Aktuatori. Elektrini istosmjerni motori

Predavanje 6 - EAP

Mjerenje razine

Mjerenje protoka

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

AktuatoriOsnovni pojmoviElektromagnetski aktuatoriIstosmjerni motoriIzvedba i princip radaNezavisno uzbueni motorSerijski uzbueni motorSloeno uzbueni motorUpravljanje brzinom vrtnjeDinamike karakteristike

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Osnovni pojmovi

Aktuatori su ureaji koji elektrinu ili fluidnu energiju pretvaraju u mehaniku energiju, te kao izlaznu veliinu imaju silu ili moment pomou kojih ostvaruju linearno ili kruno gibanje.

Aktuator moemo uvjetno podijeliti na tri osnovna dijela: - pojaalo snage (ili upravljaki ureaj), - pogon,- izvrni lan.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Osnovni pojmovi

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPVentilCrpkaRobotska rukaKota vozila..........Elektron. pojaalaEnerg. pretvaraiHidrauliki ventili..............

ElektromagnetElektromotorHidrauliki motorPneumatski motor.............Izvrni lanElektrina ili fluidna energijaLinearno ili kruno gibanjePogonPojaalo snageKomponente aktuatoraUpravljaki signal

Predavanje 6 - EAP

Osnovni pojmoviAktuatore je mogue podijeliti s obzirom na naine pretvorbe energije:

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPElektromagnetski aktuatoriAktuatori koji koriste fluidMikroaktuatoriElektromagnetiAC motori DC motoriPM motoriKorani motoriLinearni motoriHidrauliki ventili, cilindri i motoriPneumatski ventili, cilindri i motoriPiezoelektriniMagnetostriktivniKemijskiTermiki

Predavanje 6 - EAP

Elektromagneti AC motori DC motori PM motori Korani motori Linearni motori

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Solenoidi su jednostavni elektromagnetski ureaji koji elektrinu energiju direktno pretvaraju u linearno mehaniko gibanje. Imaju relativno mali hod, to ograniava njihovu primjenu.

Solenoid se sastoji od zavojnice i eljezne kotve koja se moe gibati unutar zavojnice. Kada se kroz zavojnicu pusti istosmjerna ili izmjenina struja, na kotvu djeluje elektromagnetska sila (Fem) koja je uvlai unutar zavojnice. Za povratak kotve u poetni poloaj koristi se opruga.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPFemIskljuenoUkljuenoKotvaOpruga

Predavanje 6 - EAP

Magnetsko polje u solenoidu moemo izraunati iz:

gdje je (permeabilnost H/m), B magnetska indukcija (T), n broj zavoja po metru, h duina solenoida (m)

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPSolenoid Catalog

Predavanje 6 - EAP

Zbog malog hoda primjene su ograniene, ali ipak postoji mnotvo primjena pri emu se elektromagneti uglavnom koriste kao on/off (ukljui/iskljui) aktuatori: npr. releji, elektrine brave, elektromagnetski ventili, sklopnici.....

Znatno vei napon i struja potrebni su za uvlaenje kotve, nego za dranje kotve u uvuenom poloaju kada nepotrebno tee vea struja i zagrijava zavojnicu.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPIzmjenini elektromagnetIstosmjerni elektromagnet

Predavanje 6 - EAP

Sila na kotvu je promjenljiva ovisno o njenom poloaju, a najvea je pri uvuenom poloaju kotve.Elektromagneti mogu biti projektirani za kontinuirani ili intermitirani rad. Kod intermitiranog rada poslije svakog ciklusa rada potrebno je odgovarajue vrijeme hlaenja, dok su elektromagneti za kontinuirani rad projektirani tako da termiki mogu stalno podnijeti nazivnu struju.Izmjenini elektromagneti koriste lameliranu kotvu i kuite radi spreavanja vrtlonih struja.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPIzmjenini elektromagnetIstosmjerni elektromagnet

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Istosmjerni strojevi su prvi elektrini strojevi.

Prvi istosmjerni motor konstruirao je Jacobi 1838. godine u Petrogradu, a motor je tjerao amac s 14 osoba po rijeci Nevi. Namoti statora i rotora bili su uvreni na drvenoj konstrukciji.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Istosmjerni motor razvijen poetkom XX stoljea imao je sve bitne dijelove kao i dananji stroj.

U drugoj polovini XX stoljea istosmjerni motor je prevladavao u pogonima koji su zahtijevali regulaciju brzinu vrtnje, pri emu je poseban znaaj imao razvoj upravljivih poluvodikih pretvaraa.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Jednostavni DC motor ima namot koji moe rotirati u magnetskom polju. Struja u namotu dolazi preko dvije etkice koje ostvaruju pokretni kontakt s komutatorom. Namot se nalazi u magnetskom polju.

Sila koja se javlja zbog protjecanja struje i magnetskog polja uzrok je momentu koji zakree petlju.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Dijelove istosmjernih strojeva mogue je podijeliti na:

Mehanike dijelove kuite, osovina, leajni titovi, leaji, ventilatori;Elektrike dijelove namot statora i rotora, kolektor, etkice, prikljune stezaljke;Magnetske dijelove jaram statora, glavni i pomoni polovi statora, jaram i zubi rotora, zrani raspor;

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP Stator istosmjernog stroja se sastoji od kuita i od istaknutih (glavnih) polova s uzbudnim namotom.

Na statoru su smjetene i etkice koje kliu po kolektoru rotora. Kuite ujedno ini i jaram statorskoga magnetskoga kruga. Na statoru su prisutni i neki konstrukcijski dijelovi poput nosaa leaja, te nosaa draa etkica.

Istosmjerni strojevi manjih i srednjih snaga posjeduju i pomone polove s pomonim namotom.

Kod najveih strojeva postoji i kompenzacijski namot u utorima glavnih polova. Uzbudni namoti (nezavisna, serijska, poredna) svojim protjecanjem djeluju u uzdunoj osi stroja.

Namot pomonih polova i kompenzacijski namot svojim protjecanjem djeluje u poprenoj osi stroja.

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP Rotor se sastoji od rotorskog paketa, namota armature, kolektora i osovine.

Armaturni namot je smjeten u utorima na obodu rotora, i spojen na kolektor koji se sastoji od meusobno izoliranih lamela.

Armaturni namot svojim protjecanjem djeluje u poprenoj osi stroja.

Predavanje 6 - EAP

Kuite statora je izraeno od lijevanog elika. Na unutarnjoj strani kuita nalazi se jaram na koji su ugraeni glavni i pomoni polovi sa svojim namotima. Jaram s polovima predstavlja stator.Na osovini rotora nalazi se rotorski paket sastavljen od dinamo-limova, a u utorima tog paketa ugraen je armaturni namot koji je prikljuen na lamele kolektora.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPPOPRENI PRESJEK: 1) Kuite; 2) Glavni pol; 3) Namot glavnog pola; 4) Pomoni pol; 5) Namot pomonog pola; 6) Rotorski paket; 7) Armaturni namot; 8) Osovina

687

Predavanje 6 - EAP

Princip rada istosmjernog motora objasnit emo na pojednostavljenom shematskom prikazu dvopolnog motora s jednim zavojem na rotoru.Kada na etkice rotora narinemo istosmjerni napon, preko kolektora protee struja kroz dva vodia zavoja. Budui da se vodii nalaze u magnetskom polju stvorenom od strane elektromagneta na istaknutim polovima, na svaki vodi djeluje sila: F= B I l , gdje je B magnetska indukcija, I - struja i l - duljina vodia.

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Moment na oba vodia je: M = BIlDStvarni istosmjerni motor ima na rotoru namot s p pari polova, z vodia i a pari paralelnih grana, te razvija moment:

gdje je Ia ukupna struja armature, a gl magnetski tok pod jednim polom: = Bsrpl

gdje je polni korak: p = D/2p, a Bsr srednja vrijednost indukcije pod polom.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

1) Dovoenje napajanja na zavoj rotora -> magnetsko polje oko armature. Lijeva strana armature je odgurnuta od lijevog magneta -> rotacija2) Nastavak rotacije3) Komutator mijenja smjer struje i vrtnja se nastavlja4) Unutranjost DC motora21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Tijekom vrtnje u svakom vodiu armaturnog (rotorskog) namota inducira se elektromotorna sila: e = B l v , gdje je B indukcija na mjestu vodia, l duljina vodia u magnetskom polju i v brzina vodia.Na slici a) prikazan je valni oblik indukcije po obodu rotora (B) i inducirani napon u jednom zavoju ili svitku (e) uz konstantnu brzinu vrtnje, a na slici b) napon svitka na etkicama (e ) koji se ispravlja pomou sustava etkica-kolektor.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPt, Bea)teb)EaStvarni istosmjerni motor ima na rotoru namot s p pari polova, z vodia i a pari paralelnih grana, pa je ukupni inducirani napon armaturnog namota:

gdje je kutna brzina vrtnje (rad/s), a gl magnetski tok pod jednim polom.

Predavanje 6 - EAP

Nadomjesna shema armaturnog (rotorskog) kruga za stacionarna stanja prikazana je na slici.

Narinutom armaturnom naponu (Ua) ravnoteu dri elektromotorna sila (Ea).

Naponska jednadba armaturnog kruga za stacionarna stanja je:

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPRaIa=+Uaiu

Predavanje 6 - EAP

Na etkicama motora javlja se pad napona koji je ovisan o struji, ali nije linearan.

Taj se pad napona moe uzeti u obzir poveanjem otpora armature (Ra) ili se u naponskoj jednadbi dodaje pad napona na etkicama (U ) za kojeg se obino uzima konstantna vrijednost od 2 V.

U tom je sluaju naponska jednadba:21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPRaIa=+UaiuUa = Ia R a + Ea + U

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Osim glavnog uzbudnog namota na statoru i armaturnog namota na rotoru, istosmjerni motori esto imaju i slijedee namote:

Pomoni polovi ugrauju se izmeu glavnih polova ( u tzv. neutralnu zonu), a osnovni zadatak im je rjeavanje problema komutacije. Namot pomonih polova ima mali broj zavoja, a kroz njega tee struja armature.Kompenzacijski namot ugrauje se u polne papue glavnih polova, kroz njega tee struja armature, a osnovni zadatak mu je kompenzacija reakcije armature.Kompaudni namot ugrauje se na glavne polove, ima mali broj zavoja, kroz njega tee struja armature koja stvara magnetsko polje istog smjera kao i glavni uzbudni namot. Zadatak mu je kompenzacija gubitka induciranog napona uslijed reakcije armature. Pravilnim dimenzionoranjem ovog namota mogu se postii razliite vanjske karakteristike kompaudnih motora.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Nezavisno uzbueni motor ima nezavisni uzbudni namot na koji se dovodi istosmjerni napon iz posebnog izvora.

Kroz uzbudni namot protee struja koja stvara glavni tok motora gl koji u okoliu nazivne radne toke nije linearno ovisan o struji uzbude zbog zasienja.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPOznake stezaljki:A1-A2 armaturni namotF1-F2 uzbudni namotB1-B2 namot pomonih polovaA1A2+-+-IaiuB1 B2F1F2

Predavanje 6 - EAP

Uzimajui u obzir tri osnovne jednadbe za: elektromagnetski moment, inducirani napon i naponsku jednadbu armaturnog kruga, dobije se vanjska karakteristika istosmjernog motora s nezavisnom uzbudom je:

Poveanjem momenta tereta brzina motora opada priblino linearno.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPOznake stezaljki:A1-A2 armaturni namotF1-F2 uzbudni namotB1-B2 namot pomonih polovaA1A2+-+-IaiuB1 B2F1F20M

Predavanje 6 - EAP

Uzbudni i armaturni namot serijskog motora spojeni su u seriju, pa je struja armature ujedno i struja uzbude (Ia = iu = I).

Budui da je magnetski tok proporcionalan struji armature, moment serijskog motora moe se izraziti kao: 21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPA1A2+-IaiuB1 B2D1D2Ia = iu Oznake stezaljki:A1-A2 armaturni namotD1-D2 serijski uzb. namotB1-B2 namot pomonih polova

Predavanje 6 - EAP

Uzimajui u obzir vezu izmeu brzine i induciranog napona , dobiva se priblini izraz za brzinu vrtnje nezasienog serijskog motora:Zbog vanjske karakteristike konstantne snage (P=M), serijski se motor najvie koristi u vui (lokomotiva, tramvaj). Motor ne moe raditi neoptereen jer .21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPA1A2+-IaiuB1 B2D1D2Ia = iu Oznake stezaljki:A1-A2 armaturni namotD1-D2 serijski uzb. namotB1-B2 namot pomonih polovaM

Predavanje 6 - EAP

Kompaudirani motor ima nezavisnu (ili paralelnu) i serijsku uzbudu. Djelovanje serijske uzbude (ius) gotovo uvijek potpomae nezavisnu uzbudu (iun) .Ovisno o udjelu pojedinih uzbuda kompaudirani motor ima tvru ili meku vanjsku karakteristiku. Ako prevladava nezavisna uzbuda motor ima tvru karakteristiku, a ako prevladava serijska uzbuda motor ima meku karakteristiku (brzina se vie smanjuje s porastom momenta).Za razliku od serijskog motora kompaudirani motor moe raditi neoptereen, jer je brzina praznog hoda odreena nezavisnom uzbudom.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPA1A2+-IaiunB1 B2E1E2D1D2ius0M

Predavanje 6 - EAP

Brzina vrtnje nezavisno uzbuenog motora odreena je izrazom:

Budui su konstante ke i km odreene konstrukcijom motora, iz izraza se zakljuuje da se brzinom vrtnje moe upravljati na dva naina:- promjenom napona armature (Ua)- promjenom struje uzbude, tj. magnetskog toka ().

Ukoliko se u armaturni krug postavi vanjski otpor, taj otpor, sa stanovita vanjskih karakteristika - =f(M), ima isti utjecaj kao i otpor armature (Ra). To znai da se i dodavanjem otpora u armaturni krug moe upravljati brzinom vrtnje. Iako se takav nain koristio u starim elektromotornim pogonima, u novim pogonima se ne koristi zbog nepraktinosti upravljanja otporom i velikih gubitaka na dodanom otporu. 21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Promjenom napona armature upravlja se brzinom vrtnje istosmjernih motora do njihove nazivne brzine.Napon armature mijenja se pomou tiristorskih pretvaraa ili tranzistorskih opera, pomou kojih je brzinu mogue i reverzirati.Na slici je prikazana principna shema upravljanja s jednofaznim tiristorskim pretvaraem, valni oblici izmjeninog i reguliranog istosmjernog napona, te momentne karakteristike za razliite napone armature. 21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPiunUa+U~MUanUan 2Uan 2-- Uan

Predavanje 6 - EAP

Uz konstantan napon armature (Ua), promjenom struje uzbude mijenja se magnetski tok () i upravlja brzinom vrtnje iznad njene nazivne vrijednosti.

Zbog problema zasienja eljeza promjena toka moe se ostvariti samo tako da se on smanjuje ( < n).

Smanjivanjem toka poveava se brzina praznog hoda, a karakteristike postaju sve strmije.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP0nMn0.5n0.75n20nMnIa < Ian

Predavanje 6 - EAP

Ako bi se pri smanjenom toku zadrao konstantan moment (M=km Ia) poveala bi se armaturna struja a time i gubici, odnosno zagrijavanje motora.

Da se to izbjegne mora se smanjiti moment optereenja tako da struja armature ne premai nazivnu vrijednost, Ia < Ian.

Na slici je ucrtano ogranienje po momentu uslijed ogranienja struje armature.21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP0nMn0.5n0.75n20nMnIa < Ian

Predavanje 6 - EAP

Razmotrit emo dinamike karakteristike i izvesti prijenosnu funkciju istosmjernog motora s nezavisnom (konstantnom) uzbudom i promjenljivim naponom armature.

Nadomjesna shema armaturnog kruga prikazana je na slici:21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPRaia+uaiuLamtme

Predavanje 6 - EAP

Uz konstantnu uzbudnu struju, tj. magnetski tok , naponska jednadba armaturnog kruga je:

gdje je inducirani napon: 21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPRaia+uaiuLamtme

Predavanje 6 - EAP

Za matematiki opis dinamikog ponaanja istosmjernog motora potrebno je napisati i jednadbu gibanja, koja uz zanemareno trenje glasi:

gdje su:

J moment inercije, mt moment tereta i me - elektromagnetski moment motora koji je jednak:21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Uz konstantan magnetski tok izrazi za inducirani napon i elektromagnetski moment se pojednostavljuju:

gdje konstante Ke i Km u sebi ukljuuju i magnetski tok .

Matematiki model istosmjernog motora s konstantnom nezavisnom uzbudom opisan je s naponskom jednadbom i jednadbom gibanja, koje poprimaju slijedei oblik:21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Dvije diferencijalne jednadbe Laplaceovom transformacijom prevode se u algebarske jednadbe koje poprimaju slijedei oblik:

gdje su: Ka=1/Ra ; Ta=La/Ra.Na temelju jednadbi u Laplaceovu podruju moe se sastaviti blok dijagram koji definira prijenosnu funkciju istosmjernog motora s konstantnom uzbudom:

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP+-+-

Predavanje 6 - EAP

Na temelju blokovskog dijagrama mogu se izvesti dvije prijenosne funkcije: 1) Prijenosna funkcija odziva brzine vrtnje na step armaturnog napona:

2) Prijenosna funkcija odziva brzine vrtnje na step momenta tereta:gdje su: elektrina vremenska konstanta armaturnog namota elektromehanika vremenska konstanta21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

Odziv brzine vrtnje istosmjernog motora ovisi o njegovim vremenskim konstantama.Ako je Tm > 4Ta odziv je aperiodski (bez prebaaja).Ako je Tm < 4Ta odziv je oscilatorni (s prebaajem). 21.10.2010.*Predavanje 6 - EAPttuattuaTm > 4Ta Tm < 4Ta

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP

21.10.2010.*Predavanje 6 - EAP

Predavanje 6 - EAP