JU MJEŠOVITA ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLSKA GODINAI DRVOPRERAĐIVAČKA SREDNJA ŠKOLA 2014./2015. BIHAĆ

MATURSKI RADPredmet: Električne mašine

Tema: Višefazni namoti asinhrone mašine

MENTOR: UČENIK:prof. Smail Ibrahimpašić Anes Harčević

Razred: IV3

BIHAĆ, Maj, 2015. godine.

SADRŽAJ

1. UVOD......................................................................................................................22. OSNOVNI PRINCIPI RADA................................................................................. 43. RADNI REŽIMI ASINHRONE MAŠINE............................................................. 7

3.1 Moment konverzije............................................................................................73.2 Regulacija brzine obrtanja.................................................................................8

4. POKRETANJE ASINHRONIH MOTORA..............................................................9 4.1 Pokretanje asinhronih mašina sa namotnim rotorom.........................................9 5. ASINHRONI GENERATOR....................................................................................10 6. PRIMJENA ASINHRONIH MOTORA................................................................... 12ZAKLJUČAK......................................................................................................................14LITERATURA.................................................................................................................... 15

1

1. UVOD

Asinhrona mašina se u primjeni najčešće susreće kao motor, i to trofazni. Tipični je predstavnik električne mašine male snage koja se obično pravi u velikim serijama. Prednosti asinhronih mašina, u odnosu na ostale vrste električnih mašina, su prvenstveno manja cijena, jednostavnost konstrukcije, manji momenat inercije, robusnost, pouzdanost i sigurnost u radu, lako održavanje, dok su nedostaci vezani uglavnom za uslove pokretanja i mogućnost regulisanja brzine obrtanja u širokim granicama. Primjena mikroprocesora i energetske elektronike omogućila je ekonomično upravljanje motorima za naizmjeničnu struju i time konkrentnost i u području pogona sa promjenjivom brzinom.

Slika 1. a) niskonaponski motor b) visokonaponski motor

Razvoj pretvarača energetske elektronike i primjena mikroprocesora ih je učinila konkurentnim i u području pogona sa promjenjivom brzinom obrtanja, gdje se ranije isključivo koristile mašine jednosmjerne struje.

Osnovni elementi asinhrone mašine su:

1. mirujući dio (stator) i 2. obrtni dio (rotor).

Stator se sastoji iz magnetnog kola i namotaja.

Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih limova, koji su po unutrašnjoj strani ožljebljeni. U žljebovima statora je smješten pobudni namotaj. Namotaj je trofazni, spregnut u zvijezdu ili trougao. Početci i krajevi namotaja pobude (statorski namotaji) su izvedeni u priključnu kutiju mašine. Čitav stator se stavlja u kućište mašine, koje je kod manjih mašina obično izliveno od aluminijuma ili livenog gvožđa. Spolja su postavljena rebra radi povećanja površine hlađenja. Ventilator je ugrađen na vratilu i odnosi toplotu sa površine kućišta. Na dojnjem dijelu kućišta asinhrone mašine nalaze se stopala za pričvršćenje mašine za podlogu.

2

Rotor se sastoji iz magnetnog kola i namotaja.

Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih limova koji su po spoljašnjoj strani ožljebljeni. U žljebovima rotora je smješten namotaj rotora.

Slika 2. Osnovni dijelovi asinhrone mašine

Namotaj rotora se izvodi na dva načina i to kao kavezni (kratkospojeni) i namotani (sa prstenovima) u tom smislu se i asinhrone mašine djele na dvije grupe i to na:

a) asinhrone mašine sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima),b) asinhrone mašine sa kaveznim (kratkospojenim rotorom).

Asinhrona mašina sa namotanim rotorom

U žljebove rotora ja postavljen trofazni namotaj. Ako je namotaj spregnut u zvijezdu onda se tri kraja spoje u neutralnu tačku, preostala tri kraja se izvode do tri klizna prstena, izolovana međusobno i od vratila. Na klizne prstenove naliježu četkice koje su u vezi sa trofaznim rotorskim otpornikom koji se često naziva otpornik za puštanje u rad. Pošto je rotorski otpornik potreban samo za puštanje u rad, nakon toga se četkice podižu i namtaj rotora se kratko spaja preko odgovarajućeg uređaja.

3

Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom

Ova konstrukcija rotora je neusporedivo prostija u odnosu na konstrukciju namotnog rotora i jeftinija je. Sigurnost u radu je mnogo veća i ne zahtjevaju rotorske otpornike. Nedostatak asinhronih mašina sa kaveznim rotorom je loša karakteristika prilikom puštanja u rad ( polazna karateristika). Ista se ogleda u prevelikoj polaznoj struji (5-8 puta je veća od nominalne struje). To ograničava njihovu upotrebu na manje i srednje snage.

Slika 3. Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom

2. OSNOVNI PRINCIPI RADA

Rad asinhrone mašine je zasnovan na obrtnom elektromagnetnom polju, kojeg je otkrio Nikola Tesla. Ako se kroz namotaj na statoru koji je sačinjen od više navoja, proopusti naizmjenična struja koja se mijenja po sinusnom zakonu, po obodu zazora će se javiti sinusno rapodjeljena magnetnopobudna sila (elektromagnetno polje). Ova magnetnopobudna sila je nepokretna u prostoru, a promjenjiva je u vremenu i naziva se pulzirajuća magnetnopobudna sila.

Ako sada na isti ovaj statora dodamo još jedan namotaj, koji je također sastavljen od više navojaka, i pomjeren je za 90°, u odnosu na prvi namotaj i kroz njega protiče struja koja je fazno pomjerena u odnosu na struju prvog namotaja za 90°, stvoriće se druga magnetnopobudna sila, koje ja također pulzirajuća ali djeluje po osi drugog namotaja. Ove dvije u prostoru nepokretne i vremenski promjenjive magnetnopobudne sile, kao rezultat daju obrtnu magnetnopobudnu silu, čiji se položaj na prostoru mjenja, a amplituda je konstantna u vremenu.

4

Slika 4. Osnovni principi rada šema

To isto možemo uraditi i sa trofaznim namotajem. Postavljanjem tri namota prostorno pomjerena za 120° električnih, i puštanjem kroz njih tri struje fazno pomjerene za po 120°, dobijamo od svakog namota pulzirajuću magnetnopobudnu silu. Ukupno dejstvo pojedinačnih magnetnopobudnih sila određeno je njihovim zbirom.

Slika 5. Rotori

5

Tri pulzaciona polja u slučaju prostorno pomjernih namota sa vremenski pomjernim strujama daju rezultantno polje koje nije pulzaciono, već ima konstantnu amplitudu i rotira u prostoru sinhronom brzinom (jednakom učestanosti struja u namotaju statora).

Ako se u oblast gdje djeluje Teslino obrtno polje ubaci rotor (npr. kavezni), pod utjecajem tog polja u namotaju rotora će se indukovati elektromotorna sila (EMS), koja će protjerati struju kroz namotaj rotora (jer je rotor kratkospojen). Rezultat dejstva struje u namotaju rotora i obrtnog polja sa statora je elektromagnetni moment koji djeluje na namotaj rotora i rotor počinje da se obrće u smjeru obrtnog elektromagnetnog polja.

Rotor nikada ne dostiže sinhronu brzinu obrtanja (brzina obrtnog elektromagnetnog polja), jer i kada bi se to desilo nebi se indukovala EMS u rotoru, a time ni struja u provodnicima rotora, pa bi elektromagnetni moment bio 0, usljed čega bi rotor usporio. Prema tome rotor i obrtno polje se ne obrću istom brzinom (sinhrono), već različitom (asinhrono), pa se zbog toga ovakve mašine i nazivaju ASINHRONE MAŠINE.

6

3. RADNI REŽIMI ASINHRONE MAŠINE

Najčešći radni režimi asinhrone mašine su:

1. Motorski režim rada (mašina uzima električnu i daje mehaničku energiju), 2. Generatorski režim rada (mašina pretvara mehaničku energiju u električnu)

U svim prethodno navedenim radnim režimima, asinhrona mašina troši reaktivnu energiju.

Asinhrona mašina se najčešće koristi kao motor. Ona se rijetko koristi kao generator za proizvodnju električne energije, pošto tada zahtjeva postojanje izvora reaktivne energije.

3.1 Moment konverzije

Moment konverzije asinhrone mašine je srazmjeran kvadratu napona napajanja.

M ~ Uf 2

Karakteristike momenta (mehaničke karakteristike) predstavljaju zavisnost momenta konverzije asinhrone mašine od brzine obrtanja: M = f(n) (kod asinhrone mašine često se predstavljaju i kao M = g(s) ).

Karakteristične tačke gledano preko momenata su:

- Polazni momenta, Mpol koji motor razvija pri pokretanju (n=0), i koji, da bi se mašina mogla pokrenuti mora biti veći od otpornog momenta radne mašine,

- Prevalni (maksimalni) momenat Mp je najveća vrijednost momenta, - Naznačeni nominalni momenat, Mn odgovara naznačenom režimu rada.

7

3.2 Regulacija brzine obrtanja

Veličine pomoću koji se može regulisati brzina obrtanja najlakše se vide iz osnovne jednačine koja opisuje brzinu obrtanja asinhrone mašine:

n = ns (1-s) = 60 · fp·(1−s)

Regulisanje brzine obrtanja se može izvršiti:

Promjenom klizanja, Promjenom broja pari polova, Promjenom frkvencije mreže (izvora).

Regulacija brzine promjenom klizanja i broja pari polova se danas ne koristi.

Regulacija brzine promjenom frkvencije izvora je sa razvojem energetske elektronike, postala najznačajnija, pri čemu se, kako se ne bi promjenilo magnetno zasićenje mašine često izvodi sa istovremenom promjenom napona napajanja (tzv. U/f regulacija, U/f=const).

Prednosti ovog načina regulisnja brzine su veoma dobrim tehničkim osobinama: zadržava se vrijednost maksimalnog momenta, promjena brzine je kontinualna i u širokom opsegu, koristi se standardni motor sa kratkospojenim rotorom. Međutim potreban je dodatni uređaj za obezbjeđenje promjenjive učestalosti i napona napajanja (pretvarač).

Upotrebom frkventnih pretvarača (AC/AC) pretvarača riješava se i problem prevelikih struja vezan za pokretanja asinhronog motora kao i jednostavna promjena smjera obrtanja rotora. (Svodi se na promjenu smjera obrtnog polja u statoru. U praksi se promjena smjera obrtanja rotora postiže i zamjenom mjesta dva priključna fazna voda).

8

4. POKRETANJE ASINHRONIH MOTORA

Pokretanje motora je proces koji započinje u trenutku u kojem je rotor u stanju mirovanja, a završava se onda kada se, pri odgovarajućoj brzini obrtanja, izjednače razvijeni moment motora i otporni moment radnog mehanizma. Polazne karakteristike određuju vrijednosti polazne struje i momenata, sigurnost pokretanja, vrijeme trajanja puštanja kao i ekonomičnost koja zavisi od cijene potrebne opreme i gubitaka za vrijeme pokretanja. Vrijednost polaznog momenta i struje su osnovne veličine od interesa pri pokretanju asinhrone mašine. U trenutku kada se motor priključuje na mrežu, njegov rotor je mehanički nepokretan, a električno je u kratkom spoju (bez obzira na tip asinhrone mašine), a uz maksimalnu indukovanu elektromotornu silu u namotaju rotora (obrtno polje presjeca provodnike sinhronom brzinom) to stanje je praćeno pojavom velikih struja.

Slika 10. Karakteristike momenta i struje za dvije vrijednosti otpora rotora

4.1 Pokretanje asinhronih mašina sa namotnim rotorom

Asinhrone mašine sa namotnim rotorom imaju dobre karakteristike s obzirom na pokretanje jer je pomoću dodatnog otpora (otpornik za puštanje u rad) priključenog u rotorsko kolo omogućeno razvijanje velikih polaznih momenata pri maloj polaznoj struji. Naime pri povećanju ukupnog otpora rotorskog kola se, uz nepromjenjeni prevalni moment, povećava prevalno klizanje i polazni momenat, a smanjuje polazna struja.

9

Nedostaci ovoga rješenja proizilaze iz opštih nedostataka AM sa namotanim rotorom u odnosnu na AM sa kratkospojnim rotorom, zatim postoji potreba za dodatnim uređajem (rotorskim pokretačem), koji sa jedne strane povećava ukupnu cijenu pogona, a ujedno i uređaj čini složenijim, a zbog velikog broja kontakata i nepouzdanim. Povoljno je što se gubici u rotoru raspodjeluju između samog namotaja rotora i dodatnog otpora.

Dakle odabiranjem mašina sa namotanim rotorom, koje pokrećemo pomoću rotorskog pokretača postižemo gotovo idealne polazne karakteristike, ali je to ukupno gledano nepovoljno rješenje kojem se pribjegava jedino u slučaju pogona sa izuzetno teškim uslovima pokretanja.

Slika 11. Karakteristika momenta i struje kod pokretanja AM sa namotnim rotorom

5. ASINHRONI GENERATOR

Generatorski režim rada asinhrone mašine nastupa kada se rotor mašine obrće stranom pogonskom mašinom u smjeru obrtanja magnetnog polja brzinom većom od sinhrone. U ovom režimu rada generator predaje aktivnu snagu mreži međutim zbog potreba za snadbijevanjem reaktivnom snagom za stvaranje magnetnog polja pobude, asinhroni generator ne može da radi sam na sopstvenu mrežu već sam paralelno barem sa jednim sinhronim generatorom. Naznačeno klizanje generatora je od prilike isto kao naznačeno klizanje motora, ali ima negativan predznak. U odnosu na sinhrone generatore, osnovni nedostatak asinhronih generatora je potreba za reaktivnom energijom, odnosno potreba za barem jednim sinhronim generatorom, dok su prednosti vezane za jeftiniju i jednostavniju opremu, što dolazi do izražaja kod manjih snaga. Naime, kod asinhronih generatora nije potrebna aparatura za sinhronizaciju, pogonska mašina ne zahtjeva skupi regulator brzine obrtanja, već sam uređaj za njeno ograničenje, a nije potreban ni automatski regulator napona. Asinhroni generatori nisu naišli na neku širu upotrebu, i danas ih susrećemo kao pomoćne generatore manjih snaga.

10

Reaktivna energija za stvaranje magnetnog polja pobude svakako se mora dovesti s polja kako kod motornog, tako i kod generatorskog pogona. Pri tome mogu nastupiti slijedeća dva slučaja:

Paralelni pogon s postojećom mrežom (odnosno sinhronim generatorom) iz koje se uzima potrebna reaktivna snaga i vraća proizvedena aktivna snaga.

Samostalni pogon asinhrone mašine u vidu asinhronog generatora sa sopstvenom generatorskom pobudom.

Slika 12. Asinhroni generator

Paralelni pogon asinhronog generatora sa postojećom mrežom izvodi se uglavnom u malim pomoćnim elektranama bez posluge (mini hidroelektrane, vjetrenjače). Asinhrona mašina sa kratkospojenim rotorom pri tome ne zahtjeva uređaje za sinhronizaciju i regulaciju napona, a pogonska mašina (turbina) ne treba skupi regulator brzine obrtanja, već sam uređaj za njeno ograničenje. Predaja snage je samopodešavajuća i udgovara snazi mašine u datom trenutku.

11

6. PRIMJENA ASINHRONIH MOTORA

Asinhroni motori se primjenjuju u više oblasti kao što su:

Industrija (pumpe, kompresori, mlinovi, mješalice). Transportni sistemi (pokretne trake, dizalice, žičare, i ski liftovi, električna vozila). Različite vrste kućnih aparata (veš mašine, kompresori za friždere, kompresori u klima

uređajima).

Primjena asinhronih motora

12

13

ZAKLJUČAK

14

LITERATURA

(1.) Slobodan N Vukosavić, Električne mašine i postrojenja, skripta za predavanja, Beograd 2003.

(2.) B. Mitraković: Asinhrone mašine, naučna knjiga, Beograd, 1986. (3.) A. Dolenc: Asinhrone mašine, Sveučilišna naklada Liber, Zagreb, 1970.(4.) http://www.pomorci.com/Skole/Elektrika/Asinhrone%20masine.pdf(5.)http://www.keep.ftn.uns.ac.rs/predmeti/masinski_4g_PrimenaPLC_u_meh/PPuM

%20-%20ppt%20pogoni%20-%20asinhrone.pdf(6.) http://studenti.rs/skripte/elektrotehnika/asinhrone-masine/

15