Električni motori

ELEKTRIČNI MOTORI „

„

„

motori istosmjerne struje • datiraju od oko 1834. godine, najstariji su poznati elektromotori motori izmjenične struje • datiraju od vremena slavnog izumitelja Nikole Tesle i njegovih suvremenika nakon 1882. god. Tesla je patentirao motor izmjenične struje (Eelectromagnetic Motor)1888. • Zasnivaju se na otkriću i primjeni okretnih magnetskih polja. Dijele se u dvije grupe: „ asinkroni motori „ sinkroni motori univerzalni motori • su motori koji mogu raditi na istosmjerni i / ili izmjenični napon, imaju kolektor (komutator).

FER-ZESA ENE 2005/6

1

Asinkroni motor okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanim izmjeničnim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje: „

60f1 p gdje je f1 frekvencija struja, a p broj pali polova statorskog namota motora ns =

okretno magnetsko polje inducira u vodičima rotora napone koji kroz namot rotora protjeraju struje. Interakcijom struja rotora i okretnog mag. polja stvara se sila na vodiče rotora koja zakreće rotor u smjeru za okretnim poljem.

„

rotor se vrti brzinom vrtnje koja je uvijek manja od sinkrone, te se zbog toga motor zove asinkroni * „

* asinkrono sinkrono

– koje nije sinkrono, nije istovremeno – koje je s nečim ili nekim sinkrono, istovremeno je

FER-ZESA ENE 2005/6

2

Pojam klizanja asinkronog motora „

„

„

okretno polje se vrti sinkronom brzinom ns = 60 f /p rotor se vrti brzinom n razlika brzine vrtnje rotora (mehaničke brzine) i brzine vrtnje okretnog polja naziva se klizanje i računa se prema izrazu:

ns − n ωs −ω s= = ns ωs

FER-ZESA ENE 2005/6

3

„

brzina vrtnje rotora je nakon definicije klizanja s: n = ns (1 − s) =

„

60 f1 (1 − s) p

brzina vrtnje rotora može teoretski biti svaka vrijednost, pa odnosi između nje i klizanja s izgledaju kao prema slici:

Î Î Î Î

vrti li se rotor sinkronom brzinom Î s = 0 dok rotor stoji Î s=1 vrti li se rotor brže od okretnog polja Î s < 0 vrti li se rotor u suprotnu stranu (n 1

FER-ZESA ENE 2005/6

4

„

klizanje u tehnički prihvatljivim iznosima mora biti sasvim mala veličina (zbog utjecaja na gubitke energije) te se zbog toga iskazuje u postocima :

ns − n s [%] = 100% ns

„

obično se klizanje kreće između 0.1 i 5 %. Veća vrijednost odnosi se na manje snage motora (oko 1kW)

FER-ZESA ENE 2005/6

5

Frekvencija rotorskih struja „

Inducirani napon i struja rotora imat će frekvenciju: f2 =

FER-ZESA ENE 2005/6

p (ns − n) = s f1 60

6

Rotorski napon „ „

„

dok rotor miruje (s=1), u njemu okretno polje inducira napon E20 nakon što se rotor počne vrtjeti, mijenja se relativna brzina okretnog polja statora prema rotoru, a napon E2 mijenja se prema: E2 = E20 s pri relativnoj brzini 0, tj. s=0, nema napona u rotoru, nema struje, sila ni momenta pa motor ne može raditi pri s=0. Samo pri različitim brzinama vrtnje polja i rotora postoji inducirani napon i struje u rotoru. Zbog toga naziv asinkroni motor.

FER-ZESA ENE 2005/6

7

Rotorska struja „

Struju u rotoru određuju inducirani napon E2 i impedancija rotora Z2: I2 =

„

E2 = Z2

sE20 R22 + X22σ (s)

U mirovanju je E2 = E20 X2σ0 = ω2L2σ = 2π f2 L2σ,

„

f2=f1, s=1

U vrtnji je X2σ = 2π f1s L2σ = s X2σ0 pa je:

I2 (s) =

„

sE20 R22 + (s X2σ0 )2

=

E20 2

⎛ R2 ⎞ 2 ⎜ ⎟ + X2σ0 ⎝ s ⎠

za s=0, struja je I2(s)=0

FER-ZESA ENE 2005/6

8

„

Asinkroni stroj u mirovanju (s=1) možemo razmatrati i koristiti kao transformator:

E20 N2 fn2 f2 = E1 N1 fn1 f1 „

Zbog f2 = f1: E20 N2 fn2 = E1 N1 fn1 E2 – napon faze statora E20 – napon faze rotora fn1 i fn2 - faktori namota statora i rotora

FER-ZESA ENE 2005/6

9

Nadomjesna shema asinkronog stroja „

slično transformatoru, asinkroni motor možemo prikazati nadomjesnom shemom (modelom) prema slici:

R1 i Xσ1 Xm

- statorski otpori i rasipna reaktancija - reaktancija magnetiziranja (predstavlja ulančeni magnetski tok stator-rotor)

R2' / s i X2σ' - rotorski otpor i rasipna reaktancija FER-ZESA ENE 2005/6

10

Rotorski strujni krug:

R2 s

R2

R2

1− s s

R2 - stvarni otpor u rotoru R2

1− s s

-

FER-ZESA ENE 2005/6

ekvivalent mehaničkog rada

11

„

nadomjesna shema se može prikazati u obliku kojem se dade izvesti energetska bilanca motora:

R2 '

1− s s

„

struje, snage i momente možemo računati primjenom nadomjesne sheme

„

prazni hod motora – na osovini nema opterećenja, klizanje s, I0 mala

„

kratki spoj motora – rotor zakočen ili miruje, klizanje s=1, Zk prema shemi, Ik vrlo velika

„

opterećenje na osovini – klizanje malo (1-5%), struja prema nadomjesnoj shemi

I= FER-ZESA ENE 2005/6

U1 Z 12

„

U kratkom spoju (zakočen rotor) može se zanemariti poprečna grana pa je struja rotora: U1 IK = (R1 + R2 ')2 + (Xσ1 + Xσ 2 ')2

FER-ZESA ENE 2005/6

13

Energetska bilanca asinkronog stroja Prema nadomjesnoj shemi: „

iz mreže motor uzima: P1 = m1 U1 I1 cosφ1 m1 – broj faza φ1 – fazni pomak struje i napona

„

„

„

na radnom otporu statora se troši: PCu1 = m1 I1 2R1 u željezu statora (na R0): PFe1= m1 E12 / R0 = m1 I0r2 R0 snaga okretnog mag. polja: P okr = P1 - PCu1 - PFe1 P okr = m2 I22 R2/s = m2 I22 R2 + m2 I22 R2 (1-s) / s

FER-ZESA ENE 2005/6

14

„

gubici u željezu rotora se zanemare zbog f2 1000 kW

s = 3- 5% s= 1,5-2% s= 0,5-1%

15

P2 je snaga na osovini motora P korisnost motora: η= 2 P1 FER-ZESA ENE 2005/6 -

16

ƒ Za stvaranje okretnog mag. polja asinkroni stroj uzima iz mreže jalovu snagu Q1 = m1 U1 I1 sinφ1 ƒ Prividna snaga motora je:

S = m1 U1 I1

ƒ Motor je uvijek definiran radnom snagom na osovini, to je njegova nazivna snaga P

Primjer nazivnih podataka motora:

asinkroni trofazni motor, snaga 1000 kW napon 6000 V, frekvencija 50 Hz brzina vrtnje 1485 okr/min, cosφ=0,88 nazivna struja 115 A

FER-ZESA ENE 2005/6

17

Momentna karakteristika M

Pm e h (1 - s )P o k r Po k r m 2I2 2 R 2 P = = = = = = ω ω m eh ω sm ω sm s (1 - s ) ω s m m 2E 2 0 2

= ω sm =

R2 = ⎤ s 2 + X 2σ0 ⎥ ⎥⎦

⎡⎛ R ⎞2 ⎢⎜ 2 ⎟ ⎢⎣ ⎝ s ⎠

3 0 m 2 E 202 R 2 ⎡⎛ R 2 ⎞ 2 n s π ⎢⎜ ⎟ ⎢⎣ ⎝ s ⎠

+

1 ⎤ s 2 X 2σ0 ⎥ ⎥⎦

- zanemarili smo u nadomjesnoj shemi primarnu imp. Z1=R1+jXσ1 i dobili izraz u kojemu je razvijeni mehanički moment na osovini funkcija samo jedne varijable s - ostali su parametri u nadomjesnoj shemi konstantni. Ako se uzme potpuna nadomjesna shema dobije se precizniji izraz za moment. Izradite za vježbu!

FER-ZESA ENE 2005/6

18

ƒ grafički momentna karakteristika izgleda kao na slici: M Mmax

Mk Mn

0 1

n s

nmax

nn ns

smax

sn 0

ƒ na momentnoj karakteristici ključne su 3 točke: • s= 1, n=0 - potezni moment ili moment kratkog spoja n= nn - nazivni moment • s= sn, n= nmax - maksimalni moment • s= smax, FER-ZESA ENE 2005/6

19

ƒ Bitno je istaknuti da je moment u svakoj točci ovisan o kvadratu narinutog napona:

M=f(U2 ) ƒ Općenito momentna karakteristika izgleda prema slici.Na noj su karakteristična radna područja: od s = 1 do s = 0 motorsko područje rada, energija iz mreže za s ≤ 0 generatorski rad, energija u mrežu za s ≥ 1 protustrujno kočenje, energija iz mrže i kinetička energija gibanja mehanizama koči rotor M = f(U2 )

FER-ZESA ENE 2005/6

20

Promjena smjera vrtnje (reverziranje) asinkronog motora L1 L2 L3

K1

K2

„

„ „ „

Smjer vrtnje okretnog polja određen je redoslijedom faza. Želimo li ga promijeniti, dovoljno je međusobno zamijeniti priključke 2 od 3 fazna namota trofaznog motora. To se obično radi primjenom kontaktora (sklopnika). U, i W – oznake stezaljki motora L1, L2 i L3 – oznake faza mreže K1 i K2 – kontaktori (sklopnici)

U V W

FER-ZESA ENE 2005/6

21

Regulacija brzine vrtnje ƒ

ƒ

Elektromotornom pogonu (EMP) potrebno je regulirati brzinu zbog: a) zahtjeva tehnološkog procesa b) ušteda energije c) zaštite mreže, zaštite uređaja ili zaštite motora Ako tehnološki proces tako zahtjeva, regulacija (namještanje) je neophodna i prema tom zahtjevu bira se čitava struktura EMP-a (uređaj za napajanje motora, motor, senzori, regulacija) mreža (izvor)

Pretvarač

Motor

Radni stroj energija

Upravljački uređaj

signal

Sl. 1 Principna struktura suvremenog elektromotornog pogona ƒ FER-ZESA ENE 2005/6

22

Regulacija brzine vrtnje Općenito može biti potrebno da se u nekom elektromotornom pogonu regulira: „ „ „

brzina vrtnje radnih mehanizama, moment vrtnje, pozicija. Najčešće se regulira brzina vrtnje Da li će se regulirati brzina zbog ušteda energije, ovisi o isplativosti i stanju razvitka tehnike i tehnologije

FER-ZESA ENE 2005/6

23

Što znači regulirati brzinu vrtnje motora? ƒ Prema slici, radna točka EMP pogona u stacionarnom stanju određena je sjecištem karakteristike momenta motora i karakteristike momenta opterećenja Mm = Mt

ns =

FER-ZESA ENE 2005/6

60f1 p

ns ' =

60f1' p

ƒ Regulirati brzinu vrtnje znači mijenjati momentnu karakteristiku Mm u Mm' tako da njeno sjecište s karakteristikom tereta bude pri željenoj brzini vrtnje n reg. Prema slici momentnu karakteristiku Mm smo promijenili tako da smo promijenili sinkronu brzinu vrtnje motora ns u ns' mijenjajući frekvenciju struja koje teku kroz namote statora:

24

Regulacija brzine vrtnje asinkronog motora ƒ Brzina vrtnje motora je: n = ns (1 − s) =

60 f1 (1 − s) p

i ona se može regulirati (namještati) promjenom frekvencije f1, broja pari polova p i promjenom klizanja s ƒ mijenjanje broja pari polova je moguće u grubim iznosima, Npr.: za f= 50 Hz p=1, sinkrona brzina je 3000 okr/min p=2, sinkrona brzina je 1500 okr/min p=3, sinkrona brzina je 1000 okr/min

Često se koristi u praksi i to najčešće kod primjene u stroju za pranje rublja. Motor sadrži dva namota, jedan s 2p=2, a drugi s 2p=12 (14). Vrlo je jednostavno i za primjenu prihvatljivo tehničko rješenje.

FER-ZESA ENE 2005/6

25

Primjer karakteristika polno preklopivog motora: 2p = 6 i 2p = 2 Princip promjene broja polova motora zasnovan na prespajanju jednog namota statora u omjeru 1:2 naziva se Dahlanderov namot.

FER-ZESA ENE 2005/6

26

Regulacija brzine vrtnje promjenom narinutog napona Promjenom napona uz fiksnu frekvenciju momentna karakteristika motora se mijenja prema Mm= f (U 2). Svakom naponu odgovara druga karakteristika, a kako je karakteristika momenta tereta jedna i zadana vrstom tereta, radna točka će biti određena karakteristikom motora.

Suvremena tehnologija (poluvodička energetska elektronika) omogućava regulaciju napona u širokim granicama. Energetski gledano, ovakva regulacija nije optimalna jer su gubici energije neizbježni. FER-ZESA ENE 2005/6

27

Regulacija promjenom napona i frekvencije Brzina vrtnje direktno je proporcionalna frekvenciji:

n=

60 f1 (1 − s) p

ali se u motoru zbog promjene frekvencije događaju i promjene magnetskog toka (indukcija) što utječe na promjene razvijenog momenta i ima ograničenja U1≈E1=4,44 N f1 B S

Φ Promjenimo li frekvenciju f1 ne mijenjajući napon, doći će do promjena indukcije B odnosno mag. toka Φ. Povećanje B nije moguće zbog zasićenja mag. kruga, a smanjenjem Φ (pri povećanju f1) smanjuje se moment motora što opet nije dozvoljeno. Zbog toga se regulira po zakonu: U1 E1 = = konst. f1 f1

FER-ZESA ENE 2005/6

28

Tj. istovremeno treba mijenjati napon i frekvenciju. Pri takvoj promjeni, koja se zove skalarna regulacija, momentne karakteristike izgledaju prema slici:

FER-ZESA ENE 2005/6

29

Promjena napona i frekvencije pri regulaciji brzine

FER-ZESA ENE 2005/6

30

f1 je osnovna frekvencija za koju je građen motor. Smanjivanje frekvencije f1 daje nacrtanu karakteristiku U21 / f21= konst. ,tj. smanjen je napon i frekvencija u odnosu U / f =konst. Povećanje frekvencije f1 na f2 nije moguće po zakonu U / f = konst. jer je i napon za određeni motor određen gornjom granicom U = Un. Zbog povećanja frekvencije f1 na f2, a nepromijenjenog napona, smanjen je magnetski tok u motoru i razvijeni moment. To je tzv. područje slabljenja mag. toka FER-ZESA ENE 2005/6

31

L1 L2 L3 U1, f1 fiksno

invertor(tiristorski, tranzistorski, ...) U2, f2 promjenjivo po zakonu U / f = konst. ili po nekom drugom

Principna shema regulacije brzine vrtnje kaveznog asinkronog motora Pretvarač frekvencije i napona FER-ZESA ENE 2005/6

32

Jednofazni asinkroni motor To je obično kavezni motor koji ima samo jedan namot na statoru te se priključuje na jednofazni izmjenični namot. I

Dok rotor miruje, njegovo je klizanje prema direktnom i inverznom protjecanju stvorenim strujom namota statora jednako: sd = si = 1

Okretna protjecanja Θd i Θi imaju jednake amplitude i brzine vrtnje, ali suprotnog smjera:

FER-ZESA ENE 2005/6

33

Struje i momenti su jednaki za direktni i inverzni sistem, dok rotor stoji, tj. s=1, iz čega rezultira da je ukupni moment jednak nuli.

Md – moment direktnog protjecanja Mi – moment inverznog protjecanja Md + Mi – ukupni moment jednofaznog motora

Čim se motor pokrene iz mirovanja prevladava jedno okretno polje i motor razvija moment kojim može savladati teret i nastaviti vrtnju.

FER-ZESA ENE 2005/6

34

Problem poteznog momenta jednofaznog motora rješava se tako da se ugradi pomoćna faza za zalet koja je prostorno pomaknuta prema tzv. glavnoj fazi za neki kut, a fazni pomaci struja kroz fazne namote ostvaruju se dodavanjem kapaciteta, omskog otpora ili induktiviteta u pomoćnu fazu. Dodavanjem kondenzatora u pomoćnu fazu dobije se jednofazni motor s pomoćnom fazom za zalet simbolički prikazan na slici.

g p

g

p

g p

• fazorski dijagram kondenzatorskog motora

• Važno je postići što veći fazni pomak između struja glavne, Ig, i pomoćne Ip faze. FER-ZESA ENE 2005/6

35

Reverziranje motora s pomoćnom fazom Struja u namotu svake faze stvara svoje pulsirajuće protjecanje koje možemo prikazati s dva okretna protjecanja Θd i Θi. Kako znamo iz teorije okretnog polja, protjecanje se nalazi u osi određene faze kada je struja u toj fazi maksimalna, a iznos tog protjecanja je Θd = Θi = ½ Θ1. Struja u fazi u kojoj je kondenzator je prošla svoj maksimum prije faze u kojoj nije kondenzator za kut Ψ = π/2 + - ψ gdje je ψ fazni pomak φgl + φp.

FER-ZESA ENE 2005/6

36

os glavne faze

d

gd

gd gi

Ig

pd

g i

os pomoćne faze Ip

p

gi

pi

Ukupno direktno protjecanje Θd je veće od inverznog pa se rotor vrti u smjeru toga protjecanja. Okretno rezultantno magnetsko polje vrti se uvijek u smjeru od faze u kojoj struja prethodi naponu prema fazi u kojoj struja zaostaje. Iz toga se može zaključiti na koji se način može reverzirati kondenzatorski motor. FER-ZESA ENE 2005/6

37

Reverziranje kondenzatorskog motora promjenom smjera struje u pomoćnoj fazi (različit broj zavoja glavne i pomoćne faze) FER-ZESA ENE 2005/6

38