Pred EAP 07 Asinkroni Motori

Sinkroni i asinkroni motori

Predavanje 7 - EAP

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

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAP

Predavanje 7 - EAP

Sinkroni strojeviSinkroni motoriAsinkroni strojeviAsinkroni motori


Predavanje 7 - EAP

Sinkroni strojevi su strojevi izmjenine struje koji imaju brzinu vrtnje n vrsto odreenu s frekvencijom f i brojem pari polova p prema:

Preteno se koriste kao generatori, a mogu se koristiti i kao motori.


Predavanje 7 - EAP

Uobiajena izvedba sinkronog stroja:- armaturni (radni) namot nalazi se na statoru raspodijeljen po utorima- uzbudni dio stroja nalazi se na rotoru

Uzbuda magnetskog toka stvara se prolazom uzbudne (primarne) struje kroz uzbudni namot.

Istosmjerni se izvor prikljuuje preko kliznih kolutova i etkica (kontaktno) ili se preko inverznog stroja i rotorskog ispravljaa ostvaruje bezkontaktni prijenos energije za uzbudu.Kod manjih strojeva mogu se za uzbudu koristiti i permanentni magneti.

Umjesto tiristorskog ispravljaa nekad je sluio istosmjerni generator.


Predavanje 7 - EAP

Bezkontaktni prijenos energije za uzbudu


Predavanje 7 - EAP

Da bi se inducirao napon u armaturnom namotu sinkronog generatora treba postojati vremenska promjena magnetskog toka. Prolazom istosmjerne uzbudne struje kroz uzbudni namot, uzbuuje se konstantni magnetski tok koji je nepokretan kada rotor miruje, a rotirajui kad rotira. Pri rotaciji uzrokovanoj pogonskim strojem (npr. turbina) magnetski tok polova presjeca vodie statorskog namota u kojima se inducira izmjenini napon karakteriziran frekvencijom, oblikom i iznosom.

Frekvencija induciranog napona odreena je izrazom:


Predavanje 7 - EAP

Oblik induciranog napona obino odstupa od sinusnog za niz nepoeljnih viih harmonikih lanova.

Da bi se u trofaznom sinkronom generatoru inducirala tri fazna napona meusobno pomaknuta za 120, moraju u utorima statora biti smjetena tri fazna armaturna namota iji su poetni zavoji prostorno meusobno pomaknuti za kut:

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPRaspored dvopolnog trofaznog namota

Predavanje 7 - EAP

Armaturni (radni, statorski) namot prikljuuje se na izmjeninu mreu, a uzbudni (rotorski) namot na istosmjerni izvor. (Dakle, ako sinkroni stroj spojen na krutu mreu opteretimo momentom, umjesto da ga tjeramo pogonskim strojem, on poinje raditi kao motor.)

Brzina vrtnje je sinkrona i odreena izrazom:

Najvanija karakteristika svakog elektromotora je vanjska ili mehanika karakteristika, koja pokazuje ovisnost n=f(M).


Predavanje 7 - EAP

Za sinkroni motor ova karakteristika je apsolutno kruta ili sinkrona, tj. brzina vrtnje je konstantna i ne ovisi o optereenju.


Predavanje 7 - EAP

Glavne karakteristike sinkronog motora:- konstantna brzina vrtnje- vea specifina teina i specifina cijena od asinkronog motora- ako se povea uzbuda (preuzbuda) moe popravljati faktor snage cos*- ne moe se pokrenuti bez prigunog namota- brzina vrtnje moe se podeavati samo promjenom frekvencije- kod velikih optereenja ispadne iz sinkronizma

Faktor snage cos je kvocijent djelatne i prividne snage. To je mjera koja pokazuje u kojem iznosu se pored djelatne pojavljuje i jalova snaga.


Predavanje 7 - EAP

Asinkroni strojevi su strojevi izmjenine struje kod kojih je brzina vrtnje razliita od brzine vrtnje okretnog polja i mijenja se s promjenom optereenja.

Preteno se koriste kao motori i to trofazni, a samo za male snage i jednofazni.


Predavanje 7 - EAP

Asinkroni motor otkrio je Nikola Tesla 1882. godine.

Asinkroni motori najvie se koriste od svih elektrinih motora.

Do prije dvadesetak godina asinkroni motori uglavnom su se koristili kod pogona koji ne zahtijevaju regulaciju brzine vrtnje.

Zahvaljujui razvoju frekventnih pretvaraa, u posljednje vrijeme poeli su prevladavati i u pogonima s regulacijom brzine vrtnje.

Asinkroni motori se uglavnom izrauju i koriste kao trofazni motori, koji na statoru imaju trofazni simetrini namot.


Predavanje 7 - EAP

Ovisno o izvedbi rotora trofazni asinkroni motori dijele se na:

- kolutne asinkrone motore, koji na rotoru imaju trofazani simetrini namot,- kavezne asinkrone motore, kojima je rotorski namot izveden u obliku kaveza.

Jednofazni asinkroni motori izrauju se samo za manje snage i u glavnom se ne primjenjuju u industriji, ve u kunim aparatima. Imaju kavezni rotor, a na statoru osim glavnog namota imaju i pomoni namot koji slui za stvaranje okretnog polja.Magnetski krug asinkronog motora sastoji se kao i kod ostalih rotacionih strojeva od nepokretnog dijela ili statora i pokretnog dijela ili rotora.


Predavanje 7 - EAP

Izvedba kolutnog asinkronog motora

Statorski i rotorski paket izvedeni su od tankih dinamo-limova, koji su meusobno izolirani radi spreavanja vrtlonih struja u magnetskim krugovima.

Trofazni rotorski namot se preko kliznih koluta spaja u kratko ili se na njega prikljuuju vanjski strujni krugovi (otpornici za pokretanje, pretvarai kod primjene asinkronih generatora u vjetroelektranama).


Predavanje 7 - EAP

Izvedba kolutnog asinkronog motora

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPStatorski paketStatorski namotRotorski paketRotorski namotOsovinaKlizni kolutiVentilatorLeajiKuite

Predavanje 7 - EAP

Statorski namot

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPGlava statorskog namotaStatorski paketStatorski utorKuite

Predavanje 7 - EAP

Kolutni asinkroni motor

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPDrai etkicaetkiceKlizni koluti

Predavanje 7 - EAP

Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

Konstrukcija statora i izvedba njegovog namota jednaka je kolutnom motoru.

U utorima kaveznog rotora smjeteni su tapovi koji su na obje strane rotora spojeni ukratko pomou dva prstena, tako da cijeli namot tvori zatvoreni kavez.

Za razliku od kolutnog rotora koji je trofazan, kavezni rotor je viefazan, jer svaki tap praktiki predstavlja svoju fazu u kojoj su naponi i struje fazno pomaknuti u odnosu na susjedni tap.


Predavanje 7 - EAP

Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

Na slikama su prikazani osnovni djelovi kaveznog rotora: (1) tapovi (vodii), (2) kratkospojni prsten, (3) rotorski paket.

Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specifino najlaki i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najee koriteni elektromotor. Kavezni namot je jednofazni i viefazni, a broj pari polova kaveznog rotora prilagouje se broju pari polova statorskog namota.


Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPOdstranjen prstenLeajOsovinaRotorski tapVentilatorKratkospojni prsten Skoenje tapovaKavezni rotor

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPrincip radaStatorski namot sastoji se od tri fazna namota koji su izvedeni tako da su njihove geometrijske osi prostorno pomaknute za 1200.Na trofazni statorski namot narinu se simetrini sinusni fazni naponi (uas, ubs, ucs) koji su vremenski fazno pomaknuti za 1200.Kroz fazne namote proteku struje (ias, ibs, ics) istih amplituda i faznog pomaka od 1200.

uasicrucsicsubsibsiaribriasiasibsicsst

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPrincip radaZbog prostornog pomaka faznih namota od 1200 i vremenski fazno pomaknutih struja od 1200, sve tri struje stvaraju jedinstveno okretno magnetsko polje koje se vrti (rotira) sinkronom brzinom: gdje je fs-frekvencija statorskih struja, p- broj pari polova statorskog namota. Sinkrona brzina izraena u (rad/s) je: s=2fs/p

uasicrucsicsubsibsiaribriasiasibsicsst

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPrincip rada

Ukoliko je motor neoptereen brzina je priblino sinkrona (ns), a optereenjem motora brzina mu opada na vrijednost n.

Relativna razlika sinkrone brzine okretnog polja i mehanike brzine rotora naziva se klizanje (s):

Nakon definicije klizanja, brzina vrtnje moe se izraziti kao: n=(1-s)nsFrekvencija rotorskih napona i struja proporcionalna je klizanju: fr=sfsInducirani napon u rotorskim namotima je: Er=sEr0, gdje je Er0 inducirani napon u rotoru dok rotor miruje (n=0, s=1).

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPNadomjesna shema

Slino transformatoru, asinkroni motor moemo prikazati nadomjesnom shemom koja vrijedi samo za stacionarna stanja. Parametri statorskog namota su otpor (Rs) i rasipni induktivitet (Xs), a Xm je reaktancija magnetiziranja kojom se nadomjeta glavni tok u zranom rasporu kojeg ulanuju i statorski i rotorski namot . Otpor (Rr) i rasipni induktivitet (Xr) su reducirani parametri rotorskog namota, a otporniki parametar Rr(1-s)/s nadomjeta (simulira) mehaniki rad na osovini motora.

Rr(1-s)/sRrXrXmXsRsIrUsIsIm

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPNadomjesna shema

Uz poznavanje svih parametara i klizanja (s), iz nadomjesne sheme se za svaku stacionarnu radnu toku mogu izraunati sve karakteristike motora.

Rr(1-s)/sRrXrXmXsRsIrUsIsIm

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPBilanca energije asinkronog motora

Pri pretvorbi energije u razliitim dijelovima stroja javljaju se gubici.

U asinkronom stroju to su gubici u bakru statorskog i rotorskog namota zbog toplinskog djelovanja struje, zatim gubici u eljeznoj jezgri statora i eljezu rotora zbog vrtlonih struja i histereze, mehaniki gubici koji nastaju trenjem u leajevima, trenjem s okolnim zrakom (ventilator), te dodatni gubici

Prema tome, dobivena snaga iz stroja bit e kao i uvijek manja od privedene za te gubitke

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPBilanca energije asinkronog motora

Omjer izmeu iste mehanike snage P2 i primarne snage P1 koju motor uzme iz mree predstavlja korisnost motora

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPMomentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

Uz zanemaren otpor statorskog namota (Rs=0), dobiva se pojednostavljena momentna karakteristika motora koja je funkcija klizanja (s):

gdje su:Mpr- prekretni (maksimalni) momentspr - prekretno klizanje (klizanje pri maksimalnom momentu)

Predavanje 7 - EAP


Uz konstantne parametre motora prekretni moment je:

gdje su:K konstanta ovisna o parametrima motorap broj pari polovaMess1 spr 00MprMpnestabilno podrujestabilno (radno) podruje

Predavanje 7 - EAP


Potezni moment Mp mora biti vei od momenta tereta (momenta optereenja), da motor moe krenuti.

Stacionarna brzina vrtnje dobije se u sjecitu momentne karakteristike motora i karakteristike tereta

Predavanje 7 - EAP


Mes0Mt1MpMt2Mt3Stacionarna brzina vrtnje < sMNa slici su prikazane tri razliite karakteristike momenta tereta, pri emu je za Mt1 i Mt2 mogue izvriti zalet motora i uspostaviti stacionarnu radnu toku, dok to nije mogue za Mt3 budui da je potezni (poetni) moment motora (Mp) manji od momenta tereta.

Stacionarna radna toka: Me= Mt

Predavanje 7 - EAP


Mes0Mt1MpMt2Mt3Stacionarna brzina vrtnje < sM

Mt1 - kvadratna karakteristika tereta (ventilator, crpka, ...)Mt2 , Mt3 konstantan moment tereta (dizalo, ...)

Stacionarna radna toka: Me= Mt

Predavanje 7 - EAP


Snaga, moment i brzina vrtnje povezani su izrazima:

ili

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPReverziranje (promjena smjera) brzine vrtnje

Smjer vrtnje okretnog polja i brzine vrtnje odreen je redoslijedom faza. elimo li ga promijeniti, dovoljno je meusobno zamijeniti prikljuke 2 od 3 fazna namota trofaznog motora. To se obino radi primjenom dva sklopnika prema slici :

S2 M 3 ~L1L2L3S1s- sM+ s- sS2S1

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPReverziranje (promjena smjera) brzine vrtnje

Ukljuenjem sklopnika S1 motor ima desni smjer vrtnje i razvija pozitivni moment, a ukljuenjem sklopnika S2 motor se vrti u lijevo i razvija negativni moment.

S2 M 3 ~L1L2L3S1s- sM+ s- sS2S1

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje

Brzinom vrtnje asinkronog motora mogue je upravljati na sljedee naine:

- promjenom efektivne vrijednosti napona statora- promjenom broja pari polova- dodavanjem otpora u rotorski krug (samo kod kolutnih motora)- promjenom frekvencije i napona statora najkvalitetnije upravljanje

Ako tehnoloki proces tako zahtjeva, upravljanje (regulacija) brzine moe biti neophodna i prema tom zahtjevu bira se itava struktura elektromotornog pogona (ureaj za napajanje motora, motor, senzori, regulacijski elementi).

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje

Principna struktura suvremenog elektromotornog pogona

Predavanje 7 - EAP

Pretvara

Motor

Radni stroj

Upravljaki ureaj

mrea(izvor)

energija

signal

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

Efektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja () tiristorskog pretvaraa, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan kvadratu napona, M=k Us2Nedostatak ovog upravljanja je usko podruje regulacije i poveani gubici motora. M 3 ~L2L3usL1tus

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPEfektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja () tiristorskog pretvaraa, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan kvadratu napona, M=k Us2Nedostatak ovog upravljanja je usko podruje regulacije i poveani gubici motora.s0UsnMMn210,8Usn21Mt1< 2 < sUpravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPStatorski namot je posebno projektiran tako da se njegovim prespajanjem dobiva namot s razliitim brojem polova, ime se mijenja sinkrona brzina vrtnje:

Razliitim spojevima mogu se postii razliite brzine, momenti i snage

Primjer: Dahlanderov spoj - statorski namot s est namotaja a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

RTSRSTa)b)

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPrimjer: Dahlanderov spoj - statorski namot s est namotaja a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

n0MMn21Mt 750 1500p = 2p = 4n1n2

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje promjenom frekvencije

Brzina je direktno proporcionalna frekvenciji

Frekvencija se mijenja pomou frekvencijskog pretvaraa, koji proporcionalno frekvenciji istovremeno mijenja i napon statora, tj. odrava omjer Us / fs = konst. M 3 ~L1L2L3f1 = 50 Hz==0 < fs < fsmaxFrekvencijski pretvara

Predavanje 7 - EAP


Da bi, pri promjeni frekvencije, maksimalni moment motora ostao jednak potrebno je da magnetski tok () ostane konstantan.

Magnetski tok u motoru priblino je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i napon. M 3 ~L1L2L3f1 = 50 Hz==0 < fs < fsmaxFrekvencijski pretvara

Predavanje 7 - EAP


Da bi, pri promjeni frekvencije, maksimalni moment motora ostao jednak potrebno je da magnetski tok () ostane konstantan.

Magnetski tok u motoru priblino je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i napon.n0MMn21Mtfs = 50 Hzn1n2fs = 25 Hzfs = 10 Hzn3

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

Motori su projektirani za nazivni napon (Usn) i nazivnu frekvenciju (fsn).

Za regulaciju brzine do nazivne frekvencije, napon se mijenja proporcionalno frekvenciji, tj. odrava se omjer Us / fs = konst.

Pomou frekvencijskog pretvaraa brzinu asinkronog motora mogue je regulirati i za brzine vee od nazivne (fs > fsn), ali u tom podruju nije mogue poveavati napon po zakonu Us / fs = konst., ve se napon dri jednak nazivnom (Us=Usn).

Zbog toga se poveanjem frekvencije smanjuje magnetski tok i maksimalni moment motora, a taj se reim naziva reim slabljenja magnetskog toka

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPUpravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

nMMn21fsn = 50 Hzfs fsn Usn Us Us fs4 fs5fs6 fs1 fs2

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPokretanje zvijezda-trokut

Pokretanje zvijezda-trokut asinkronog motora izvodi se na nain da se pomou tri sklopnika statorski namot prvo spoji u spoj zvijezda (ukljueni S1 i S3), a nakon nekog vremena u spoj trokut (S1 i S2). Time se postie smanjenje struje pokretanja (spoj zvijezda) za 3 puta u odnosu na spoj trokut. Nedostatak je smanjenje i momenta pokretanja za 3 puta, jer je moment ovisan o kvadratu napona.

S2 M 3 ~L1L2L3S1S3

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPokretanje dodavanjem opora u rotorskom krugu

Dodavanjem otpora u rotorski krug kolutnim asinkronim motorima stabilni dio momentne karakteristike se naginje, a prekretni (maksimalni) moment ostaje isti. Tijekom zaleta pomou sklopnika (S3, S2, S1) prekapaju se otpori. Na taj se nain ograniava struja pokretanja motora i poveava potezni moment.

S3S2S1Rd3Rd2Rd1M ~L1L2L3

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.*Predavanje 7 - EAPPokretanje tiristorsko

Promjenom (smanjivanjem) kuta upravljanja tiristora () kontinuirano se poveaje efektivna vrijednost napona motora. Na taj se nain ograniava struja pokretanja i vri meko pokretanje motora. Posebnu pozornost treba obratiti na usklaivanje momenta pokretanja i momenta tereta, jer u sluaju preniskog poetnog napona potezni moment motora moe biti manji od momenta tereta.

M 3 ~L1L2L3usust

Predavanje 7 - EAP


Predavanje 7 - EAP

Documents

Pred EAP 07 Asinkroni Motori