ELEKTRIČNI VUČNI MOTORI

PREDAVAČ: Prof. dr Željko Despotović

UVODZA POTREBE VUČE DIZEL-ELEKTRIČNIH I ELEKTRIČNIH LOKOMOTIVA DANAS SE UGLAVNOM PRIMENJUJU SLEDEĆE VRSTE MOTORA-MOTORI JEDNOSMERNE STRUJE (SA REDNOM I NEZAVISNOM POBUDOM)-TROFAZNI ASINHRONI KAVEZNI MOTORI -SINHRONI MOTORI SA NAMOTANIM ROTOROM-SIHRONI MOTORI SA PERMANENTNIM MAGNETIMA-PREKIDAČKI RELUKTANTNI MOTORI (SR motori)-LINEARNI MOTORIPREDNOSTI MOTORA:

-regulacija vučne sile-polazne karakteristike-osetljivost na promene trase (Δi [%]) i promene napona na kontaktnom vodu (ΔUKV)-mogućnost električnog kočenja i rekuperacije-mogućnost rada u oblasti slabljenja polja (zona P = const.)-složenost električnog pretvarača

MOTOR JEDNOSMERNE STRUJE SA REDNOM POBUDOM

Redni motor jednosmerne struje je prvi motor koji se primenjivao u električnoj vučiPobudni namot sa oznakom EF (oznake za rednu pobudu) je vezan na red sa armaturom ABOsnovne relacije za redni motor su:-elektromagnetni momenat

-kontra elektromotorna sila KEMS

Ip=Ia

-pobudni fluks glavnih polova:S-površina polaB-magnetna indukcija

Ukupni fluks u pobudnom namotu:

Np-broj pobudnih navojaka

SNAGA KONVERZIJE ELEKTRIČNE MAŠINE:

•Od interesa za električnu vuču je mehanička karakteristika VUČNOG MOTORA.•Da bi je odredili potrebno je znati karakteristiku magnetizacije. •Karakteristika magnetizacije je funkcija Φp=f(Ia) i ona nije linearna.

KARAKTERISTIKA MAGNETIZACIJE VUČNOG MOTORA

Kada magnetno kolo mašine nije zasićeno magnetni otpor je:

Vazdušni zazor je označen sa δ. Induktivnost je data relacijom:

•Kod zasićene mašine (zasićenje gvožđa) nije više •Magnetni otpor u gvožđu više nije zanemarljiv. •Sada Lp opada, dobija se manja promena fluksa za istu promenustruje. •Zavisnost fluksa od struje je nelinearna funkcija

ANALITIČKI OBLIK KARAKTERISTIKE MAGNEĆENJA

ANALITIČKI OBLIK KARAKTERISTIKE MAGNEĆENJA

•Vrednosti parametara su za mašine: S=7 i β=0.7, a za transformatore: S=9 i β=0.9.•Na datoj karakteristici uočavamo dve oblasti (1-zasićenje odnosnonelinearni deo, 2-linearni i kvazilinearni deo)

U oblasti, označenoj sa 1 na grafiku, nalazimo se u nelinearnom delu, u delukarakteristike gde se gvožđe mašine nalazi u zasićenju. •Armaturna struja je velika.•Momenat je veliki. •Promena pobudne struje utiče malo ili nikako na promenu fluksa•Kao da je u pitanju motor jednosmernestruje sa nezavisnom pobudom.

MEHANIČKA KARAKTERISTIKA

Oblast označena sa 2 na grafiku predstavlja oblast u kojoj je karakteristikalinearna. Struja je mala i od nje fluks zavisi linearno ili približno linearno. Momenat je mali, kolo je nezasićeno. Izraz za momenat je:

Jednačina naponskog balansa motora je:

U zoni malih struja se može uzeti da je:

ELEKTROMAGNETNI MOMENAT: BRZINA ROTORA:

Kao rezultat dobija se meka karakteristika i postoji prirodna tendencija damotor održava konstantnu snagu P=const.

KARAKTERISTIČNE OBLASTI NA VUČNOJ KARAKTERISTICI REDNOG DC MOTORA

POREĐENJE OBLASTI 1 i 2 NA VUČNOJ KARAKTERISTICI

U oblasti 1 postoji veliki moment što značida je i armaturna struja velika pa i velikastruja magnećenja:

Ulazi se sve dublje u nelinearni deo krivemagnećenja

U oblasti 1 je tvrda mehanička karakteristika

U oblasti 2 je meka mehanička karakteristika- strmina je mala.

REOSTATSKA REGULACIJA VUČNE SILE

Vučna sila se jedino kodovog motora možeregulisati reostatskiPosmatraćemo dva dodatna otpornika Jedan se stavlja na red i to je serijski otpornik, adrugi tzv. šant se postavlja paralelnoRs -serijski otpornikRš-otpornik za šantiranjepobudnog namotajaL-pobudni namotaj

EFEKAT UBACIVANJA SERIJSKOG OTPORNIKA

Rs se koristi za regulaciju vučne sile pripolasku vozila, jer Rs menja vrednost za M0

•Ako je rad u linearnom delu serijskiotpornik će uneti neznatnu promenu. •Promena serijskog otpornika imamali uticaj na mehaničku karakteristikuu zoni linearnog rada zbog toga što jearmaturna struja mala i U ≈ E

•Ako je rad u nelinearnoj zoni fluks je maksimalan i posmatrajućiprethodno date izraze za momenatvidi se da suma otpora ima suštinskiuticaj. •Povećanjem vrednosti serijskog otpornika smanjuje se vrednostmomenta. •Rs reguluše strminu karakteristike.•Variranjem ovog otpora stvara se familija karakteristika.

Nijednim Rs se ne može ići iznad prirodne karakteristike (slučajkada je Rs jednako nuli – misli se na dodatni otpor)!!!!!

OTPORNIK ZA ŠANTIRANJE POLJA

Pobudna struja više nijejednaka armaturoj.Među njima postoji sledećiodnos:

odnos šantiranja polja:

•Pošto je Ip sada manje nego pre šantiranja, manjije i fluks. •Pošto je napon u balansu sa elektromotornomsilom, mora se povećati brzina. •Ako smanjimo struju mašina se obrće brže. Šantiranje polja ima tendenciju da uveća brzinu a to zavisi od karakteristike opterećenja.

Postavlja se pitanje kakva će da bude varijacija brzine prišantiranju polja, ako je momenat opterećenja stalan?

ANALIZA ŠANTIRANJA PRI KONSTANTNOM MOMENTU OPTEREĆENJA

Ako vrednost otpora šanta teži beskonačnosti, tj. ako nemašantiranja, imaće se početni uslovi:

Elektromagnetni momenat koji mašina u ovom režimu realizuje:

Pretpostavljamo još i da je magnetno kolo linearno, jer otpornikza šantiranje nemaizraženog efekta ako je magnetno kolo u zasićenju zbog toga što varijacija pobudnestruje ne utiče namehaničku karakteristiku.

brzina: ω0,

struje: Ia0=Ip0

Napon koji se dovodi na motor je:Napon je blizak elektromotornojsili jer su padovi napona naotpornicima zanemarljivi

Ukoliko se obavi šantiranje polja, u sledećem stacionarnom stanju će biti:

Pošto motor razvija momenat koji je jednak momentu opterećenja:

Izraz za snagu

PROMENA VREDNOSTI OTPORNOG ŠANTA- FAMILIJA KARAKTERISTIKAVarijacijom otpornikašanta dobija se familijakrivih koje se razdvajajuu jednom delu grafika, a asimptotski približavajuu drugom. Karakteristike serazdvajaju od prirodnekada otpor šanta opada. Prirodna karakteristikaima se za:

Varijacijom serijskog otpornika i otpornika šantamogu se ostvariti raznevrednosti momenta i brzine.

Otpornik RS ima segmente pa se karakteristika ne može pomeratikontinualno

•U ovom slučaju imamo diskretnu regulaciju. •Isključivanjem dela otpornika brzina se povećava. •Kao posledica promene otpora jeste prelazak sajedne karakteristike na drugu.• U tim trenucima prelaska brzina se ne menjaveć se menja kretanjem po novoj karakteristici.•Ako je potrebna konstantna brzina, a na putu jezahtev za povećanjem vučne sile,•uključuje se šant, pa se postepeno smanjujenjegov otpor

•Prekidači koji se koriste za priključenjeserijskog otpornika i šanta moraju da buduspecijalne izrade. •Važno je da budu opremljeni elementima za oduvavanje električnog luka.•Zatvaranje prekidača nije problem. Problematično može da bude njegovootvaranje. •U kolu postoji puno induktivnosti (pobuda, armatura). •Otpornici imaju svoje parazitne i induktivnosti i kapacitivnosti.

PROBLEM ISKLJUČENJA KOD KRATKOSPOJENOG PREKIDAČA

•Pri otvaranju prekidača pojavljuje se debalans struje, koja ne može trenutnoda se uspostavi kroz prigušnicu. •Na samom prekidaču će se indukovatinapon:

•Na parazitnim kapacitivnostima napon se povećava dok se ne pojaviproboj na prekidaču, tj. električni luk. •Napon luka je 20 do 30V. Plazma koja se stvara topi kontakte i provodnikpa se zato struja ovog luka mora prekinuti pomoću duvača luka.•Duvači luka mogu da funkcionišu na principu komprimovanog vazduha ilina elektromagnetnom principu (magnetno oduvavanje el. luka).

•Ovi prekidači se moraju redovno održavati i menjati. •Srednje vreme između dva kvara je za red veličine manje nego kod čopera!!!!!

REOSTATSKA REGULACIJA VUČNE SILE (tramvaji i trolebusi)

Kod tramvaja i trolejbusa se i danas nalaziredni motor i vučna sila se reostatski reguliše.

Polazak vozila se vrši uključenjem segmentaRs tako da je polazni momenat dovoljan (ω=0; Mp>Mn).

Vozilo se ubrzava, a kad se momenat smanji, isključuje se deo serijskog otpornika (Rs se smanjuje) da momenat ne bi puno pao i prelazise na novu karakteristiku.

Tako se stiže do prirodne karakteristike (Rs=0).

Sada se uključuje otpor šanta (njegova velikavrednost), koji se postepeno smanjuje i tako se udaljava od prirodne karakteristike.

Pri zaletanju vozila moment neće bitikontinualan (zbog toga što karakteristiku nemožemo kontinualno pomerati), već će on bitikao na slici, tj. testera, usled čega se javljajupulsacije momenta.

Ako imamo veći broj segmenata Rs pulsacijeće biti manje. Obično je broj segmenataNseg=12÷24. Promena momenta pri promeniserijskog otpora je manja što je veći brojsegmenata:

•Sekundarni efekat svega ovoga je ubrzanohabanje prenosnog mehanizma!!!!!•Negativan efekat su i gubici snage u otporniku Rs!!!!!!

REOSTATSKA REGULACIJA VUČNE SILE (metroi)

Najveći broj metroa koristi reostatsku regulacijuvučne sile. Kompozicije su od tri do pet vagonaod po približno 20t, a na čelu i začelju su motorna kola, koja su teška od 35t do 45t. Maksimalna brzina je od 120 do 130km/h, a srednja brzina je oko 60km/h. Na putnom dijagramu je više od 50% fazaubrzanja i usporenja, zbog blizine stanica. Ubrzanja su na granici izdržljivosti putnika, oko1,5m/s2, a u vreme špica i do 2,5m/s2. Snage po motornim kolima su od 400 do 800kW. Motori su obično jedinice od 150 do 200kW.Napajanje se vrši pomoću treće šine koja se nalazi na nosaču i okrenuta je na dole radizaštite putnika i zaštite od prljavštine. Nemakontaktni vod kao u nadzemnoj železnici, jer se tako smanjuju troškovi izgradnje visokihpodzemnih tunela. Naponi su 1200 do 1500V, a struje su 800 do 1000A. Šine su ugrađene u beton i imaju elastičneomotače da bi se ublažile vibracije.

•Kod tramvaja postoji kontaktnamreža (600V do 700V), snage su tri do četiri puta manje nego kodmetroa (4 x 70kW), a struje su 500 do 600A. •Težine su 25t do 40t, a maksimalne brzine 60 do 70km/h.

REOSTATSKA REGULACIJA-DISIPATIVNA REGULACIJA

Reostatska regulacija vučne sile jedisipativna regulacija. Zaletanje je energetskinepovoljno.Usvojiće se uprošćen model kodkoga su sve inercije ekvivalentiraneinercijom motora Jm

Pretpostaviće se da se zaletanjeobavlja sa konstantnim ubrzanjemod 0 do ωm.Sledi da je struja Ia konstantna. Usvaja se da je φ = const. jer se nalazimo u zoni zasićenja.

Nominalna brzina je ona pri kojoj elektromotorna sila u namotajima nominalnopobuđenog motora dostiže vrednost nominalnog napona napajanja:

Zamenska šema motora JS sa dodatnim serijskim otporom

Wm - energija saopštenu motoru,

Wk - kinetička energija,

Wizv -energija izvora

Iz svega ovoga se može zaključiti da polovina energije uzete iz izvora odlazi na gubitkeu otporu (pretvara se u toplotu), a druga polovina se pretvara u kinetičku energiju

•Pošto se vožnja ne sastoji samo odzaletanja, ovo ne važi u praksi, tj. gubicinisu jednaki polovini uložene snage, alividimo da su gubici u RS veliki.

•Možemo odmah rezimirati osnovnekarakteristike reostatske regulacije vučnesile:

-promena momenta se vršidiskontinualno i metoda je disipativna.-ako bismo raspolagali čoperom kojimože kontinualno menjati napon namotoru, ne bi bilo gubitaka (pod svimprethodnim pretpostavkama).

OTPORNIK ZA ŠANTIRANJE POLJA-osobine

- Gubici u Rš su zanemarivi,

- Rš je izveden segmentno, pa ako hoćemo iz neke tačke dapovećamo brzinu ω, prelazimo na sledeću karakteristiku promenomRš,- Pri ovome prisutna pulsacija momenta.

•Još jedna bitna osobina Rš je daima znatnu induktivnost zbogsmanjenja osetljivosti na promeneUKV. •Njegova induktivnost je samerljivasa induktivnošću pobudnognamotaja.

Zamenska šema JS motora bez dodatog serijskog otpora

La zanemarljivo u odnosu na Lp

Koliki će skok Ia proizvesti promena UKV?

Skok armaturne struje povećava pobudni fluks kojipovećava E (zbog promene UKV ) što predstavljadobru osobinu rednog motora!!!!!

Zamenska šema JS motora sa dodatim serijskim otporom•Ako Rš nema induktivitet, sav porastarmaturne struje u prvom trenutku prolazikroz Rš (jer se Lp protivi promeni struje). •Znači da se struja kroz pobudni namotajneće promeniti pa se neće povećati fluks. •Usled toga je u prvom trenutkutranzijentna impedansa proporcionalnaΣR, odnosno, doći će do velikog udarastruje.•Promena napona od 10% uzrokovala bi pet puta veću struju (zbog male ulazneimpedanse). •To ne sme da se dopusti pa se zato u Ršugrađuje induktivnost Lš, takvada je vremenska konstanta:

•U ovom slučaju se promene struje ravnomerno dele na Lš, Rš i Lp, Rp. •Sa induktivnim šantom pri svakom strujnom udaru deo struje se preusmerava u pobudni namotaj, zbog čega raste fluks pobude pa i elektromotorna sila, i uspostavlja se balans sa naponom napajanja. •Dakle, nema opasnosti od strujnog udara.

KOMUTACIJA STRUJE –OGRANIČAVAJUĆI FAKTOR

Polazne karakteristike rednog motora su bolje od karakteristika kolektorskogmotora (redni motor koji se napaja naizmeničnom strujom). Polazne struje ne mogu biti veće od 2 do 2,5 puta nominalne, pa samim tim i polazni momenti su mali (ograničenje polazne struje je zbog mogućnostipojave luka na kriškama komutatora).Rad u oblasti slabljenja polja: ovi motori ne mogu raditi na brzinama koje su veće od 2 do 2,5 puta od nominalne, a i ovo zbog komutacije - pri velikimbrzinama ulazi se u oblast u kojoj može doći do pojave “kružne vatre”( brzinaprelaska četkica preko kriški je suviše velika).Komutacija struje je jedna od najvažnijih pojava u jednosmernim mašinama, i u suštini predstavlja proces reverziranja odnosno kompletne promene smerastruje u jednom ili više navojaka. Ova pojava se dešava u navojku prilikom njegovog prolaska kroz neutralnuzonu, tj. prolaska iz oblasti jednog pobudnog kola (jednog pola) u oblast drugog.U procesu komutacije navojak je jednog trenutka kratko spojen, tj. zatvoren jesam u sebe preko lamela i četkica. Po završetku komutacije kroz navojak je promenila smer i struja i indukovanaems.

ELEKTRIČNO KOČENJE REDNOG VUČNOG MOTORA

zamenska šema motora u motornom režimu

zamenska šema motora u slučaju električnog kočenja(pobudni namotaj je prevezan)

Ako se ne promeni način napajanja neće doćido promene smera momenta:

•Da bi se kočenje ostvarilo potrebno jeostvariti negativan momenat. •Jedan od namotaja mora da posedujemogućnost prevezivanja, odnosno da budeIa = −Ip , pa ćemo imati električno kočenje. •Ovo je moguće, ali se retko koristi jer jerad ove mašine u generatorskom režimunestabilan!!!!!

•U samom pobudnom namotaju polaritetfluksa ostaje isti (obrnuli smo namotaj, alise promenio i smer struje), pa je pozitivnikraj ostao na priključku A, tj. smer ems Eostaje isti.

•Drugim rečima, prevezali smo i namotajpobude (da bi kada se promeni smerstruje, smer fluksa ostao nepromenjen) i namotaj indukta (da bi smo dobili kočionimomenat – struju u suprotnom smeru). •Inače, nije preporučljivo menjati smerpobude (fluksa) u JS motoru.

•Može se desiti da ista pobuda neproizvede isti fluks u suprotnu stranu, tj. magnetna permeabilnost može biti veća u jednom smeru nego u drugom ako jemašina pre toga dugo radila sa pobudomu jednom smeru.

Kritična brzina KOČENJAOvo kočenje možemo koristi i u slučajevima kada jeglavno magnetno kolo duboko zasićeno jer se tadafluks ne menja u zavisnosti od promene pobudne struje, tj. član ke Lp* ω je konstantan i vrlo je mali.

DINAMIČKO OTPORNO KOČENJEPri dinamičkom (otporničkom) kočenju mehanička energija se konvertuje u toplotnu na posebnim otpornicima koji služe za ovajnačin kočenja.Potreba za dinamičkim kočenjem je uglavnom zbog ograničenjareceptivnosti kontaktne mreže (sposobnosti kontaktne mreže daprimi struju rekuperacije). Pretpostavka injektovanja struje rekuperacije u mrežu zasnovana jena tome da na mreži postoji još vozila koja rade u motornom režimu. Ako drugog takvog vozila na trasi nema, receptivnost je jednaka nuli.Rekuperativno kočenje je veoma otežano jer je redni motor jednosmerne struje u generatorskom režimu nestabilan. Iznad kritične brzine nije moguće rednim motorom ostvaritirekuperativno kočenje, a ni dinamičko. Stabilno kočenje je moguće samo ako je magnetno kolo zasićeno. U zoni slabljenja polja kočenje nije stabilno. Više se koristi dinamičko i protivstrujno kočenje. Pošto je kritična brzina mala dinamičko kočenje se vrši samo zakonstantnu maksimalnu vrednost fluksa.Tada su karakteristike motora jednake motoru sa nezavisnompobudom.

PROMENOM OTPORA SE REGULIŠE KOČIONIMOMENAT (odnosno radna tačka)

momenat u režimu kočenja:

-Za određenu brzinu kočioni momenat se menjapromenom otpora, čime se menja nagib krive. -Nagib krive bi se mogao menjati i promenom fluksaali fluks je postavljen na maksimalnu vrednost koja jenominalna.

•Varijacijom otpora Rk dobija se familija karakteristika u II i IV kvadrantu. •Pri brzinama većim od nominalne strmina karakteristike bi se menjala promenom fluksa jerems ne sme da bude veća od nominalnog napona.•Električna energija se pretvara u toplotu na Rk.•Regulacija vučne sile se obavlja diskontinualno isključivanjem segmanata otpornika. •Ovo kočenje je disipativno i korisno je jer se ne koči mehanički. •Nema trošenja kočionih obloga, niti skupog održavanja.

PROTIVSTRUJNO KOČENJE-Mana dinamičkog kočenja je što vozilo ne može da se zaustavi. -Ako se brzine smanjuju, momenat kočenja se smanjuje. -Za brzinu jednaku nuli, kočioni momenat je nula, pa se ne može obezbeditiulazak voza u stanicu i njegovo zaustavljanje. -Zbog toga se koristi protivstrujno kočenje pri samom ulasku u stanicu. -Ono se realizuje ukrštanjem armaturnog i pobudnog namotaja. -Odlikuju ga veoma velike vrednosti struja jer se sada ems motora sabirasa naponom. -Uključenjem pojedinih prekidača, obezbeđuje se motorni rad (MR) iliprotivstrujno kočenje (PS).

Prelasku na protivstrujno kočenjeprethodi beznaponsko stanje, pa ovim prekidačima nisu potrebniduvači električnog luka!!!!!

PROTIVSTRUJNO KOČENJE-zamenska šema

Snaga koja se ulaže u sistem prekoosovine i snaga iz izvora se troše naotporniku, koji se zato mnogo greje.

Zbog toga je u energetskom pogledu ovokočenje loše, pa se primenjuje u fazipotpunog zaustavljanja vozila (nekolikosekundi).

REOSTATSKA KONTROLA VUČNE SILE-rezime

Može se zaključiti da je jednostavnost reostatske kontrole vučnesile njena dobra osobina, a pored toga dobro je i što nema teškoćavezanih za vučne pretvarače(problemi sa komutacionomučestanošću, smetnjama, hlađenjem poluprovodnika,itd.).Kao mana može se izdvojiti nepovoljan energetski bilans. Vučna sila je impulsnog karaktera zbog korišćenja otpornika sasegmentima. Zbog toga se ne može razviti tako velika vučna sila kao kad bi bilakontinualna i to zbog adhezije, jer srednja vrednost vučne silemora biti manja od maksimalno moguće usled opasnosti odproklizavanja. Udobnost putovanja je malo lošija. Takođe, kraća je dužina rada bez kvara elemenata u odnosu na način nedisipativne regulacijepomoću energetskih pretvarača. Puno je kontaktora, duvača električnog luka, pa je održavanjateško

Podaci koji se odnose na srednju vrednost snage svih motornih kola podzemneželeznice u jednom gradu u toku jedne godine, kod kojih se vučna sila regulišereostatski:

•Očekivano je da gubici u RS budu veliki jer su periodi vožnje stalnom brzinom kratki.•Kod reostatske kontrole celokupna polazna struja motora povlači se iz mreže. •U slučaju korišćenja čopera, struja koja se povlači iz mreže nije tako velika:

Da bi se izbegle velike polazne struje u slučaju reostatske kontrole, pribegavase rednom i paralelnom sprezanju motora!!!!!

MOTOR JEDNOSMERNE STRUJE SA NEZAVISNOM POBUDOM

Glavna prednost motora jednosmernestruje sa nezavisnom pobudom u odnosu na redne motore jednosmernestruje je u tome što kod rednih motoraproklizavanje nije stabilno, dok kodonih sa nezavisnom pobudom to nijeslučaj.

• Ovaj motor je u svemu identičan sarednim motorom, izuzev pobude kojaje drugačije realizovana.

• Nezavisna pobuda koja se ovdeprimenjuje čini nemogućomreostatsku regulaciju brzine.

• Na krakteristici je: Karakteristika može pomerati promenom Φp ili U. Takođe je strmina karakteristike proporcionalna:

Vidimo da je za regualciju brzine potrebno menjati ili Φp ili U .

Promenu napona, sa Um , u kontinualnom opsegu:

moguće je izvršiti samo uz postojanjetakozvanog vučnog čopera u tzv. nedisipativnoj, čoperskoj regulacijivučne sile (ne gubi se energija).

Primenom ove realizacije nemamo problema sa udarima usled promeneUKV, kao ni sapromenom uspona jer je sve to moguće amortizovatipomeranjem karakteristike.