi vodici namota spojeni u cjelinu.

Slika 13.21 Nacelni prikaz osnovnih vrsta koracnih motora a) reluktantni b) s trajnim magnetom c) hibridni Reluktantni koracni motor ima rotor iz mekog zeljeza s brojem polova (zubi) razlicitim od broja polova statora. Openito broj polova (zubi) rotora treba biti takav da jednom polu statora ne pripada cijeli broj zubi rotora. U suprotnom slucaju doslo bi u mirovanju do "lijepljenja" rotora i motor se ne bi mogao okretati.

208

Elektricni strojevi

Slika 13.21 a) prikazuje cetverofazni reluktantni koracni motor s jednim parom polova po fazi na statoru (pS=4) i tri para polova na rotoru (pR=3). Polni koraci iznose:

pS =

360o 360o = = 45o 2pS 8

pR =

360o 360o = = 60o 2pR 6

Rotor tezi polozaju minimalnog magnetskog otpora (reluktancije), a postize ga poklapanjem simetrale uzbuenog para statorskih polova i simetrale samo jednog para rotorskih polova. Na slici je prikazan polozaj pri uzbuenoj fazi B-B'. Prespajanjem uzbude na fazu A-A' rotor se pomice u smjeru suprotnom od satne kazaljke za kut:

= pR - pS = 60o - 45o = 15o

Koracni motori s trajnim magnetima postizu vee snage i momente od reluktantnih.

Nizanje polariteta na svicima u koracima 1-2-3-4-1-... prema slici 13.22 prouzrocit e pri svakoj promjeni pomak rotora ulijevo za pola polnog koraka. Niz 4-3-2-1-4-... dao bi korake suprotnog smjera. Redoslijed kojim e se uzbuivati faze odreuje program upravljanja elektronickim generatorom impulsa. Prema izboru programa postize se zeljeni smjer i odreena brzina vrtnje, ili samo odreeni zakret rotora i njegovo drzanje u dovedenoj kutnoj poziciji.

korak 1 2 3 4 1 2 3 4 A + + B +

- -

+ +

- -

+ +

- -

b)

- -

+

Slika 13.22 Uzbuda za koracni motor a) oblici napajanja b) tablicni prikaz polariteta napajanja faza za dva ciklusa

a)

13.6.2.1 Napajanje koracnih motora

Koracni se motori izvode najcese kao dvofazni, no susreu se i izvedbe s tri, cetiri, pa i pet faza. Istovremeno se moze uzbuivati ili samo jedna ili vise faza. Istovremenom uzbudom dviju faza postize se vei moment, a kombiniranje jednofazne i dvofazne uzbude omoguuje i polukorak, cime se ukupni broj koraka po okretu udvostrucuje.

13.6.2.2 Svojstva i primjena koracnog motora

Glavna su povoljna svojstva koracnih motora niska cijena, robusnost, jednostavnost, visoka pouzdanost, lako odrzavanje. Pri pozicioniranju, za razliku od servomotora, ne zahtijevaju povratnu vezu (senzore brzine i polozaja, regulator).

209

Elektricni strojevi

Meu nedostatke mogu se ubrojiti relativna sporost (u usporedbi sa servomotorima), preciznost ogranicena iznosom koraka, utitravanje u poziciju, visoki gubici, pri nekim brzinama pojava rezonancije te mogunost preskoka koraka (npr. kod udarnih optereenja). Koracni motori koriste se za precizno i brzo pozicioniranje mehanickih sustava koji zahtijevaju pomake u odreenim koracima, npr. automatska kontrola filma pri njegovom automatskom razvijanju, fokusiranje kamera, usmjeravanje antena, pogon pisaca, satni pogon. Siroko se koriste u brodskim ureajima, u medicinskim ureajima, u racunalskoj tehnici, u numericki upravljanim alatnim strojevima, za neke od pogona robota i sl. Motori se proizvode u velikim serijama, pa im je cijena relativno niska i danas su meu najcese koristenim malim motorima.

13.6.3 Reluktantni motori

Reluktantni motori su najjednostavniji i najjeftiniji elektricni strojevi koji omoguuju rad s promjenljivom brzinom i mogu se promatrati kao beskolektorski motori bez trajnog magneta. Nacelo djelovanja ovog motora prikazuje slika 13.23 a). Magnetski otpor (reluktancija) magnetskog kruga koji se sastoji samo od zeljeza i zracnog raspora mijenja se ovisno o kutnom polozaju rotora. Kad se strujom zavojnice pobudi statorsko polje, na rotor djeluje moment trazei polozaj najmanje reluktancije. Nalazi ga kad je kut magnetskih osi statora i rotora jednak nuli. Tada moment postaje jednak nuli i rotor staje u ravnoteznom polozaju. Tom polozaju s najmanjom reluktancijom pripada i minimum pohranjene energije u sustavu. Ako se pretpostavi harmonicka uzbudna struja I=Im sin(t), srednji moment na rotor razlicit od nule razvit e se samo ako je

= m

gdje je m kutna brzina rotora. Srednji moment je razmjeran

2 M sr = kI M sin (2 o )

gdje je o kut rotora pri t=0 i najvei je pri o=45°.

Sl. 13.23 Reluktantni motor a) nacelo djelovanja b) nacelna izvedba

a) b)

Tipicna izvedba prema slici 13.23 b) s nacrtanim svicima za samo jedan par polova slicna je koracnom reluktantnom motoru. Razlika je u tomu sto je ovaj motor predvien za

210

Elektricni strojevi

kontinuiranogibanje i zahtijeva povratnu vezu polozaja rotora (polozaj rotora odreuje koja e faza biti uzbuena), dok se faze koracnog motora napajaju iz nezavisnog izvora impulsa te upravljaju koracnim gibanjem rotora (ne postoji povratna veza). Reluktantni motori pojavljuju se pod nazivima VR (variable reluctance) i SR (switched reluctance). Prvi je naziv primjereniji kad se reluktantni motor uzbuuje kontinuiranim strujama, a drugi kad se uzbuuje strujnim impulsima prikladno rasporeenim po fazama i vremenski tocno odreenima ovisno o meusobnom polozaju rotorskih i statorskih polova. Brzinu rotora pritom odreuje frekvencija struja statorskih zavojnica, a reluktantni moment je pulzirajui. Reluktantni se motori izrauju za dvije, tri (cesto) ili vise faza. Vei broj faza daje jednolicniji moment i olaksava pokretanje. Osim pulzacija momenta problem je i razmjerno visoka razina emitiranog zvuka. U usporedbi s BLDC motorima prednost je u izostanku magneta, te jednostavnijem upravljanju, jer ne treba voditi racuna o smjeru struja po fazama.

13.6.4 Univerzalni motor

Smjer momenta u istosmjernom motoru sa serijskom uzbudom ne mijenja se ako se promijeni polaritet prikljucenog napona, jer se pritom promijeni i smjer uzbudnog polja i smjer struje u armaturnim vodicima. To upuuje na mogunost da se kolektorski motor sa serijskom uzbudom napaja izmjenicnim naponom i razvija moment stalnoga smjera u oba poluvala. Motori koji se grade na tom nacelu nazivaju se univerzalni motori. Kako se i stator izmjenicno magnetizira, potrebno ga je lamelirati kao i rotor da se izbjegnu prekomjerni gubici uslijed vrtloznih struja. Izrauju se za manje snage (do 2 kW), a brzine im mogu dosezati i do 40000 min-1. Kako pri veim brzinama mogu biti razmjerno malih dimenzija za odreenu snagu, prikladni su za primjenu u rucnim alatima, domainskim aparatima i slicnim ureajima za povremeno koristenje kojima treba vea brzina. Uz iste okolnosti moment je pri istosmjernom napajanju vei nego kod izmjenicnog.

Sl. 13.24 Momentne karakteristike univerzalnog motora a) pri AC i DC napajanju b) pri raznim naponima

a) b)

Brzina se obicno mijenja promjenom prikljucenog izmjenicnog napona, sto se danas lako izvodi kontinuirano pomou trijaka i diskontinuirano serijskim spajanjem diode. Diskontinuirano se brzina moze mijenjati i promjenom broja zavoja uzbudnog namota npr. preklapanjem izvoda. Nedostaci su uglavnom povezani s kontaktom cetkice-kolektor: potreba odrzavanja, elektromagnetske smetnje, visoka razina buke i vibracija. Moment je znatno pulzirajui, sto u predvienim primjenama posebno ne smeta. Kako se izvode u velikom broju, razmjerno su jeftini.

211

Information

Microsoft Word - strojevi_07_c.doc

22 pages

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

521340


Notice: fwrite(): send of 197 bytes failed with errno=104 Connection reset by peer in /home/readbag.com/web/sphinxapi.php on line 531