FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE

ASINKRONI STROJEVI I POGONI

Prof.dr.sc. Damir Žarko

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU 30.11.2011Ak. god. 2011/2012 Zagreb,

Strojevi izmjenične struje

Strojevi izmjenične struje se dijele na:Strojevi izmjenične struje se dijele na:Sinkrone, Asinkrone iIzmjenične kolektorske (komutatorske).

Nikola Tesla je 1888 god patentirao i javnosti prikazao svojNikola Tesla je 1888. god. patentirao i javnosti prikazao svojnovo izumljeni motor (patentno ime, “Electro‐Magnetic Motor”)u kojemu prvi puta objašnjava stvaranje i primjenu okretnogmagnetskog polja.

Si k i i i k i l kt ič i t j i d i i k tSinkroni i asinkroni električni strojevi rade na principu okretnogmagnetskog polja.

230.11.2011

Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje(1)

Dvofazni izmjenični napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatorakoristeći 4 klizna koluta i četkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusnej k j d f đ b k 90jezgre na koju su namotana dva fazna namota međusobno zakrenuta za 90stupnjeva.

GeneratorMotor

330.11.2011

Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje (2)

Dvofazni izmjenični napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatorakoristeći 4 klizna koluta i četkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusnejezgre na koju su namotana dva fazna namota međusobno zakrenuta za 90jezgre na koju su namotana dva fazna namota međusobno zakrenuta za 90stupnjeva.

430.11.2011

Dvofazni generator i dvofazni motor prema Teslinom patentu br. 381968

Generator

Dvofazni napon uzima se sa statora, a ne s kliznih koluta.

MotorGenerator

530.11.2011

Dvofazni sustav generatora i motora prema Tesli

Motor Generator

630.11.2011

Okretno magnetsko polje

Da bi se stvorilo bilo kakvo okretno magnetsko polje moraju postojati na statorubarem dva namota pomaknuta međusobno prostorno za neki kut a struje koje ubarem dva namota, pomaknuta međusobno prostorno za neki kut, a struje koje unjima teku moraju međusobno biti fazno pomaknute za neki kut.

Ako su prostorni pomaci između potpuno simetričnih faznih namota jednakivremenskim pomacima između potpuno simetričnih faznih struja koje kroz njihteku, stvarat će se simetrično (kružno) okretno magnetsko polje.

Ako postoje prostorni pomaci između namota i vremenski pomaci između strujaAko postoje prostorni pomaci između namota i vremenski pomaci između struja,stvarat će se okretna protjecanja koja nisu simetrična (kružna) nego su nesimetrična(eliptična).

Da li će motor raditi kao sinkroni ili asinkroni zavisi o tome kako mu je izveden rotor.Statori sinkronog i asinkronog motora se ne razlikuje. U njemu struje trebaju stvoritiokretno magnetsko polje.g p j

Tesla se na početku bavio dvofaznim asinkronim i sinkronim motorom jer mu je tobilo najjednostavnije za mogućnosti izrade u njegovom laboratoriju.

730.11.2011

Osnovne podjele asinkronih strojeva

Prema obliku gibanja:Rotirajući (engl. rotating machines), 

Linearni (engl. linear machines).

Prema izvedbi rotora:Asinkroni stroje i s ka e nim rotorom ( engl sq irrel cage rotor ind ction motors)Asinkroni strojevi s kaveznim rotorom  ( engl. squirrel‐cage rotor induction motors) ,

Asinkrone strojevi s kliznokolutnim (namotanim)  rotorom ( engl. wound rotor induction motors or slipring induction motors),

Asinkroni strojevi s masivnim rotorom (engl. massive rotor induction motors).Asinkroni strojevi s masivnim rotorom (engl. massive rotor induction motors).

Prema broju faza i priključku na izvor napona:Trofazni, dvofazni i jednofazni (za male snage).

Prema veličini nazivnog napona:Visokonaponski (iznad 1000V do 15000 V) i niskonaponski (do 1000V).

Prema pretvorbi energije:Asinkroni motori,

Asinkroni generatori.

830.11.2011

g

Suvremene izvedbe asinkronih strojeva i pogona

Današnji asinkroni strojevi se po konstrukciji i tehnologijibitno razlikuju od strojeva iz vremena Nikole Tesle, Ferarisa iDobrovoljskog. Princip rada je ostao isti.

Neke suvremene industrijske izvedbe kompletnog asinkronogstroja ili njegovih dijelova su prikazani na sljedećimstroja ili njegovih dijelova su prikazani na sljedećimslajdovima.

930.11.2011

Suvremeni asinkroni kavezni motor s aluminijskim kavezom na rotoru

GLAVE NAMOTAPRIKLJUČNA KUTIJA

VENTILATOR

KRATKOSPOJNI PRSTEN

ROTORSKIOSOVINA (magnetski ili nemagnetski čelik)

KUĆIŠTELEŽAJ

ROTORSKI PAKET

1030.11.2011

AJSTATORSKI PAKET

Rotorski lim asinkronog kaveznog motora

a) aluminijski dvokavezni rotor                             b) bakreni kavez)

a) b)

1130.11.2011

Statorski paket (jezgra) trofaznog asinkronog motora pripremljen za ulaganje namota

1230.11.2011

Stator novog asinkronog motora za visoki napon (6 ‐10 kV, 50 Hz)

1330.11.2011

Pogled na glave namota i izvode do priključne kutije

Ulaganje namota u statorski paket trofaznog asinkronog motora (400 V, 50 Hz)

1430.11.2011

Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora u fazi završne izrade(motor za električnu vuču)

1530.11.2011

Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora opće namjene nakon završne obrade

1630.11.2011

Rotor trofaznog asinkronog motora s kliznim kolutima

Klizni kolutiKlizni koluti

1730.11.2011

Neke tipične primjene asinkronih strojeva

1830.11.2011

Strojarnica u TE‐TO Osijek

Jednu fotografiju motora iz termoelektrane

ki l kNapojna kotlovska pumpa

Pogonski elektromotor

1930.11.2011

Motori naftovodnih pumpi u terminalu Omišalj, 6000 V, 50 Hz(Protueksplozijska zaštita oklapanjem)

Naftovodni terminal Omišalj

2030.11.2011

Naftovodni terminal Omišalj

Kavezni motori naftovodnih pumpi na terminalu Omišalj, 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=4

2130.11.2011

Terminal  Omišalj

Asinkroni motori povećane sigurnosti, Terminal Sisak1900 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=2

Terminal Sisak

2230.11.2011

Terminal Sisak

Elektromotorni pogon naftovodne pumpe sa zaletnom spojnicom

Hidraulična spojka

Visokonaponski motorPumpa

p j

2330.11.2011

Motori naftovodnih pumpi 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, Melnice

2430.11.2011

Elektromotorni pogon – asinkroni motor + pumpa aMDEA otopine, procesno postrojenje  za obradu plina CPS Molve

2530.11.2011

Frekvencijski regulirani motor, Exde II AT3

Elektromotorni pogon procesne pumpe, motor 1800 kW, 2p=2,  frekvencijski reguliran

MotorPumpa MotorPumpaTurbinaSpojka

2630.11.2011

Asinkroni motor 350 kW, 2p=2, 400V, za pogon vijčanog kompresora na plinskoj bušotini

2730.11.2011

Dvobrzinski asinkroni generator

Multiplikator

bi

generator

Turbina

2830.11.2011

Dvostrano napajani asinkroni generator (DFIG)  vjetroagregata  promjenljive brzine vrtnje 

Mreža

Asinkroni generator

Multiplikator

Elektronički energetski pretvarač

Turbinap

2930.11.2011

Osnovna teorija ‐ okretno magnetsko polje

Okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanimaizmjeničnim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje:

=60

, o/minss

fn

p

gdje je f frekvencija struja a p broj pari polova motoragdje je fs frekvencija struja, a p broj pari polova motora.

Okretno magnetsko polje inducira u vodičima rotora napone koji kroz namotOkretno magnetsko polje inducira u vodičima rotora napone koji kroz namotrotora protjeraju struje. Interakcijom struja rotora i okretnog mag. polja stvara sesila na vodiče rotora koja zakreće rotor u smjeru vrtnje okretnog polja.

Ako je moment svih sila na vodiče rotora veći od momenta otpora vrtnji, rotor ćese vrtjeti brzinom koja je uvijek različita od brzine vrtnje okretnog polja, te sezbog toga motor zove asinkroni*.g g

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

3030.11.2011

Pojam klizanja asinkronog stroja (1)

Okretno polje se vrti u odnosu na stator sinkronom brzinom

ns= 60f/p, o/minns  60f/p, o/minRotor se vrti brzinom  vrtnje  n, o/min

Razlika brzine vrtnje rotora (mehaničke brzine) i brzine vrtnje okretnog polja 

naziva se klizanje i računa se prema izrazu:

−= sn n

s =s

sn

3130.11.2011

Pojam klizanja asinkronog stroja (2)

Brzina vrtnje rotora je nakon definicije klizanja s:

= − = −60

(1 ) (1 )fsn n s s

Brzina vrtnje rotora može teoretski biti bilo koja vrijednost, pa odnosi izmeđunje i klizanja s izgledaju kao na slici

= − = −(1 ) (1 )n n s ss p

nje i klizanja s izgledaju kao na slici.

rotor se vrti sinkronom brzinom  s = 0dok rotor stoji (zakočen) s = 1dok rotor stoji (zakočen)   s = 1

brzina vrtnje rotora manja od sinkrone s > 0rotor se vrti brže od okretnog polja   s < 0

3230.11.2011

rotor se vrti u suprotnom smjeru (n<0) od okretnog  polja  s > 1

Pojam klizanja asinkronog stroja (3)

s

s

n ns [%] 100 %n−

=Klizanje u tehnički prihvatljivim iznosima mora biti sasvim mala veličina (zbogutjecaja na gubitke energije) te se zbog toga iskazuje u postocima.

snKlizanje se obično kreće između 0.1 i 5 %. Veća vrijednost odnosi se na motoremanjih snaga (do oko 1 kW).

Primjer iz kataloga:Motor snage 180 W, 400 V, 50 HZ, 2p = 2 ima brzinu vrtnje pri nazivnomopterećenju 2905 o/minopterećenju 2905 o/min.Klizanje je

= = ⋅ =3000‐2900‐

100 3,33%n nss

Motor snage 1 MW 10 kV 50 Hz 2p = 4 nazivna brzina vrtnje n = 1491 o/min

100  3,33%3000

sns

= = ⋅ = 1500‐1491‐

100 0,6%n nss

Motor snage  1 MW, 10 kV, 50 Hz, 2p = 4 , nazivna brzina vrtnje n = 1491 o/min 

3330.11.2011

1500ns

Rotorski napon

Dok rotor miruje (s=1) u njemu okretno polje inducira napon Er0.

Nakon što se rotor počne vrtjeti, mijenja se relativna brzina okretnog poljap j j j g p jstatora prema rotoru, a napon Er se mijenja prema izrazu:

P i l ti j b i i 0 tj 0 t t j il iEr = Er0 s

Pri relativnoj brzini 0, tj. za s=0, nema napona u rotoru, nema struje, sile nimomenta pa motor ne može raditi pri tom klizanju. Samo pri različitimbrzinama vrtnje okretnog polja i rotora postoji inducirani napon, struje urotoru i elektromagnetski moment. Zbog toga je naziv asinkroni motor.

3430.11.2011

Frekvencija rotorskih struja

−( )sp n nf f

Inducirani napon i struja rotora imaju  frekvenciju

= =( )60s

r sp n n

f s f

O f k ij i f k ij kli j T ki ž i i bilOvu frekvenciju nazivamo frekvencija klizanja. Teoretski ona može imati  bilo koju vrijednost.

fsfr

1

n0 ns

3530.11.2011

n0 ns

Elektromehanička pretvorba energije posredstvom okretnih magnetskih polja

Za elektromehaničku pretvorbu energije posredstvom magnetskih poljaneophodno je da se statorsko i rotorsko magnetsko polje vrte istom brzinom,odnosno da im relativna brzina bude jednaka nuli. Ukupna brzina vrtnjerotorskog polja u odnosu na jednu fiksnu točku statora je zbroj brzineokretnog polja rotora u odnosu na rotor n0r i brzine rotora n u odnosu nag p j 0rjednu fiksnu točku statora

n + n0r = nsd i k j j i j b d j ili j iKod sinkronog stroja na rotoru je istosmjerna uzbudna struja ili su trajni

magneti; nema okretnog polja rotorskih struja u odnosu na rotor koji se zbogtoga mora vrtjeti sinkronom brzinom vrtnje statorskog polja.

Kod asinkronog stroja pretvorba je uvijek moguća osim pri vrtnji rotorasinkronom brzinom statorskog polja kada je klizanje jednako nulisinkronom brzinom statorskog polja kada je klizanje jednako nuli.

Asinkroni stroj je pri tome prirodno puno prihvatljiviji za primjenu odsinkronog jer su na raspolaganju velike mogućnosti promjena rotorske brzine

3630.11.2011

vrtnje i frekvencije.

Odnosi brzina vrtnje u asinkronom stroju

ns ‐ brzina vrtnje statorskog okretnog polja u odnosu na stator n ‐ brzina vrtnje rotora u odnosu na statorjn0r ‐ brzina vrtnje rotorskog okretnog polja u odnosu na rotor

+n + n0r = ns

3730.11.2011

Osnovne jednadžbe asinkronog motora

Naponska jednadžba statora

ψψ

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= +⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

0 0

0 0as s as as

bs s bs bs

u R id

u R i ψψ

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦0 0

bs s bs bs

cs s cs cs

dtu R i

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤

Naponska jednadžba rotora

Osnovni dvopolni prikaz asinkronog motora

ψψ

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= +⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

0 0

0 0ar r ar ar

br r br br

u R id

u R idt

ψ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦0 0cr r cr cr

dtu R i

R – otpor namotaΨ l č i t k t

3830.11.2011

Ψ ‐ ulančeni tok namota

Osnovne jednadžbe asinkronog motora

Ulančeni tokovi statora

( ) ( ) ( )σψ α α α+ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

as asas s asbs ascs as asar r asbr r ascr r arL L L L i L L L i( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

σ

σ

ψ α α αψ α α α

⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= + + ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥+⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

bs bsas bsbs s bscs bs bsar r bsbr r bscr r br

cs csas csbs cscs s cs csar r csbr r cscr r cr

L L L L i L L L i

L L L L i L L L i

Ulančeni tokovi rotora

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

σ

σ

ψ α α αψ α α α

+⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= + +⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

ar aras r arbs r arcs r as arar r arbr arcr ar

br bras r brbs r brcs r bs brar brbr r brcr br

L L L i L L L L i

L L L i L L L L i( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) σψ α α α

⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥+⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦cr cras r crbs r crcs r cs crar crbr crcr r crL L L i L L L L i

Lasbs – međuinduktivitet (as – namot koji ulančuje tok, bs – namot koji pobuđuje tok)Lσ ‐ rasipni tok namota

3930.11.2011

σ p