SREDNJA ELEKTROTEHNIKA KOLARUERA BOKOVIA MOSTAR

Ur. broj:_________Mostar:_________

TEHNIKA DOKUMENTACIJAZAVRNOG RADA ODRANOG U_____ROKU________2015. GODINE

Za uenika: Marko MikuliStruka: ElektrotehnikaProgram: Elektrotehnika AZanimanje: Tehniar za elektroenergetiku

Predsjednik ispitnog odbora________________________

SREDNJA ELEKTROTEHNIKA KOLA RUERA BOKOVIAMOSTAR

Za uenika: Marko MikuliTEMA ZAVRNOG RADA: Istosmjerni strojevi

Mentor: Ivana Gotovac uljak, prof.

Ocjena obrazloenja zavrnog rada______________________________lanovi povjerenstva1._____________________________2._____________________________3._____________________________

Sadraj

1. Uvod12. Konstrukcija istosmjernog stroja23. Istosmjerni generator34. Istosmjerni motor45. Napon istosmjernog generatora46. Napon istosmjernog motora47. Prazni hod58. Optereenje istosmjernog stroja69. Komutacija610. Pomoni namoti rjeavaju probleme iskrenja711. Uzbude istosmjernih strojeva812. Paralelni rad istosmjernih generatora913. Motori istosmjerne struje1014. Pokretanje istosmjernih motora1115. Regulacija brzine vrtnje1216. Zakljuak14

3

1. UvodElektrini rotacijski strojevi kod kojih u vanjskom strujnom krugu tee istosmjerna struja zovu se istosmjerni strojevi.Mogu raditi reverzibilno, tj. kao generatori (na svojim stezaljkama daju istosmjerni napon) ili motori (na njihove stezaljke dovodi se istosmjerni napon).Istosmjerni strojevi po svojoj izvedbi slini su sinkronim strojevima. Razlika je u tome, to se uzbudni dio kod istosmjernog stroja nalazi na statoru, a armaturni na rotoru, dok je kod sinkronih strojeva to u pravilu obratno.U elektrotehnici zadnjih godina upravo su istosmjerni motri zauzeli vodeu ulogu u automatizaciji i regulaciji jer imaju pogodne mogunosti bre i fine regulacije brzine vrtnje. Kao i kod drugih elektrinih strojeva tako i kod istosmjernih strojeva ne postoji nikakva konstrukcijska razlika izmeu generatora i motora, ali zbog praktikih razloga radi ili kao generator ili kao motor. U istosmjernim strojevima postoji kolektor koji omoguava da istosmjerni generator u kojem se inducira izmjenini napon daje potroau istosmjerni napon, ili kod motora, da privedeni istosmjerni napon pretvori u izmjenini.

2. Konstrukcija istosmjernog strojaKonstrukcija istosmjernog stroja slina je sinkronom stroju, a razlika je u tome sto istosmjerni stroj ima polove uzbudnog namota na statoru, a armaturni namot na rotoru, dok je kod sinkronog stroja suprotno. Istosmjerni stroj, prikazan slikom 2.1, ima tri osnovna dijela : 1. stator, 2. rotor, 3. kolektor. Stator je izveden kao uplji valjak od lijevanog eljeza. Na unutarnjoj strani statorskog jarma nalaze se magnetski polovi s uzbudnim namotom, a sa strane statora nalaze se titovi s leajevima za osovinu. Magnetske silnice izlaze iz sjevernog N - pola, prolaze preko rotora, ulaze juni S - pol i vraaju se na sjeverni N - pol. Stator je izraen od punog masivnog komada jer je izvrgnut magnetskom polju istosmjerne struje te nemamo gubitke vrtlonih struja i gubitke petlje histereze. Rotor je izraen od dinamo limova i uvren na osovinu. U utorima nalazi se armaturni namot iji su krajevi spojeni na lamele kolektora. Kolektor je smjeten uz sam rotor na osovinu stroja, a sastoji se od bakrenih lamela koje su meusobno izolirane i izolirane su i od osovine, a po njima klize etkice. etkice su nainjene od mekeg materijala nego sto je kolektor kao sto su : tvrdi ugljen, grafitni ugljen, metalni ugljen itd. One moraju itavom svojom povrinom leati na kolektoru odreenim pritiskom i ne smiju biti vee irine od 2-3 lamele.Lamele kolektora meusobno su izolirane (tinjcem, odnosno kolektorskim mikanitom), a takoer su izolirane i od osovine rotora.etkice su smjetene u drae etkica koji se moraju konstruirati tako da dre konstantni pritisak na etkice neovisno da li se etkice pri radu troe vie ili manje.Uzbudni namot istosmjernog stroja izvodi kao posebni izolirani svitak sa slobodnim krajevima za prikljuak. Ti se svici postavljaju na svaki pol, a spajaju se redovito serijski i to tako, da je polaritet polova izmjenian, tj. iza N-pola dolazi S-pol itd.Armatumi namot izvodi se kao petljasti (paralelni) ili valoviti (serijski).

Slika 2.1. Dvopolni istosmjerni stroj

3. Istosmjerni generatorMagnetski tok stvoren je prolazom uzbudne struje kroz uzbudni namot, a pokreemo li rotor vanjskim pogonskim strojem konstantnom brzinom v, to e se inducirati EMS[footnoteRef:2] e: [2: Elektromotorna silaje uelektrotehniciveliina kojom se izraavarad potreban za razdvajanje nosilaca elektrinih nabojau izvoruelektrine struje.]

e = B * l * vgdje je B magnetska indukcija, l duljina vodia namota rotora i v obodna brzina rotora. Prema slici 1, stroj kao generator, u rotoru imat e izmjenini inducirani napon, a na etkicama preko kolektora imat emo istosmjerni napon. Kolektor i etkice nam omoguuju pretvaranje izmjeninog napona u istosmjerni.

4. Istosmjerni motorIstosmjerni stroj prikazan na slici 1 moe raditi i kao motor. Uz pretpostavku iste uzbudne struje i djelovanja magnetske indukcije B, prikljuimo li na stezaljke etkica istosmjerni napon, potei e armaturnim svitkom struja koja stvara silu F koja nastoji izbaciti vodi: F = B * I * lSila e stvoriti okretni moment, koji e rotor zakretati, i tako je istosmjerni stroj postao motor.

5. Napon istosmjernog generatoraInducirana EMS E na namotima razliita je od napona U koji vlada na stezaljkama stroja. Ako opteretimo stroj potei e armaturnim namotom struja IA koja izaziva u otporu armature RA pad napona u armaturi IA*RA. Na stroju dolazi i do pada napona na etkicama zbog prelaznog otpora izmeu etkica i kolektora U, pa moemo pisati da je napon stezaljki na generatoru prema II Kirchhoffovom zakonu:[footnoteRef:3] [3: Elektrini strojevi, E.Skoili]

U = E - IA * RA - U

6. Napon istosmjernog motoraKod elektromotora je obratno jer se napon na stezaljkama motora U troi na pad napona u otporu armature IA* RA, na pad napona na etkicama U i svladavanju EMS E inducirane u motoru, tako da je prema II Kirchhoffovom zakonu: U = E + IA * RA + UNapon stezaljki stroja U, pad napona armature IA*RA , EMS E i pad napona na etkicama U moe se prikazati nadomjesnom shemom kao na slici 2:

Slika 6.1. Nadomjesna shema istosmjernog generatora i motora

7. Prazni hodInducirana EMS E proporcionalna je magnetskom toku i brzini vrtnje stroja v, a uz pretpostavku konstantne brzine vrtnje, proizvedeni napon biti e proporcionalan magnetskom toku. Magnetski tok skoro redovito se stvara elektromagnetima kao uzbuda odreenom uzbudnom strujom IM. Na slici 3 prikazana je krivulja praznog hoda, gdje zbog remanencije, nee poeti iz ishodita 0 nego iz toke X :

Slika 3. Karakteristika praznog hoda

8. Optereenje istosmjernog strojaIstosmjerni stroj moemo opteretiti kao generator, tada uzimamo iz armaturnog namota struju IA, ili kao motor, tada dovodimo struju armature IA. Struja armature proizvest e magnetsko polje koje e svojim djelovanjem promijeniti magnetsko stanje stroja, a to izaziva i promjenu u fizikalnom djelovanju stroja, a to nazivamo reakcijom armature. To znai da u pogonskom stanju izmeu ostalog imamo za posljedicu smanjenje inducirane EMS.

9. KomutacijaKomutacija je promjena polariteta induciranog napona svitka kod prolaza kroz neutralnu zonu. Lamela pri prolazu pod etkicom ima za posljedicu promjenu smjera struje u svitku, koji se nalaze u kratkom spoju. Kratki spoj je dok etkice pokrivaju odgovarajue lamele i struja u svitku pada od neke vrijednosti na nulu, a zatim poraste u suprotnom smjeru. Na slici 4 prikazana su tri karakteristina trenutka komutacije:

Slika 9.1. Prikaz procesa komutacije (a, b, c)Na slici 4 a neka struja u promatranom svitku tee u pozitivnom smjeru. Pomicanjem kolektora u desno prolazi etkica sa lamele 2 na lamelu 1 kao na slici 4 b i svitak je kratko spojen. Za vrijeme kratkog spoja, struja kratko spojenog svitka mijenja svoj smjer i sada tee u negativnom smjeru. Prema slici 4 c je moment kada etkica ne dodiruje vise lamelu 2 i zavren je proces komutacije s negativnom strujom svitka.

10. Pomoni namoti rjeavaju probleme iskrenja

Slika 10.1. 1-kompaundni namot, 2-kompenzacijski namot, 3-namot pomonih polovaKompaundni namot postavlja se na glavne polove uz uzbudni namot, a spaja se izmeu etkica i stezaljki istosmjernog stroja, tako da kroz njega tee struja , u istom smjeru kao i uzbudna struja. Zbog toga je zadaa toga namota da nadoknadi smanjenje induciranog napona zbog reakcije armatura. Koristi se kod manjih i srednjih strojeva.Kompenzacjjski namot postavlja se u utore u polnim nastavcima glavnih polova, a spaja se takoer izmeu etkica i stezaljki istosmjernog stroja, tako da kroz njega tee ali suprotnog smjera od onog u armaturnom namotu. Zadaa je toga namota da poniti popreno polje armature (osim u meupolnom prostoru), tj. da smanji inducirani napon i pomak NZ. Zbog visoke cijene koristi se samo kod velikih istosmjernih strojeva s estim kratkotrajnim preoptereenjem.

11. Uzbude istosmjernih strojevaKao uzbudu moemo proizvesti magnetski tok pomou permanentnog magneta kao na slici 5 a. Takoer na slici 5 prikazane su pojedine vrste generatora s obzirom na uzbudu i to : b. generator s nezavisnom uzbudom c. poredni generator (s paralelnom vezom uzbude) d. serijski generator (sa serijskom vezom uzbude) e. kompaudni generator (sa paralelno serijskom vezom uzbude)

Slika 11.1. Vrste uzbuda istosmjernih generatoraNezavisna uzbuda, kao na slici 11.1. b., uzbudni strujni krug je neovisan o strujnom krugu potroaa. Taj nain uzbude upotrebljava se kod pogona s jako promjenljivim naponom armature. Stezaljke armature oznaene su sa slovima A - B, a uzbudni namot sa I - K. Poredna uzbuda, kao na slici 11.1. c., paralelni uzbudni namot prikljuen je paralelno na etkice armature i stezaljke su oznaene sa C - D. Kod generatora, armaturna struja dijeli se na struju potroaa i struju potrebnu za uzbudu magneta, dok kod motora struja privedena iz mree dijeli se na struju armature i uzbudnu struju. Serijska uzbuda, kao na slici 11.1. d., serijski uzbudni namot prikljuen je serijski na etkice armature i stezaljke su oznaene sa E - F. Kod ove vrste stroja ukupna struja predstavlja i struju armature i struju uzbude bez obzira dali se radi o generatoru ili motoru. Kompaudna uzbuda, kao na slici 11.1. e., serijski i paralelni namot spojili smo zajedno kao uzbudne namote i dobili smo svojstva stroja kao kod porednog i serijskog spajanja uzbude.

12. Paralelni rad istosmjernih generatoraParalelni spoj istosmjernih generatora prikazan je na slici 12.1. gdje svi generatori moraju imati jednake napone i u tom sluaju ukupni napon jednak je naponu jednog generatora : U = U1 = U2 Ukupna struja jednaka je zbroju struja pojedinih generatora: I = I1 + I2 Ukupna snaga, takoer je jednaka zbroju pojedinih snaga: P = P1 + P2 Da bi mogli prikljuiti dva istosmjerna generatora paralelno, moraju biti ispunjeni slijedei uvjeti: a. oba generatora moraju imati isti napon b. meusobno moraju biti spojene istoimene stezaljke.

Slika 12.1. Paralelni spoj istosmjernih generatora

13. Motori istosmjerne strujeKod motora istosmjerne struje, elimo li promijeniti smjer vrtnje moramo promijeniti spoj elektromagneta uz nepromijenjeni spoj armature, ili promijeniti spoj armature uz nepromijenjeni spoj magneta, kao na slici 7. Ako se promjeni istodobno i smjer uzbudne struje i smjer armaturne struje, ostat e smisao vrtnje motora nepromijenjen. Serijski motor optereenja savladava s relativno malom strujom, ali mana mu je da ako je neoptereen moe "utei". Poredni motor kod poveanja struje optereenja, smanjenje brzine je neznatno pa je pogodan za pogone koji zahtijevaju gotovo konstantnu brzinu vrtnje kod raznih optereenja. Kompaudni motor ima dva namota gdje moemo imati magnetska polja da se potpomau ili da djeluju nasuprot jedno drugome.

Slika 13.1. Promjena smjera vrtnje

14. Pokretanje istosmjernih motoraStruje pokretanja mogu biti 3 do 10 puta vee od nominalne struje, a to bi moglo tetno djelovati na motor i na mreu. Zbog toga se moe direktno prikljuiti na mreu samo mali motori snage do 1 kW, jer imaju veliki unutarnji otpor pa je struja pokretanja mala. Vei motori prikljuuju se na mreu prilikom pokretanja preko pokretaa ili uputaa, pomou kojih se u momentu pokretanja ograniava struja. Pokretai su otpori koji se prikljuuju u seriju s armaturnim namotom. U momentu pokretanja motora ukljuen je itav otpor pokretaa, zatim se porastom brzine motora iskljuuje sve dok armaturni namot ne bude direktno prikljuen na mreu. Na slici 8. a i b prikazani su spojevi pokretaa kod porednog i serijskog motora.Slika 14.1. Shema spoja pokretaa (a. kod porednog motora, b. kod serijskog motora)

15. Regulacija brzine vrtnjeKod regulacije brzine vrtnje mora se omoguiti da kod konstantnog optereenja postiemo razliite brzine vrtnje. Brzina vrtnje moe se mijenjati bilo promjenom prikljuenog napona, bilo mijenjanjem regulacionog otpornika postavljenog u seriju s armaturnim namotom, ili promjenom magnetskog toka. Prva dva naina nazivaju se regulacija naponom, a trei nain naziva se regulacija poljem.Ako elimo vriti regulaciju brzine naponom moramo smanjivati napon mree ukljuivanjem u armaturnu granu regulacioni otpor R i tako moemo samo smanjivati brzinu vrtnje. Regulaciju brzine poljem vrimo tako, da se u uzbudni krug prikljui regulacioni otpornik R1 kojim moemo mijenjati uzbudnu struju, odnosno magnetski tok, a time i brzinu vrtnje. Shema spajanja za regulaciju brzine vrtnje prikazana je na slici 9a za poredni motor i slika 9b za serijski motor.

Slika 15.1. Shema spajanja regulacije brzine vrtnje (a. kod porednog motora, b. kod serijskog motora)

16. ZakljuakU ovom radu opisan je u osnovnim crtama istosmjerni motor. Danas su istosmjerni motori u elektrotehnici zauzeli vodeu ulogu u automatizaciji regulaciji, jer imaju pogodne mogunosti bre regulacije brzine vrtnje. Kod njih ne postoji nikakva konstrukcijska razlika izmeu generatora i motora, ali i praktinih razloga radi ili kao generator ili kao motor.Klasini istosmjerni motor se sastoji od rotirajue armature koja je oblikovana u obliku elektromagneta s dva pola i od statora kojega ine dva permanentna magneta.Prednosti istosmjernih strojeva su Gotovo idealna vanjska karakteristika motora koja povezuje brzinu vrtnje i razvijeni moment vrtnje i razvijeni moment Mogunost jednostavnog dobivanja promjenljivog istosmjernog napona napajanja Jednostavnost u upravljako-regulacijskom smislu iroki opseg upravljivosti brzinom vrtnje.Nedostaci su Mehaniki komutator (izmjenjivaki komutator - izmjenjiva/ispravlja). Poveana zamana masa (moment inercije) Zahtijeva ee periodiko odravanje iroki opseg upravljivosti brzinom vrtnja.

Literatura Osnove elektrinih strojeva, R.Wolf, Zagreb, 1985, http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektri%C4%8Dni_strojevi http://rgn.hr/~dkuhinek/nids_daliborkuhinek/1%20OEE-RN/0Pred/2012_13/11_istosmjerni_strojevi_12_13a.pdf http://vtsbj.hr/images/uploads/ELEKTROMEHANICKI_PRETVARACI_I.pdf https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Elesus_02_ES_istosmjerni_12-13%5B2%5D.pdf