Električne mašine i uređaji

Predavač: Evgenije AdžićKancelarija: F blok (stari pravni), sprat 3, br. 306

e-mail: evgenije@uns.ac.rsKonsultacije (2014.): ponedeljak 13h-14h

četvrtak 16h-17h

Uvod• Analiziraju se mašine za jednosmernu struju, asinhrone i

sinhrone mašine.• Pristup izlaganju:

– Osnovna uloga i funkcije mašine,– Princip rada i elementi konstrukcije mašina,– Karakteristike električnih i mehaničkih delova mašine,– Određivanje matematičkih modela, zamenskih šema i

mehaničkih karakteristika (stacionarna stanja),– Tehnike formiranja namotaja i projektovanja

magnetskog kola su ostavljane za dalje usavršavanje.• Potrebna predznanja:

– Matematika, fizika i osnovi elektrotehnike,– Osnovni zakoni kretanja (obrtno i translatorno kretanje),– Elektromehaničko pretvaranje energije (energije i sile

elektrostatičkog i magnetskog polja).• Dobijena znanja - osnova elektroinženjerima u fazi

projektovanja sistema i eksploatacije električnih mašina

Način ocenjivanja

• Predispitne obaveze– Prisustvo na predavanjima: 10%– Prisustvo na vežbama: 10%– Aktivno učešće na predavanjima i vežbama: 10%

• Ispit– Mogućnost polaganja preko kolokvijuma:

• Prvi kolokvijum: 30%• Drugi kolokvijum: 40%

– Ispit: 70%• Zahteva se da oba dela (prvi i drugi kolokvijum)

budu ravnopravno zastupljena

Energetski pretvarači i električne mašine

• Električne mašine su energetski pretvarači, koji pretvaraju jedan vid energije u drugi.

• Energetski pretvarači pretvaraju:– Mehanički rad u električnu energiju (i obratno),– Sistem sa jednosmernim strujama u sistem sa naizmeničnim

strujama,– Električnu energiju jednog sistema napona i struja u energiju

drugog sistema, itd.

Obrtni energetski pretvarači

• Električne mašine koje pretvaraju električnu energiju u mehanički rad nazivaju se električnim motorima.

• Mašine koje pretvaraju mehanički rad u električnu energiju nazivaju se električnim generatorima.

• Mehanički rad se najčešće javlja u vidu obrtnog kretanja –obrtni energetski pretvarači (obrtne električne mašine).

• Proces pretvaranja električne energije u mehanički rad i obratno naziva se elektromehanička konverzija.

• Energetski transformatori su električne mašine koje nemaju pokretnih delova.

• U okviru predmeta izučavaju se obrtne električne mašine.

Statički energetski pretvarači

• Njihov rad nije baziran naelektromagnetskoj sprezi niti nasprezanju strujnih kola uz pomoćmagnetskog kola.

• Sadrže poluprovodničke prekidače ipoznati su pod imenom uređajienergetske elektronike (energetskikonvertori, konvertori snage).

• Primer: diodni ispravljač sa četiri diodespojene u most. Napajan naizmeničnimnaponom daje napon koji imajednosmernu komponentu. Vršipretvaranje električne energije sistemasa naizmeničnim strujama u električnuenergiju sistema sa jednosmernimstrujama.

Značaj i primena električnih mašina• Elektromehaničko pretvaranje ima ključnu ulogu i značaj

u proizvodnji i upotrebi električne energije.• Električni generatori proizvode električnu energiju (trofazni

sinhroni generatori)• Motori su potrošači koji značajan deo električne energije

pretvaraju u mehanički rad (industrija: strugovi, prese, valjaonice, glodalice, roboti, ventilatori, bušilice itd.; domaćinstva: klimatizacija, frižideri, veš mašine, mikseri itd.; transport: železnica, gradski saobraćaj, el.automobili).

Osnovni principi rada

• Elektromehaničko pretvaranje energije ostvaruje seprimenom različitih principa fizike.

• Rad el. mašina se oslanja na magnetsko polje koje sprežestrujna kola i pokretne delove mašine.

• Osnovni fizički zakoni koji određuju elektromehaničkopretvaranje energije u mašinama su:– Faradejev zakon elektromagnetne indukcije, definiše

vezu promene magnetskog fluksa i indukovane elektromotornesile,

– Amperov zakon, opisuje stvaranje magnetskog polja odstrane provodnika sa električnom strujom,

– Lorencov zakon, određuje silu koja deluje na pokretnanaelektrisanja (struju) u magnetskom polju, i

– Kirhofovi zakoni, daju vezu napona i struja u strujnimkolima, kao i veze flukseva i magnetopobudnih sila umagnetskim kolima.

• Uzajamna veza između električne struje i magnetnog polja data jeAmper-ovim zakonom, koji se može izraziti u različitim oblicima,gde je H jačina magnetnog polja (A/m), B magnetna indukcija(T), J gustina struje kroz površinu S koja obuhvata provodnik(e)sa strujom, Ienc (poznata još kao magnetomotorna ilimagnetopobudna sila F) ukupna jačina struje koja prolazi krozpovršinu S određenu zatvorenom putanjom C:

Osnovna predznanja – Amperov zakon

• Magnetni fluks Φ, kroz datu površinu S:

Osnovna predznanja – pojam magnetskog fluksa

• Faradejev zakon elektromagnetne indukcije, prema kojemvremenski promenljivo magnetno polje kroz stacionarni namotajili vremenski konstantno polje u pokretnom namotaju indukujeelektro-motornu silu (napon) na njegovim krajevima:

Osnovna predznanja – Faradejev zakon elektromagnetne indukcije

• Promene fluksa u strujnim kolima dovodi do indukovanjaelektromotorne sile. Faradejevim zakonom se može objasnitigeneratorski rad električnih mašina.

Osnovna predznanja, osnovni koncepti

• Generatorski princip rada električnih mašina jednostavno možeobjaniti prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije:napon se indukuje u provodniku koji preseca magnetni fluks. Akose provodnik dužine l kreće brzinom v kroz uniformno magnetnopolje indukcije B, na krajevima provodnika indukovaće se napone:

Osnovna predznanja – Lorencov zakon

• Provodnik dužine l, sa strujom I, u magnetnom polju indukcije(gustina magnetnog fluksa) B. Na provodnik deluje sila F,određena Lorenc-ovim zakonom.

• Električne mašine rade na principu interakcije između provodnikasa strujom i elektromagnetnog polja. Amperovim zakonom za siluse može objasniti motorski rad električnih mašina.

Osnovna predznanja – Lorencov zakon

Analogija magnetskih i električnih kola – magnetska reluktansa

• Hopkinsov zakon – omogućava da se za dato magnetsko kolokreira analogna struktura u vidu električnog kola. EkvivalentOmovom zakonu za električna kola.

• Omov zakon određuje napon u na krajevima otpornosti kaoproizvod struje i kroz taj otpor i otpornosti R, kao u=R*i.

• Slično, Hopkinsov zakon definiše magnetski potencijal Fm kaoproizvod magnetkog fluksa Ф u magnetskom kolu i tzv.magnetske reluktanse Rm, tj. Fm= Ф*Rm. Važi za linearnamagnetska kola.

Fluksni obuhvat i induktivnost namotaja

• Fluksni obuhvat se odnosi na iznos fluksa obuhvaćenog jednimnamotajem. Svaki navojak nekog namotaja vidi magnetski fluksФ, što znači da ceo namotaj vidi fluksni obuhvat jednak proizvodubroja navojaka i fluksa Ф.

• Član je poznat kao induktivnost namotaja L (jedinicaHenri, H). Stoga se veza fluksnog obuhvata namotaja i struje kroztaj namotaj za linearna magnetska kola može prikazati sledećomjednačinom:

Saturacija (zasićenje) magnetskog kola

• Magnetska reluktansa gvožđa nije konstantna kako se povećavagustina magnetskog fluksa. Kada gustina fluksa prilazi vrednostioko 2T (Tesla) javlja se značajno povećanje magnetske reluktansegvožđa (saturacija, zasićenje).

REVERZIBILNOST RADA ELEKTRIČNIH MAŠINA

ELEKTRIČNA MAŠINA JE ZATVOREN ALI PRISTUPAČAN FIZIČKI OBJEKAT U KOME SE ODIGRAVA PROCES ELEKTROMEHANIČKE KONVERZIJE ENERGIJE.

M

ω

W

MEH R EL ~

U

I

R=GEN

R=MOT

−

PROCES PRETVARANJE ENERGIJE NEMINOVNO JE PRAĆEN SA GUBICIMA.

PRIMARNA MEHANIČKA

ENERGIJA

ELEKTR. ENERGIJA

ISKOR. ENERGIJA

TOPLOTA

GU- -BI- -CI

W

PRINCIPSKI SASTAV ROTACIONE ELEKTRIČNE MAŠINE.STATOR I ROTOR

N1

ωmeh

St

N2

M

R

Fe fz

•UPOTREBOM FEROMAGNETNOG JEZGRA POSTIGNUTA JE BOLJA SPREGA NAMOTAJA, •VEĆA GUSTINA ENERGIJE PO JEDINICI MASE MAŠINE.

KOEFICIJENT KORISNOSTI I GUBICI

1

2PP

SNAGAULAZNASNAGAIZLAZNA

==η

KOEFICIJENT KORISNOSTI ELEKTROMOTORA

11

PPg−=η

KOEFICIJENT KORISNOSTI GENERATORA

gPPP+

=2

2η

ŠTA ČINI SNAGU GUBITAKA?

ELEKTRIČNI GUBICI. Snaga gubitaka u namotajima usledproticanja struje izazvane opterećenjem.

2IRPg ⋅=

MAGNETNI GUBICI. Gubici usled vrtložnih strujai histerezisa. Nastaju u gvožđu mašine. Ne zavise odpostojanja struje opterećenja.

MEHANIČKI GUBICI. Gubici trenja i ventilacije.

GUBICI U GVOŽĐU.

Feromagnetno jezgro je lamelirano.

HISTEREZIS

B

H HH

B B B

HISTEREZIS

GUBICI U GVOŽĐU.

( )hisvshisvsFe ppmPPP +⋅=+=

Gubici usled histerezisa su nekoliko puta veći odgubitaka usled vrtložnih struja (izuzimajući hipersil).

xhishis Bfkp ⋅⋅=

ρδ 222 Bfkp vs

vs⋅⋅⋅

=

Lim je karakterisan uz krivu magnećenja i sa:

Ukupnim gubicima u gvožđu pri B=1T i 50Hz i debljini δ: FeP

Odnosima:Fe

vsvs P

Pp =Fe

hishis P

Pp =

GUBICI U GVOŽĐU.

Lim je karakterisan uz krivu magnećenja i sa:

Gubici u gvožđu i mehanički gubici predstavljaju gubitkepraznog hoda. Pokrivaju se iz pogonske mašine ugeneratorskom režimu rada, a iz električnog izvora umotorskom režimu.

Sl.2.9.02. - Šeme energetskog bilansa za stacionarno (ustaljeno) stanje. Smer strujanja energije je od gore (P1 je snaga iz izvora) nadole ka korisnicima (P2). Energija trovrsnih gubitaka se odvaja udesno. (a) je — motorski proces rada, a (b) za generatorski.

ENERGETSKI BILANS – stacionarno stanje

GEN

Pel

MOT PCu

PFe

Pgmeh

Pg

P1

P2 Pel Pmeh

Pmeh

Pgmeh

PFe

PCu

INDUKTOR OBEZBEĐUJE MAGNETNI FLUKS (OSNOVNI DEO) U MAŠINI.

INDUKT I INDUKTOR

Stator Rotor

Indukt Induktor

EL.ROTACIONE MAŠINE

INDUKT JE DEO MAŠINE U KOME SE INDUKUJE ELEKTROMOTORNA SILA.

INDUKT I INDUKTOR

SL.2.2.03. – INDUKTOR (MAGNETNI POLOVI, POBUDNI DEO) MAŠINE JEDNOSMERNE STRUJE JE NA STATORU, A INDUKT (ARMATURA) NA ROTORU.

2 1

N

S

2

1

S

S

N N

INDUKT JE PROTICAN ZAJEDNIČKIM FLUKSOM,

INDUKTOR UKUPNIM.

INDUKT I INDUKTOR

SL.2.2.04. – INDUKTOR MAŠINE NAIZMENIČNE STRUJE (SINHRONE) JE NA ROTORU, A INDUKT NA STATORU.

2 1

1 2

N

S

S N

N

S

Namoti induktora izvode se uobičajeno kao koncentrisani namoti.

Completed “big hydro” salient pole synchronous rotor for highcentrifugal force at over-speed, 14 poles

Source:

VATech Hydro, Austria

Dove tail fixation of rotor poles

“Cooling fins” by increased copper width

Damper ring

Damper retaining bolts

Rotor back iron

Rotor spider

Generator shaft

INDUKT I INDUKTOR

CILINDRIČNI DVOPOLNI ROTOR. INDUKTOR

N

S

1 2

N

S

S N

N

S

MPS (strujno proticanje) je praktično skoncentrisano u jedan veliki žleb između dva pola. KONCENTRISANA POBUDA

MPS (strujno proticanje) može biti i raspodeljena u veći broj žlebova. RASPODELJENA POBUDA

INDUKT I INDUKTOR

Namoti indukta izvode se uobičajeno kao raspodeljeni namoti.

Sl.2.2.09. Skica navojka smeštenog u žlebove feromagnetnog kostura. Strelice pokazuju smerove indukovanih napona u aktivnim delovima provodnika, tj.u stranicama navojka.

e

BOČNA VEZA

L

BOČNA VEZA

e

Iza ovog prikaza krije se:

e

E=6×e

e e e e e

Sl.2.2.10. – Skica konture-SEKCIJE od tri navojka ili šest “provodnika”, tj. šest aktivnih strana.

Da bi se povećala vrednost EMS veže se više navojaka na red i dobije SEKCIJA. Ulaže se u jedan par žljebova.

Inserting of impregnated form wound coils in the stator slotsof a synchronous hydro generator with high pole count

Source:

VATech Hydro, Austria

Ventilation duct

Tooth

Slot

Massive iron

clamping finger

Pressing plate

1st layer

2nd layer

winding overhang

IMPREGNACIJA NAMOTAJA:-Električna izolacija:-Mehanička čvrstoća-Poboljšano odvođenje toplote

N

RASPODELA POLJA KONCENTRISANE POBUDE

UTICAJ OBLIKA POLA NA RASPODELU INDUKCIJE

Na oblik indukcije u vazdušnom zazoru kod isturenih polova može se uticati formiranjem dužine procepa ispod pola.

Ako želimo postići prostoperiodičnu vremensku zavisnost EMS, mora se obezbediti sinusna raspodela indukcije u zazoru mašine.

ŠEMATSKO PRIKAZIVANJE I INDUKOVANI NAPON

PROSTORNA RASPODELA MAGNETNOG POLJA U VAZDUŠNOM ZAZORU SE PRESLIKA U VREMENSKU ZAVISNOST INDUKOVANE EMS

INDUKOVANA ELEKTROMOTORNA SILA

INDUKOVANA ELEKTROMOTORNA SILA U PROVODNICIMA

KOLIKA JE INDUKOVANA EMS AKO PROVODNIKE SPOJIMO U NAVOJAK?

INDUKOVANA ELEKTROMOTORNA SILA INDUKOVANA ELEKTROMOTORNA SILA U NAVOJKU

KOLIKA JE INDUKOVANA EMS NAVOJAKA SPOJENIH NA RED?

Isto i za sekciju samo figuriše broj navojaka.

INDUKOVANA ELEKTROMOTORNA SILASaberimo EMS provodnika iz različitih žlebova.

11 E=E

α−= 22 EE

α233 −= EE

Npπα 2

=

q1qz E...EE +++<+++= 21 ...2 EEEE

″EMS žleba ″

Sl. 5.8. Dijametralni (prečnički) navoj

TETIVNI NAVOJNI SAČINILAC

Žlebovi u koje je smešten navojak leže pod uglom od π/p tj. leže na istom dijametru-prečniku u dvopolnom prikazu.

y- širina navojkaτp-polni korak

Sl. 5.9. Skraćeni (tetivni) navoj

p

ykτ

= Skraćenje ili prikrata

TETIVNI NAVOJNI SAČINILAC

Korak namotavanja umesto širine navojka.

Kada navojak ne bi bio skraćen u njemu bi se indukovao ipeti harmonik napona.

TETIVNI NAVOJNI SAČINILAC

Skraćenje koraka za 1/5 rezultuje potpunom eliminacijom 5-og harmonika. Može se generalizovati zaključak.

Pustiti: ind_phase.htm

TESLINO OBRTNO POLJE

Fa

60ºel

Fb Fc

Dobija se kao rezultanta tri pulzaciona polja:

TESLINO OBRTNO POLJEDok struje obrazuju trofazan naizmenični sistem:

( )tIi ma ωcos⋅=

−⋅=

32cos πωtIi mb

−⋅=

34cos πωtIi mc

( )tINFFFF mcbarez ωα −⋅=++= cos23

t

Fa Fb Fc

2π

F

0

1

π/6

3π/6

5π/6

7π/6

9π/6

1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

0, 2π

1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

π/6 2π/6 1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

3π/6

1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

5π/6 1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

7π/6 1

2 3

3a

1a

2a

1

2

3

9π/6

TESLINO OBRTNO POLJE

TESLINO OBRTNO POLJE

Pustiti: sinmovie.avi

Pustiti: ind_3phase.htm

TESLINO OBRTNO POLJE

Trofazne struje u tri fazna namotaja stvaraju rezultantnu MPS u zazoru koja kao da potiče od stalnog magneta koji se obrće u prostoru.

Pustiti film: 14momo.avi

Pustiti film: Leblan.avi