električni motori

FERFER--ZESA ENE 2005/6ZESA ENE 2005/6 11

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 motorisinkroni motori

univerzalni motori• su motori koji mogu raditi na istosmjerni i / ili izmjenični napon, imaju

kolektor (komutator).

ELEKTRIČNI MOTORI


Asinkroni motor

okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanimizmjeničnim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje:

1s

60fnp

=

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

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


Pojam klizanja asinkronog motoraokretno 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:

s s

s s

n nsn− ω −ω

= =ω


brzina vrtnje rotora je nakon definicije klizanja s:

1s

60 fn n (1 s) (1 s)p

= − = −

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

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


s

s

n ns [%] 100%n−

=

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

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


Inducirani napon i struja rotora imat će frekvenciju:

Frekvencija rotorskih struja

s2 1

p (n n)f s f60

−= =


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.


Rotorska struja

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

2022 2 2

2 2 2

sEEIZ R X (s)σ

= =+

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:

20 202 2 2 2

2 2 0 222 0

sE EI (s)R (s X ) R X

sσ

σ

= =+ ⎛ ⎞ +⎜ ⎟

⎝ ⎠

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


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

20 2 n2

1 1 n1

E N fE N f

=

Zbog f2 = f1:

20 2 n2 2

1 1 n1 1

E N f fE N f f

=

E2 – napon faze statoraE20 – napon faze rotorafn1 i fn2 - faktori namota statora i rotora


Nadomjesna shema asinkronog stroja

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

R1 i Xσ1 - statorski otpori i rasipna reaktancija

X m - reaktancija magnetiziranja (predstavlja ulančenimagnetski tok stator-rotor)

R2' / s i X2σ' - rotorski otpor i rasipna reaktancija


R2 - stvarni otpor u rotoru

21 sR

s−

- ekvivalent mehaničkog rada

Rotorski strujni krug:

2Rs

2R

ssR −1

2


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

struje, snage i momente možemo računati primjenom nadomjesne sheme

prazni hod motora – na osovini nema opterećenja, klizanje s<<, R2/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

1UIZ

=

21 sR '

s−


U kratkom spoju (zakočen rotor) može se zanemariti poprečna grana pa je struja rotora:

1K 2 2

1 2 1 2

UI(R R ') (X X ')σ σ

=+ + +


Energetska bilanca asinkronog stroja

Prema nadomjesnoj shemi:

iz mreže motor uzima:P1 = m1 U1 I1 cosφ1m1 – broj fazaφ1 – fazni pomak struje i napona

na radnom otporu statora se troši:PCu1 = m1 I1

2R1

u željezu statora (na R0):PFe1= m1 E1

2 / R0 = m1 I0r2 R0

snaga okretnog mag. polja:P okr = P1 - PCu1 - PFe1P okr = m2 I22 R2/s = m2 I22 R2 + m2 I22 R2 (1-s) / s


P2eL= s Pokr

gubici u rotoru direktno su proporcionalni klizanju stroja, stoga s mora biti što manje za kvalitetan motor. Klizanje ne može biti 0, ali treba biti malo (0,5-5%)

Na primjer:- mali motori < 20 kW s = 3- 5%- srednji motori < 500 kW s= 1,5-2%- veliki motori > 1000 kW s= 0,5-1%

gubici u željezu rotora se zanemare zbog f2<<

P okr = P2el+Pmeh

P 2el = m2 I22 R2 – gubici u namotu rotoraP 2meh=m2 I22 R2 (1-s) / s – razvijena mehanička snaga

22el 2 2 2

22meh2 2 2

P m I R s1 sP 1 sm I R

s

= =− −


- P2 je snaga na osovini motora- korisnost motora: 2

1

PP

η =


Za stvaranje okretnog mag. polja asinkroni stroj uzima iz mreže jalovusnagu

Q1 = m1 U1 I1 sinφ1

Prividna snaga motora je: S = m1 U1 I1

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

Primjer nazivnih podataka motora:

asinkroni trofazni motor, snaga 1000 kWnapon 6000 V, frekvencija 50 Hzbrzina vrtnje 1485 okr/min, cosφ=0,88nazivna struja 115 A


Momentna karakteristika2

m e h o k r o k r 2 2 2

m e h s m s m s m2

2 2 0 22

22s m 2 0

22 2 0 2

222

s 2 0

P (1 - s )P P m I RPM (1 - s ) s

m E RsR X

s

3 0 m E R 1sRn X

s+

σ

σ

= = = = = =ω ω ω ω ω

= =⎡ ⎤⎛ ⎞ω +⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

=⎡ ⎤⎛ ⎞π ⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

- 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!


grafički momentna karakteristika izgleda kao na slici:

na momentnoj karakteristici ključne su 3 točke:• s= 1, n=0 - potezni moment ili moment kratkog spoja• s= sn, n= nn - nazivni moment• s= smax, n= nmax - maksimalni moment

M

0 nsnn

Mn

Mk

Mmax

01

ns snsmax

nmax


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

M=f(U2 )

Općenito momentna karakteristika izgleda prema slici.Na noj su karakteristična radna područja:

od s = 1 do s = 0 motorsko područje rada, energija iz mrežeza s ≤ 0 generatorski rad, energija u mrežuza s ≥ 1 protustrujno kočenje, energija iz mrže i kinetička

energija gibanja mehanizama koči rotor

2M f(U )= 2M f(U )=


Promjena smjera vrtnje (reverziranje) asinkronog motora

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 motoraL1, L2 i L3 – oznake faza mrežeK1 i K2 – kontaktori (sklopnici)

K1 K2

L1

L3L2

U WV


Regulacija brzine vrtnjeElektromotornom pogonu (EMP) potrebno je regulirati brzinu zbog:

a) zahtjeva tehnološkog procesab) ušteda energijec) 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)

Sl. 1 Principna struktura suvremenog elektromotornog pogona

Pretvarač Motor Radni stroj

Upravljačkiuređaj

mreža(izvor)

energijasignal


Regulacija brzine vrtnje

Općenito može biti potrebno da se u nekom elektromotornom pogonuregulira:

brzina vrtnje radnih mehanizama,moment vrtnje,pozicija.

Najčešće se regulira brzina vrtnjeDa li će se regulirati brzina zbog ušteda energije, ovisi o isplativosti i stanjurazvitka tehnike i tehnologije


Što znači regulirati brzinu vrtnje motora?

Prema slici, radna točka EMP pogona u stacionarnom stanju određena je sjecištem karakteristike momenta motora i karakteristike momenta opterećenja Mm = Mt

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:

1 1s s

60f 60f 'n n 'p p

= =


Regulacija brzine vrtnje asinkronog motoraBrzina vrtnje motora je:

1s

60 fn n (1 s) (1 s)p

= − = −

i ona se može regulirati (namještati) promjenom frekvencije f1, broja pari polova p i promjenom klizanja s

mijenjanje broja pari polova je moguće u grubim iznosima, Npr.: za f= 50 Hz

p=1, sinkrona brzina je 3000 okr/minp=2, sinkrona brzina je 1500 okr/minp=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 jednostavnoi za primjenu prihvatljivo tehničko rješenje.


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.


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.

Regulacija brzine vrtnje promjenom narinutog napona

Suvremena tehnologija (poluvodička energetska elektronika) omogućava regulaciju napona u širokim granicama.Energetski gledano, ovakva regulacija nije optimalna jer su gubici energije neizbježni.


Regulacija promjenom napona i frekvencije

Brzina vrtnje direktno je proporcionalna frekvenciji: 160 fn (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

ΦPromjenimo 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:

1 1

1 1

U E konst.f f

= =


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


Promjena napona i frekvencije pri regulaciji brzine


f1 je osnovna frekvencija za koju je građen motor. Smanjivanje frekvencije f1daje 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


Principna shema regulacije brzine vrtnje kaveznog asinkronog motoraPretvarač frekvencije i napona

L1

L3L2

U1, f1 fiksno

invertor(tiristorski,tranzistorski, ...)

U2, f2 promjenjivo pozakonu U / f = konst.ili po nekom drugom


Jednofazni asinkroni motor

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

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:

I


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 protjecanjaMi – moment inverznog protjecanjaMd + 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.


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.

• Važno je postići što veći fazni pomak između struja glavne, Ig, i pomoćne Ip faze.

g

g p

p

g

p

• fazorski dijagram kondenzatorskog motora


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 ψfazni pomak φgl + φp.

Reverziranje motora s pomoćnom fazom


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 reverziratikondenzatorski motor.

os g

lavn

efa

zeos pomoćne

faze

pd

gi

pi

gd

i

d

gi

gd

p

g

Ip

Ig


Reverziranje kondenzatorskog motora promjenom smjera struje u pomoćnoj fazi (različit broj zavoja glavne i pomoćne faze)

električni motori

Documents