ODABRANA POGLAVLJA IZ ELEKTTROTEHNIKE

ODABRANA POGLAVLJA IZ ELEKTTROTEHNIKE

Nastavnik prof. dr Veran Vasić Asistent Vladimir Popović

NAPON, STRUJA, SNAGA

Napon i struja

Prema vremenskoj zavisnosti napon i struja mogu biti :1. Vremenski konstantne veličine2. Vremenski promenljive veličineVremenski konstante veličine:Napon i struja ovakvog oblika imaju znatno manju primenu uelektromehaničkoj konverziji energija (mašine jednosmerne struje).Primena im je pre svega u kolima napajanja elektrkomande i upraljanja.U električnim kolima u elektroenergetici koriste se sledeće vrednostijednosmernih napona: 24V u kolima šemama delovanja automatike, akao rezervno napajanje 110VDC i 220VDC u šemama delovanja u okvirurazvodnog postrojenja.Napon od 24V DC se može dobiti pomoću industrijskih ispravljača.Primena ovog napona je česta za potrebe napajanja PLC-a i upravljačkeelektronike ili merno regulacione opreme.Korisno je razdvojiti napajanja 24VDC za potrebe PLC-a i napajanja ulazaizlaza samog PLC-a.

U const I const

DC napon i strujaIndustrijski ispravljač:

Strujan kola se moraju obezbediti odgovarajućom zaštitom ispredsamog ispravljača na AC strani (automatski osigurač karakteristike B).Potrebno je predvideti i zaštitu strujnih krugova osiguračima koji senalaze na iza ispravljača (automatskim osiguračima karakteristike Z).

DC Napon i struja

Prikaz dva redundantnamodula za 24VDC kojiomogućuju vezivanje višeizvora jednosmernog napona.

Često u cilju povećanja pouzdanosti napajanja predviđamo redundantnonapajanje na 24VDC. Što je postignuto sa dva ili više ispravljača uzupotrebu redundantntog modula.

U pojedinim aplikacijama u razvodnim postrojenjima se koriste naponi110VDC i 220VDC. U tim postrojenjima se formiraju akumulatoripotrebnog napona i kapaciteta (potreban broj Ah). Ispravljač obezbeđujepotrebnu napunjenost akumulatora. Sa ovim naponom (110, 220VDC) senapajaju i zaštitni reli u samom postrojenju (Siprotec, REF610, Sepam…).Ovo je napon koji se na ovim releima pojavljuje i kao napon na digitalnim(binarnim) ulazima/izlazima. Napajanje motornih pogona može biti naovom naponu.

DC napon i struja

Ispravljač za napajanje potrošača i punjenje akumulatora.

DC napon i strujaKod jednosmernih veličina izostaje prolazak veličine (napona/struje) kroznulu pa postoji problem prekidanja struje u sklopnoj napravi. Zato sedeklariše DC struja prekidanja.

Naizmenični napon i struja

naizmenične struje

neperiodične

periodične

složenoperiodične

Prostoperiodične

Naizmenične struje su električne struje koje tokom vremena menjajusmer. Klasifikacija naizmeničnih struja:

Složenoperiodična Prostoperiodična

• Prostoperiodične naizmenične struje su električne struje kod kojihstruja harmonijski osciluje.

– trenutna vrednost i,– amplituda Im,– perioda T,– učestanost f=1/T,– ugaona učestanost =2f,– faza (2ft+),– početna faza .

)2sin()sin( tfItIi mm

i

t

T

Im

Prostoperiodični naizmenični napon i struja


• Efektivna vrednost naizmenične struje se definišekao stalna vrednost struje pri kojoj se za vreme od jedneperiode proizvede ista količina toplote kao i priposmatranoj naizmeničnoj struji.

• Instrumenti za naizmeničnu struju i napon mere njihoveefektivne vrednosti!

2)(

0

2 mT

effIdttiII 2

meff

UUU 2m

effEEE


• Učestanost naizmeničnog napona (struje) određeni su brzinom obrtanja) sinhronih generatora:

– Primer: p=2, n=1500 o/min, koliko iznosi f ?p=20, n=150 o/min, koliko iznosi f ?

[Hz]60602

222

npnppf meh

Prostoperiodični naizmenični napon i strujaPredstavljanje prostoperiodičnih veličina

• Cilj:– Omogućiti efikasno rešavanje električnih kola!

• Metodi predstavljanja:– Analitički,– Grafički,– Fazorski i– Kompleksni.


– Analitički prikaz trigonometrijskim funkcijama:

– Prednosti: jasan fizički smisao dobijenih rezultata.– Nedostaci: postupak je spor i podložan greškama.

)sin(2)sin()( tItIti m

)sin(2)sin()( tUtUtu m

Predstavljanje prostoperiodičnih veličina


– Grafički prikaz:

– Prednosti: jasan fizički smisao dobijenih rezultata.– Nedostaci: postupak je spor i nemoguće je precizno crtanje.

i

t

T

Im



– Fazorsko predstavljanje (fazor je vektor čiji je početak ukoordinatnom početku, a obrće se ugaonom brzinom okokoordinatnog početka):

I

sinI

cosIRe

Im



– Primer: predstaviti naizmenični napon u(t) pomoću fazora.

)30314sin(2230)( ttu

Re

Im

U

30

30230 jeU rad/s314


Merenje naizmeničnih napona i strujaMerenje napona i struje analognim instrumentom je danas samo zapotrebe pokaznih merenja. Ovo su instrumenti sa mekim gvožđem. Klasatačnosti za ova merenja je 1,5. Instrumenti su ugradni na vrataodgovarajuće dimenzije: 48x48, 72x72 ili 96x96. Ampermetar u jednoj ili usve tri faze. Za merenje napona uvek se korsti samo jedan voltmetar savoltmetarskom preklopkom što omogućuje merenje svih faznih imeđufaznih napona.Obično smo u prilici da za merenje struje moramo koristi steujne mernetransformatora na čiji sekundar priključujemo ampermetar. merimo strujekoje prevazilaze 6A i

Primar strujnog mernog transformatora se spaja redno s opterećenjem, a kod naponskog paralelno. Na sekundar MT spaja se potrošač - instrumentacija i/ili zaštitna oprema. Jedna stezaljka MT se uzemljuje. Primarna struja SMT određena je potrošačem i na nju se ne može uticati opterećenjem u sekundaru. Ako je otpornost opterećenja u sekundaru veći od dozvoljenog sekundarna struja će biti nedovoljna da uspostavi strujnu ravnotežu tada se primarna struja pojavljuje kao struja magnećenja što je praćeno porastom indukcije. Oznake SMT P1-P2 i S1-S2, stare oznake K-L i k-l.a)Primer spoja naponskog i strujnog mernog transformatora za merenje struje ampermetrom, napona voltmetrom i snage vatmetrom. b)Primer magnetnog kola i namotaja SMT.

Merenje naizmeničnih napona i struja – Merni transformatori

Merenje naizmeničnih napona i struja – Merni transformatori

Princip primarnog prespajanja SMT : а) преносни однос I1/I2 б) 2I1/I2

UI

t

I

U

Najgora situacja po SMT je otvoren sekundar. Čitava primarna strujatransformatora se pojavljuje kao struja magnećenja što dovodi do povećanjaindukcije i napona na stezaljkama SMT, zasićenja, gubitaka i zagrevanja. Možedoći do oštećenja SMT. SMT ne sme nikada imati otvorene sekundarne stzaljke, mora biti kratko spojenili opterećen malim otporom. Na sekundarima SMT se postavljaju stezaljke koje omogućuju jednostavno kratko spajanje sekundara pre nego što se odspoji

Merenje struje i strujni merni transformatorPrema načinu izvođenja primara SMT može biti sa namotanim primaromza nominalne primarne struje do 40A. Za veće struje SMT je obuhvatni.

Današnja merno – zaštitnaoprema je digitalne prirode i imamalu potrošnju te SMT mogubiti i za 2,5VA.

Merenje struje i strujni merni transformatorDa bi se izbeglo da pri manipulaciji ili servisu sekundar SMT ostaneotvoren potrebno je koristiti odgovarajuće terminale – stezaljke kojeomogućuju da se sekundar SMT kratko spoji pre nego što seampermetara ili merno – zaštitna oprema odspoji.

Merenje struje i strujni merni transformatorNa sekundare SMT može biti priključenpretvarač 5A/4-20mA.Problematika izbora s obzirom na strujumotora.

Merenje u električnom kolu multimetrom

Merenje u električnom kolu multimetrom

Usled razvijene snage gubitaka temperatura električnih mašina je veća od temperature ambijenta. Prenos toplote se uvek javlja kada postoji razlika temperature u sistemu.

• Pretpostavke za analizu zagrevanja električnih mašina:– Mašina homogeno telo– Gubici ravnomerno raspoređeni– Gubici konstantni u vremenu– Jednako odvođenje toplote sa svih delova

ZAGREVANJE ELEKTRIČNIH MAŠINA

Energija gubitaka je toplotna energija, tako da temperatura mašine zavisi od snage gubitaka. Toplotna energija razvijena u mašini povećava temperaturu mašine u odnosu na temperaturu ambijenta- nadtemperatura.

ZAGREVANJE MAŠINA

Pg -snaga gubitaka u mašini; -nadtemp., porast temperature mašine u odnosu na ambijent [K];maš-temperatura mašine [°C];a -temperatura ambijenta - okoline [°C];p -odvedena snaga po jedinici površine i jedinici nadtemp. [W/m2K];cp -specifični toplotni kapacitet mašine [Ws/kg K];S -površina hlađenja;m -masa mašine;

energijaaAkumuliran

p

toplotaOdvedenagubitakaEnergija

g dcmdtSpdtP

amaš Ako se pretpostavi da je mašina homogeno telo tada je bilans toplotnih energija:

Kada se dostigne maksimalan porast (stacionarna vredndost) temperature sva toplotna energija gubitaka se predaje okolini i ne zadržava se u mašini:

ZAGREVANJE MAŠINA

energijaaAkumuliran

p


g dcmdtSpdtP 0

SpPg

max

Rešavanjem gornje kompletne diferencijalne jednačine:

d

TSpcm

dtdtSp

P pg

dTdtdt max

max

dTdt

Maksimalan (stacionaran) porst temperature

T -vremenska konstanta zagrevanja mašine [s];

Vremenska konstanta zagrevanja mašine T. Definicija. Vreme koje je potrebno da se dostigne stacionarno povišenje temperature definisano gubicima u uslovima adijabatskog zagrevanja (bez odvođenja toplote).

tcm

Pt

p

gadij

)(

Spcm

T p

ZAGREVANJE MAŠINA

energijaaAkumuliran

p


g dcmdtSpdtP

0

max)( Ttadij

Porast temperature u uslovima adijabatskog zagrevanja:

Iz uslova :

Elektromagnetni procesi

Mehanički procesi

Vremensk konstanta zagrevanja

0.1 – 100 ms 10 ms – 10 s 10 – 60 min.

Vremenske konstante električnih mašina:

ZAGREVANJE MAŠINA

Tte /0max0 1

[°C]

a

Pg

Pg1

Promena nadtemperature mašine:

Konačno povišenje temperature u odnosu na ambijent nezavisno je od početnog povišenja temperature 0. Zbog toga se obično analizira slučaj kada je početno povišenje temperature mašine 0=0.

max

dTdt

[K]

max

tθ= θamb

00 2T 3T 4T 5T

86,5% 95,0% 98,2% 99,3%

t=TmcTpS

tmcP

t gadij

max

SpPg

t max

63,2%

Tte /max 1

ZAGREVANJE MAŠINA

Tte /max 1 Promena nadtemperature mašine za 0=0. :

tθ= θamb

00 t=T 2T 3T 4T 5T

maxn

gng PP

gng PP

gng PP

max1

max2

ZAGREVANJE MAŠINA

Krive porasta temperature pri različitim opterećenjima.

SpPg

stac max

Do hlađenje dolazi kada se snaga gubitaka smanji ili se poveća odvođenje toplote. Do izraza za nadtemperaturu tokom hlađenja mašine se dolazi iz:

Tt

et

0

HLAĐENJE MAŠINA

energijaaAkumuliran

p


g dcmdtSpdtP

0

• Treba uočiti da su vremenska konstanta hlađenja i zagrevanja iste ukoliko su isti uslovi odvođenja toplote.

• Kod motora sa ventilatorom na sopstvenom vratilu pri isključenju dolazi do smanjenog odvođenja toplote pa se vremenska konstanta hlađenja mašine uvećava nekoliko puta u odnosu na vremensku konstantu zagrevanja mašine.

Spcm

T p

tθ= θamb

t=T 2T 3T 4T 5T

max

63,2%86,5% 95,0% 98,2% 99,3%

Tt

Tt

eet

max0

Spcm

TT pzagrevanjahladjenja

Krive promene nadtemperature pri zagrevanju - hlađenju mašine.

HLAĐENJE MAŠINA

Vremenske konstante su jednake samo ako su uslovi odvođenja toplote identični – ista specifična snaga odvođenja toplote p.

tθ= θamb

T Tmir

max

63,2%

mirmir Tt

Tt

eet

max0

HLAĐENJE MAŠINA

Krive promene nadtemperature sa zaustavljenim rotorom (mirovanje) – prinudnom ventilacijom.

Ako bi motor prestao da rotira odvođenje toplote bi se osetno pogoršalo – smanjila bi se specifična snaga odvođenja toplote pusled izostanka ventilacije.

Spcm

TT pzagrevanjahladjenja

tθ= θamb

T Tmir

stac

63,2%

ph

HLAĐENJE MAŠINA

Krive promene nadtemperature sa zaustavljenim rotorom (mirovanje)– prinudnom ventilacijom – rasterećena mašina u praznom hodu.

mirmir Tt

stacT

t

eet

0

Efikasno hlađenje mašine nastaje ako se mšina rastereti i pusti da radi u režimu praznog hoda.

TKI Y A E B F H[ºC] 90 105 120 130 155 180[K] 45 60 75 80 100 125

izolndoz

Izolacioni materijali s obzirom na vrednost dozvoljene temperature izol[ºC] podeljeni su u termičke klase izolacije TKI za koje se dozvoljava trajno povišenje temperature mereno promenom vrednosti otpornosti namota doz [K]. Pri tome se podrazumeva da je temperatura ambijenta (okoline) u kojoj radi motor a =40[°C], a nadmorska visina do 1000m.

TERMIČKE KLASE IZOLACIJE

•Rotacone električne mašine se izrađuju sa izolacijom u TKI B -retko (smola, šelak) i F -najčešće (mikadur, liskun, epoksi).

•Uljnim transformatorima se dopušta porast temperature namotaja od 65 [K], a maksimalan porast temperature ulja pri vrhu suda od 60 [K].

•Suvi transformatori se izrađuju sa izolacijom u TKI F ili većoj.

amaš

Tabela iz IEC62 114 o termičkoj klasi elektroizolacionog sistema EIS.Prema ovom standardu TKI su označene brojčano gde brojka predstavlja dozvoljenu temperaturu izolacije izol.

izol


1 20 11 ( 20)R R

2 20 21 ( 20)R R

2 2

1 1

235235

RR

Gde je = 0,00392 [°C-1]

2 1


doz

a

a doz


Ilustracija za nehomogeno zagrevanje električne mašine. Prikazana je termička slika jedan žleb u magnetnom kolu sa provodnicima.

TKI Y A E B F H[ºC] 90 105 120 130 155 180[K] 45 60 75 80 100 125

izolndoz

U zavisnosti od toga da li temperatura ambijenta raste iznad referentne vrednosti ili opada ispod, mora se smanjivati opterećenje motora ili se može povećavati opterećenje, a da temperatura izolacije ne pređe dozvoljenu vrednost definisanu TKI.


dozn

a ref= 40ºC

doz a1

a 1

doz a2

a 2

dozTKI

a 1

dozn

a 2

dozn

TKIizol

Smisao intenziviranog hlađenja je da se odvođenjem veće količine toplote iz manjeg volumena dobije mašina veće snage. To dopušta povećanje gubitaka odnosno snage mašine. Time dobijamo specifično lakše motore.

HLAĐENJE MAŠINA

Toplotna energija iz električne mašine se odvodi u okolinu:•kondukcijom (provođenjem)•radijacijom (zračenjem)•konvekcijom (strujanjem fluida)

Udeo konvekcije u odvođenju toplote opada kako se smanjujesnaga mašine, dok je kod najvećih mašina skoro sva energijaodvedena konvekcijom.

U zavisnosti od snage mašine rashladni fluid može biti:vazduh, vodonik, voda.

Da bi se dobila što veća snaga mašine iz date mase preduzima se hlađenje motora rashladnom tečnošću koja struji kroz kanale za hlađenje postavljene u kućište motora.

HLAĐENJE MAŠINA

Figure 1.18. (a) Photo of cross-section of a water-cooled Roebel bar with transpositions.

Kada se koristi voda kao rashladnosredstvo u provodnicima namotajapostoje kanali kroz koje struji voda.

Prinudnom ventilacijom transformatora (AF –air force) nominalna snaga jeza 40% veća u odnosu na prirodnu ventilaciju (AN – air natural).

An open air cooled motor (IC0A1)with drip proof protection (IP23)

HLAĐENJE MAŠINA

A totally enclosed motor (IP54) using anair-to-air heat exchanger (IC6A1A6)

HLAĐENJE MAŠINA

A totally enclosed motor (IP54) using an air-to-water heat exchanger (IC8A1W7)

HLAĐENJE MAŠINA

ŠTA ČINI SNAGU GUBITAKA?ELEKTRIČNI GUBICI. Nastaju u namotajima usled proticanja struje izazvaneopterećenjem, a nazivaju se još “Džulovi gubici”, “Gubici u bakru”, “Gubiciusled opterećenja”. Svi ovi nazivi su opravdani, jer električni gubici postoje unamotaju, koji su najčešće od bakra, zavise od opterećenja, znači promenljivi(varijabilni) su.

2 2( ) ;Cu Cunn

SP q R I PS

CuSlR

Ovako izračunata snaga gubitaka u Cu naziva se “čisti gubici” ili “gubici usledjednosmerne struje”. Kada se namotaj sa naizmeničnom strujom nalazi umagnetnom polju dolazi do povećanja gubitaka u Cu koje nastaje zbognejednake gustine struje po preseku provodnika. Povećanje otpornosti zbognejednake gustine struje može se uvažiti pomoću Fildovog sačinioca.

GUBICI U MAGNETNOM KOLU. Gubici usled vrtložnih struja i histerezisa.Nastaju u gvožđu mašine prožetom promenljivim fluksom. Ne zavise odpostojanja struje opterećenja.

MEHANIČKI GUBICI. Gubici trenja i ventilacije.

Nastanak vrtložnih struja i efekta lameliranja magnetnog kola u svrhu smanjenja gubitaka usled vrtložnih struja.

Ako se u promenljivom magnetnom polju nalazi neko telo od provodnog materijala u njemu se može zamisliti mnoštvo zatvorenih provodnih kontura kroz koje teče struja usled indukovane EMS u konturi. Ove struje se nazivaju vrtložne (vihorne) struje i one su neminovan pratilac promenljivog magnetnog polja unutar provodnika. Kao posledica tih struja dolazi do Džulovih gubitaka u provodniku (feromagnetiku) u kome se javljaju vrtložne struje. Da bi se smanjili gubici magnetno kolo se izrađuje od limova – lamelira. Između limova je izolacija.

-Gubici usled vrtložnih struja-

B/n~ Fe

B/2~

ΔS ΔS

B~

Femas Felam

-Gubici usled histerezisa-Između domena postoji neka vrsta sile trenja. Zakretanja domena su praćena pretvaranjem energije magnetnog polja u toplotu. Histerezis feromagnetika izaziva gubitke u naizmeničnom polju.

B

Mag.materijal je u saturaciji. Domeni su orijentisani u pravcu stranog magnetnog polja.

Kada strano magnetno polje opadne na nulu feromagnetik zadržava značajnu vrednost indukcije.

Polje mora da promeni smer i da ima značajnu vrednost da bi se feromagnetik razmagnetisao.

Zasićenje u suprotnom smeru.

Strano magnetno polje

Histerezisna petlja pokazuje da magnetizacija feromagnetika zavisi od njegove “istorije magnećenja”. Ako je materijal zasićen, a potom je strano magnetno polje opalo na nulu ostaće remanentna indukcija jer feromagnetik pamti svoju “istoriju magnećenja”.

H

Kriva prvobitnog magnetisanja

-Gubici usled histerezisa-

Gustina energije utrošena u toku jednog histerezisnog ciklusa srazmerna je površini histerezisne petlje. Snage histerezisnih gubitaka

]W[)( Feh VpetljenehisterezispovršinafP

U praksi se gubici usled histerezisa računaju približnom formulom Štajnmecov obrazac:

)5,25,1(];W[ xBfmP xmFeh

Kada je indukcija bliska indukciji zasićenja (što jeste kod električnih mašina) x=2.Gubici usled histerezisa smanjuju su upotrebom materijala sa užom histerezisnom petljom – magnetno meki materijali.

HISTEREZIS

Familija histerezisnih petlji koje odgovaraju različitim vrednostima Hmsu “slične”, sinusna promene polja. Statička (spore promene H), dinamička (brze promene H) histerezisna petlja. Kriva normalnog magnetisanja spaja vrhove histerezisnih petlji.

hvsFehisvsFe ppmPPP

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

)5,25,1(; xBfp xhis 2 2 2;vs vsp k d f B

Lim je okarakterisan uz krivu magnećenja i sa:

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

Odnosima:Fe

vsvs P

Pp Fe

hishis P

Pp

GUBICI U GVOŽĐU.

GUBICI U GVOŽĐU.

Feromagnetno jezgro u kome je fluks vremenski promenljiv napravljenoje od međusobno izolovanih limova debljine 0,5mm ili manje. U delovimamagnetnog kola gde fluks nije naizmeničan magnetno kolo može biti odjednog komada materijala.

Magnetno kolo se dobija štancovanjem limova ne presi i vezivanjem limova u pakete. Proizvođači feromagnetni deo izrađuju od limova bez obzira da li je fluks naizmeničan ili ne. Na taj način postižu unifikaciju u proizvodnji i uštedu u materijalu. Jedino se rotor sinhronih turbogeneratora ne izrađuje od limova zbog velikog mehaničkog naprezanja kome je izložen zbog velike brzine.

EfikasnostKlase energetske efikasnosti nisko naponskih motora naizmenične struje određene su standardom IEC/EN60034-30. Deo 30-1 se odnosi na mrežom napojene električne motore naizmenične struje, a deo 30-2 se tiče motora naizmenične struje promenljive brzine obrtanja koji se napajaju uređajima energetske elektronike. Navedeni standard definiše sledeće četiri energetske klase: -IE4 (motori super efikasnosti), -IE3 (motori vrlo visoke efikasnosti), -IE2 (motori visoke efikasnosti) i -IE1 (motori standardne efikasnosti). Klase energetske efikasnosti određene su vrednošću stepena korisnog dejstva za nazivnu snagu motora.

Nazivna snaga motora [kW]

Step

enko

risno

gde

jstv

asn

age

[%]

EfikasnostTehnologija izrade električnih motora, gore navedenih energetskih klasa, oslanja se na stalna poboljšanja u pogledu konstrukcije i vrste materijala koji se koriste za izradu aktivnih delova motora. Da bi se smanjila snaga gubitaka u mašini (pre svega u gvožđu i namotajima), a time posledično povećao stepen korisnog dejstva, upotrebljavaju se savremeni magnetni materijali (feromagnetni materijali sa sniženom specifičnom snagom gubitaka) za izradu magnetnih kola i visokoprovodni materijali za izradu namotaja mašine (npr. bakar umesto aluminijuma), zatim povećanje poprečnog preseka provodnika i sl. Dalje, koriste se kvalitetniji izolacioni materijali, bira se odgovarajući oblik žlebova kako bi se smanjili dopunski gubici usled viših prostornih harmonika u vazdušnom zazoru mašine. Sem toga, primenjuju se i različita konstrukcionarešenja za postizanje efikasnijeg načina hlađenja mašine. Na ovakav način moguće je ostvariti klase energetske efikasnosti definisane standardom IEC/EN60034-30. Uvećanje energetske efikasnosti električne mašine za posledicu ima i povećanje njene cene.

MAŠINE NAIZMENIČNE STRUJE

Asinhrone mašine

Asinhrona kavezna mašina električnog automobila Tesla Model S. Rotor čiji su provodnici izrađeni

ulivanjem bakara u žlebove magnetnog kola rotora.

Sa usavršavanjem tehnologije livenja bakra, prešlo se na izradu provodnika rotorskog kaveza od bakra(sl.2.4). Na taj način je značajno smanjena snaga gubitaka u rotoru,aposledično je povećana energetska efikasnost mašine[15]

Asinhrone mašine

Asinhrona kavezna mašina za pogonski motor električnog automobila. Proizvođača ZF.

Asinhroni servo motor proizvođača Siemens.

Asinhrone mašinePrincip razvijanja elektromagnetnog momenta asinhronog motora.

Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, ems u rotorskom provodniku je: e v B l

Kako je električno kolo rotora zatvoreno, usled indukovane elektromotorne sile, kroz provodnike rotora će proteći struja Ir. Pošto se provodnik sa strujom Ir nalazi u magnetnom polju indukcije B, na njega će delovati elektromagnetna sila F:

rF I l B

Ova sila se pojavljuje na svim provodnicima rotora. Ako se uoče naspramni provodnici sa svojim elektromagnetnim silama, može se definisati spreg sila. Momenat sprega sila (obrtni momenat) od naspramno postavljenog para provodnika (navojka) je:

2spregM rBlI

Asinhrone mašineZbir svih proizvoda pojedinačnih sila i poluprečnika predstavlja obrtni momenat elektromagnetnih sila motora. Pod dejstvom obrtnog momenta rotor će početi da se obrće u smeru obrtanja obrtnog polja. Rotor će ubrzavati sve dok se momenat koji razvija asinhroni motor ne izjednači sa mehaničkim momentom radne mašine. Kada se ovi momenti izjednače nastupa stanja dinamičke ravnoteže u kome se rotor asinhronog motora obrće stalnom brzinom.

Mehanička karakteristika asinhrone mašine.

Razlika između brzine obrtnog polja s i brzine obrtanja rotora se naziva apsolutno klizanje (eng. slip):

100 [%]s

s

n nsn

60 s

sfn

p

Mpr

Mpol

n 0

mc

–Mpr

ns 2ns –ns –n s 2 1 0 –1 –s

MOTOR GENERATOR KOČNICA

Asinhrone mašine

Dijagram toka snage u asinhronom motoru.

Asinhrone mašineJednačina energetskog bilansa asinhronog motora iskazana preko snage:

3 cosm e g Cus Fes Cur gmehP P P UI P P P P

CusPFesP

gmehP

ePmP

STATOR ROTOR

CurP

obP cP

Us

Xs Rs Is

Es

Xrk Ir

1r

s Rs

I IFe

RFe Xm

Rr

Im

Energetski bilans asinhronog motora:

Ekvivalentno kolo asinhrone mašine

Asinhrone mašineRazvoj pretvarača energetske elektronike omogućio je upotrebu asinhronog motora u pogonima promenljive brzine. Brzina obrtanja rotora se razlikuje od sinhrone brzine za iznos klizanja. Promenom frekvencije odnosno, sinhrone brzine se efikasno menja brzina obrtanja.

SBfNfNEU ssss 44,444,4

Ako promenimo fs uz stalan napon promeniće se fluks , odnosno B indukcija. Povećanje B nije dozvoljeno zbog zasićenja magnentnog kola, a smanjenje nije prihvatljivo jer je praćeno smanjenjem momenta koji motor razvija. Zbog toga se istovremeno menjaju napon i frekvencija tako da je njihov odnos stalan.

noms

noms

s

s

s

sf

Uf

UfE

Time se postiže da je fluks u mašini približno nominalan. Ovo je poznato kao U/f upravljanje AM.

Ali, se u motoru sa promenom frekvencije menja i fluks - indukcija što utiče na promenu razvijenog momenta.

Asinhrone mašine

Eksploatacione karakteristike asinhronog motora.Oblast rada asinhronog motora se može podeliti u tri zone:- Zona konstantnog momenta: < n.- Zona konstantne snage : > n.- Zona maksimalnog klizanja : > n.

Asinhroni motor pogoni ventilator. Na nominalnoj brzini, pri 50Hz, motor je nominalno opterećen. Da li se može brzina ovog sklopa povećati za 10% iznad nominalne vrednosti?

Asinhrone mašine

Konstruisana je pokretna traka koju pogoni asinhroni motor preko reduktora, 1,5kW; 3,4A;1400o/min; Y , ustanovljeno je da je potrebna veća brzina trake tj. da je frekvencija na frekventnom pretvaraču 60Hz. Da li motor može da radi sa frekvencijom većom za 10Hz od nominalne?

Uticaj oblika žlebova rotora na mehaničku karakteristiku AMRotor asinhrone mašine se izrađuje sa različitim oblicima žlebova. Oblik žleba utiče na mehaničku karakteristiku motora. Za asinhroni motor koji je napajan sa promenljivim naponom i frekvencijom moguće je koristiti okrugli žleb na rotoru tj. ne moraju se izrađivati rotori sa dubokim žlebovima.

73

ASINHRONE MAŠINE - Napon vratila i struje ležajaNapon vratila je potencijalan problem kod motora iznad 250 kW pri sinusnom napajanju. Međutim, napajanjem asinhronog motora promenljivim naponom i frekvencijom dolazi do problema vezanih za napon vratila i kod manjih motora, manjih i od 75kW. Prema preporukama IEC-34-17 napon vratila treba da je manji od 500 mV. Postoji više razloga za indukovanje napona vratila jedan od vžijih razloga su parazitne kapacitivnosti između namotaja statora i rotora kao i između namotaja rotora i kućišta motora.

Parazitne kapacitivnosti se na malim učestanostima mogu zanemariti, jer predstavljaju veliku impedansu za struju. Međutim pri napajanju motora iz invertora promena napona je dosta velika, tako da ove parazitne kapacitivnosti predstavljaju malu impedansu visokofrekventnoj struji. Ove struje se označavaju i kao struja curenja – common mode current. Svaki put kada komutuje neka grana invertora common mode napon će generisati kapacitivnu struju kroz parazitne kondenzatore prema uzemljenju.Napon vratila će poterati struju kroz metalne delove statora i rotora preko ležajeva kaošto je prikazano

74

Napon vratila i struje ležaja

Proticanje struje kroz ležaj praćeno je varnicama u ležaju kojima se dodatno uništava mazivo ležaja, a tokom rada stvara se žleb u spoljašnjem i unutršnjem prstenu ležaja. Struja ležaja će oštetiti ležaj ako nije ispravno izolovan u električnom smislu i skratiti životni vek ležaja znatno ispod očekivanih 100000h. Da bi se eliminisale ili eventualno smanjile struje ležaja može se primeniti specijalan postupak koatizacije (galvanizacije) kuglica i prstenova u ležaju, što se ređe primenjuje zbog cene i vremenske zahtevnosti postupka. Danas se obično primenjuju izolovani ležaji kod kojih je izolacija postignuta koatizacijom keramikom spoljašnjeg i unutrašnjeg prsten, dok su kuglice od čelika. Probojni napon ovako izolovanog ležaja iznosi 1000 V. Izolovani ležaji imaju veću cenu od standardnih ležaja. U motorima male snage oba ležaja (na pogonskom i nepogonskom krajuvratila) su izolovani, a u motorima velike snage ugrađuje se samo jedan izolovan ležaj na nepogonskom kraju vratila motora. Alternativa upotrebi izolovanih ležaja je upotreba hibridnih ležaja. To su ležaji kod kojih su kuglice keramičke, a prstenovi su od čelika ili obrnuto. Struje ležaja se mogu smanjiti adekvatnim izborom konstrukcije napojnih kablova i sistema zaštite. Dodatno smanjenje struje kroz ležaj može se postići upotrebom jednostavnog feritnog torusa kroz koga su provučeni fazni provodnici motora. Torus se postavlja kod frekventnog pretvarača ili u samom frekventnom

75

NYCWY PP40EpN55 NSSHÖU../KON

ASINHRONE MAŠINE – Napojni kablovi

Da bi se osiguralo ispravno uzemljenje i usklađenost sa zahtevima za EMC motori iznad 30 kW napajani iz izvora promenljivog napona i učestanosti, moraju biti spojeni sa izvorom pomoću oklopljenog simetričnog višežilnog kabla. Kabel je simetričan ako se istovremeno sve tri fazne žile nalaza u istom međusobnom položaju i istom položaju prema masi. Za motore manje snage takođe se preporučuje upotreba oklopljenih simetričnih kablova. Pored termina oklopljen kabel često se koriste termini širmovan i armiran kabel. Armatura (širm) predstavlja sloj načinjen od metalnih traka ili žica koji kabel štiti od mehaničkih oštećenja ili prekomernih naprezanja elemenata kabla. Armatura je postavljena preko jezgra kabla (použene žile i ispuna), a ispod plašta.

NYCWY, N2XCH (po VDE0276) imaju armaturu od bakarnih žica koje su sinusno upuštene u odnosu na osu kabla između ispune i plašta, a preko njih je helikoidalno postavljena bakarna traka motana u suprotnom smeru. Sličnu konstrukciju ima kabel tipa PP40 (po JUS N.C0.006). Kablovi tipa PP44 i PP47 imaju armaturu sa primarnom mehaničkom zaštitom koja se ne može iskoristiti za zaštitni vod, a takođe imaju i veliku impedansu armature da bi predstavljali adekvatnu električnu zaštitu.Oklopljeni kablovi se upotrebljavaju za zaštitu od radiofrekventnih smetnji, tj. iznošenje elektromagnetnog polja iz kabla. Armatura kabla treba da je na oba kraja (kod motora i kod frekventnog pretvarača) povezana na sistem uzemljenja.

Asinhrone mašineKod klizno kolutne asinhrone mašine postoji električni pristup namotajima rotora. Preko kliznih kolutova u električno kola rotorskih namotaja najčešće se uključuje dodati rotorski otpornik, Rrd. Uključenje dodatog otpornika u kolo rotora modifikuje mehaničku karakteristiku asinhronog motora:

mc

Brzina opada Klizanje raste

Mpr

mm

Porast dodatnog otpornika

n 1

ns s 0

0

Sa porastom klizanja rastu gubici u rotorskom kolu, opada stepen korisnog dejstva, ovaj koncept nije prihvatljiv.Stare tehnike promene brzine kod asinhronog motora su podrazumevale da se umesto otpornika u kolo rotora priključe ispravljač i invertor kako bi se energija klizanja vratila u mrežu.Modifikovan koncept se koristi u vetrogeneratoru sa dvostrano napajanom asinhronom mašinom.

ASINHRONI GENERATORI

Vetrogenerator sa dvostrano napajanim klizno kolutnim asinhronim generatorom (doubly fed induction generator) i turbinom promenljive brzine obrtanja.


Vetrogenerator sa dvostrano napajanim klizno kolutnim asinhronim generatorom (doubly fed induction generator) i turbinom promenljive brzine obrtanja.


Vetrogenerator sa asinhronim generatorom i turbinom konstantne brzine obrtanja. Kondenzatori imaju ulogu za popravak faktora snage AG. Koncept se primenjuje za manje snage. Turbina i rotor asinhronog generatora su povezani putem multiplikatora. Kod nekih generatora se koristi namotaji sa različitim brojem polova kako bi mašina bila za dve različite sinhrone brzine koje odgovaraju različitim brzinama vetra.

Sinhroni motori su se tradicionalno koristili za velike snage za pogon radnih mašina koje zahtevaju konstantnu brzinu obrtanja – sinhronu. Ovi motori pružaju priliku popravka faktora snage promenom pobudne struje.Razvoj energetske elektronike i tehnologije izrade stalnih magneta omogućio je upotrebu sinhronih mašina u novim primenama. Upotreba sinhronih mašina sa stalnim magnetima u generatorskom režimu rada nalazi primenu u vetrogeneratorima, granica u pogledu veličine pojedinačnih generatora je 7MVA.Upotreba sinhronih mašina sa stalnim magnetima u motorskom režimu (PMSM) rada nalazi primenu u aplikacijama sa promenljivom brzinom obrtanja gde su se nekada dominantno koristile mašine jednosmerne struje.Glavne prednosti PMSM u odnosu na druge električne mašine su: -veći stepen korisnog dejstva (zato što nema struje na rotoru), -veći faktor snage, -bolji dinamički odziv što im omogućuje upotrebu kao servo motora,-veću specifičnu snagu tj. snagu po jedinici mase,-veći momenat po jedinici zapremine,-postojanje reluktantnog momenta. Međutim glavna mana u odnosu na asinhrone mašine je veća cena za istu snagu.Konstrukcija statora sinhrone mašine (motora i generatora) je ista kao i struktura asinhrone mašine. Statorski namotaji sa svojim strujama treba da obezbede obrtno magnetno polje.

SM sa stalnim magnetima

Upotreba stalnih magneta eliminiše potrebu za pobudnim namotajem i kliznim kolutovima. Kako na rotoru nema pobudnog namotaja motori sa stalnim magnetima imaju manji momenat inercije. Kako nema pobudnog namotaja nema ni gubitaka u bakru ovog namotaja, zbog čega ove mašine imaju veći stepen korisnog dejstva od asinhronih mašina.Kako opada cena stalnih magneta raste primena PMSM u kućnim aparatima (veš mašina,…), aktuatori u hidrauličnom sklopu u raznim aplikacijama, od pogona opšte namene do pogona visokih performansi.

Osnovna podela motora sa stalnim magnetima• Sinhroni motori sa stalnim magnetimaSinhroni motor sa stalnim magnetima (NdFeB) je trofazni motor sa magnetima na rotoru napajan strujama sinusnog talasnog oblika pri čemu struju istovremeno vode sve tri faze.• Elektronikom komutovani motori.Ovo je trofazni motor sa stalnim magnetima na rotoru. Statorski namoti su napajani strujama trapeznogtalasnog oblika pri čemu struju istovremeno vode samo dve faze, što odgovara načinu rada mehaničkog kolektora (BLDC). • Kolektorski DC motoriPobudni namotaj koji bi se nalazio na statoru je zamenjen sa stalnim magnetima, magnet je najčešće izrađen od ferita. Ovo su motori male snage.


Magnetna pobuda je ostvarena stalnim magnetima. Ovako realizovana magnetna pobuda je ekvivalentna pobudnojstruji konstantnog iznosa. Time je definisan pobudni fluks konstantne vrednosti. Stalni magneti mogu biti postavljeni: a) na površinu rotora.

Xd = Xq Xd Xq

Postoje dva načina realizacije površinske montaže magneta. Jedan način je postavljanje magneta na površinu rotora, dok je drugi umetanje magneta u površinu rotora. U oba slučaja magneti imaju oblik kružnoga luka, raspoređeni su i pričvršćeni tako da daju sinusnu raspodelu fluksa po obimu vazdušnog zazora. Kako je debljina magneta mala, spajanje sa površinom rotora se izvodi lepljenjem, upotrebom specijalnih lepkova, kao i dodatnim osiguravanjem od eventualnog odvajanja usled centrifugalnih sila pri obrtanju. Površina feromagnetnog materijala je obično relativno mala, (širina magneta je uobičajeno 55°- 80° za četvoropolnu mašinu) da bi se smanjilo magnetno rasipanje. Efekat isturenosti kod mašina sa površinskom montažom magneta je zanemariv. Ako su magneti nalepljeni na površinu rotora efektivni vazdušni zazor je relativno veliki i tada je Ld = Lq. Kada su magneti umetnuti u površinu rotora zbog male permeabilnosti magneta napravljenih od retkih zemalja, efektivni zazor u oblasti magneta je veći od zazora u zoni između magneta što je pravac q-ose. Kao posledica, postoji mala razlika između induktivnosti statorskih namotaja po d i q osi (oko 15 %), pa se može smatrati da važi Ld ≈ Lq.

SM sa magnetima montiranim na površinu rotora

Magneti su radijalno ili paralelno magnetizirani.• ugrađuju se magneti na bazi retkih zemalja visoke remanencije (>0.8 T)• magneti su zalepljeni na površinu rotora• za dodatno osiguranje magneta od delovanja centrifugalnih sila pri visokim brzinama koristi se ovojnica od staklenih vlakana ili nemagnetskog čelika• nisu pogodni za pogone koji zahtevaju veliki raspon brzina obrtanja

SM sa magnetima montiranim na površinu rotora

Magnetno kolo statora i rotora SM sa unutrašnjom montažom magneta. Silnice polja

Xd < Xq Xd > Xq

Stalni magneti se mogu postavljati i u unutrašnjost rotora.

Postavljanjem magneta unutar rotora, postiže se smanjenje mase magneta, njihov jednostavniji oblik za izradu, što sve zajedno smanjuje cenu mašine. Magneti postavljeni u unutrašnjost daju mehanički robusniji rotor čime se omogućuje postizanje većih brzina. Efekat različite reluktanse usled položaja stalnih magneta je izraženiji, te postoji značajan reluktantni moment u ukupnom momentu mašine. Prednost motora sa unutrašnjom montažom magneta je u manjem efektivnom zazoru, što omogućuje širi opseg rada u oblasti slabljenja polja (iznad nominalne brzine), ali i usložnjava upravljanje pogonom. Veće su induktivnosti statorskog namotaja, tako da je dinamika pogona lošija. Postoji i značajniji uticaj struje statora na ukupan fluks, tj. reakcija indukta i zasićenje. Posmatrano sa mehaničke strane, ovaj tip motora ima veću pouzdanost u odnosu na motore sa površinski izvedenim magnetima jer magneti ne mogu da otpadnu usled vibracija ili centrifugalnih sila pri većim brzinama.

SM sa magnetima montiranim u unutrašnjost rotora

SM sa magnetima montiranim u unutrašnjost rotora

Magneti se izrađuju iz segmenata i magneti se magnetiziraju poprečno na najdužu stranicu.• koriste se magneti niske remanencije (0,2-0,5 T) zbog ograničenja napona pri maksimalnoj brzini u slučaju prekida napajanja. Mogu se koristiti i magneti visoke remanencije uz zaštitu DC međukruga od prenapona pravovremenim isključivanjem pretvarača.• osim elektromagnetskog, razvijaju i reluktantni moment• mogu se koristiti pri velikim brzinama obrtanja• pogodni su za pogone koji zahtevaju veliki raspon brzina (npr. električna vuča).

Magnetno kolo statora i rotora SM sa unutrašnjom montažom magneta. Silnice polja

Pored osnovne komponente momenta koja potiče usled interakcije obrtnog magnetnog polja statora i magnetnog polja stalnih magneta, konstrukcijom rotora se postiže i pojava reluktatnog momenta – momenta koji postoji usled magnetne ainzotropije rotora tj. neravnomernog vazdušnog zazora. Karakteristike PMSM kao što su specifična snaga (kW/kg), gustina momenta (Nm/kg), težina i dimenzija zavise od izabranog stalnog magneta. S obzirom na dobre karakteristike i nisku cenu danas je najzastupljeniji niodijumski magnet NaFeB.


Na statoru se uobičajeno nalazi raspodeljen trofazni namotaj A). U poslednje vreme se koristi i skoncentrisan namotaj B). Skoncentrisan namotaj u odnosu na raspodeljen namotaj daje manji prvi harmonik magnetne indukcije, ali ima i mnoge prednosti: veću specifičnu snagu (kW/kg), veći stepen korisnog dejstva, manje bočne veze, veći faktor ispune žleba, manju cenu izrade, manji momenat „lepljenjea“ (cogging torque), bolje performanse u oblasti slabljenja polja.


Single-arm-robot with “brushless DC” PM synchronous motors

PM-synchronous motors with position control



Sinhroni reluktantni motorSinhroni reluktantni motor pruža prednosti koje imaju PMSM uz nižu cenu, jednostavniju upotrebu i bez zahtevnog održavanja. Ovi motori su dizajnirani da zamene asinhrone mašine u aplikacijama sa promenljivom brzinom obrtanja. Tipične aplikacije za primenu su pumpe, ventilatori, kompresori, ekstruderi, transporteri. Upotreba ovih motora podrazumeva primenu frekventnih pretvarača, nije potrebna upotreba davača brzine ili položaja (tzv. sesorless). Sinhroni reluktantni motor energetske klase IE4 u je u istom kućištu kao asinhroni motor energetske klase IE2.

Sinhroni reluktantni motor

Sinhroni reluktantni motor je u mogućnosti da razvije nominalan momenat pri stajanju. Oblast mogućeg rada.

Merenje temperaturePromena temperature se preslikava u promenu pojedinih električnih veličina (otpornost, napon). Shodno ovome razlikujemo dva tipa senzora koji se koriste za merenje temperature: otporničke termometre i termoparove(termospregove).Merenje temperature otporničkim termometrom se zasniva na povećanju omskog otpora provodnika usled porasta temperature. U otporničkom termometru se često koristi senzor od platine, poznat i kao Pt100 sonda, čija se otpornost menja sa temperaturom prema:

Standardizovana vrednost otpornosti Pt100 sonde pri temperaturi od 0°C iznosi 100.U tehničkoj praksi se mere, najčešće, temperature od -60 °C do +1600 °C, pri čemu se zahteva tačnost od 0,1°C do 20°C.

0 01 100 0,3851R R

Merenje temperature

Za potrebe merenja u industriji se u „glavu“ senzora može ugraditi transmiter koji merenu otpornost pretvara u temperaturi u dobila signala 4-20mA.

Pt100 sonda Merni sistem Transmiter montiran u glavu senzora

Merenje temperatureOtpornički senzor se može vezati na analogni ulazni modul PLC-a. Mana je što se za potrebe merenja temperature koriste dva kanala na toj AI kartici. Ožičenje može biti: (1) 4-žično, (2) 3-žično i (3) 2-žično.

Merenje temperatureTermoparovi su relativno jednostavni, robusni temperaturni senzori. Kada se dva različita metala spoje, i ako se spoj i slobodni krajevi nalaze na različitoj temperaturi tada se na slobodnim krajevima može meriti mali napon između ta dva otvorena kraja. Ovaj napon se naziva termoelektrični napon, a efekat na kome se osniva pojava ovog napona je Zebekov.

Njegova veličina zavisi od vrste provodnih materijala i temperaturne razlike između merne tačke (spoj dva provodnika) i hladnog spoja otvoreni krajevi provodnika. Prema tome termoparovi mere isključivo razliku temperatura. Apsolutna temperatura mernog mesta se može odrediti samo ako je temperatura hladnog spoja poznata i na neki drugi način izmerena.

VzU K

Merni sistem izgleda slično prethodnom

Merenje temperatureTermopar se može priključiti i direktno na karticu AI.

Merenje temperature

Documents

ODABRANA POGLAVLJA IZ ELEKTTROTEHNIKE