3.ENOSMERNI STROJ 3.1.Sestavni deli enosmernega strojaStator enosmernega stroja sestoji iz statorskega jarma, iz masivnega eleza in izraenih polov z vzbujalnim navitjem, ki predstavljajo elektromagnet za ustvarjanje potrebnega magnetnega pretoka. Statorski jarem slui za sklepanje fluksa in kot mehanska nosilna konstrukcija. Glavni poli se spodaj razirijo v polove evlje zato, da objemajo im veji obod rotorja. Na gred je nabit rotorski elezni paket iz dinamo ploevine (bolj vrste). Na zunanjem obodu ima rotor utore za kolektorsko navitje. Rotirajoi del stroja imenujemo tudi kotva ali armatura. Bistveni sestavni del kotve je kolektor ali komutator. Kolektor je sestavljen iz segmentov elektrolitskega bakra, ki so sestavljeni v obliki obroa. Segmenti so medsebojno in proti masi izolirani. Po kolektorju drsijo nepremine etke.

1-ohije statorja,1ajarem statorja, 2-glavni pol, 2aploevina glavnega pola, 3-navitje glavnega pola, 4-pomoni pol, 4a-ploevina pomonega pola, 5-navitje pomonega pola, 6-gred rotorja, 7-rotorski paket, 8-navitje kotve (armature), 9-komutator (kolektor), 9a-pesto, 9b-lastoviji rep z izolacijo, 10-sornik dral etk, 11-drala etk, 12-etke, 13-ventilator, 14-vijaki za pritrditev leajnih itov, 15,16leajna ita, 17,18-odprtine za vstop in izstop zraka, 19,20-leaja, 21-glave navitja, 22-bandaa navitja rotorja, 23-utorski klini, 24-nosilec glave navitja, 25-tlani prstan, 26-noga stroja, 27-pritrdilne izvrtine.

3.2.Osnovni princip delovanja enosmernega strojaEnosmerni stroj je v bistvu pretvornik energije. e pretvarja mehansko energijo v elektrino energijo enosmerne napetosti, je to potem enosmerni generator, e pretvarja elektrino energijo v mehansko, dobimo enosmerni motor.

3.2.1.Enosmerni stroj kot generator.

1

e obravnavamo enosmerni stroj kot generator in za laje razumevanje vzamemo namesto navitja zanko ali ovoj iz prevodnega materiala in ga vrtimo v konstantni magnetni gostoti, se bo v njem inducirala izmenina napetost rotacijske frekvence trenutne vrednosti. eov=2ep=2BLv Smer te napetosti doloimo po pravilu desne roke. V osnovi se v zanki inducira izmenina napetost. etka odvzema s kolektorja napetost izmenoma iz police 1, nato iz palice 2, toda vedno iz palice, ki je pod istim magnetnim polom, tako da dobimo na etkah enosmerno napetost. Kolektor je torej mehanski usmernik.

Napetost med etkama je sicer enosmerna, vendar zelo valovita. Da bo napetost med etkama enakomerneja, vzamemo namesto enega ovoja ali zanke ve ovojev, katerih ravnine so druga proti drugi premaknjene za doloen kot. Konce teh ovojev prikljuimo na posamezne kovinske lamele, ki jih mora biti toliko kot je zank.Vse morajo biti med seboj in proti gredi dobro izolirane in sestavljajo nekak kovinski valj, ki ga imenujemo kolektor ali komutator. Naloga kolektorja je, da izmenino napetost, ki e se inducira v navitju rotorja, usmeri v enosmerno. Usmerjene napetosti v posameznih ovojih so sicer spet valovite, vendar je med etkama enakomerna enosmerna napetost.

3.2.2.Enosmerni stroj kot motor.e elimo, da enosmerni stroj deluje kot motor, moramo na etki prikluiti enosmerno napetost. Pri tem tee tok v obratni smeri kot pri generatorju, ki je obremenjen, namre od k +. Na palici ovoja deluje sila, katere smer doloimo po pravilu leve roke. Za velikost sile na tokovodnik velja enaba: F=BLI (N)

2

Ker ima tuljava dve stranici, dobimo par sil, ki ustvarita vrtilni moment (navor): M=FD/2+FD/2=FD Rotor se bo zavrtel. Vrtilni moment pade na ni, ko prideta polici v nevtralno cono. V primeru, da vztrajnost zavrti rotor preko nevtralne cone, prideta polici v polje nasprotne smeri, toda ker se istoasno spremeni smer toka, obodna sila dri smer, prav tako tudi vrtilni moment. V palicah ovoja se inducira rezalna napetost, katere velikost je premosorazmerna z gostoto magnetnega pretoka, dolino palice in hitrostjo. Pri tem moramo upotevati tisto komponento hitrosti, ki je pravokotna na silnice. Pri konstantni hitrosti ovoja se v njem inducira sinusna napetost. Najvejo inducirano napetost Eovm dobimo, ko je t=90 E ovm=2Bvl . efektivna vrednost te napetosti je za 2 manja od maksimalne vrednosti Eov=2Bvl ; eov=2Bvlsint Palica ena je vedno prikljuena na drsni obro ena. Pa njem drsi etka ena, ker je ta palica enkrat po severni, drugi pod junim magnetnim polom, odvzemamo na etkah sinusno napetost.

3.3.Navitja enosmernih strojevVsak stroj na enosmerni tok ima dve glavni navitji. To sta navitje kotve (indukta) in vzbujalno navitje.

3.3.1.Navitje kotveJe nameeno v utorih rotorja. V njih se inducirajo napetosti ter teejo toki kotve. 3.3.1.1.Izvedbe rotorskega navitja a) Zankasto navitje: Teoretino je mogoe izvesti navitje pri vsakem tevilu utorov Q, pri poljubnem tevilu stranic tuljav na plast v utoru u in za poljubno tevilo polovih parov. e elimo imeti stroj z dobrimi lastnosti, veljajo za izvedbo navitja doloena pravila.Tako loimo simetrina in nesimetrina navitja, ter kriana in nekriana navitja. Loimo e enohodna, dvohodna in vehodna navitja,kakor tudi stopniasta od normalnih, nestopniastih navitij. Navitje je simetrino, e ima identino geometrijsko in magnetno silo pod vsemi polovimi pari. Tak stroj ima v pogonu bolje lastnosti.

3

Slika predstavlja primer zankastega navitja. Na levi sliki je prikazano nekriano navitje. Na desni sliki pa je prikazano kriano navitje

Zankasto navitje je enohodno, e je rezultirajoi korak navitja 1 ali (1).V tem primeru smo vse utore e izpolnili z navitjem, ko smo rotor obli le enkrat. Pri tem se je navitje le enkrat sklenilo vase. Zankasto navitje je dvohodno, e je rezultirajoi korak navitja 2 ali (2). V tem primeru smo z enkratnim obhodom rotorja z navitjem izpolnili le vsak drugi utor, pri emer se je navitje enkrat sklenilo vase. Da bi z navitjem izpolnili e ostale utore, moramo rotor obiti e enkrat (2. hod), pri emer se tudi drugi del navitja sklene vase. e bi bil rezultirajoi korak navitja 3 (ali 3), bi bilo zankasto navitje trihodno itd.

b) Valovito navitje Izvedbo valovitega navitja nam prikazuje spodnja slika. Na njej vidimo, de se z vezalnim korakom ne vraamo, ampak napredujemo v smeri koraka tuljave. Posamezna veja navitja je sedaj pod vsemi poli. Pri zankastem navitju je posamezna veja le pod enim polom. Pogoji simetrije so sedaj drugani, ker je posamezna veja pod vsemi poli.

S takim nainom navijanja veemo zaporedno vse tiste tuljave, ki so druga od druge oddaljene za razdaljo enega polovega para. Vse te tuljave imajo proti polom enak ali vsaj priblino enak poloaj.

4

Pri valovitih navitjih z ve vzporednimi vejami, torej z ve vase zakljuenimi navitji, nastanejo pasovi vzporednih vej z razlinimi potenciali. Ko prislonimo na povrino kolektorja etke, nastanejo med vzporednimi vejami potencialne razlike, ki so odvisne od prehodne upornosti etk. Ker so prehodne upornosti etk odvisne od razlinih vplivov, med drugim tudi od ohmske upornosti posameznih vzporednih vej, niso konstantne in se spreminjajo. Zardi tega se spreminjajo tudi obremenitve posameznih vzporednih tokokrogov, kar ima za posledico mono segrevanje tistega dela navitja, ki je preobremenjen in poveano iskrenje med etkami. Da se tem nevenostim izognemo, namestimo izravnalne vode. Ti naj spajajo tiste toke navitja, ki imajo pri simetrinih razmerah v stroju enake potenciale. Ker lahko neprijetne nesimetrije pod etkami povzroijo tudi padci napetosti v navitju, je dobro, e izravnalne vode namestimo tudi pri enohodnih valovitih navitjih z dvema vzporednima vejama, kjer se navitje le enkrat zakljui vase. Zaradi podobnih vzrokov kot pri zankastih navitjih lahko tudi valovita navitja izvedemo v stopniasti izvedbi. 3.3.2.Vzbujalno navitje Vsak stroj za enosmerni tok ima glavno vzbujalno navitje. Tuljave glavnega vzbujalnega navitja so nameene na jedrih glavnih magnetnih polov v statorju stroja na enosmerni tok. Naloga glavnega vzbujalnega navitja je, da vzbuja glavni magnetni pretok, ki je za obratovanje strojev za enosmerni tok neogibno potreben. Tuljave glavnega vzbujalnega navitja imajo lahko razline oblike. Tuljave glavnega vzbujalnega navitja morajo biti med seboj povezane tako, da imajo sosednji magnetni poli nasprotno polariteto. Da se polariteta magnetnih polov ne spreminja, moramo glavno vzbujalno navitje napajati s tokom enosmerne napetosti. Razen glavnih vzbujalnih navitij, ki vzbujajo glavni magnetni pretok, imajo stroji na enosmerni tok e druga vzbujalna navitja. To sta predvsem pomono ali komutacijsko navitje, navito na pomonih ali komutacijskih magnetnih polih, in kompenzacijsko navitje, navito v utori na polovih evljih. 3.4.Prazni tek Stroj je v praznem teku, ko ga vzbujamo in se rotor vrti, ni pa bremenskega toka. V stroju je samo vzbujalni fluks, ki ga imenujemo glavni fluks g in se sklepa v vzdolni smeri. rafirana povrina je sorazmerna fluksu g. tam magnetnega pretoka enaka ni je nevtralna cona. kjer je gostota

5

3.5.Reakcija kotve Stroj na enosmerni tok, ki je v praznem teku. To pomeni, da vodijo tok le ovoji vzbujalnega navitja, med tem ko so ovoji rotorskega navitja brez toka. V praznem teku se prek rotorja sklene le glavni magnetni pretok g, katerega silnice so v zrani rei med polom in obodom rotorja skoraj enakomerno porazdeljene. e stroj za enosmerni tok obremenimo (na sponke generatorja prikljuimo porabnike elektrinega toka, oziroma na gred motorja prikljuimo delovni stroj), bo priel tei tok tudi skozi navitje rotorja, ki bo v rotorju vzbudil nov magnetni pretok.Ta rotorski magnetni pretok ima pravokotno smer na glavni magnetni pretok. Zato ta rotorski magnetni pretok imenujemo preni magnetni pretok ali reakcija kotve. Reakcija kotve ima svojo najvejo vrednost na mestih, kjer se v vodnikih menja smer toka, svojo najmanjo vrednost pa ima na sredini med vodniki. Zrana rea vzdol oboda rotorja ni konstantna. Ker je zrana rea med dvema poloma zelo velika v primerjavi z zrano reo pod enim ali drugim polom, je magnetna gostota med poloma mono manja od sorazmerne trikotnike oblike, saj se v prostoru med poloma mono povea magnetna upornost. Tako dobi krivulja magnetne gostote Bp reakcije kotve med poloma sedlasto obliko. Os reakcije kotve poteka skozi obe etki na kolektorju. Ko sta etki v nevtralni legi, je os reakcije kotve pravokotna na os glavnega magnetnega pretoka. Tako se pri obremenjenem stroju razvijeta dva magnetna pretoka, ki ne nastopata vsak zase, temve le kot rezultantni magnetni pretok r. Os tega rezultantnega magnetnega pretoka obremenjenega stroja za enosmerni tok se od osi glavnega magnetnega pretoka premakne za doloen kot . Torej se premakne tudi nevtralna os ali nevtralna cona, ki je vedno pravokotnica na magnetni pretok skozi rotor, za enak kot od osi, v kateri leita etki, oziroma iz lege, ki jo ima nevtralna cona neobremenjenega stroja. Pri generatorju se nevtralna cona premakne v smer vrtenja rotorja. Kot premika nevtralne cone bo tem veji, im veja bo reakcija kotve. Reakcija kotve pa bo veja, e bo skozi rotorsko navitje tekel veji tok oziroma e bo stroj moneje obremenjen. Na zgoraj

6

prikazanih treh slikah je razvidno kako se deformira razporeditev magnetne gostote vzdol oboda rotorja, e je stroj za enosmerni tok obremenjen. Pod enim robom polovega evlja se gostota magnetnega pretoka povea, pod drugim pa se zmanja. Zato se v tistih ovojih kotvinega navitja, ki leijo v obmoju poveane magnetne gostote, inducirana napetost povea. V drugih ovojih navitja, ki leijo v obmoju zmanjane magnetne gostote pa se inducirana napetost zmanja. V navitju kotve se pri obremenitvi stroja zaradi reakcije kotve inducira torej neenaka napetost. Zaradi poveane inducirane napetosti v doloenih ovojih rotorskega navitja se povea tudi napetost med lamelama, vezanima na ta ovoj. e je napetost med lamelama veja od 50 do55 V, nastane med lamelama iskra, ki se pri hitrem vrtenju rotorja spremeni v kroni ogenj, ki ge povrino kolektorja. Zato je nujno potrebno stroje za enosmerni tok dimenzionirati tako, da med katerima koli lamelama na kolektorju ne nastane veja napetost od 35 V. Poleg iskrenja povzroa reakcija kotve e eno nevenost: slabi namre glavni magnetni pretok, ki prodira s pola na pol in se zakljuuje prek rotorja. Najenostavneji ukrep za prepreitev iskrenja je, da premaknemo etki za enak kot v smer, kot se je premaknila nevtralna cona. Reakcija kotve tako nima ve pravokotne smeri na glavni magnetni pretok. e reakcijo kotve razstavimo na dve komponenti ( x in y), vidimo, da ima njena komponenta v vzdolni smeri nasprotno smer od glavnega magnetnega pretoka, in ga zato razreduje. V drajih izvedbah strojev na enosmerni tok prepreimo reakcijo kotve a in vse njene posledice s kompenzacijskim fluksom komp. Ustavimo ga s kompenzacijskim navitjem v utorih polovih evljev glavnih polov. Skozi to navitje tee bremenski tok v obratni smeri kot skozi rotorsko navitje. Kompenzacijsko navitje je prikljueno zaporedno z rotorjem. etke niso premine. S kompenzacijskim fluksom komp kompenziramo reakcijo kotve a v podroju glavnih polov ne pa v sredini rotorja. 3.6.Komutacija 3.6.1.Komutacija pomeni spremembo smeri toka v tuljavici. Med obratovanjem stroja za enosmerni tok drsita etki po vrteem se kolektorju. Pri prehodu etke z ene lamele kolektorja na drugo nastopi komutacija. as tega prehoda imenujemo komutacijski as, tuljavica, ki je vezana med navedenima lamelama, pa se imenuje komutirajoa tuljavica. Ko stroj za enosnerni tok obremenimo, komutirajoa tuljavica ne lei ve v nevtralni coni, kot pri praznem teku, saj se nevtralna cona zaradi reakcije kotve premakne. Tudi ni ve v obmoju, kjer je glavni magnetni pretok enak ni, temve je pri generatorju ostala v obmoju pola,

7

kjer je bila pred komutacijo, pri motorju pa preide v obmoje sosednjega magnetnega pola. Nao razlago bomo osredotoili na stroj, ki dela kot generator. Zato se v komutirajoi tuljavici e naprej inducira rezalna napetost (Ui= B . l . v), ki ima isto smer, kot jo je imela napetost v tuljavici pred komutacijo. Ker se v komutirajoi tuljavici soasno spreminja e smer toka, se v njej zaradi tega dodatno inducira e napetost lastne indukcije. Obe inducirani napetosti poeneta skozi s etko kratko sklenjeno komutirajoo tuljavico kratkostini tok Ik. Ko etka v celoti preide na sosednjo lamelo, se kratkostini tok prekine. Kratkostini tok pa ne pade na vrednost ni takoj, temve premosti prekinjeni tokokrog z elektrinim lokom oziroma iskro. Iskra nastane pod tistim robom etke, ki ga kolektorska lamela zapua.

Iskrenje se lahko spremeni v kroni ogenj, ki pokoduje ali etke ali kolektor, saj se raziri po vsem obodu kolektorja.

3.6.2.Barve isker Obseg nevarnosti iskre lahko ugotovimo e po njeni barvi. Najmanj nevarne so majhne, okrogle, modrikasto bele ali rdekaste iskrice, ki so posledica razsutega ali stresanega magnetnega pretoka. Te navadno ne pokodujejo kolektorja. Zelo nevarne pa so iskre, ki izpod izhodnega roba etk naravnost brizgajo. Te iskre povzroajo dalje elektrine loke, hitro nagrizejo kolektor ter lahko pokodujejo tudi drsno ploskev etk. e so take iskre rumenkaste barve, je vzrok za njihov nastanek elektrine narave. Zelenkasto bele iskre pa so po veini posledice mehanskih

8

vzrokov in so zelo nevarne, saj v tem primeru e zgorevajo bakrene kolektorske lamele. 3.6.2.1.Mehanski vzroki Te vzroke iskrenja je mogoe iskati predvsem v mehanskih nihanjih etk (poskakovanje etk na kolektorju). Ta nihanja lahko povzroajo kolektor, drala etk in etke same; vzrok pa je lahko tudi kaken zunanji dejavnik (delovni stroj, ki ga poganja motor na enosmerni tok). Mehanina nihanja lahko povzroa kolektor zaradi negladke in neiste povrine, izrabljenosti, vibracij, ekscentrinosti glede na os vrtenja, trlee izolacije med lamelami kolektorja. etke so lahko vzrok mehanskih nihanj z naslednjimi napravilnostmi: premajhen pritisk etk ali nepravilna smer pritiska etk na povrino kolektorja, slabo vodenje etk v dralih za etke, izrabljenost drsne povrine etk, hrapavost drsne povrine etk, ki jo povzroa prah ali neisto okolje v katerem stroj deluje. 3.6.2.2.Elektrini vzroki K tem vzrokom iskrenja pritevamo vpliv upornosti kontaktne povrine med ogleno etko in bakreno kolektorsko lamelo. Upornost te kontaktne povrine ni linearna, temve je odvisna od gostote in smeri toka od snovi etke, temperature, vlage, atmosferskega pritiska itd. Iskrenje zaradi navedenih vzrokov je posledica uporovne komutacije. Prav tako pritevamo k elektrinim vzrokom iskrenje, ki nastane zaradi napetosti lastne indukcije. Iskrenje zaradi teh vzrokov je tudi bolj kritino. Napetost lastne indukcije nastane v komutirajoi tuljavi zaradi hitre spremembe toka, ki menja smer +I na I preko vrednosti 0. Napetost lastne indukcije eli v tuljavi obdrati nespremenjeno stanje, zato se tok v komutirajoi tuljavi ne menja linearno. Od vrednosti +I do 0 tok dalj asa pada kot od0 do vrednosti I. sprememba toka od 0 do I nastane torej v zelo kratkem asu, kar povzroi na izhodnem robu etke veliko tokovno gostoto, ki povzroa mono iskrenje.

Nekoristen vpliv napetosti lastne indukcije uniujemo z vgraditvijo pomonih ali komutacijskih magnetnih polov. Napetost lastne indukcije v komutirajoi tuljavici moramo uniiti. To doseemo z nekim fluksom, ki bo v komutirajoi tuljavici induciral enako veliko vendar nasprotno usmerjeno napetost. V ta namen imajo enosmerni stroji pomone (komutacijske pole) 9

med glavnimi poli. Ti imajo z velikim prerezom in malo ovoji skozi katere tee bremenski tok-je zaporedno vezano s kotvo oziroma kolektorjem. Smer toka v tem navitju mora biti taka, da ima fluks pomonih polov ( p) enako smer kot kompenzacijski fluks komp. Pomoni poli s svojim fluksom ne uniijo samo napetosti lastne indukcije v komutirajoi tuljavici, temve pomaga izboljati e preostalo reakcijo kotve v sredini rotorja. 3.7.Obratovalna stanja in tipi strojev za enosmerni tok Stroj za enosmerni tok lahko obratuje kot generator ali kot motor, kar smo ugotovili e v prejnjih poglavjih. Vendar e pri konstrukciji doloimo, ali bo stroj generator ali motor. Pri generatorskem obratovanju poganja poseben pogonski stroj rotor stroja za enosmerni tok. Zato se v navitju kotve, ki se giblje v magnetnem polju magnetnih polov, inducira napetost Ui, ki se pojavi tudi na sponkah generatorja in poganja enosmerni tok obremenitve. Tako stroj prine proizvajati enosmerno elektrino energijo, in ga zato imenujemo generator za enosmerni tok. Pri motorskem obratovanju dovajamo elektrino energijo iz vira ali omreja enosmerne napetosti v navitje kotve stroja. Zaradi medsebojnega delovanja toka v rotorskem navitju in magnetnega pretoka magnetnih polov nastane v stroju vrtilni moment M, ki povzroa vrtenje rotorja. Tako stroj za enosmerni tok lahko prine poganjati kak delovni stroj, in ga zato imenujemo motor na enosmerni tok. Lastnosti strojev za enosmerni tok so odvisne od tega, v kaknem odnosu je magnetni pretok magnetnih polov z obremenitvijo stroja. Pri tem razlikujemo tiri vrste strojev za enosmerni tok. To so: glavnovezni, stranskovezni, kompaundni (dvojno vezni), ter stroji s tujim vzbujanjem. 3.7.1.Glavnovezni stroj Ima vzbujalno navitje, ki je navito na polovih jedrih in vezano zaporedno z navitjem kotve ali rotorja. Tako tee skozi obe navitji isti tok tok obremenitve oziroma bremenski tok Iob (Ivzb = Iob). Ker ima bremenski tok veliko jakost, mora vzbujalno navitje imeti malo ovojev debele ice. Pri glavnoveznem stroju se magnetni pretok glavnih magnetnih polov z obremenitvijo spreminja v premem sorazmerju (e ne upotevamo zasienja magnetnega kroga stroja). 3.7.2.Stranskovezni stroj Ima vzbujalno navitje vezano vzporedno z navitjem kotve. Zato skozi vzbujalno navitje tega stroja tee le nekaj odstotkov celotnega bremenskega toka. Zaradi tega je navitje izvedeno iz mnogo ovojev tanke ice. Pri tem stroju je magnetni pretok polov dosti manj odvisen od obremenitve.

10

3.7.3.Kompaundni stroj Ima na magnetnih polih dve vzbujalni navitji. Eno je vezano zaporedno, drugo pa vzporedno z navitjem kotve. Lastnosti tega stroja so odvisne od razmerja jakosti vzbujanja v obeh vzbujalnih navitjih. e sta obe vzbujalni navitji vezani tako, da se njuni magnetni polji jaita, je vzbujanje kompaundno. e pa si magnetni polji enega in drugega vzbujalnega navitja nasprotujeta, je tako vzbujanje protikompaundno. Glavnovezne, stranskovezne in kompaundne stroje vzbuja njihov lastni tok, zato jih imenujemo samovzbujalni stroji. Pri strojih s tujim vzbujanjem pa napajamo vzbujalna navitja magnetnih polov iz kakega tujega vira enosmerne napetosti. Zato je vzbujalni tok Ivzb neodvisen od toka v navitju rotorja, torej je vzbujanje neodvisno od obremenitve stroja. Da brez teav ugotovimo vrsto stroja, moramo sponke rotorskega navitja, vzbujalnih in pomonih navitij ter sponke regulatorjev in zaganjalnikov oznaevati. 3.7.3.1.Oznaevanje sponk navitij Glede na to, da veljajo za oznaevanje sponk navitij priporoila IEC, so vse sheme za generatorje in motorje oznaene po teh priporoilih. Po starih pravilih so veljale drugane oznake. Ker je e precej strojev oznaenih po starih pravilih, so v tabeli prikazane stare in nove oznake za oznaevanje sponk navitij.

3.8.Generatorji za enosmerni tok Napetust U na sponkah obremenjenega generatorja je manja od inducirane napetosti E za notranji padec napetosti, ki ga povzroi bremenski tok na upornostih tistih navitij po katerih tee. Razen tega pride do padca napetosti med etkami in kolektorjem, ki je praktino pri vseh obremenitvah enak in znaa za dve etki okoli 2V. U = E I g n U R

11

Rn notranja upornost: Rn=Rkol+Rkomp+Rpp+Rvzbgl U 2V V praznem teku je I=0 in U0=E. Generator v praznem teku oddaja najvejo napetost. Pri veanju obremenitve pa se napetost na sponkah zmanjuje. 3.8.1.Vrste generatorjev za enosmerni tok 3.8.1.1.Generator s tujim vzbujanjem Vezalna shema generatorja s tujim vzbujanjem je prikazana na spodnji sliki.

Njegovo vzbujalno navitje napajamo s tujim virom enosmerne napetosti. Ta vir je lahko akumulatorska baterija ali kak drug generator na za enosmerni tok, ki ga v tem primeru imenujemo vzbujalnik. Za generatorje s tujim vzbujanjem je znailno, da se njihovo vzbujanje ne spreminja glede na obremenitev stroja in da z doloeno toleranco lahko to velja za inducirano napetost. Napetost na sponkah generatorja U pa se pri naraanju obremenitve stroja zaradi naraanja notranjega padca napetosti ( Un = Iob . Rk) mono znia. Zaradi tega generatorja s tujim vzbujanjem skoraj nikoli ne uporabljamo kot samostojni stroj. Uporablja se kot napajalni generator pri Leonardovem agregatu, kjer je za obseno regulacijo tevila vrtljajev motorja na enosmerni tok potrebna velika sprememba napetosti. Napetost na sponkah generatorja s tujim vzbujanjem lahko reguliramo s spreminjanjem upornosti v vzbujalnem tokokrogu (z regulatorjem napetosti t-s). 3.8.1.2.Samovzbujalni generatorji za enosmerni tok Za samovzbujanje generatorjev za enosmerni tok je potrebno, da imajo njihovi magnetni poli nekaj remanentnega magnetizma. Ob zagonu generatorja se mora zaradi remanentnega magnetizma v navitju rotorja 12

inducirati majhna napetost, ki poene po tuljavah vzbujalnega navitja majhen vzbujalni tok Ivzb . Ta tok nekoliko okrepi magnetizem magnetnih polov, kar ima za posledico poveanje inducirane napetosti ( Ui = B . l . v) v navitju rotorja ali kotve. Poviana inducirana napetost poene po vzbujalnem navitju veji vzbujalni tok, ki magnetizem magnetnih polov e bolj okrepi in ves proces se ponavlja tako dolgo, da napetost na sponkah generatorja dosee njegovo nazivno napetost. Vsi elektrini generatorji morajo biti tako konstruirani, da pri normalni obremenitvi obratujejo tik nad kolenom magnetilne krivulje. Na tem mestu generator ni preve obutljiv na trenutne spremembe obremenitve, ostane pa e vedno monost za potrebno uravnavanje napetosti generatorja, ki naj pri razlinih obremenitvah ostane konstantna. 3.8.1.2.1.Glavnovezni generator za enosmerni tok Zaradi remanentnega magnetizma, se pri glavnoveznem generatorju e v praznem teku inducira majhna napetost Uo. Ko generator obremenimo, napetost praznega teka Uo poene skozi kotvino navitje tok Iob, ki je pri tem generatorju soasno tudi vzbujalni tok Ivzb, saj je vzbujalno navitje vezano zaporedno z navitjem kotve. Tako prine naraati magnetna gostota B magnetnih polov po magnetilni krivulji. Ker pa je inducirana napetost neposredno odvisna od magnetne gostote (prvi indukcijski zakon Ui = B . l . v), tudi sama prine naraati po enaki krivulji. Tok obremenitve povzroa v rotorskem in vzbujalnem navitju padca napetosti. Zaradi zaporedne vezave obeh navitij se oba padca napetosti setevata v tako imenovani notranji padec napetosti Un.. ( Un = Iob . (Rk + Rvzb)). Notranji padec napetosti se z obremenitvijo spreminja v premem sorazmerju in zmanjuje inducirano napetost. To pomeni, da je napetost v navitju rotorja manja za notranji padec napetosti (U = U i Un). Karakteristika generatorja nam prikazuje, kako se napetost na sponkah generatorja spreminja v odvisnosti od obremenitve. Napetost na sponkah generatorja U je pri veji obremenitvi glavnoveznega generatorja veja, pri manji obremenitvi pa manja. e se obremenitev generatorja poveuje, napetost na njegovih sponkah kar

13

naraa. Zato pravimo, da ima glavnovezni generator za enosmerni tok naraajoo karakteristiko. Glavnovezni generator ima zelo velik tok kratkega stika Ik. Zato ob kratkih stikih lahko pride do magnetnega zasienja, kar ima za posledico, da inducirana napetost ne naraa ve. Ker kratkostini tok povzroa velik notranji padec napetosti, napetost na sponkah glavnoveznega generatorja, v primeru kratkega stika mono pade. Da to nevenost prepreimo, moramo s posebnim regulatorjem (drsni upor t-s) ob kratkem stiku premostiti vzbujalno navitje. Tako kratkostini tok ne tee v celoti po vzbujalnem navitju ter je vzbujanje zato manje. Zaradi navedenih lastnosti glavnoveznega generatorja ne uporabljamo za splono napajanje omreij enosmernega toka. Uporabljamo ga le v primerih, ko se obremenitev ne spreminja. 3.8.1.2.2.Stranskovezni generator za enosmerni tok Vzbujalni tok Ivzb tega generatorja stee pod vplivom inducirane napetosti. Ker je vzbujalno navitje stroja vezano vzporedno z navitjem kotve, tee skozenj le del celotnega toka obremenitve. Zaradi precej konstantnega vzbujalnega toka je tudi magnetna gostota konstantna in tudi inducirana napetost v navitju rotorja se zato mnogo ne spreminja in je priblino konstantna

Tudi napetost na sponkah stranskoveznega generatorja U se le malo spremeni, ko obremenitev naraste do nazivne vrednosti. e pa se obremenitev stroja povea ez nazivno vrednost, se napetost na sponkah mono znia zaradi mono poveanega notranjega padca napetosti. Da bi ostala napetost konstantna na sponkah generatorja tudi v primerih poveane obremenitve uporabljamo regulator napetosti t-s. Z njim zmanjamo upornost vzbujalnega tokokroga oziroma poveamo jakost vzbujalnega toka. S tem pa se povea vzbujanje oziroma se zvia inducirana napetost.

Tudi v praznem teku stransko veznega generatorja se moramo posluevati regulatorja napetosti. Pri praznem teku ko tok obremenitve ne tee in je notranji padec napetosti enak 0, nastane namre na sponkah tega stroja napetost Uo, ki je enaka 14

inducirani napetosti (Ui = Uo). Tako je ogroena izolacija navitja rotorja stroja. Zato moramo pri praznem teku zmanjati inducirano napetost, kar storimo z vkljuitvijo celotne upornosti regulatorja napetosti. S tem se zmanja vzbujalni tok oziroma vzbujanje kar ima za posledico nijo inducirano napetost. Regulator napetosti torej rabi za znianje napetosti na sponkah generatorja v praznem teku oziroma za uravnavanje napetosti na sponkah generatorja, e je obremenjen prek nazivne obremenitve. Sicer pa ima stranskovezni generator glede na vezavo navitij lastnosti, da se napetost na njegovih sponkah zelo malo spreminja kljub spremenljivi obremenitvi. Zato uporabljamo stranskovezne generatorje za enosmerni tok najve za napajanje omreij enosmernega toka, za polnjenje akumulatorjev, kot vir enosmerne napetosti na vozilih itd. 3.8.1.2.3.Kompaundni ali dvojnovezni generator za enosmerni tok Dvojno vzbujalno navitje uporabljamo zato, da ostane napetost na sponkah generatorja U pri razlinih obremenitvah imbolj stalna. Pri poveani obremenitvi se namre zaradi glavnoveznega navitja napetost nekoliko zvia in obratno. Zato moramo obe vzbujalni navitji pravilno dimenzionirati.

Tudi pri komaundnem generatorju lahko kot pri stranskoveznem z regulatorjem napetosti to reguliramo na ustrezno viino glede na obremenitev stroja. Zaradi stalne napetosti na sponkah pri razlinih obremenitvah se kompaundni generatorji uporabljajo za napajanje omreij za razsvetljavo in motorske pogone ter za napajanje voznih omreij elektrinih eleznic.

e uporabljamo ta generator kot varilni generator, moramo predvideti monost za omejitev toka kratkega stika, s katerim dejansko varimo. To omejitev naj enostavneje opravimo s protikompaundiranjem. 3.8.2.Vzporedno obratovanje generatorjev za enosmerni tok Generatorje veemo vzporedno takrat, ko omreje potrebuje vejo mo, kot je nazivna mo enega generatorja. e je potrebno na omreje, ki e 15

obratuje, vzporedno prikljuiti e en generator, moramo novi generator najprej pognati s strojem na nazivno tevilo vrtljajev in ga vzbujati tako, da dobi na sponkah enako napetost, kot je napetost omreja. ele za tem smemo generator prikljuiti na omreje. Vzporedno lahko obratujejo le tisti generatorji, ki imajo pri razlinih obremenitvah kolikor toliko stalno napetost. Zaradi naraajoe karakteristike glavnovezni generatorji ne morejo obratovati. Vzporedno pa lahko obratujejo stranskovezni in kompaundni generatorji za enosmerni tok, vendar tudi pri njih nastopijo doloene teave, ki jih je treba reiti. Skupna obremenitev se porazdeli na oba generatorja tako, da prevzame veji del obremenitve generator s tro karakteristiko (bolj polona). Pri dvojnoveznih kompaundnih generatorjih je mono vzporedno delovanje le e sta glavnovezni ali serijski vzbujalni navitji obeh generatorjev povezani z izenaevalnim vodom. Trenutno poveanje tevila vrtljajev moneje obremenjenega generatorja, bi povealo njegov bremenski tok in s tem tudi vzbujalni tok. Zaradi tega bi se drugi generator e bolj razbremenil. V skrajnosti je lahko prvi generator mono preobremenjen, drugi generator pa se spremeni v motor.izenaevalni vod povzroi, da se skupni bremenski tok porazdeli na serijski in vzbujalni navitji obeh generatorjev. 3.9.Motorji na enosmerni tok 3.9.1.Napetostne razmere Bremenski tok tee skozi motor od +k . Pritisnjeni napetosti U dri ravnoteje inducirano napetost E in notranji padec napetosti. U=E+I*Rn+2U Padec napetosti na etkah bomo zanemarili, saj znaa 2U okoli 2V. Stroj deluje kot motor, e je tevilo vrtljajev rotorja takno, da je inducirana napetost manja od prikljuene napetosti. e tevilo vrtljajev poveamo tako, da je E veji od U je iz motorja nastal generator in smer toka se obrne. 3.9.1.1. Zunanja delovna karakteristika Delovna karakteristika kae odvisnost tevila vrtljajev od bremenskega navora M.U = k e n + I Rn n= I Rn U ke ke

P =M = E I P = 2 n M = ke I n I= n= 2 M ke 2 Rn U M k e ( k e ) 2

3.9.2.Vrste motorjev na enosmerni tok 16

Glede na to, da lahko dela vsak generator kot motor in obratno, veljajo za motorje enake sheme kot za generatorje. Pri enaki smeri vrtenja in generatorja se menjajo le smeri tokov na sponkah. 3.9.2.1.Motor na enosmerni tok s tujim vzbujanjem Vzbujalno navitje napaja tuj vir enosmerne napetosti. Moment stroja je odvisen od jakosti magnetnega pretoka , ki ga vzbudi vzbujalni tok Ivzb, in od jakosti toka Ik, ki tee skozi kotvino navitje: M = k . . Ik [Nm]

Karakteristika motorja je prikazana na spodnji sliki. Krivulja a prikazuje odvisnost tevila vrtljajev motorja n za primer, da se obremenitev stroja spreminja, magnetni pretok pa je ves as trajanja obremenitve konstanten ( Iob konst., Ivzb = konst.). V tem primeru se vrtilna hitrost zmanjuje, e obremenitev motorja naraa. tevilo vrtljajev motorja pri razlinih obremenitvah ostane konstantno (kar prikazuje zgornja krivulja b), e se sorazmerno z inducirano napetostjo Ui spremeni tudi magnetno vzbujanje. To lahko ugotovimo tudi po obrazcu:

n=

U 2 Rn M [min-1] k e ( ke ) 2

Vzbujanje magnetnih polov pa lahko spreminjamo z drsnim uporom s-t v vzbujalnem tokokrogu. V primeru, da se magnetni pretok zmanjuje hitreje kot inducirana protinapetost Ui, tevilo vrtljajev naraa z naraanjem obremenitve (kar prikazuje zgornja krivulja c). V tem primeru tevilo vrtljajev motorja presee nazivno vrednost, kar pa ni ugodno. V normalnih primerih obratovanja se pri spremembah obremenitve tevilo vrtljajev motorja mono spreminja. Torej je motor na enosmerni tok s tujim vzbujanjem med obratovanjem nestabilen. Zato ga kot samostojen stroj zelo redko uporabljamo. Najpogosteje se uporablja pri Leonardovih agregatih kot motor, ki mu z zunanjimi vplivi spreminjamo vrtilno hitrost v velikem obsegu. 3.9.2.2.Samovzbujalni motorji na enosmerni tok 17

3.9.2.2.1.Glavnovezni motorji na enosmerni tok Zaradi zaporedne vezave tee skozi vzbujalno navitje celotni tok obremenitve (Ivzb = Iob), zato je vzbujalno navitje iz manjega tevila ovojev debele ice. Magnetni pretok magnetnih polov naraa s tokom obremenitve po magnetilni krivulji. V linearnem delu magnetilne krivulje se magnetni pretok spreminja premosorazmerno s tokom obremenitve. Vrtilni moment glavnoveznega motorja se v linearnem podroju magnetne karakteristike spreminja s kvadratom toka: M = k . I2 [Nm], kjer je k neka konstanta.

To pomeni, da se pri kvadratnem toku obremenitve moment povea za tirikrat, pri trikratnem toku za devetkrat itd. tevilo vrtljajev motorja n je odvisno od spremembe magnetnega pretoka, in sicer je ta odvisnost obratnosorazmerna:

2 Rn U M [min-1] ke ( ke ) 2 e upotevamo, da se magnetni pretok spreminja s tokom obremenitve premosorazmerno, se zato tevilo vrtljajev motorja spreminja s tokom obremenitve obratnosorazmerno. To pomeni, da bo tevilo vrtljajev motorja pri veji obremenitvi manje, pri manji obremenitvi pa veje. Ker pri naraajoi obremenitvi tevilo vrtljajev motorja pada, pravimo, da ima glavnovezni motor padajoo karakteristiko. n=

Odvisnost magnetnega pretoka , momenta m tevila vrtljajev motorja n od toka obremenitve Iob nam prikazuje karakteristika. e na omreje enosmernega toka prikljuimo neobremenjen glavnovezni motor, naraste tevilo vrtljajev ez najvejo dopustno vrednost. Pri tem lahko nastopi velika centrifugalna sila, ki povzroi, da se rotor motorja razleti. To imenujemo pobeg motorja oziroma pravimo, da motor uide. 18

Zato glavnoveznega motorja na enosmerni tok ne smemo nikoli prikljuiti na omreje neobremenjenega. Ob normalni obremenitvi ima ta motor normalno tevilo vrtljajev. e se obremenitev motorja povea, se njegova vrtilna hitrost zmanja in obratno, kar je razvidno tudi iz zelo mehke karakteristike motorja. Te motorje izkljuno uporabljamo za elektrino vleko. 3.9.2.2.2.Stranskovezni motor na enosmerni tok Zaradi vzporedne vezave vzbujalnega navitja tee skozenj zelo majhen vzbujalni tok. Zato je vzbujalno navitje grajeno iz velikega tevila ovojev tanke ice. Tok obremenitve je pri stranskoveznem motorju vsota kotvinega in vzbujalnega toka (Iob = Ik + Ivzb).

e je motor prikljuen na omreje s stalno napetostjo U, bo na isto napetost prikljueno tudi vzbujalno navitje. Zaradi tega bo vzbujalni tok motorja tudi stalen in prek rotorja se bo zakljueval skoraj konstanten magnetni pretok, ki vzdruje skoraj konstantno tevilo vrtljajev motorja ne glede na to, ali je motor obremenjen s stalno ali s spremenljivo obremenitvijo ali pa je celo v praznem teku. To nam prikazuje tudi karakteristika stranskoveznega motorja, na kateri je razvidno, da se pri naraanju obremenitve vrtilna hitrost motorja zelo malo spreminja. Pri motorjih velikih moi se pri poveani obremenitvi zmanja tevilo vrtljajev za priblino 3 do 5%, pri motorjih manjih moi pa za nekoliko ve , tudi tja do 12%.

n=

2 Rn U M ke ( ke ) 2

Moment motorja se spreminja premosorazmerno z obremenitvijo (M = k . . I). V praznem teku je koristni moment motorja enak 0, ko pa obremenitev naraa, naraa tudi vrtilni moment motorja. Za razliko od glavnoveznega motorja stransko vezni v praznem teku ne uide, zaradi konstantnega magnetnega pretoka, ki ga v magnetnih polih vzbudi stalen tok stranskoveznega navitja. Motor bi uel le v primeru, e bi bilo vzbujalno navitje napano prikljueno. Torej lahko stranskovezni motor obratuje tudi v praznem teku, pri emer je njegovo tevilo vrtljajev skoraj konstantno od praznega teka pa tja do polne obremenitve.

19

3.9.2.2.3.Kompaundni motor na enosmerni tok Za vzbujanje tega motorja potrebujemo enako kot pri kompaundnem generatorju, dve vzbujalni navitji.

Zato so v lastnostih kompaundnega motorja zdruene lastnosti glavnoveIz = U Ra

U = ke n + I Rn

znega in stranskoveznega motorja. e prevladuje vpliv zaporednega vezanega navitja, je karakteristika mehkeja (krivulja c), kar pomeni, da se tevilo vrtljajev motorja z obremenitvijo moneje spreminja. e pa prevladuje vpliv vzporedno vezanega motorja, postaja karakteristika motorja tra (krivulja a, b) in se vse bolj pribliuje karakteristiki stranskoveznega motorja na enosmerni tok. Iz tega sledi, da lahko pri kompaundnem motorju doseemo razline karakteristike, kar je odvisno od jakosti vpliva enega in drugega vzbujalnega navitja oziroma konstrukcije stroja. V praznem teku ima kompaundni motor tevilo vrtljajev n o, ki je odvisno od magnetnega pretoka stranskoveznega navitja. Zato neobremenjen ta motor ne uide. Uel bi le v primeru, e bi se stranskovezno navitje pretrgalo ali e bi bilo napano prikljueno. tevilo vrtljajev motorja v praznem teku no, ki je nekako osnovno tevilo vrtljajev, lahko nastavljamo z magnetnim regulatorjem s-t. 3.9.3.Zagon enosmernih motorjev Predpostavimo, da je na vzbujen stranskovezni motor v trenutku vklopa pritisnjena polna napetost. Pri tem vemo, da je takrat inducirana napetost enaka ni. Pritisnjeni napetosti torej dri ravnoteje le padec napetosti v tokokrogu kotve. V trenutku vklopa nastane zelo velik tokovni sunek. Vrednost zagonskega toka oziroma toka kratkega stika doloa enostavna enaba: I z =U . Ra

Pri glavnoveznem je treba vrednosti za upornost kotve Ra priteti e upornost vzbujalnega navitja. V praksi najvekrat ne elimo tako velikega tokovnega sunka, kot ga dobimo po enabi, zato tok omejimo z dodatnim uporom, ki ima obiajno ve stopenj in ga imenujemo zaganjalnik. Zagonski tok motorja je mogoe zmanjati tudi z napetostjo. Zelo enostavno je to takrat, kadar je kotva napajana iz krmiljenega usmernika. 20

Iz napetostne enabe U = ke n + I Rn za motor sledi, da v trenutku, ko motor vklopimo na omreno napetost rotor e stoji in skozi motor stee U velik zagonski tok I zag = . V praksi, tako velikega zagonskega toka ni, Rn zaradi induktivnosti bremenskega tokokroga. Kljub temu je e vedno tako velik, da lahko direktno zaganjamo samo motorje manjih moi, ker imajo vejo notranjo upornost. Motorje srednjih in vejih moi zaganjamo z uporovnim zaganjalnikom, s katerim upore postopno izklapljamo, tako U " zmanjamo zagonski tok na vrednost I zag = R + R .V uporovnem zag n zaganjalniku nastanejo izgube zaradi toplote. Bolji nain zagona je z znianjem napetosti pri usmernikem napajanju. Ko se vrtljaji rotorja veajo napetost postopoma poveujemo. 3.9.4.Spreminjanje smeri vrtenja enosmernih strojev Smer vrtenja rotorja je odvisna od usmerjenosti toka skozi navitje kotve in od usmerjenosti magnetnega pretoka, ki se zakljuuje prek kotve motorja. e se usmerjenost kotvinega toka ali pa magnetnega pretoka spremeni, se po pravilu leve roke spremeni tudi smer vrtenja rotorja. e pa bi se soasno spremenila smer toka skozi navizje kotve in smer magnetnega pretoka, bi smer vrtenja rotorja ostala enaka. Za spremembo smeri rotorja motorja navadno spremenimo usmerjenost toka skozi navitje kotve. Predvsem pa moramo tako ukrepati pri motorjih s komutacijskimi magnetnimi poli, oziroma pri motorjih, ki jim je potrebno smer vrtenja pogosto spreminjati. Usmerjenost toka skozi navitje kotve izvedemo tako, da zamenjamo prikljuke na sponkah rotorskega navitja. 3.9.5.Spreminjanje tevila vrtljajev enosmernih strojev tevilo vrtljajev motorja na enosmerni tok je odvisna od obremenitve stroja, kot smo ugotovili v prejnjih poglavjih. Ta odvisnost je e posebej izraena pri glavnoveznem motorju, v manji meri, pa tudi pri stranskoveznem in kompundnem motorju na enosmerni tok. Vekrat pa se zgodi, da je potrebno spremeniti tevilo vrtljajev motorju, obremnjenem s stalno obremenitvijo. V tem primeru moramo vrtilno hitrost motorja regulirati. Regulacija vrtilne hitrosti oziroma tevila vrtljajev mora omogoiti, da se pri motorju s stalno obremenitvijo doseejo razlina tevila vrtljajev oziroma, da se pri razlinih obremenitvah motorja dosee konstantno tevilo vrtljajev. V enabi za tevilo vrtljajev motorja:

n=

2 Rn U M ke ( ke ) 2

(min-1)

Iz tega sledi, da se bo motorju tevilo vrtljajev spremenilo, e bomo spremenili viino omrene napetosti U ali upornost v tokokrogu kotvinega 21

navitja (s tem se spremeni viina padca napetosti v navitju kotve). V tem primeru govorimo o napetostni regulaciji tevila vrtljajev motorja. e pa tevilo vrtljajev motorja spreminjamo s spreminjanjem magnetnega polja, to je s spreminjanjem jakosti vzbujalnega toka, govorimo o magnetni regulaciji. za stranskovezni motor veljajo trije naini: a) upor v rotorskem tokokrogu- v rotorski tokokrog vkljuimo dodatni spremenljivi upor Rr. im veja je njegova upornost tem bolj strma je karakteristika motorja. Slaba stran te metode je v tem, da postaja karakteristika vedno mehkeja, vrtljaji se pri spremembi obremenitve hitreje spreminjajo, poleg tega nastajajo na dodatnem uporu dulske izgube, ki se spreminjajo v nekoristno toploto. Ta metoda je negospodarna predvsem za veje motorje, ki so trajno v pogonu. b) spreminjanje fluksa s magnetnim regulatorjem- s spremenljivim uporom v vzbujalnem tokokrogu spreminjamo vzbujalni tok in s tem fluks. Izgube so zanemarljivo majhne, ker je vzbujalni tok le nekaj odstotkov bremenskega toka. Ker lahko upornost magnetnega regulatorja samo veamo lahko vrtljaje po tej metodi samo veamo. Zaradi vedno ibkejega magnetnega fluksa je reakcija kotve vedno bolj izrazita, zato morajo imeti moneji motorji s tako regulacijo kompenzacijsko navitje. Na ta nain doseemo tudi vekratnik nazivnih vrtljajev. 3.9.6.Usmerniko napajanje Stroij na enosmerni tok je lahko generator ali motor kod kaj obratuje in v katero smer se vrti. M = k I I Enosmerne motorje obiajno prikljuujemo na izmenino omreje preko krmiljenih usmernikov tiristorjev. Za motorje manjih moi uporabljamo enofazno mostino vezavo tiristorja za veje moi pa 3f mostino vezavo. Najveje usmerniko napajanje Udo dobimo pri proilnem kotu =O. im bolj veamo proilni kot tem manja je usmernika napetost Ud =Udo * cos . Pri =90 je usmerjena napetost enaka 0 pri kotih =90 do 180 se smer napetosti spremeni, podroje pa imenujemo razklenjeno podroje. Ker se smer toka ne more spremeniti (tok ne more tei v zaporni smeri) se spremeni smer pretoka energije. e ne potrebujemo negativne napetosti lahko dva tiristorja nadomestimo s dvema diodama in dobimo pol krmiljeno vezavo. e elimo enosmerni motor pri pol krmiljeni vezavi izmenoma poganjati v eno smer ga nato zavreti in ga poganjati v nasprotno smer, moramo spremeniti smer momenta. To je mono na dva naina: -spremenimo smer bremenskega toka -spremenimo smer vzbujalnega toka Pri prvem nainu lahko uporabljamo mehanski preklopnik. Preklop traja 0,1 do 0,2 sekunde, v tem asu je motor brez napetosti. Pri drugem nainu uporabljamo v vzbujalnem tokokrogu dve antiparalelni usmerniki skupini pod katerim vsaka prevzame eno smer vzbujalnega toka. Prekrmiljenje traja zaradi prepolarizacije magnetnega pola 0,5 do 2,5 sekunde.

22

Najbolja in najdraja izvedba je s dvema anti paralelnima usmernikima skupinama v rotorskem tokokrogu s katerima spremenimo smer bremenskega toka. Ena od obeh napajalnih skupin je zaprta druga pa prevaja. Preklop izvedemo z dajalnikom impulzom v 5 ali10 ms. 3.9.7.Zaviranje motorjev na enosmerni tok Od motorjev na enosmerni tok, ki poganjajo moderne delovne stroje, zahtevamo poleg dobrega zagona, ugodne vlene karakteristike in monosti spremembe smeri vrtenja tudi hitro in tono ustavljanje oziroma zaviranje. Od izpolnitve teh zahtev sta v veliki meri odvisna tako produktivnost kot tudi kvaliteta dela. Ob zaviranju ali spremembi smeri vrtenja deluje motor v tako imenovanem zaviralnem obratovanju. V praksi izkoriamo naslednje monosti elektrinega zaviranja: koristno zaviranje, uporovno zaviranje in zaviranje s proti tokom. 3.9.7.1.Koristno zaviranje O koristnem zaviranju govorimo, ko motorju naraste tevilo vrtljajev ez nazivno vrednost. V tem primeru bo inducirana protinapetost Ui v navitju kotve veja od omrene napetosti U. Zato preide stroj iz motorskega v generatorsko obratovanje in vraa tok v omreje.I k =U E Rk

Zaradi spremembe toka se spremeni tudi smer vrtilnega momenta motorja,M = k ( I k ) = M zav

ki ga v tem primeru imenujemo zaviralni moment Mzav. Ker je notranja upornost kotvinega navitja Rk majhna, je zaviralni moment precej velik e pri majhni napetostni razliki Ui U. Torej je potrebno, da se tevilo vrtljajev motorja le malo povea ez nazivno vrednost in motor e prine koristno zavirati Tako zaviranje se uporablja pri elektrinih vlakih, pri erjavih za spuanje bremen itd. 3.9.7.2.Uporovno zaviranje Uporovno zaviranje nastane, ko odklopimo motor z omreja, v navitje kotve pa prikljuimo upor z upornostjo Rzav. Tudi v tem primeru dela motor kot generator. Njegovo vzbujalno navitje napajamo iz tujega vira enosmerne napetosti. Pri uporovnem zaviranju se kinetina energija (to je energija gibanja-vrtenja),

23

vrteih se delov motorja in gnanega stroja spreminja v elektrino energijo tako kot pri koristnem zaviranju. Vendar se pri tem elektrina energija ne vraa v omreje nazaj, ampak se na uporih rotorskega tokokroga spreminja v toploto. Ker ima inducirana napetost Ui pri uporovnem zaviranju isto smer kot pri motorskem obratovanju, pri tem pa navitje kotve ni prikljueno na omreje, raunamo rotorski tok iz enabe:

Ik =

k1 n (A) Rk + Rzav

Zaviralni moment pa iz enabe: k3 2 n (Nm) Rk + R zav Iz tega je razvidno, da je zaviralni moment premosorazmeren toku kotve Ik oziroma tevilu vrtljajev motorja n, Zaviranje je najveje, ko je R zav = 0. Vendar pa moramo ob zaviranju upornost upora R vzb postopoma izljuevati, da rotorski tok Ik ne bi presegel dopustne vrednosti. M zav = k 2 I k =

3.9.7.3.Zaviranje s protitokom S proti tokom zaviramo takrat, kadar se rotor motorja vrti pod vplivom momenta bremena v nasprotni smeri, kot bi se moral vrteti glede na vezavo motorja (npr.: pri erjavih je motor prikljuen tako, da obratuje v smeri dviganja bremena, pri spuanju pa ga breme vrti v nasprotni smeri). Pri tem zaviranju lahko motor ustavimo, ker ima motor tudi pri n = 0 doloen zaviralni moment. Tako motor zavira tudi, e ga preveemo v vezavo za nasprotno smer vrtenja rotorja. Na motorje na enosmerni tok lahko pritrdimo tudi elektromagnetno zavoro enako kot na asinhronske motorje. Take motorje na enosmerni tok uporabljamo za pogon raznih vitlov na ladjah (tovorna dvigala, sidra, itd.). 3.9.8.Izkoristek in izgube strojev na enosmerni tok Pri obratovanju nastajajo pri strojih za enosmerni tok izgube P, ki zmanjujejo izkoristek stroja (eta). Ker so to rotacijski stroji, nastanejo v njih poleg elektrinih tudi mehanske izgube. K elektrinim izgubam pritevamo izgube v elezu PFe in izgube v bakru PCu.

24

Izgube v elezu nastanejo v tistih delih stroja za enosmerni tok, ki so pod vplivom izmeninega magnetnega polja. Ti deli so rotorski paket in nastavki magnetnih polov ali polovi evlji. Vsi ti deli stroja morajo biti lamelirani, da so zaradi vrtinnih tokov in zaradi premagnetizma (histereze) izgube v njih im manje. Izgube v elezu so pri strojih za enosmerni tok neodvisne od obremenitve stroja. To pomeni, da so konstantne pri razlinih obremenitvah kot tudi pri praznem teku stroja. Izgube v bakru PCu nastanejo zaradi joulske toplote, ki se v navitjih stroja sproa zaradi elektrinega toka. Delimo jih na izgube glavnega in vzbujalnega tokokroga.

4.KOLEKTORSKI MOTORJI4.1.Splono o kolektorskih motorjih Kolektorski motorji zdruujejo nekaj dobrih lastnosti asinhronskih motorjev in motorjev na enosmerni tok. Ti motorji so narejeni tako, da jih lahko prikljuimo na omreje izmeninega toka, imajo pa lastnosti motorjev na enosmerni tok. To pomeni, da jim lahko spreminjamo tevilo vrtljajev v velikem obsegu brez vejih izgub. Te prednosti kolektorskih motorjev pa je mogoe dosei z zelo kompliciranimi konstrukcijami. Zato so predvsem moneji kolektorski motorji obutljivi za razne pokodbe in jih uporabljamo predvsem tam, kjer lahko izkoristimo njih posebne prednosti, ki jih drugi motorji na enosmerni ali izmenini tok nimajo, ali tam, kjer jim zaradi pomanjkanja prostora, neekonominosti ali drugih vzrokov na moremo postaviti pretvornikov ali usmernikov za napajanje motorjev na enosmerni tok. Ko pa bo izpolnjena tehnologija izdelave tiristorjev in drugih impulznih naprav in se bosta s tem zniali cena in prostornina statinih pretvornikov frekvence, bodo pri vsakovrstnih pogonih asinhronski motorji nenadomestljivi. 4.2.Konstrukcija kolektorskih motorjev Kolektorski motorji so grajeni podobno kot motorji na enosmerni tok. Medtem ko so rotorji kolektorski in enosmernih motorjev grajeni enako, se statorji razlikujejo. Ker je na navitje statorja kolektorskega motorja prikljuena izmenina napetost, se v stroju ustvari izmenino (nihajoe) magnetno polje. Zaradi tega se v aktivnih eleznih delih stroja inducirajo vrtinni tokovi, ki povzroajo mono segrevanje eleza ali stroja v celoti. Vrtinne tokove zmanjamo za lameliranjem celotnega statorskega paketa. Zato morajo biti pri kolektorskih motorjih lamerani tudi magnetni jarmi in polova jedra, a ne samo, polovi evlji, kot pri strojih na enosmerni tok. Poleg tega stator kolektorskega motorja nima izraenih magnetnih polov (razen pri univerzalnih motorjih), temve je statorsko vzbujalno navitje nameeno v utorih statorskega paketa kot pri asinhronskih motorjih. Iz tega sledi, da so statorji kolektorskih motorjev podobni statorjem asinhronskih motorjev.

25

Iz slik je razvidno, da je v utorih statorja nameenih ve navitij, vsako od teh navitij pa ima svojo funkcijo. Glavno vzbujalno navitje I, oznaeno z E in F, je nameeno v utorih a, b, c in d ter je potrebno za ustvarjanje glavnega nihajoega magnetnega pretoka. V istih utorih je nameeno tudi komutacijsko vzbujalno navitje II, oznaeno z G in H, ki pa je od glavnega vzbujalnega navitja premaknjeno za 90 elektrinih stopinj. Komutacijske magnetne pole stroja tvorijo zobje med utori a,

b, c in d. Ker sta v utorih a, b, c in d nameeni glavno vzbujalno I in komutacijsko navitje II, so ti utori veji od ostalih utorov, v katerih je nameeno kompenzacijsko navitje III. Kompenzacijsko navitje je oznaeno za Gk in Hk in je proti glavnemu vzbujalnemu navitju tudi premaknjeno za 90 elektrinih stopinj. Tako komutacijsko kot tudi kompenzacijsko navitje sta z glavnim vzbujalnim navitjem vezani zaporedno in imata isti funkciji kot pri strojih na enosmerni tok. 4.3.Obratovanje kolektorskih motorjev Ko statorsko navitje kolektorskega motorja prikljuimo na omreje izmeninega toka, nastane izmenino magnetno polje, ki prine v taktu frekvence izmeninega toka nihati skozi rotor. Zato se v navitju rotorja po II. Indukcijskem zakonu inducira izmenina napetost, imenovana transformacijska napetost. Viina te napetosti je v navitju rotorja enaka ne glede na to ali rotor miruje ali se vrti ali je motor obremenjen ali neobremenjen. 4.4.Enofazni kolektorski motorji Na spodnji sliki je perikazana shema enofaznega glavnoveznega motorja.

26

Zaporedno z navitjem kotve (A, B) je vezano glavno vzbujalno navitje (E, F), komutacijsko navitje (G, H), ter kompenzacijsko navitje (Gk, Hk). Ko se rotor vrti se v njem inducira napetost, ki jo imenujemo rotacijska napetost. Odvisna je qod stevila vrtljajev rotorja ne pa od frekvence. rot=k* *n Napetostna enaba se glasi U=rot + I*Rn + I*Xln Za zagon mora imeti motor priklueno vsaj kratkostino napetost Uk=I* Zk Pri zagonu je zelo slab faktor delavnosti, im hitreje se rotor vrti tem veja je rotacijska napetost tem manji je fazni kot., faktor delavnosti pa je tem veji. Vrtljaje lahko reguliramo z napetostjo U zato so ti motorji pogosto prikljueni preko regulacijskega transformatorja, ki slui tako za regulacijo tevila vrtljajev kako tudi za zagon. Ta motor ima vse tipine lastnosti glavnoveznih motorjev:-mehko karakteristiko U -v praznem teku pobegne -zagonski moment je zelo velik Smer vrtenja rotorja je odvisna od usmerjenosti toka skozi navitje kotve in skozi vzbujalno navitje (smer toka skozi vzbujalno navitje doloa usmerjenost magnetnega pretoka). e se soasno spremeni smer toka v obeh navitjih, smer vrtenja rotorja ostane ista. Zaradi tega se rotor kolektorskega motorja vrti vedno v doloeno smer, eprav skozi vsa njegova navitja tee izmenini tok in se preko rotorja zakljuuje izmenino (nihajoe) magnetno polje. Naloga komutacijskega in kompenzacijskega navitja pri enofaznem glavnoveznem kolektorskem motorju je, da kompenzirata preno magnetno polje, ki nastane zaradi toka obremenitve. Kljub popolni kompenzaciji reakcije kotve se na kolektorju pojavijo iskre, ki so, kot vemo, posledica transformacijske napetosti in lahko povzroijo na stroju veliko kode. Zato je potrebno transformacijsko napetost omejiti oziroma zmanjati. Da bo transformacijska napetost im manja, gradijo enofazne glavnovezne kolektorske motorje kot kratke stroje z velikim premerom rotorja in kot ve polne. V isti namen jih prikljuujemo na izmenini tok zniane frekvence (50/3 ali 50/2 Hz). Rotorsko navitje glavnoveznega enofaznega kolektorskega motorja je zankasto, enohodno ali dvohodno. Navadno nimajo svojega ohija ampak so vgrajeni v delovni stroj. So za 3000 do 20000 min-1.

27

Uporabljamo jih za sesalce, gospodinjske aparate, mone vrtalne in brusilne stroje, brivnike itd. Najveja mo je priblino 1000 W. 4.5.Univerzalni motor Naeloma lahko vsak enofazni kolektorski motor obratuje na enosmerno ali izmenino napetost. To monost lahko uporabimo, pri univerzalnih motorjih to se enofazni glavnovezni kolektorski motori za majhne moi, ki imajo izraene pole, nimajo pa svojega ohija temve jih vgrajujemo direktno v delovne stroje. Nimajo ne kompenzacijskega navitja niti pomonih polov. Vsako lamelo rotorja in statorja stisnejo iz istega kosa ploevine. Gradijo jih za vrtljaje do 20000 min-1. uporabljamo jih za sesalnike, brivnik, elektrine gospodinjske aparate in stroje itd. ter moi ez 100 W. pri izmenini napetosti bo cos tem bolji im hitreje se rotor vrti. tevilo vrtljajev lahko nezvezno reguliramo s pred uporom (tako zmanjamo napetost in s tem tevilo vrtljajev) ali pa tako, da ima vzbujalno navitje ve odsekov (im ve ovojev vkljuimo tem veji je fluks tem manji so vrtljaji). Zvezno reguliramo tevilo vrtljajev s spreminjanjem napetosti. Pri tem uporabimo dva tiristorja v antiparalelni vezavi-triak. Smer vrtenja spremenimo tako, da zamenjamo dve sponki vzbujalnega navitja. 4.6.Trifazni stranskovezni kolektorski motorji V praksi se uporabljata dve izvedbi trifaznih stranskoveznih kolektorskih motorjev. Pri prvi izvedbi napajamo motor iz trifaznega izmeninega omreja preko statorja, pri drugi izvedbi pa motor napajamo preko rotorja. Trifazni stranskovezni kolektorski motorji imajo pri obratovanju podobne lastnosti kot stranskovezni motorji na enosmerni tok. 4.6.1.Trifazni stranskovezni kolektorski motor, napajan preko statorja Stator tega motorja je grajen enako kot stator trifaznega asinhronskega motorja. Motor ima v utorih statorja navitje, ki je vezano v vezavo zvezda; preko tega navitja motor prikljuimo na omreje. Rotor tega motorja je izveden enako kot rotor trifaznega asinhronskega motorja. Na obodu kolektorja so nameene tri etke, preko katerih prikljuimo rotorsko navitje na omreje trifaznega izmeninega toka. Glede na omreje sta statorsko in rotorsko navitje vezani vzporedno. Od tod tudi izhaja ime za motor stranskovezni. Vrtilna hitrost tega motorja je odvisna od viine napetosti na rotorskem navitju. Iz tega sledi, da

28

moramo izvesti regulacijo napetosti, ki pritiska na rotorsko navitje, e hoemo motorju regulirati vrtilno hitrost. V majhnem obsegu lahko z ustrezno napetostjo doloeno tevilo vrtljajev motorja spreminjamo e s pomikom etk po obodu kolektorja. Ta ukrep pa naj se v praksi ne uporablja, ker bi se s tem iskrenje na kolektorju mono povealo. Te motorje gradijo za moi do 500 k W in za vse normirane napetosti do 1000 V in jih uporabljamo za pogon takih delovnih strojev, ki zahtevajo pri razlinih obremenitvah konstantno tevilo vrtljajev (predilni in tkalni stroji). 4.6.2.Trifazni stranskovezni kolektorski motor, napajan preko rotorja Pri tem motorju je na omreje prikljueno rotorsko navitje (U, V, W) preko treh drsnih obroev in etk. To rotorsko navitje je vezano v zvezdni vezavi, kot prikazuje spodnja slika:

Razen navitja U, V, W je v utorih rotorja nameeno e eno navitje, katerega konci so spojeni z lamelami kolektorja. Obe navitji sta v utorih rotorja dobro izolirani, tako da sta galvansko loeni. Drsni obroi so nameeni na eni strani rotorja, medtem ko je kolektor na drugi strani. Na kolektorju so nameeni trije pari etk (u-x, v-y, w-z), preko katerih se napaja statorsko navitje. Statorsko navitje je sestavljeno iz treh faznih navitij. Zaetek prvega faznega navitja je prikljueno na etko u, konec pa na etko x. Drugo fazno navitje je prikljueno na etki v in y, tretje pa na etki w in z. Zaetki faznih navitij so torej prikljueni na etke u, v in w, ki so med seboj razmaknjene po 1200 in so fiksno nameene na pominem obrou. Tudi etke x, y in z so med seboj razmaknjene po 1200, nameene pa so na drugem pominem obrou. Oba pomina obroa s etkami sta gibljiva, tako da lahko eno in drugo skupino etk pomikamo poljubno po obodu kolektorja. Od lege etk ene ali druge skupine pa je tudi odvisno obratovanje tega motorja. Vse mone vrtilne hitrosti v obmoju med 50% in 150% sinhronskega tevila vrtljajev (to je v razmerju 1 : 3) lahko doseemo s premikanjem ali samo ene skupine etk ali pa s premikanjem obeh skupin etk hkratno v nasprotni smeri. Pri vsakem od teh premikov etk pa se pri morebitnih spremembah obremenitve vrtilna hitrost motorja na spremeni oziroma ostane na doloeni vrednosti. S premikanjem etk po obodu kolektorja pa lahko trifazni stranskovezni rotorsko napajan kolektorski motor tudi zaganjamo, zato motorju ni potreben posebni zaganjalnik.

29

Rotorsko napajani trifazni stranskovezni kolektorski motorji so elektrino mnogo ugodneji od statorsko napajanih motorjev e zaradi tega, ker ne potrebujejo dodatnega regulatorja napetosti niti zaganjalnika. Zato so tudi dosti bolj uporabni. Gradijo jih za moi od 3kW do 200kW; vrtilna hitrost se jim spreminja v normalnem razmerju 1 : 3. Pri monejih motorjih bi se obmoje regulacije tevila vrtljajev zmanjalo. Pri rotorsko napajanih trifaznih stranskoveznih kolektorskih motorjih bi lahko regulirali tevilo vrtljajev tudi v vejem obmoju (v razmerju do priblino 1 : 15). e izhajamo iz podatka, da je pri razmerju vrtljajev 1 : 3 maksimalna mo enega pola okrog 12kW, bi takni motorji morali imeti zelo veliko tevilo magnetnih polov. Zaradi tega bi bila konstrukcija motorja zelo kompicirana in motor bi bil zelo drag. Motorje te vrste uporabljamo za pogone strojev, ki zahtevajo natanno regulacijo tevila vrtljajev v velikem obsegu in dober zagonski moment (v tekstilnih tovarnah, v gumarski in papirni industriji, za premikanje reetk kuria v kotlovnicah itd.). Te motorje lahko preobremenimo, saj zlasti pri velikih vrtilnih hitrostih skoraj ne obutijo preobremenitve. Naj e omenimo, da nekateri poznajo ta motor pod imenom Schrage motor; to ime je dobil po izumitelju.

5.SINHRONSKI STROJI5.1.Uvod Sinhronski stroji so rotacijski stroji in jih delimo na sinhronske generatorje in sinhronske motorje. Sinhronski generatorji proizvajajo izmenini elektrini tok, pretvarjajo mehansko energijo v elektrino. Sinhronski motorji pa pretvarjajo elektrino energijo v mehansko. Sinhronski generatorji in sinhronski motorji so popolnoma enakih konstrukcij. Zato tudi vsak sinhronski stroj lahko obratuje kot generator ali kot motor. Sinhronski stroj bo obratoval kot generator, e mu bomo na gred dovajali mehansko energijo, kot motor pa bo obratoval, e mu bomo dovajali elektrino energijo in ga bomo na gredi obremenili. Glede nato, ali bomo sinhronski stroj uporabljali kot generator ali kot motor, ga tudi ustrezno konstruiramo. V praksi se sinhronski stroji uporabljajo najve kot generatorji, redkeje kot motorji. 5.2.Delovanje sinhronskega stroja Delujejo tako, da enosmerni vzbujalni tok skozi vzbujalno navitje na rotorju povzroi glavni fluks g konstantne velikosti. Ta fluks ima najvejo gostoto v zrani rei nasproti polov. Proti med polovim prostorih pa se ta gostota zmanjuje po sinusnem zakonu in ima na sredini med dvema sosednima poloma vrednost 0. fluks se vrti skupaj s rotorjem, s sinhronskimi vrtljaji ns=60*f/p. pri tem se statorsko navitje inducirajo frekvence f=p*ns/60. Ko generator obremenimo steejo skozi statorsko

30

navitje trije sinusni tokovi, ki povzroijo vrtilno magnetno polje. To polje se vrti s sinhronskim tevilom vrtljajev. 5.3.Vrste sinhronskih generatorjev Sinhronski generator proizvaja izmenini elektrini tok in pri tem pretvarja mehansko energijo v elektrino. Mehansko energijo dobi generator od posebnega pogonskega stroja. Med pogonskimi stroji so najbolj razirjene vodne in parne turbine, ponekod pa pridejo v potev e motorji z notranjim izgorevanjem ali drugi pogonski stroji. Glede na najbolj uporabljene vrste pogonskih strojev delimo sinhronske generatorje na hidrogeneratorje in turbogeneratorje.

Pri hidrogeneratorjih je pogonski stroj vodna turbina. Ta je spojena z rotorjem hidrogeneratorja ali z vodoravno ali z navpino gredjo, kar je odvisno od koliine vode in od viine vodnega padca. Pri velikih vodnih koliinah in majhnih padcih je rotor hidrogeneratorja s pogonsko vodno turbino spojen z navpino gredjo, pri majhnih koliinah vode in velikih padcih pa z vodoravno gredjo. Hidrogeneratorje gradijo za manje hitrosti, in sicer od 60 750 vrtljajev na minuto. Turbogeneratorje pogannjajo parne turbine. Za parne turbine je znailno, da imajo le pri vejih hitrostih dober izkoristek.Zato gradijo turbogeneratorje za visoko tevilo vrtljajev in sicer za 1500 3000 vrtljajev na minuto. 5.4.Konstrukcija sinhronskih generatorjev Vsak sinhronski stroj je sestavljen iz dveh glavnih delov; to sta rotor in stator. V enem od obeh delov se mora vzbuditi magnetno polje, v drugem pa se mora inducirati izmenina napetost. En del stroja je torej induktor, drugi del pa indukt ali kotva. Induktor stroja je sestavljen iz magnetnih polov, ki so pri nekaterih sinhronskih generatorjih izraeni, pri drugih pa neizraeni. Glede na to razlikujemo sinhronske generatorje z izraenimi poli in sinhronske generatorje z neizraenimi poli. 5.4.1.Sinhronski generatorji z izraenimi magnetnimi poli 5.4.1.1.Rotor generatorja z izraenimi magnetnimi poli

31

Rotor je sestavljen iz izraenih magnetnih polov, na katerih je navito vzbujalno navitje. Tega napajamo z enosmernim tokom, ki ga v rotor uvajamo preko drsnih obroev in etk. Na posebnem magnetnem jarmu so nameeni magnetni poli. Magnetni jarem je grajen iz masivnega, magnetno dobro prevodnega materiala in je s posebnimi rebri pritrjen na gred motorja. Magnetni jarem mora biti dimenzioniran tako, da dobro prevaja magnetni pretok, ki se zakljuuje preko magnetnih polov in delov statorskega paketa in da prenese vse mehanske obremenitve, ki nastanejo zaradi lastne tee jarma in zaradi tee magnetnih polov z vzbujalnim navitjem. Magnetni poli so iz masivnega jekla ali iz lamelirane ploevine. Vse lamele, ki tvorijo magnetni pol, morajo biti s posebnimi vijaki dobro stisnjene, da sestavljajo kompaktno celoto. Na polova jedra je nameeno vzbujalno navitja, ki so iz profilnih bakrenih vodnikov oziroma iz bakrenih trakov tako, da imajo im manjo elektrino upornost. Vzbujalna nivitja morajo biti na polovih jedrih dobro pritrjena, da jih centrifugalne sile ob rotaciji ne morejo deformirati ali celo iztrgati. Vzbujalna navitja morajo biti na polovih jedrih navita tako, da si polaritete sledijo po pravilnem vrstnem redu: severnemu magnetnemu polu sledi juni, temu pa spet severni magnetni pol. 5.4.1.2.Stator generatorja z izraenimi magnetnimi poli Stator generatorja z izraenimi magnetnimi poli je sestavljen iz okrova, statorskega paketa in statorskega navitja. Okrov je zunanji del stroja. Izdelan je iz litega eleza ali iz valjanega ali varjenega eleza, pri manjih generatorjih pa iz silumina. Ohije je it aktivnih delov generatorja in je nosilo statorskega paketa z navitjem. Statorski paket hidrogeneratorjev oziroma generatorjev z izraenimi magnetnimi poli ni zelo dolg, ima pa v primerjavi z dolino zelo velik premer. Statorski paket je narejen iz lamelirane ploevine. Na notranjem obodu ima utore, v teh pa je nameeno statorsko navitje, enako kot pri asinhronskih motorjih. Na zunanjem robu statorskega paketa pa so posebni lebovi za pritrditev eleznega jedra statorja na okrov stroja. Statorski paket mora biti dobro sestavljen in kompakten, da se pri obratovanju stroja posamezni deli ne bi premikali drug proti drugemu. Prav tako mora biti celotni statorski paket stabilno nameen v okrovu stroja, ki pa mora biti dobro pritrjen na temelje Statorsko navitje ali kotvino navitje je izvedeno iz bakrenih vodnikov in je nameeno v utorih statorskega paketa.

32

5.4.2.Sinhronski generatorji z neizraenimi magnetnimi poli Za velike hitrosti se dosti bolje obnaajo generatorji, ki imajo neizraene magnetne pole. Generatorji z neizraenimi magnetnimi poli obratujejo v toplotnih elektrarnah. Imenujejo se turbogeneratorji, njihov pogonski stroj je parna turbina. Stator turbogeneratorja je v primerjavi s statorjem hidrogeneratorja neprimerno dalji, vendar ima zato manji premer. To pa je tudi skoraj edina razlika med statorjema obeh generatorjev.

Rotor turbogeneratorja pa se mono razlikuje od rotorja hidrogeneratorja. Turbogenerator ima zelo dolgo rotor, ki pa nima velikega premera. Turbogenerator ima bobnast rotor, zato lahko rotor turbogeneratorja dosega velike hitrosti brez nevarnosti, da bi se razletel. Utori rotorja so odprti in zavzemajo le 2/3 oboda rotorja. V teh utorih je nameeno vzbujalno navitje, ki je iz profilnih vodnikov in ga napajamo z enosmernim tokom preko drsnih obroev in etk. Preostala tretjina oboda rotorja pa odpade na magnetne pole, iz katerih izstopajo (severni pol) in vstopajo (juni pol) magnetne silnice. 5.5.Prazni tek sinhronskega generatorja Sinhronski generator je v praznem teku, e se rotor pri vzbujenih magnetnih polih vrti s sinhronskimi vrtljaji, na sponkah pa ni prikljuen noben porabnik. V statorskem navitju se inducira napetost Ui, vendar skozenj ne tee tok. Inducirana napetost je odvisna od magnetnega pretoka magnetnih polov. Ui = k . [V] k = 4,44 . f . N . Kn Ker je magnetni pretok odvisen od vzbujanja oziroma od vzbujalnega toka, je tudi inducirana napetost odvisna od vzbujalnega toka stroja: Ui = f (Ivzb)

33

Karakteristiko praznega teka posnamemo pri poizkusu praznega teka. Karakteristika prikazuje odvisnost magnetnega pretoka od vzbujalnega toka, toda v drugem merilu. Tangenta na krivuljo, ki poteka iz koordinatnega izhodia, je premica zrane ree in z njo lahko doloimo, kolik vzbujalni tok je potreben za magnetiziranje zrane ree Ivz zr in kolik za elezo stroja Ivz e. 5.6.Obremenitev sinhronskega generatorja Ko generator obremenimo stee po statorskem navitju bremenski tok I. Ta ustvarja s statorskimi ovoji magnetno napetost Aov. k katerih posledica je fluks k, ki ga imenujemo reakcija kotve in se ravno tako vrti s sinhronskimi vrtljaji. Za magnetenje skrbi geometrijska vsota amper ovojev Aov. rez=g + k Posledica tega inducirana napetost E. lahko si predstavljamo, da amper ovoji g inducirajo napetost Eg k pa napetost Ek. e ti dve napetosti setejemo dobimo napetost Ei. Napetost u na sponkah obremenjenega generatorja dobimo tako, da od E odtejemo induktivni padec napetosti I*x statorskega navitja in ohmski padec napetosti I R in zaradi ohmske upornosti statorskega navitja tudi napetost Ek, ki je nastala zaradi reakcije kotve lahko zapiemo kot induktivni padec napetosti na neki navidezni reaktanci. Xk *Ek=I* Xk Tako dobimo skupni induktivni padec napetosti = I* XS =I* Xk +I* X = I*( X k + X) = I* XS Sinhronski generator deluje samostojno na omreje. Napetost U na nivojih sponkah se bo pri konstantnem vzbujanju spreminjala v odvisnosti od velikosti bremenskega toka I in faznega kota, ki ga doloa vrsta obremenitve. Ker lahko ohmsko upornost zanemarimo bo napetost na sponkah odvisna od reakcije kotve in induktivnega padca napetosti oziroma od sinhronske reaktance. Pri RL obremenitvi se napetost U zmanja najbolj ko se bo zmanjal pri isti induktivni obremenitvi saj tedaj reakcija kotve k proti glavnemu magnetnemu pretoku g. Pri RC obremenitvi pa se bo napetost U najbolj poveala pri isti kapacitivni obremenitvi saj tedaj reakcija kotve k deluje v smeri glavnega magnetnega fluksa g Tako pridemo do zunanje karakteristike sinhronskega generatorja v odvisnosti napetosti U od bremenskega toka I, pri konstantnem vzbujalnem toku Ivzb e elimo konstantno napetost U pri razlinih obremenitvah moramo spreminjati vzbujalni tok. Tako pridemo do regulacijske karakteristike, ki kae odvisnost vzbujalnega toka od bremenskega toka pri konstantni napetosti in pri konstantnem kotu. 5.6.1.Generator praznega teka V praznem teku mora biti napetost g sinhronskega generatorja po velikosti in po faznem kotu enaka napetosti omreju Um . Tedaj je razlika napetosti enaka ni zaradi tega je tudi tok enak ni. Med osjo rotorja (to je 34

tudi os vzbujalnega navitja) in napetostjo omreja je kot 90 bremenski kot pa je ni. e poveamo pogonski vrtilni moment vrtine, eli sinhronski stroj poveati tevilo vrtljajev, os rotorja se premakne iz lege, ki jo je imel v praznem teku za bremenski kot v smeri vrtenja, do enake premaknitve med Uom in g nastane razlika v napetosti, ki poene tik, ki zaostaja za njo za 90. Kazalca g in I imata skoraj nasprotno smer. Stroj oddaja isto delovni tok in je torej generator delovne energije. 5.7.Kratki stik sinhronskega generatorja Ob kratkem stiku v sinhronskem generatorju teejo veliki kratkostini tokovi, katerih posledice so nam e znane. e bi snemali karakteristiko kratkega stika, bi ugotovili, da se kratkostini tok generatorja spreminja premosorazmerno z vzbujalnim tokom. To pomeni, da je ob kratkem stiku tok kratkega stika veji, e je tudi vzbujalni tok veji in obratno. Zato je potrebno takoj, ko kratki stik nastane, vzbujalni tok zmanjati na vrednost 0, s imer zmanjamo tudi kratkostini tok oziroma tega sploh ne bo. To lahko storimo le pri samostojnem generatorju, kajti e to storimo pri vzporednem obratovanju, lahko tvegamo, da celotni sistem pade iz sinhronizma. 5.8.Vzbujanje sinhronskih generatorjev Magnetni poli sinhronslih generatorjev morajo proizvajeti magnetni pretok, ki je za obratovanje stroja nujno potreben. Da magnetni poli magnetnega kolesa lahko proizvajajo magnetni pretok, jih moramo vzbujati, kajti tako velikih in kvalitetnih trajnih magnetov ne moremo izdelati. Zato morajo biti na magnetnih polih nameena vzbujalna navitja, ki jih preko drsnih obroev in etk napajamo z enosmerno napetostjo 110 V ali 220 V. Vzbujalno napetost za vzbujanje sinhronskega generatorja lahko dobimo na razline naine. Pogosto ima sinhronski generator za vzbujanje vzbujalnik, ki je generator za enosmerni tok. Vzbujalni stroj je lahko popolnoma samostojen stroj ali pa je na sinhronki generator prigrajen tako, da imata skupni okrov. e ima sinhronski generator na svoji gredi prigrajen vzbujalnik, dobi ta mehansko energijo od istega vira kot generator sam (v tem primeru od turbine). V tem primeru govorimo o lastnem vzbujanju. O tujem vzbujanju govorimo, e vzbujalno navitje napajamo iz akumulatorskih baterij ali kakega drugega omreja enosmerne napetosti. Pri obratovanju sinhronskih generatorjev je napetost na njegovih sponkah zaradi notranjih padcev napetosti zelo odvisna od obremenitve stroja. Odvisna je torej od moi, ki jo generator oddaja in od faznega kota med napetostjo in tokom. Napetost na sponkah je najnija pri induktivni obremenitvi, najvija pa pri kapacitivni obremenitvi. e pri razlinih obremenitvah sinhronskega generatorja elimo, da bo napetost na njegovih sponkah imbolj konstantna, moramo generatorju zagotoviti primerno regulacijo vzbujalnega toka v navitju magnetnih polov. 35

5.9.Vzporedno obratovanje sinhronskih generatorjev Do sedaj smo sinhronske generatorje obravnavali kot samostojne generatorje izmenine napetosti. Sinhronski generator, ki deluje samostojno prikljuimo na omreje k ostalim generatojem vzporedno, s tem doseemo vejo odjemno mo. Generator, ki obratuje samostojno, poenemo s pogonskim strojem do takega tevila vrtljajev, da se na njegovih sponkah pojavi napetost standardizirane frekvence 50 Hz. Nato s stikalom prikljuimo generator na omreje. Pogonski stroj mora dajati generatorju tako tevilo vrtljajev, da se frekvenca napetosti ne spreminja. Vzbujalni stroj pa mora oskrbovati generator z vzbujalnim tokom, da je na sponkah generatorja imbolj konstantna napetost, ki jo kontroliramo z voltmetrom. Jakost vzbujalnega toka in s tem viino napetosti na sponkah sinhrinskega generatorja reguliramo s hitrim avtomatskim regulatorjem napetosti. Na spodnji sliki je prikazano vzporedno obratovanje dveh sinhronskih generatorjev.

5.9.1.Sinhronski generator kot proizvajalec delovne energije e generatorju 2 poveamo dovod mehanske energije na gred (s pogonskim strojem), se magnetno polje njegovega rotorja premakne naprej proti vrtilnemu magnetnemu polju statorja za nek doloen kot (psi). Rotor pa se e naprej vrti z isto hitrostjo, saj mu sinhronizacijska sila prepreuje, da bi se zaradi poveanega dovoda mehanske energije vrtel hitreje. e se magnetno kolo generatorja premakne za kot se tudi njegova napetost (Ug2) premakne za isti kot . Tako med napetostjo omreja oziroma generatorja 1 (Ugl) in napetostjo generatorja 2 (Ug2) nastane neka napetostna razlika U. Ta pa poene med generatorjem 2 in omrejem izenaevalnin tok I, ki za napetostno razliko zaostaja za 900. Torej je ta tok za napetostno razliko induktiven in je sestavljen iz dveh komponent: iz delovne in jalove. Pri majhnih kotih je jalova komponenta izenaevalnega toka majhna. Tako lahko smatramo, da je izenaevalni tok z napetostjo generatorja 2 v fazi, kar pomeni, da ta generator, ki smo mu poveali dovod mehanske energije, daje v omreje delovno energijo. e hoemo, da bo generator omreju dajal vejo delovno mo, mu moramo prek pogonskega stroja dovajati ve mehanske energije. Ker se pri tem kot med vrtenim in vrtilnim magnetnim poljem vea, moramo upotevati tudi jalovo komponento izenaevalnega toka. Tako za dovajanje delovne moi omreju ni ve odloilen celotni izenaevalni tok ( ta je zaradi velikega kota oziroma velike 36

napetostne razlike zelo velik ), temve le njegova delovna komponenta I . cos /2. 5.9.2.Sinhronski generator kot proizvajalec jalove energije S tem da generatorju 2 poveamo dovod mehanske energije, te prine napajati omreje z delovno energijo. Ker pa je predvsem zaradi asinhronskih motorjev omreje obremenjeno tudi z jalovo obremenitvijo, je potrebno usposobiti generator 1, da proizvaja jalovo energijo in z njo napaja omreje. Za to moramo generatorju 1 poveati magnetno vzbujanje. Zaradi tega se bo v navitju kotve generatorja poveala inducirana napetost, s tem se pa bo poveala tudi napetost na njegovih sponkah, preko katerih je generator prikljuen na omreje. Tako se med napetostjo generatorja 1 in napetostjo omreja (oziroma napetostjo generatorja 2) pojavi napetostna razlika (Ug1 Ug2), ki poene izenaevalni tok. Ta tok je za generator 1 induktiven, saj zaostaja za njegovo napetostjo za 900; Za omreje oziroma za generator 2 pa je ta izenaevalni tok kapacitiven, saj prehiteva napetost generatorja 2 oziroma napetost omreja za fazni kot 900. Torej je generator 1, ki ga prevzbudimo, za omreje nekaken kapacitivni porabnik elektrine energije in se obnaa podobno kot kondenzator. Tak prevzbujen generator postane torej proizvajalec jalove energije, saj v omreje oddaja jalove toke, ki so potrebni predvsem takrat, ko je omreje obremenjeno z velikim induktivnim bremenom (asinhronski motorji). Prevzbujen sinhronski generator popravlja torej fazni faktor ali faktor moi cos . Zato se tak sinhronski generator imenuje tudi fazni kompenzator. Fazni kompenzator ima med obratovanjem podobno funkcijo kot kondenzator. V primeru, da vzbujanje sinhronskega generatorja ni zadostno, govorimo o podvzbujenem sinhronskem generatorju. Tak generator oddaja v omreje tok, ki je za generator kapacitiven, za omreje pa induktiven. To pomeni, da ima podvzbujen sinhronski generator podobne lastnosti kot tuljava, ki obremenjuje omreje z jalovo energijo.

37