Elektrini strojevi

190

1133 ELEKTRINI STROJEVI Model elektrinog stroja Sinkroni strojevi Asinkroni strojevi Strojevi istosmjerne struje Posebne vrste motora

13.1 Naelni model elektrinog stroja Elektrini strojevi pretvaraju jedan oblik energije u drugi na temelju zakona elektromagnetske

indukcije e Blv= ili dtde = , sile na strujom protjecani vodi u magnetskom polju

( )dF I dl B= uuur uur ur i zakona protjecanja l

H dl I= uur uur . Prema zakonu elektromagnetske indukcije napon se inducira giba li se vodi u magnetskom polju (generatori i motori) ili je izloen samo vremenskim promjenama magnetskog toka (transformatori). U motorima se pretvara elektrina u mehaniku energiju pomou sila na strujom protjecane vodie u magnetskom polju. Budui je magnetsko polje neophodno, zakon protjecanja opisuje kako je mogue postii magnetsko polje protjecanjem struje kroz namot (uzbuda), to se koristi u veini strojeva. Primjenu prvospomenutih zakona ilustrira sljedei zadatak: U naelnom modelu elektrinog stroja (prema slici) ravni vodi duine l=0,5 m moe se klizati translatorno po vodljivom okviru u homogenom magnetskom polju indukcije B=0,8 T okomitom na ravninu okvira. Otpor vodia neka je 0,5 , trenje i otpor okvira se zanemaruju, a stalan napon izvora iznosi vS=12 V. Treba nai:

Elektrini strojevi

191

a) brzinu i smjer gibanja vodia u stacionarnom stanju kad na njega ne djeluje opteretna sila Ft (prazni hod),

b) struju izvora pri pokretanju vodia iz mirovanja, c) struju koju daje izvor ako na vodi djeluje opteretna sila 3 N, d) inducirani napon u vodiu u sluaju c), e) brzinu gibanja vodia u sluaju c), f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakoio 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 vodi u sluaju c) i

potrebnu snagu izvora, i) prikaite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i

snaga te korisnosti za opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te veliine za stanja praznog hoda i zakoenja (kratkog spoja).

Pitanja i rjeenje a) brzinu i smjer gibanja vodia 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 odriva je samo ako je vodi zakoen, ali tada na njega djeluje sila, to je suprotno pretpostavkama iz a). Slijedi da se stacionarno stanje za dane uvjete ostvaruje pri konstantnoj brzini. Ako na vodi ne djeluje nikakva sila, za gibanje ne treba ulagati energiju, ostvaruje se idealni prazni hod. Iako je strujni krug zatvoren preko pokretnog vodia, iz F B I l= i Ft=0 slijedi

0i = Struja moe biti nula samo ako prikljuenom naponu izvora vS prema 2. KZ ravnoteu dri inducirani napon e Blv= nastao gibanjem vodia

S 12 Ve v= = Strujni krug prikazuje shema.

Inducirani napon pri brzini vo iznosi ( vr i B

r su okomiti) oe Bv l=

a brzina praznog hoda o12 m30

0,8 0,5 sevBl

= = = Jednakost napona Se v= znai da gornja toka pominog vodia na slici mora biti pozitivna. Vektor v B rr usmjeren je gore pri gibanju udesno, dakle vodi se mora gibati udesno.

Elektrini strojevi

192

b) struju izvora pri pokretanju vodia iz mirovanja, Vodi miruje i ne inducira se protunapon 0, 0v e= = te se napon izvora troi sav na otporu vodia Sv I R= a struja pokretanja (struja kratkog spoja) iznosi S 12 24 A

0,5vIR

= = = c) struju koju daje izvor ako na vodi djeluje opteretna sila 3 N, Sila na vodi kojim tee struja i sila tereta jednake su m t 3 NF F= = Sila na vodi iznosi mF BIl= iz ega se dobiva struja pri optereenju m 3 7,5 A

0,8 0,5FIBl

= = = d) inducirani napon u vodiu u sluaju c), Primjena 2. KZ na strujni krug Sv e IR= + iz ega inducirani napon mora iznositi S 12 7,5 0,5 8,25 Ve v IR= = = e) brzinu gibanja vodia u sluaju c), Inducirani napon nastaje gibanjem vodia e Blv= iz ega je brzina vodia 8,25 m20,625

0,8 0,5 sevBl

= = = f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakoio i struju koju pritom daje izvor, Zakoeni vodi miruje i ne inducira se protunapon 0, 0v e= = , a struju odreuju napon izvora i otpor vodia (struja kratkog spoja jednaka struji pokretanja)

S 12 24 A0,5

vIR

= = = Sila na vodi iznosi m 0,8 24 0,5 9,6 NF BIl= = = g) brzinu u smjeru gibanja pri kojoj bi struja bila jednaka nuli Struja iz izvora bit e nula kad se u vodiu inducira Se v= to se dogaa pri brzini S 12 0 m30

0,8 0,5 se IRv

Bl = = =

Zbog struje iznosa nula, sila na vodi kao i opteretna sila jednake su nuli, dakle ostvaruje se sluaj a). h) rad koji u jedinici vremena ostvaruje vodi u sluaju c) i potrebnu snagu izvora, Koristan rad vodia u jedinici vremena je snaga P=Fv

P=320,625=61,875 W

Na otporu vodia postoji snaga PR=I2R PR=7,520,5=28,125 W Izvor mora pokriti i koristan rad i gubitke u otporu Piz= P+PR=90 W

Elektrini strojevi

193

Za gibanje vodia nasuprot opteretnoj sili 3 N izvor mora u svakoj sekundi pruati energiju od 90 J. i) prikaite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i snaga te korisnosti za

opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te veliine za stanja praznog hoda i zakoenja (kratkog spoja). sila N

brzina v m/s

ind. napon e V

struja iA

korisna snaga P

W

snaga izvora Piz

W

korisnost

izPP

naziv stanja

0 30 12 0 0 0 1 prazni hod 3 20,625 8,25 7,5 61,875 90 0,6875 optereenje6 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 postie se na polovici maksimalne struje i polovici maksimalne brzine i iznosi 72 W (tada vrijedi =0,5). Slijede zakljuci iz ovog primjera koji uglavnom vrijede i za realne sluajeve:

1. Prikljui li se na vodi u magnetskom polju napon, potei e struja i nastat e sila zbog koje se vodi moe poeti gibati ako je nastala sila vea od opteretne. Na tom naelu 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 vodi najvea. 3. Razlika sile na vodi i opteretne sile ubrzava vodi. 4. Stacionarna brzina ostvaruje se kad se izjednae opteretna sila i sila na vodi. 5. U vodiu 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 teko zamisliti primjer razliit od gornjega po tomu to na mjestu izvora stoji otpor troila RT. Pri ulaganju energije u gibanje vodia inducirat e se napon (naelo generatora), krugom e potei struja ovisna o otporu troila i na troilu e se elektrina energija pretvarati u neku drugu korisnu energiju. Naelno se prema takvom modelu ostvaruje elektrini sustav: proizvodnja (generatori) mrea (prijenos) potronja (troila).

Elektrini strojevi

194

13.2 Osnove elektrinih strojeva

Prema namjeni dijele se na generatore, motore i transformatore. Generatori proizvode elektrinu energiju iz mehanike, a motori pretvaraju elektrinu energiju u mehaniku. Transformatori se ubrajaju uvjetno meu elektrine strojeve, jer, iako nemaju pokretnih dijelova, koriste iste zakone i ostvaruju pretvorbu energije, dodue samo oblika, ne i vrste. Pri pretvorbi energije u elektrinom stroju dolazi do gubitaka energije:

- u bakru (zbog prolaza struje kroz omske otpore namota i kontakata), - u eljezu (zbog pojave histereze i vrtlonih struja), - dielektrinih gubitaka (nastaju u izolaciji, zamjetni su tek kod vrlo visokih napona), - mehanikih gubitaka (trenja i ventilacije uslijed gibanja dijelova stroja).

ivotnu dob elektrinog stroja uglavnom odreuje slabljenje izolacijskih svojstava uzrokovano zagrijavanjem.

13.2.1 Princip izvedbe elektrinih strojeva

Elektrini stroj sadri magnetski dio (jezgru od feromagnetskog materijala) i elektrini dio (jedan ili vie namota). Rotacijski elektrini strojevi uobiajeno imaju:

- nepomini stator (eljezna jezgra, namot, prikljuci i kuite), - pomini rotor (eljezna jezgra, namot, klizni kontakti, osovina i ventilator), - zrani raspor izmeu statora i rotora.

Najee se rotor nalazi unutar statora, iako ima i suprotnih izvedbi. Kod nerotacijskih izvedbi pomini dio stroja ostvaruje translacijsko gibanje (npr. linearni motori).

13.2.2 Magnetski krug elektrinih strojeva

Magnetski krug elektrinog stroja ine feromagnetski dijelovi statora i rotora i zrani raspor. Kroz magnetski krug zatvara se glavni magnetski tok (korisni magnetski tok) kojeg zajedniki 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.

a) b)

Sl. 13.1Primjeri magnetskih krugova

etveropolnog strojaa) s istaknutim polovima statorab) s istaknutim polovima rotora

Elektrini strojevi

195

13.2.3 Namot elektrinih strojeva

Namot elektrinih strojeva je skup svih vodia meusobno spojenih po nekom pravilu i smjetenih u (ili na) eljeznu jezgru. Prema smjetaju namot je statorski i rotorski, prema namjeni uzbudni (stvara magnetski tok) i radni ili armaturni (direktno sudjeluje u pretvorbi energije), prema izvedbi koncentrirani (obino uzbudni) i raspodijeljeni (obino radni, ali moe biti i uzbudni). Koncentrirani namot ine svici oko istaknutih polova. Raspodijeljeni se namot realizira svicima uloenima u uzdune statorske i/ili rotorske utore razliitih oblika.

Sl. 13.2Razni oblici utora za

smjetaj namota

13.2.4 Pogonska stanja elektrinih strojeva

Elektrini stroj u primjeni moe biti u trajnom, kratkotrajnom ili isprekidanom (intermitiranom) pogonu. Osnovno pogonsko stanje je optereenje, a njegove krajnosti su pogonska stanja praznog hoda i kratkog spoja. Poevi 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 praktino jednaki gubicima u eljezu:

o Fe0, P P = U kratkom spoju optereenje stroja je najvee, gubici se svode na gubitke u bakru:

2k Cu0, P P I R = = , a zagrijavanje je najvee i postoji opasnost od toplinskog preoptereenja.

Svojstva elektrinih strojeva odreuju odnosi meu elektrinim, magnetskim i mehanikim veliinama koji su esto nelinearni. Osim matematikim modelima ponaanje strojeva rado se prikazuje grafiki, razliitim karakteristikama. Poznatije su ovisnosti momentna (ili vanjska) karakteristika M=f(n) ili njen obrat n=f(M), te meu elektrinim veliinama vanjska karakteristika V=f(I) i unutranja 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 izmjenine struje s brzinom vrtnje ns odreenom brojem pari polova p i frekvencijom f prikljuenog napona prema:

Elektrini strojevi

196

-1s sfnp

= Preteno se koriste kao generatori, te su generatori za napajanje veih elektroenergetskih sustava redovito sinkroni. Rotori sinkronih strojeva izvode se:

- s neistaknutim polovima (turbogeneratori, obino brzohodni s ns>1000 min-1) ili - s istaknutim polovima (hidrogeneratori, obino sporohodni s 60

Elektrini strojevi

197

Sl. 13.4Raspored dvopolnog trofaznog namota

Polazei od izraza za inducirani napon u jednom vodiu:

e B l v= efektivna vrijednost ukupnog induciranog napona jedne faze iznosi:

4, 44E f N=

13.3.3 Sinkroni motor

Armaturni (radni, statorski) namot prikljuuje se na izmjeninu mreu, a uzbudni (rotorski) namot na izvor istosmjerne struje. Brzina vrtnje ns (ili s) je sinkrona i ovisi o frekvenciji mree i broju pari polova prema:

s60 fn

p= [min-1]

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

Sl. 13.5Shema spoja i mehanika karakteristika

sinkronog motora

Iz stanja mirovanja sinkroni se motor moe pokretati

- samostalno i asinkrono ako ima kavezni priguni namot. Tek pri brzini blizu nazivne ukljuuje se uzbuda i rotor uskae u sinkronizam.

- uz stalno odravani sinkronizam pomou izvora promjenljive frekvencije s poetnom frekvencijom nula.

- s posebnim zaletnim motorom. Pri brzini blizu nazivne ukljuuje se uzbuda i rotor uskae u sinkronizam.

Elektrini strojevi

198

Promjena smjera vrtnje motora izvodi se promjenom redoslijeda faza, tj. meusobnom zamjenom bilo koja dva prikljuka motora na trofaznu mreu. Glavne su znaajke sinkronog motora:

- konstantna brzina vrtnje, - vea specifina teina i specifina cijena od asinkronog motora, - ako se preuzbudi moe popravljati faktor snage cos mree na koju je prikljuen, - brzina vrtnje moe 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 statikih pretvaraa s promjenljivom frekvencijom.

13.4 Asinkroni strojevi

Asinkronim strojevima brzina vrtnje razliita 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 naelno uplji valjak sastavljen od tankih (0,5 mm) meusobno izoliranih dinamo limova i smjeten u kuitu motora. Po unutranjim uzdunim utorima raspodijeljeni su svici trofaznog armaturnog namota. Tri poetka i tri kraja faznog namota izvode se na prikljunu kutiju na kuitu. Namot se moe spajati u spoj zvijezda ili spoj trokut.

a) b)

Sl. 13.6

Spoj statorskog

namotaa) zvijezda

b) trokut

Rotor ini valjak paketa limova navuen na osovinu, a rotorski namot smjeten je u uzdunim utorima plata. Prema izvedbi rotorskog namota asinkroni motori mogu biti kliznokolutni (s rotorskim svicima) ili kavezni (s rotorskim vodiima u obliku kaveza). Kliznokolutni asinkroni motor ima rotorski namot izveden po istim naelima kao i statorski. Moe biti spojen u spoj zvijezda ili trokut. Poetak namota svake faze spojen je s kliznim kolutom (bakrenim prstenom). Tri klizna koluta smjetena na osovinu meusobno su i prema osovini izolirana. Po kolutima klize etkice (klizni kontakt) na koje se spaja izvan motora postavljen otpornik (rotorski uputnik) u trofaznom spoju. Otporima rotorskog uputnika moe se mijenjati momentna karakteristika. Kolutni asinkroni motori koriste se za teke uvjete pokretanja, gdje je potreban veliki potezni moment. Tei su, skuplji i osjetljiviji u pogonu od kaveznih asinkronih motora.

Elektrini strojevi

199

Sl. 13.7Shema kolutnog asinkronog

motoraa) detaljnab) tropolna

c) jednopolna

Kavezni asinkroni motor ima za rotorski namot u utore uloene bakrene ili mesingane tapove bono kratko spojene prstenima od istog materijala. Motori malih i srednjih snaga esto imaju kavez od legure aluminija izraen tlanim ili vibracijskim lijevom. Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specifino najlaki i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najee koriteni elektromotor. Broj faza i broj pari polova kaveznog rotora prilagouju se broju faza i broju pari polova statorskog namota.

Sl. 13.8Rotor kaveznog

asinkronog motoraa) izgled

b) vodljivi kavez

13.4.2 Princip rada asinkronog motora

Statorski namot prikljui se na trofaznu mreu, pri emu trofazna izmjenina struja stvori okretno magnetsko polje koje rotira sinkronom brzinom ns. Okretno magnetsko polje presjeca vodie statorskog i rotorskog namota, pa se induciraju naponi E1 i E2. Napon E1 dri ravnoteu s naponom mree, a napon E2 u rotorskom namotu prouzroi struju I2 :

2 22 2 22 2 2

E EIZ R X

= = + Na svaki vodi protjecan strujom u magnetskom polju postoji sila i nastaje okretni moment razmjeran toku i radnoj komponenti rotorske struje: 2 2K cosM I = Smjer djelovanja momenta u smjeru je vrtnje okretnog polja. Brzina vrtnje rotora neto je manja od sinkrone brzine vrtnje okretnog polja. Rotor se uvijek okree asinkrono, po emu je

Elektrini strojevi

200

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

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

ss s

n n nsn n = =

Brzina vrtnje rotora iznosi:

( ) ( )s 1 60 1fn n s sp= = Vrijednosti nazivnog klizanja (klizanja kod nazivnog optereenja) iznose u praksi 2 do 8 %. Motorsko podruje rada (ukljuujui zalet) ogranieno je s dva pogonska stanja: mirovanjem (n=0, s=1) i sinkronizmom (n=ns, s=0). U stanju sinkronizma vodii 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 odrati. 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:

s2 2 11 s

n nf s f f sf n

= = =

13.4.4 Momentna karakteristika asinkronih motora

Momentna (vanjska ili mehanika) karakteristika M=f(n) ili M=f() moe se izraziti i pomou klizanja: M=f(s). Graf na slici 13.9 obuhvaa mogua podruja 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 koenje nastaje pri rotaciji rotora suprotnoj rotaciji okretnog polja (n1). Generatorsko koenje nastaje pri rotaciji rotora broj od rotacije okretnog polja (n> ns, s

Elektrini strojevi

201

Sl. 13.9Vanjska 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 podruju stacionarnog rada brzina vrtnje malo mijenja s momentom optereenja.

Sl. 13.10Vanjska

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 u tM M M= raste brzina rotora i traje zalet. Stacionarna brzina vrtnje dobije se u sjecitu momentne karakteristike motora i momentne karakteristike radnog mehanizma pokretanog motorom. Kod sedlastih karakteristika motora i konstantnog momenta tereta to bi se moglo neeljeno dogoditi na malim brzinama, to treba sprijeiti.

Sl. 13.11Karakteristika momenta motora i

konstantnog momenta optereenja

Snaga, moment i brzina vrtnje povezani su prema:

Elektrini strojevi

202

meh okrs

P PM = = gdje je Pmeh mehanika 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 veliini motora, struja kratkog spoja kree se priblino u granicama: ( )k N3 8I I= Poveanjem brzine vrtnje tijekom zaleta smanjuje se klizanje, inducirani napon i struja pokretanja. Kod pokretanja jednostavnim prikljukom na napon struja pokretanja je velika, a potezni moment relativno mali. Kolutni motori mogu se pokretati ukljuivanjem 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. 13.12Karakteristike momenta i

struje kod pokretanja kolutnog motora

Odgovarajuim otporom uputnika moe se u trenutku pokretanja (n=0, s=1) postii potezni moment jednak prekretnom Mp=Mpr; tada je spr=1. Kod kaveznih motora ne moe se ukljuivati otpor u rotorski krug, no postoje izvedbe kaveznog rotora s efektom potiskivanja struje (skin efekt) sa slinim djelovanjem pri pokretanju kao to je ukljuivanje otpora u rotorski krug. Time se moe znatno poveati potezni moment i smanjiti struja pokretanja. Obina izvedba kaveznih motora moe se pokretati na razliite naine, a glavni su:

- direktno prikljuivanjem na mreu, - pri smanjenom naponu pomou transformatora, statorskog predotpora ili prigunice, - preko statikog pretvaraa napona i frekvencije, - pomou preklopke zvijezda-trokut (Y/).

Elektrini strojevi

203

13.4.6 Namjetanje brzine vrtnje asinkronih motora

Brzina vrtnje asinkronih motora moe se mijenjati: a) Promjenom sinkrone brzine:

- promjenom frekvencije - promjenom broja pari polova

b) Promjenom klizanja - promjenom prikljunog napona - promjenom otpora rotorskog kruga

c) Kaskadnim spojevima.

13.4.7 Jednofazni asinkroni motor

Kod jednofaznog prikljuka stvara se pulzirajue magnetsko polje koje se moe prikazati s dva suprotno rotirajua magnetska polja. Svako rotirajue polje stvara s rotorskim strujama okretne momente u smjeru rotacije polja to 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. 13.13Vanjska 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 postie izvedbom pomone faze s:

a) omskim otporom b) induktivnim otporom c) kapacitivnim otporom

Sl. 13.14Sheme spajanja

asinkronog motora s raznim

otporima pomone faze

Elektrini strojevi

204

Samo uz ukljueni kondenzator mogue je izmeu Ir i Ip dobiti pomak od 90. Pomona faza obino se automatski iskljui nakon zaleta.

13.5 Strojevi istosmjerne struje Strojevi istosmjerne struje (istosmjerni strojevi) elektrini su rotacijski strojevi s istosmjernom strujom u strujnom krugu prikljuaka.

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. 13.15Naelna izvedba i

pojednostavljeni presjek

istosmjernog stroja

Na bakreni kolektor izvedeni su rotorski svici, a izvana po kolektoru kliu vodljive etkice spojene sa stezaljkama u prikljunoj kutiji.

13.5.2 Princip rada

Istosmjerna uzbudna struja (ili permanentni magnet) uzbuuje magnetski tok indukcije B. Ako se rotor pomou vanjske sile odrava u rotaciji, u vodiu duine l (dio armaturnog namota spojen s dvodjelnim kolektorom) koji rotira obodnom brzinom v inducira se napon: e B l v= Prolazei pokraj magnetskih polova vodi (iz slike 13.15) se izlae promjeni indukcije prema slici 13.16. Inducirani napon mijenja se kao indukcija, tj. izmjenian je.

Elektrini strojevi

205

Sl. 13.16Raspored magnetske indukcije u zranom

rasporu i oblik induciranog napona

u vodiu

Napon na etkicama koje miruju je istosmjeran jer se u neutralnoj zoni NZ na dvodjelnom kolektoru (kolektor s dvije lamele) u trenutku promjene smjera ostvari zamjena prikljuaka. Jedan svitak daje pulzirajui napon prema slici 13.17. Vie 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. 13.17Dobivanje

pulzirajueg istosmjernog

napona na etkicama

Ako se na + i stezaljke spojene s etkicama izvana prikljui istosmjerni napon, potei e struja I suprotnog smjera od one kod generatora. Na vodie djeluje sila: F B I l= 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 vodi napusti podruje ispod jednog pola i prijee u podruje drugog, mijenja se smjer magnetske indukcije B kojoj je izloen, ali se istovremeno promijenio i smjer struje u vodiu (djelovanje komutatora s etkicama) 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: EE K n= Pri optereenju istosmjernog stroja u generatorskom radu napon stezaljki V iznosi: A A V E I R V=

Elektrini strojevi

206

a u motorskom se prikljueni napon V troi na padove napona na etkicama V, pad napona na armaturnom otporu IARA, te na inducirani napon E razmjeran brzini: A A V E I R V= + + Ukupni moment razmjeran je struji armature i uzbudnom toku prema: M AM K I=

13.5.4 Vrste uzbude istosmjernih strojeva

Nezavisna (strana) uzbuda ostvaruje se prikljukom 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 sloena (mjeovita, kompaundna) uzbuda. Vrsta uzbude ima odluujui utjecaj na momentnu karakteristiku istosmjernog stroja. Nezavisna i poredna uzbuda slino djeluju na svojstva stroja.

13.5.5 Motori istosmjerne struje

Smjer vrtnje istosmjernih motora moe 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 vodi protjecan strujom M AM K I= , II Kirchhoffov zakon A AV E I R= + , zakon elektromagnetske indukcije EE K n= .

a) b) c)

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

armature 2 prejak utjecaj reakcije armature

Elektrini strojevi

207

Istosmjernom nezavisnom i porednom motoru brzina vrtnje moe se mijenjati promjenom predotpora, promjenom napona i smanjivanjem uzbude (za brzine iznad nazivne), pa se taj motor susree u pogonima sa potrebnim estim 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 prikljuci ili samo armature ili samo uzbude. Promjena polariteta na prikljucima motora ne mijenja smjer vrtnje.

13.6 POSEBNE VRSTE MOTORA Osnovne vrste elektrinih motora najire koritene u elektromotornim pogonima su sinkroni, asinkroni i istosmjerni motori. U preko 150 godina razvoja za razne posebne namjene pojavilo se mnogo inaica osnovnih vrsta s posebnim nazivima. Osobito su raznovrsne u podruju malih i sitnih motora, te one povezane s elektronikim upravljakim sklopovima. Ovdje se prikazuju najvanije meu njima.

13.6.1 Beskolektorski (brushless DC) motori

Unato svom imenu, beskolektorski ili bezetkasti 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 znaajkama, koje najblie odgovaraju istosmjernom (DC) motoru s nezavisnom uzbudom. Armaturni namot, najee trofazni, napaja se iz izvora s frekvencijom povezanom s frekvencijom rotacije rotora. Izvor promjenljive frekvencije sadri DC/AC pretvornik (invertor, s elektronikim sklopkama) koji istosmjerni napon pretvara u izmjenini. Kako bi kroz svitke armaturnog namota protjecale struje potrebnog iznosa i smjera, elektronike sklopke invertora upravljaju se pomou podataka o poloaju rotora.

a) b)

Sl. 13.19 Naelna graa DC motora

a) kolektorskog b) beskolektorskog

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

Elektrini strojevi

208

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

Sl. 13.20Djelovanje invertora i

pripadni naponi na

fazama Realizacija invertora ostvaruje se pomou bipolarnih tranzistora na mjestu sklopki.

13.6.2 Korani (step) motori

Korani motori (KM) u biti su sinkroni motori. Rotor koranog 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 koranih motora: s promjenljivom reluktancijom (magnetskim otporom), s trajnim magnetom i hibridni (sa svojstvima prethodnih). Smjer vrtnje moe se mijenjati promjenom impulsnog slijeda, brzina rotacije promjenom frekvencije impulsa, a prijeeni broj koraka (kut) ovisi o ukupno pristiglom broju impulsa. Rotor se moe i drati u eljenoj kutnoj poziciji. Kut pogreke po koraku vrlo je malen i ne akumulira se. Statorski namot je viefazni, a jednu fazu ine svi vodii namota spojeni u cjelinu.

Slika 13.21 Naelni prikaz osnovnih vrsta

koranih motoraa) reluktantni

b) s trajnim magnetomc) hibridni

Reluktantni korani motor ima rotor iz mekog eljeza s brojem polova (zubi) razliitim od broja polova statora. Openito broj polova (zubi) rotora treba biti takav da jednom polu statora ne pripada cijeli broj zubi rotora. U suprotnom sluaju dolo bi u mirovanju do "lijepljenja" rotora i motor se ne bi mogao okretati.

Elektrini strojevi

209

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

o o o o

o opS pR

S R

360 360 360 36045 602 8 2 6p p

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

o o opR pS 60 45 15 = = = Korani motori s trajnim magnetima postiu vee snage i momente od reluktantnih. Nizanje polariteta na svicima u koracima 1-2-3-4-1-... prema slici 13.22 prouzroit 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 elektronikim generatorom impulsa. Prema izboru programa postie se eljeni smjer i odreena brzina vrtnje, ili samo odreeni zakret rotora i njegovo dranje u dovedenoj kutnoj poziciji.

a)

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

b)

Slika 13.22Uzbuda za korani motor

a) oblici napajanjab) tablini prikaz

polariteta napajanja faza za dva ciklusa

13.6.2.1 Napajanje koranih motora

Korani se motori izvode najee kao dvofazni, no susreu se i izvedbe s tri, etiri, pa i pet faza. Istovremeno se moe uzbuivati ili samo jedna ili vie faza. Istovremenom uzbudom dviju faza postie se vei moment, a kombiniranje jednofazne i dvofazne uzbude omoguuje i polukorak, ime se ukupni broj koraka po okretu udvostruuje.

13.6.2.2 Svojstva i primjena koranog motora

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

Elektrini strojevi

210

Meu nedostatke mogu se ubrojiti relativna sporost (u usporedbi sa servomotorima), preciznost ograniena iznosom koraka, utitravanje u poziciju, visoki gubici, pri nekim brzinama pojava rezonancije te mogunost preskoka koraka (npr. kod udarnih optereenja). Korani motori koriste se za precizno i brzo pozicioniranje mehanikih sustava koji zahtijevaju pomake u odreenim koracima, npr. automatska kontrola filma pri njegovom automatskom razvijanju, fokusiranje kamera, usmjeravanje antena, pogon pisaa, satni pogon. iroko se koriste u brodskim ureajima, u medicinskim ureajima, u raunalskoj tehnici, u numeriki 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 najee koritenim malim motorima.

13.6.3 Reluktantni motori

Reluktantni motori su najjednostavniji i najjeftiniji elektrini strojevi koji omoguuju rad s promjenljivom brzinom i mogu se promatrati kao beskolektorski motori bez trajnog magneta. Naelo djelovanja ovog motora prikazuje slika 13.23 a). Magnetski otpor (reluktancija) magnetskog kruga koji se sastoji samo od eljeza i zranog raspora mijenja se ovisno o kutnom poloaju rotora. Kad se strujom zavojnice pobudi statorsko polje, na rotor djeluje moment traei poloaj najmanje reluktancije. Nalazi ga kad je kut magnetskih osi statora i rotora jednak nuli. Tada moment postaje jednak nuli i rotor staje u ravnotenom poloaju. Tom poloaju s najmanjom reluktancijom pripada i minimum pohranjene energije u sustavu. Ako se pretpostavi harmonika uzbudna struja I=Im sin(t), srednji moment na rotor razliit od nule razvit e se samo ako je m = gdje je m kutna brzina rotora. Srednji moment je razmjeran 2sr M ok sin (2 )M I = gdje je o kut rotora pri t=0 i najvei je pri o=45.

Sl. 13.23Reluktantni motor

a) naelo djelovanjab) naelna izvedba

a) b) Tipina izvedba prema slici 13.23 b) s nacrtanim svicima za samo jedan par polova slina je koranom reluktantnom motoru. Razlika je u tomu to je ovaj motor predvien za

Elektrini strojevi

211

kontinuiranogibanje i zahtijeva povratnu vezu poloaja rotora (poloaj rotora odreuje koja e faza biti uzbuena), dok se faze koranog motora napajaju iz nezavisnog izvora impulsa te upravljaju koranim 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 tono odreenima ovisno o meusobnom poloaju rotorskih i statorskih polova. Brzinu rotora pritom odreuje frekvencija struja statorskih zavojnica, a reluktantni moment je pulzirajui. Reluktantni se motori izrauju za dvije, tri (esto) ili vie faza. Vei broj faza daje jednoliniji moment i olakava 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 rauna 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 prikljuenog napona, jer se pritom promijeni i smjer uzbudnog polja i smjer struje u armaturnim vodiima. To upuuje na mogunost da se kolektorski motor sa serijskom uzbudom napaja izmjeninim naponom i razvija moment stalnoga smjera u oba poluvala. Motori koji se grade na tom naelu nazivaju se univerzalni motori. Kako se i stator izmjenino magnetizira, potrebno ga je lamelirati kao i rotor da se izbjegnu prekomjerni gubici uslijed vrtlonih 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 runim alatima, domainskim aparatima i slinim ureajima za povremeno koritenje kojima treba vea brzina. Uz iste okolnosti moment je pri istosmjernom napajanju vei nego kod izmjeninog.

Sl. 13.24Momentne karakteristike

univerzalnog motoraa) pri AC i DC napajanju

b) pri raznim naponima

a) b) Brzina se obino mijenja promjenom prikljuenog izmjeninog napona, to se danas lako izvodi kontinuirano pomou trijaka i diskontinuirano serijskim spajanjem diode. Diskontinuirano se brzina moe mijenjati i promjenom broja zavoja uzbudnog namota npr. preklapanjem izvoda. Nedostaci su uglavnom povezani s kontaktom etkice-kolektor: potreba odravanja, elektromagnetske smetnje, visoka razina buke i vibracija. Moment je znatno pulzirajui, to u predvienim primjenama posebno ne smeta. Kako se izvode u velikom broju, razmjerno su jeftini.