1

FFFrrreeekkkvvveeennntttnnniii rrreeeggguuulllaaatttooorrriii Uvod

tatički frekventni pretvarači su elektronski uređaji koji omogućavaju upravljanje brzinom trofaznih motora pretvarajući mrežni napon i

frekvenciju, koji su fiksirane vrednosti, u promenljive veličine. Dok su principi ostajali isti, mnogo toga se promenilo od pojave prvog frekventnog pretvarača, koji je sadržavao u sebi tiristore, do pojave današnjeg mikroprocesorski upravljanog pretvarača. Zbog sve većeg učešća automatike u industriji, postoji konstantna potreba za automatskim upravljanjem, a neprekidno povećanje brzine proizvodnje i bolje metode za poboljšanje stepena korisnosti pogona su razvijane sve vreme. Elektromotori su danas važan standardan industrijski proizvod. Ovi motori su projektovani da rade sa konstantnom brzinom i tokom prošlih godina radilo se na optimizaciji kontrole njihove brzine. Sve dok se nisu pojavili frekventni pretvarači nije bilo moguće u potpunosti upravljati brzinom trofaznog AC motora. Većina statičkih frekventnih pretvarača koji se danas koriste u industriji za regulaciju ili upravljanje brzinom trofaznih motora su pravljeni na osnovu dva principa:

frekventni pretvarači bez međukola (poznati kao direktni pretvarači), frekventni pretvarači sa promenljivim ili konstantnim međukolom.

Slika 1. Vrste pretvarača Frekventni pretvarači sa međukolom imaju ili strujno međukolo, ili naponsko međukolo i oni se nazivaju strujni invertori i naponski invertori.

S

2

Invertori sa međukolom imaju određene prednosti u odnosu na direktne invertore, kao što su:

bolje upravljanje strujom redukciju viših harmonika neograničenu izlaznu frekvenciju (ali ograničenje postoji u upravljanju i

korišćenju samih elektronskih komponenti. Frekventni pretvarači za visoke izlazne frekvencije su u najvećem broju slučajeva izvedeni sa međukolom).

Direktni invertori su nešto jeftiniji od invertora sa međukolom, ali imaju tu manu da poseduju lošiju redukciju viših harmonika. Kako većina frekventnih pretvarača koristi jednosmerno (DC) naponsko međukolo, ovde ćemo se fokusirati samo na tu vrstu pretvarača.

Prednosti pune kontrole brzine Danas u svim automatizovanim pogonima standardno se koristi trofazni motor sa frekventnim pretvaračem. Nevezano za njegove mogućnosti da koristi dobru osobinu trofaznih motora, puna kontrola brzine je često osnovni zahtev zbog vrste samog pogona. Koristeći frekventni pretvarač dobijamo još niz prednosti:

Štednja energije. Energija se moze uštedeti ako brzina obrtanja motora odgovara zahtevima pri bilo kom momentu opterećenja. Ovo se odnosi pre svega na pogon pumpi i ventilatora gde je utrošena energija srazmerna kvadratu brzine. Tako pogon koji radi sa polovinom brzine uzima samo 12.5% od nominalne snage.

Optimizacija procesa.Podešavanje brzine u procesu proizvodnje pruža brojne prednosti. To uključuje povećanje proizvodnje, dok smanjuje troškove održavanja i utrošak materijala i habanje.

“Mekan” rad mašine.Broj startovanja i zaustavljanja mašine može se sa punom kontrolom brzine dramatično smanjiti. Korišćenjem soft-start i soft-stop rampi, naprezanja i udari mašine se mogu izbeći.

Manji troškovi održavanja.Frekventni pretvarači ne zahtevaju održavanje. Kada se koriste za upravljanje motorima, radni vek pogona se povećava. Na primer, u sistemima za navodnjavanje, gde pojava vodenih čekića koji direktno zavise od motora pumpe nestaje tako da su izbegnuti kvarovi na ventilima.

3

Poboljšano radno okruženje.Brzina pokretnih traka može da se podesi na tačno zahtevanu radnu brzinu. Na primer, flaše na pokretnoj traci u liniji za punjenje flaša prave mnogo manje buke ako se brzina trake može smanjiti u toku punjenja.

Ako se brzina ventilatora može podešavati, tada se buka u blizini ventilatora može smanjiti kao i promaja. Upravljanje ili regulacija? Često se poistovećuju termini ‘upravljanje’ i ‘regulacija’. Ovi termini imaju svoje tačne definicije – pre svega zbog razvoja na polju automatike. Termini ‘upravljanje’ i ‘regulacija’ zavise od tipa pogona. Kod ‘upravljanja’ brzinom, motoru se šalje signal od koga se očekuje da će prouzrokovati odgovarajuću brzinu motora. Kod ‘regulacije‘ brzine iz procesa se dobija signal kao povratna informacija o brzini pogona. Ako brzina ne odgovara zahtevima, signal koji se šalje motoru se generiše automatski sve dok brzina motora ne bude na zadatoj vrednosti. Trofazni AC motori

Prvi elektromotor je bio jednosmerni motor (DC motor) i napravljen je 1833. godine. Regulacija brzine ovog motora je jednostavna i odgovara potrebama mnogih aplikacija i sistema. 1889. godine napravljen je prvi naizmenični motor (AC motor). Iako mnogo robusniji i jednostavniji, trofazni motori su imali jednu veliku manu. Njihova brzina obrtanja je bila konstantna, a samim tim i momentna karakteristika, pa se zbog toga AC motori nisu koristili u specijalnim aplikacijama gde se zahtevala regulacija brzine. Trofazni motori su elektromagnetni pretvarači energije, koji pretvaraju električnu energiju u mehaničku (motorski režim) ili obrnuto (generatorski režim) u skladu sa zakonom elektromagnetne indukcije. Zakon elektromagnetne indukcije kaže da ako se u magnetnom polju indukcije B kreće provodnik, tako da seče linije polja, u njemu će se indukovati napon. Ako je provodnik deo zatvorenog strujnog kola, tada će kroz njega da protekne struja I. Pri kretanju provodnika, na njega će da deluje sila F koja je vertikalna na linije magnetnog polja.

Generatorski režim (indukcija prilikom kretanja). U generatorskom režimu pomeranjem provodnika u magnetnom polju generišemo napon na njegovim krajevima (Slika 2a).

Motorski režim.U ovom slučaju imamo provodnik u magnetnom polju

kroz koji protiče struja. Tada se javlja sila na provodnik koja teži da pomeri provodnik iz magnetnog polja.U motorskom režimu magnetno polje i provodnik sa strujom uzrokuju kretanje (Slika 2 b).

4

Slika 2. Princip elektromagnetne indukcije Magnetno polje kod motora proizvodi nepokretni deo (stator) a provodnici na koje deluje elektromagnetna sila se nalaze na pokretnom delu mašine (rotor). Trofazni motori mogu da se podele u dve velike grupe: asinhrone i sinhrone motore. Kod oba tipa motora statori su slični, ali dizajn i kretanje rotora u odnosu na magnetno polje se razlikuju. Kod sinhronih motora brzina rotora se poklapa sa brzinom obrtnog polja, dok je kod asinhronog brzina rotora različita.

Slika 3. Tipovi trofaznih motora

Asinhroni motori Asinhroni motori su najrasprostranjeniji motori i praktično ne zahtevaju održavanje. U mehaničkom smislu, ovi motori su standardne jedinice, tako da su odgovarajući distributeri asinhronih motora uvek u blizini. Postoji nekoliko vrsta asinhronih motora, ali svima je isti princip rada. Dva glavna dela asinhronog motora su stator (nepokretni deo) i rotor (pokretni deo), Slika 4. Stator. Stator je nepokretni deo motora. Sastoji se od kućista (1), ležista (2) na koja se oslanja rotor (9), bočnih poklopaca (3) koji nose ležišta, ventilatora

5

(4) na kraju kućišta koji služi za hlađenje mašine i zaštitne kape (5) koja služi za zaštitu od ventilatora. Priključna kutija (6) se nalazi pričvršćena na kućištu statora. U kućištu statora se nalazi magnetno jezgro (7) napravljeno od tankih (debljine 0.3 do 0.5 mm) gvozdenih limova. Ovi limovi sadrže žlebove u koje se smešta trofazni namotaj.

Slika 4. Osnovni delovi asinhronog motora.

Fazni namotaji i jezgro statora proizvode magnetni fluks. Broj pari polova određuje brzinu obrtanja magnetnog polja. Ako je motor priključen na nominalnu frekvenciju, tada se brzina magnetnog polja naziva sinhronom brzinom motora (n0) i u Tabeli 1 data je veza između broja pari polova (p) i brzine n0. Pari polova (p) 1 2 3 4 6

Broj polova 2 4 6 8 12 n0 [1/min] 3000 1500 1000 750 500

Tabela 1.

Magnetno polje. Magnetno polje rotira u vazdušnom prostoru između statora i rotora. Magnetno polje se indukuje nakon priključivanja faznog namotaja na napajanje.

6

Slika 5. Indukovano polje jedne faze

Pozicija ovog magnetnog polja u odnosu na stator je fiksna, ali je promenljivog smera. Brzina kojom se menja smer je određena frekvencijom napona kojim se motor napaja. Pri mrežnoj frekvenciji od 50 Hz polje menja smer 50 puta u sekundi. Ako se dvofazni namotaj priključi na odgovarajuće napajanje, u istom trenutku doći će do indukcije dva magnetna polja. U motoru sa dva pola postoji pomak od 120 stepeni između dva polja. Maksimumi koje dostižu ta dva polja su vremenski pomereni. Ovo uzrokuje da magnetno polje više nije nepomično u odnosu na stator, već počinje da rotira. Ali, ovakvo obrtno polje je izrazito nesimetrično, sve dok se ne priključi i treća faza.

Slika 6. Dvofazno nesimetrično obrtno polje Tri faze generišu tri magnetna polja koja su međusobno pomerena u prostoru za 120 stepeni.

7

Slika 7. Trofazno simetrično obrtno polje Stator je sada proključen na trofazni izvor napona, a magnetna polja svakog od namotaja zajedno čine simetrično obrtno magnetno polje. Amplituda obrtnog polja je konstantna i 1.5 puta je veća od amplitude magnetnog polja jedne faze. Trofazno magnetno polje se obrće brzinom koja je data izrazom:

p60xfn0 = [ 1

min ]

gde je : f frekvencija, n0 sinhrona brzina, p broj pari polova. Brzina zavisi od broja pari polova (p) i od frekvencije (f) napona napajanja. Ilustracija prikazana ispod, Slika 8. prikazuje veličine vektora magnetnog polja u tri različita trenutka.

Slika 8. Amplituda magnetnog polja je konstantna Prikaz obrtnog polja vektorom i odgovarajućom ugaonom brzinom daje krug. Kao funkcija vremena, u koordinatnom sistemu obrtno polje daje sinusnu krivu. Ako bi se tokom obrtanja polja menjala amplituda, tada bi obrtno polje imalo izgled elipse.

8

Rotor. Rotor (9) je montiran na vratilo motora (10), Slika 4. Kao i stator, rotor je napravljen od tankih gvozdenih limova sa žlebovima. Postoje dva tipa rotora: rotor sa kliznim prstenovima i kratkospojeni rotor , razlika je u namotajima koji postoje u žlebovima. Rotor sa kliznim prstenovima, kao i stator, ima namotaje od žice smestene u žlebove i za svaku fazu postoji po jedan klizni prsten na koji se priključuju namotaji. Nakon kratkog spajanja kliznih prstenova, rotor sa kliznim prstenovima će da radi kao i kratkospojeni rotor. Kod kratkospojenih rotora u žlebove su ulivene šipke od aluminijuma. Na krajevima rotora postoje aliuminijumski prstenovi koji kratko spajaju šipke. Kratkospojeni rotor se češće koristi. S obzirom da je princip rada isti kod oba rotora, ovde će biti opisan samo kratkospojeni rotor.

Slika 9. Obrtno polje i kratkospojeni rotor Kada se rotorska šipka postavi u obrtno magnetno polje, fluks magnetnih polova prolazi kroz nju. Ovaj fluks indukuje struju (Iw) u rotorskoj šipci na koju počinje da deluje sila (F). (Slika 9 i Slika 10a). Sila na šipku je određena magnetskom indukcijom (B), indukovanom strujom (Iw), dužinom šipke (l) rotora i uglom (α) između vektora sile i vektora magnetske indukcije.

F = B × Iw × l × sinα Ako stavimo da je α=90°, izraz za silu je tada

F = B × Iw × l.

9

Sledeći pol čije magnetno polje prolazi kroz šipku rotora ima suprotan polaritet. Ovo magnetno polje indukuje struju u suprotnom smeru. Kako je smer polja takođe suprotan, sila ima isti smer kao i pre (Slika 10b). Ako se sada ceo rotor smesti u obrtno magnetno polje (Slika 10c), na šipke rotora deluje sila koja teži da okreće rotor. Brzina obrtanja rotora nikada ne dostiže brzinu obrtanja obrtnog magnetnog polja, jer ako bi se dostigla brzina obrtnog polja, u tom slučaju se ne bi indukovala struja u šipkama rotora, pa ne bi postojala sila koja deluje na šipke rotora.

Slika 10. Indukcija u rotorskim šipkama Klizanje, moment i brzina U normalnom radu, brzina rotora nn je manja od brzine obrtnog polja n0. Klizanje, je razlika između brzine obrtanja obrtnog polja i brzine obrtanja rotora:

pxfn 60

0 = [1/min]

gde je p broj pari polova. Klizanje se često izražava u procentima od sinhrone brzine i obično iznosi između 4 i 11 % .

s = n0 – nn

s = n0 - nnn0

×100 [ ]% .

Magnetna indukcija (B) se definiše kao odnos magnetnog fluksa (M) i površine poprečnog preseka (A). Sila se može izraziti kao:

A

lwIΦF

××=

10

Sila na šipke kroz koje protiče struja je, dakle, proporcionalna magnetnom fluksu (M) i struji (Iw).

F ~ Μ × Iw. U rotorskim šipkama napon se indukuje preko magnetnog polja. Ovaj indukovani napon uzrokuje pojavu struje u rotorskim šipkama, jer su one kratko spojene. Pojedinačne sile na šipke rotora zajedno uzrokuju moment na vratilu motora.

Slika 11. Moment motora je “umnožak sile i njenog kraka”

Veza između momenta motora i brzine obrtanja ima karakterističan izgled koji varira sa konstrukcijom rotora. Moment motora rezultuje pojavom sile koja okreće vratilo motora. Sila se pojavljuje, na primer, na obodu zamajca priključenog na vratilo motora. Sa silom F na obodu i poluprečnikom zamajca r, moment motora iznosi:

T = F × r Rad koji izvrši motor se može izračunati kao:

W = F × d gde je d put koji je prešlo opterećenje pokretano motorom i može se izraziti kao:

d = n × 2π × r gde je: n broj obrtaja rotora. Rad se, takođe, može izračunati i kao umnožak snage i vremena za koje je ta snaga delovala

11

W = P × t.

Stoga je moment dat jednačinom:

T = F × r = Wd × r = P × t × rn × 2π × r

T = P × 9950n (t = 60 sec)

Ova jednačina daje vezu između brzine obrtanja (n), momenta (T) i snage motora (P). Jednačina omogućava jednostavan i brz račun za n, T i P za tačku koja odgovara radnoj tački (nr, Tr i Pr). Radna tačka je obično nominalna radna tačka motora i jednačina se može transformisati kao:

Tr=Prnr

ili kao Pr = Tr × nr

gde su:

Tr = TTn

,

Pr = PPn

,

nr = nnn

.

Primer: Opterećenje = 15% nominalne vrednosti, brzina = 50% nominalne vrednosti. Nominalna snaga iznosi 7.5%, jer je Pr = 0,15 × 0,50 = 0,075. U ovom računu konstanta 9550 nije primenjena, jer je ovo račun u nominalnim jedinicama. U skladu sa nominalnim vrednostima mašine, postoje dva opsega.

12

Slika 12. Strujna i momentna karakteristika motora

U opsegu gde je nn0

> 1 ,brzina motora je veća od sinhrone brzine i mašina

tada radi kao generator – stvarajući moment suprotnog smera, istovremeno

izlaz iz mašine je tada njen priključak na mrežu. Opseg gde je nn0

< 0

predstavlja radni režim kočnice. Ako se u toku rada motora odjednom zamene mesta dvema fazama, obrtno polje menja svoj smer obrtanja. Neposredno nakon tog trenutka, odnos brzine rotora i sinhrone brzine će biti:

nn0

= 1.

Motor prethodno opterećen momentom opterećenja T, sada razvija kočioni moment. Ako se motor ne isključi sa mreže pri n=0, nastaviće da se obrće, ali sada u suprotnom smeru od prvobitnog.

Oblast između 0 < nns

< 1 predstavlja normalni motorski režim rada.

Ova oblast se može podeliti na dva dela:

13

oblast pri startu koja se nalazi između 0 < nn0

< nsn0

i

radna oblast koja se nalazi između nsn0

< nn0

< 1.

U oblasti motorskog režima rada postoji nekoliko važnih tačaka na momentnoj krakteristici. Ta je polazni moment motora – to je moment koji motor razvija pri polasku iz stanja mirovanja kada se dovede nominalni napon nominalne frekvencije. Tk je prevalni moment motora. To je najveći moment koji motor može da razvije pri napajanju nominalnim naponom nominalne frekvencije. Tn je nominalni moment motora. Nominalne vrednosti motora su mehaničke i električne veličine za koje je motor projektovan, u saglasnosti sa standardom IEC 34. Ove vrednosti se mogu pročitati sa natpisne pločice motora. Nominalne vrednosti daju podatak o optimalnoj radnoj tački motora za slučaj direktnog priključka na mrežu. Stepen korisnosti i gubici. Motor uzima električnu snagu iz električne mreže. Pri konstantnom opterećenju, snaga uzeta iz mreže je veća od mehaničke snage na izlazu zbog postojanja gubitaka u motoru. Veličina koja daje vezu između ulaza i izlaza mašine je stepen korisnosti motora, η.

η = P2P1

.

Karakteristična vrednost stepena korisnosti motora je između 0.7 i 0.9 u zavisnosti od veličine mašine i broja polova.

Slika 13. Gubici u motoru

14

Gubici u motoru se dele na četiri grupe: gubici u bakru, gubici u gvožđu, gubici usled ventilacije i gubici usled trenja.

Gubici u bakru su posledica omske otpornosti namotaja statora i

rotora.Gubici u gvožđu se sastoje od histerezisnih gubitaka i gubitaka zbog postojanja vrtložnih struja.

Histerezisni gubici se javljaju u gvožđu kada se ono magnetiše

naizmeničnom strujom. U našem slučaju, pri naizmeničnom naponu od 50 Hz gvožđe se magnetiše i demagnetiše 100 puta u sekundi. Oba procesa, magnetizacije i demagnetizacije, zahtevaju da se uloži energija. Ova energija se uzima iz električne mreže i ona raste sa povećanjem frekvencije i magnetne indukcije.

Gubici usled vrtložnih struja postoje zbog indukcije napona u

gvožđu i provodnicima usled promenljive magnetne indukcije. Indukovani napon uzrokuje struju koja se ciklično kreće oko linija magnetnog polja i proizvodi toplotne gubitke.

Deljenjem magnetnog jezgra na tanke limove, gubici usled vrtložnih struja se drastično smanjuju.

Slika 14. Vrtložne struje se smanjuju lamelisanjem jezgra u motoru

Gubici usled ventilacije se javljaju zbog postojanja trenja vazduha prilikom njegovog prolaska kroz ventolator i mašinu.Gubici usled trenja se javljaju u ležistima motora. Kada se određuje korisnost motora i snaga na izlazu, da bi se gubici izračunali, meri se ulazna snaga.

Magnetno polje u motoru. Motor je projektovan za napon konstantne vrednosti i konstantne frekvencije. Magnetizacija motora zavisi od odnosa napona i frekvencije. Ako ovaj odnos između napona i frekvencije raste, tada je motor premagnetisan, a ako opada, motor je namagnetisan manje od onoga što moze da podnese. Magnetno polje nedovoljno namagnetisanog motora je slabo, a moment koji motor u tom režimu razvija je mali i ovo sigurno vodi ka situaciji u kojoj motor nije više u mogućnosti da se okreće ili ne može da

15

startuje. Druga mogućnost je da start motora traje predugo, što izaziva termičko preopterećenje motora. Premagnetisani motor je termički preopterećen tokom svog rada. Višak snage koji se dovodi za magnetizaciju se pretvara u toplotu i ovo može da ošteti izolaciju motora. Kako su trofazni asinhroni motori prilično robusni, to će se problem premagnetizacije odraziti samo kao zastoj procesa, ali neće oštetiti mašinu. Stanje nedovoljne magnetizacije motora će se odraziti na njegov rad – propadi brzine pri promeni opterećenja, nestabilan rad, trzaji, i sl. Ekvivalentna električna šema. Asinhroni motor se sastoji od šest namotaja: tri namotaja na statoru i tri namotaja u kratkom spoju na rotoru (ovi namotaji na rotoru se u magnetnom smislu ponašaju kao da su sačinjeni od tri namotaja). Posmatrajući ove namotaje, moguće je konstruisati električnu šemu koja će objasniti način rada motora.

Slika 15a. Namotaji statora i rotora

Slika 15b. Ekvivalentna električna šema motora (crtano za fazu L1) Statorska struja nije ograničena samo omskom otpornošću namotaja koji su priključeni na naizmeničini napon, već tu postoji i otpornost pri naizmeničnoj struji. Ova otpornost se zove reaktansa (XL = 2π × f × L) i meri se takođe u

16

omima. f je frekvencija, a izraz 2π × f predstavlja ugaonu frekvenciju ω čija je

jedinica 1s . L je induktivnost i ona se meri u Henrijima [H]. Otpor proticanju

struje je zavisan od frekvencije. Namotaji utiču međusobno jedni na druge preko magnetne indukcije (B). Rotorski namotaji uzrokuju struju u namotajima statora i obrnuto (Slika 15b). Ovaj međusobni uticaj namotaja znači da električna kola rotora i statora mogu da budu povezana preko zajedničke grane koju čine RFe i Xh - otpornost magnećenja i reaktansa magnećenja. Struja koju motor vuče za magnetizaciju teče kroz ovu granu. Napon na toj grani se naziva indukovani napon. Radni uslovi motora. U primerima koje smo do sada diskutovali, motor nije bio opterećen. Kada motor radi u okviru svog normalnog radnog opsega, frekvencija u rotoru je manja od frekvencije obrtnog polja, a R2 ima nižu vrednost, umanjenu za faktor s (klizanje). U ekvivalentnoj električnoj šemi, ovaj efekat je opisan promenom rotorske

otpornosti R2 sa faktorom 1s . R2

s se može zapisati kao R2 + R2 × 1 - ss

predstavlja uticaj mehaničkog opterećenja na motor. Vrednosti R2 i X2 predstavljaju rotor. R2 uzrokuje gubitke u rotoru kada je motor opterećen.

Slika 16. Ekvivalentna električna šema motora kada je opterećen Klizanje s je približno jednako nuli kada je motor neopterećen. To znači da

R2 × 1 - ss raste sa smanjenjem klizanja. Stoga je u rotoru tada struja

približno jednaka nuli. Ovo odgovara situaciji kada se u ekvivalentnoj električnoj šemi ukloni otpornost (koja predstavlja uticaj opterećenja).

Kada se motor optereti - klizanje poraste, a smanjuje se vrednost R2 × 1 - ss .

Struja I2 u rotoru takođe raste sa porastom opterećenja.

17

Slika 17. Ekvivalentna šema za slučaj idealnog praznog hoda motora (a)

i motora kada je vratilo blokirano (b) Sa ekvivalentne električne šeme može da se vidi princip rada asinhronog motora i u mnogim slučajevima, pomoću te šeme, mogu se opisati stanja motora u raznim uslovima rada. Postoji opasnost da se indukovani napon (Uq) zameni sa mrežnim naponom na motoru. To je zato što je ekvivalentna šema pojednostavljena kako bi pružila bolji pregled stanja motora u raznim uslovima rada. Ipak, trebalo bi zapamtiti da indukovani napon postaje blizak mrežnom naponu samo kada je motor neopterećen. Sa porastom opterećenja, I2 raste, pa stoga i I1 raste, pa zato mora biti uzet u obzir i pad napona. To je važno, naročito kada se motorom upravlja sa pretvaračem fekvencije.

Promena brzine. Brzina motora n, je zavisna od brzine obrtnog polja i može biti izražena kao:

s = n0 - nn0

,

gde je:

n = (1 - s) × fp .

Iz toga sledi da se brzina motora može menjati promenom:

18

broja pari polova, p, motora (polno preklopivi motori) klizanja motora (klizni motori) frekvencije f, napona napajanja motora

Slika 18. Različite mogućnosti promene brzine obrtanja motora Promena broja polova. Brzina obrtnog polja je determinisana brojem pari polova u statoru. U slučaju dvopolnog motora, brzina obrtnog polja je 3000 o/min za napajanje od 50Hz.

Slika 19. Karakteristika obrtnog momenta motora sa promenljivim brojem polova Za napajanje od 50Hz, brzina obrtnog polja za četveropolne motore je 1500 o/min. Motor može biti izrađen za dva različita broja pari polova. Ovo je zbog toga što su specijalni izlazi statorskih namotaja u procepima ili u formi Dahlander-ovih namotaja ili kao dva zasebna namotaja. U motoru sa nekoliko polova tipovi namotaja su kombinovani.

19

Brzina se menja prebacivanjem statorskih namotaja tako da se promeni broj pari polova u statoru. Prebacivanjem iz manjeg broja pari polova (koji generišu veliku brzinu) u veći broj pari polova, trenutna brzina obrtanja motora se dramatično smanji – na primer: iz 1500 u 750 o/min. Ako se prebacivanje brzo ostvari, motor prođe kroz generatorsku fazu što prouzrokuje značajno naprezanje motora i mehanike. Kontrola klizanja. Brzina motora može biti kontrolisana klizanjem u dva različita pravca: bilo promenom napona napajanja statora ili intervencijom u rotoru. Promena napona na statoru. Brzina asinhronih motora može biti kontrolisana regulaciom napona napajanja motora bez promene frekvencije (na primer koristeći softstarter). Ovo je moguće zato što momenat motora opada sa kvadratom napona.

Slika 20. Momentna karakteristika statorskog napona (kontrola klizanja) Momentna karakteristika pokazuje da se stabilna radna tačka može dobiti samo u opsegu (nk<n<n0). Kod motora sa kliznim kolutom stabilna radna tačka se može dobiti u opsegu (0<n<nk) ubacivanjem otpornika u namotaje rotora. Kontrola rotora. Postoje dva moguća načina intervencije u rotoru: ubacivanjem otpornika u kolo rotora, ili da kolo rotora priključimo na neku drugu električnu mašinu ili ispravljačko kolo u kaskadnoj vezi. Zbog toga je rotorska kontrola moguća samo u motorima sa kliznim kolutom, jer su jedino kod ovih motora namotaji rotora dostupni na kliznom kolutu. Promena rotorskih otpornika. Brzina motora, takođe može biti kontrolisana povezivanjem kliznih kolutova sa otpornicima i povećavanjem snage gubitaka u motoru koje prouzrokuje povećanje klizanja i smanjenje brzine obrtanja motora. Ako su otpornici povezani u kolo rotora, momentna karakteristika se menja.

20

Kao što se vidi sa Slike 20, momenat zaustavljanja zadržava svoju vrednost. Pod drugačijim okolnostima imamo drugačije brzine za isto opterećenje pa zbog toga početna brzina zavisi od opterećenja. Ako je opterećenje motora umanjeno, brzina je bliska sinhronoj brzini.

Slika 21. Momentna karakteristika rotorovih otpornika

Pošto su otpornici promenjivi važno je da se održava radna temperatura. Kaskadno kuplovanje. Umesto otpornika, kolo rotora je povezano preko kliznih kolutova za jednosmerne mašine ili ispravljačko kolo. Jednosmerne mašine obezbeđuju kolu rotora motora dodatni, podešljiv napon i na taj način utiču na promenu brzine i magnećenja rotora. Ova tehnika se uglavnom koristi u sistemima električne železnice. Umesto jednosmernih mašina mogu se koristiti kontrolisana ispravljačka kola u čijem slučaju je polje primene redukovano na pumpe, ventilatore i slično.

Slika 22. Tipično kaskadno kolo Frekventni regulatori. Sa različitom frekvencijom napajanja moguće je upravljati brzinom motora bez dodatnih gubitaka. Obrtna brzina magnetnog polja se menja sa frekvencijom. Brzina motora se menja proporcionalno sa obrtnim poljem. Da bi se moment motora održao konstantnim, potrebno je vršiti promenu napon napajanja sa promenom frekvencije. Za dato opterećenje sledi:

21

T = P × 9950n = η × 3 × U × I × cosφ × 9950

f × 60p

= k × Uf × l

T ~ Uf × l .

Za konstantan odnos napona napajanja motora i frekvencije, magnećenje u nominalnom radnom opsegu motora je takođe konstantno.

Slika 23. Momentna karakteristika dobijena primenom frekventnog regulatora U dva slučaja magnećenje nije idealno: na početku, na malim frekvencijama, gde se zahteva dodatno magnećenje, i u slučaju se radi sa promenjivim opterećenjem gde se mora omogućiti da promena magnećenja odgovara opterećenju.

Slika 24. Ekvivalentno kolo motora Dodatno početno magnećenje. Važno je obratiti pažnju na pad napona između tačaka Us i Uq .

Krajnji napon U1 = Us + Uq = UR1 + UX1 + Uq

Statorska reaktansa X1 = 2π × f × L.

22

Motor je dizajniran za određen opseg vrednosti. Na primer, napon magnećenja Uq je 370V za motor napajan sa U1 =400V i f=50Hz. Ovo važi za motor sa optimalnim magnećenjem.

Odnos napon/frekvencija je [ ]HzV8

50400

= . Ako se frekvencija smanji na 2.5

Hz, napon će biti 20V. Zbog male frekvencije reaktansa statora X1 će se takođe smanjiti. Pad napona je određen sa R1 i nema uticaja na ukupan pad napona na statoru. R1 približno odgovara opsegu vrednosti, približno 20V, pošto je struja motora određena opterećenjem. Konačni napon odgovara padu napona duž statorskih otpornika, R1. Nema napona za magnećenje i motor ne može da generiše momenat na niskim frekvencijama ako je odnos napon-frekvencija održavan konstantnim duž opsega. Zbog toga je važno nadoknaditi pad napona tokom zaletanja i kod niskih frekvencija. Magnećenje zavisno od opterećenja. Nakon adaptiranja motora sa dodatnim magnećenjem za niske frekvencije i tokom zaletanja dodatno magnećenje će se desiti ako je motor startovan sa malim opterećenjem. U ovoj situaciji, struja statora će opadati, a indukovani napon Uq će se povećati. Motor će primiti veću reaktivnu struju i nepotrebno će se zagrejati. Prema tome magnećenje zavisi od napona koji motor automatski menja zavisno od opterećenja. Za optimalno magnećenje motora, frekvencija i promenljivo opterećenje moraju biti uzeti u obzir. Podaci o motoru. Svi motori imaju tablicu sa listom osnovnih podataka. Ostali podaci su obično dostupni u katalogu motora.

Slika 25. Tablica motora

23

Primer: Tablica dvopolnog 15kW motora može da ima sledeće podatke:

Polje 1. Motor ima tri faze sa frekvencijom napajanja od 50Hz Polje2. Nominalna izlazna snaga motora je 15kW, tj. motor može da na

vratilu da snagu od bar 15kW ako je povezan na napajanje za koje je predviđen. Nominalna izlazna snaga asinhronih motora je određena standardom.Ovo omogućava korisniku slobodan izbor različitih motora izrađenih za različite namene. Standardne serije imaju sledeće izlazne nivoe:

kW 0.06 0.09 0.12 0.18 0.25 0.37 0.55 0.75 1.10 1.50 2.20 3.00 kW 4.00 5.50 7.50 11.0 15.0 18.5 22.0 30.0 37.0 45.0 55.0 75.0

Tabela 2. Standardni izlazi motora Konjske snage (KS) su uobičajena jedinica za merenje izlazne snage motora i može da se konvertuje na sledeći način:

1 KS = 0.736 kW Polje 3-4. Namotaji statora mogu biti povezani u zvezdu ili trougao.

Ako je napon napajanja 400V namotaji moraju biti povezani u zvezdu. Struja motora je tada 27.5A po fazi. Ako je napon napajanja 230V namotaji statora moraju biti povezani u trougao.Struja motora je tada 48.7A po fazi. Kod zaletanja, gde je struja 4 do 10 puta veća nego nominalna struja, napajanje može biti preopterećeno. Zbog toga elektrodistribucije određuju ograničenje polaznih struja velikih motora. Ovo se postiže tako što se motor zaleće u zvezdi, a zatim se prebaci u trougao.

24

Slika 26. Moment motora i struja u spoju zvezda i spoju trougao

U zvezdi, snaga i moment su smanjeni za 1/3 i motor ne može da se zaleće pod punim opterećenjem. Motor projektovan u zvezdi će biti preopterećen ako nema prebacivač u spoj zvezda za puno opterećenje.

Polje 5. Ovo polje označava stepen zaštite motora koju obezbeđuje kućište protiv prodiranja tečnosti i stranih tela. Slika 1.26 sadrži oznake korišćene u internacionalnom standardu IEC izdanje 34-5. Zaštita se označava sa dva slova IP (Iternacional Protection) i dve cifre. One se koriste da specifiraju nivo zaštite protiv kontakta i stranih tela (prva cifra) i tečnosti (druga cifra). Ako je potrebno, može se dodati još slova. Osnovni IP kod je npr.:

25

Takođe treba znati da: Ako cifra nema stanje može biti zamenjena sa slovom ''X''. Dodatna i dopunska slova mogu biti uklonjena a da se ne zamene sa

ničim drugim Ako je potrebno više dopunskih slova mora se poštovati abecedni

red.

Prva cifra Druga cifra Cifra Zaštita od kontakta Zaštita od stranog tela Zaštita od vode

0 Bez zaštite Bez zaštite Bez zaštite 1 Zaštita od dodira šakom Zaštita od čvrstog stranog

tela sa 50mm prečnikom Zaštita od vertikalnog kapljanja vode

2 Zaštita od dodira prstima

Zaštita od čvrstog stranog tela sa 12.5mm prečnikom

Zaštita od kapljanja vode pod uglom od 15 stepeni

3 Zaštita od dodira sa alatom

Zaštita od čvrstog stranog tela sa 2.5mm prečnikom

Zaštita od vode prskane do ugla od 60 stepeni

4 Zaštita od dodira sa žicom

Zaštita od čvrstog stranog tela sa 1.0 mm prečnikom

Zaštita od vode prskane iz svih pravaca

5 Zaštita od dodira sa žicom

Zaštita od prašine Zaštita od mlaza vode

6 Zaštita od dodira sa žicom

Zaštita od prašine Zaštita od jakog mlaza vode

7 - - Zaštita od privremenog zaranjanja u vodu

8 - - Zaštita od trajnog zaranjanja u vodu

Tabela 3. Lista zaštita motora po standardu IEC 34-5

Opciono dodatno slovo označava da su ljudi zaštićeni od pristupa opasnim komponentama:

Šakom slovo A Prstima slovo B Alatom slovo C Žicom slovo D

Opciono dopunsko slovo označava da je radna mašina zaštićena i sadrži

dopunske informacije naručito o: Visoko-naponskim jedinicama slovo H Testiranju sa vodom u toku rada slovo M Testiranju sa vodom u stanju mirovanja slovo S Vremenskim uslovima slovo W

U slučaju da je radna mašina zaštićena od prašine (prva cifra je 5), prodiranje prašine nije potpuno sprečeno, ipak, prašina može da uđe samo u neke delove i jedinica ce nastaviti da radi bez ugrožavanja sigurnosti. Zaštita od vode je ponuđena do šeste cifre, što znači da su uslovi za sve niže brojeve takođe ispunjeni. Za radnu jedinicu sa opisom IPX7 (privremeno zaronjena) ili IPX8 (trajno zaronjena) ne mora da znači da je zaštićena od vodenog mlaza IPX5 ili jakog mlaza vode IPX6. Ako su oba zahteva ispunjena, radnoj mašini se mora dati dvostruka oznaka, tj. IPX5/IPX7.

26

Primer: IP 65 da je motor siguran od kontakta i zaptiven od prašine i vode. Struja nominalna, IS, se naziva prividna struja i može biti podeljena na: aktivnu struju IW i reaktivnu struju IB. cos ϕ pokazuje udeo aktivne struje kao porocenat nominalne struje motora. Aktivna struja je pretvorena u izlaznu snagu vratila, dok je reaktivna struja indikator snage potrebne za stvaranje magnetnog polja u motoru. Zatim kada se magnetno polje odstrani, magnetna snaga postaje povratna sprega glavnog napajanja. Reč reaktivna označava da se struja kreće u i iz žica bez doprinosa izlaznoj snazi vratila. Prividna ulazna struja motora iz mreže nije determinisana samo jednostavnim zbrajanjem aktivne i reaktivne struje, zbog toga što su ove dve struje pomerene u vremenu. Veličina ovog pomeraja zavisi od frekvencije mrežnog napajanja. Na frekvenciji od 50Hz pomeraj između struja je 5 milisekundi. Geometrijsko sumiranje je:

2B

2Ws III +=

Struje mogu da se posmatraju kao strane pravouglog trougla, gde je kvadrat nad hipotenuzom jednak zbiru kvadrata na katetama (Pitagorina teorema). ϕ je ugao između prividne i aktivne struje, a cos ϕ je odnos između veličina te dve struje:

cos φ = IWIs

cos ϕ može biti prikazan i kao odnos između trenutne izlazne snage P i prividne izlazne snage S:

cosφ = PS

Slika 27. Veza između prividne, aktivne i reaktivne struje

Fraza prividna snaga znači da samo dio prividne struje generiše snagu, tj. Član IW, aktivna struja.

27

Polje 7. Nominalna brzina motora je brzina obrtanja motora sa nominalnim naponom,frekvencijom i opterećenjem.

Polje 8. Električni motori su dizajnirani za različite tipove hlađenja.

Metode hlađenja su ustanovljeneu saglasnosti sa međunarodnim standardom IEC izdanje 34-6.

Tabela 4. pokazuje oznake ovog standarda i IC predstavlja Internacional Cooling. IC01 Samo-ventilišući Unutrašnjost motora se hladi direktno preko okolnjeg vazduha

IC17 Spoljašnja ventilacija motora sa ugrađenim ventilatorom

IC06 Spoljašnja ventilacija motora sa zasebnim ulazom za vazduh

IC37 Spoljašnja ventilacija motora sa odvojenim ulazom i odvojenim izlazom vazduha

Tabela 4. Hlađenje motora u saglasnosti sa IEC 34-6

Izbor motora mora biti determinisan kako primenom tako i instalaciom. Međunarodni standard IEC 34-7 daje okvir tipova motora u formi dva slova, IM (International Mounting) i četiri cifre, Koristeci podatke sa tablice motora, mogu se izračunati ostali podaci o motoru kao na primer, nazivni moment motora može biti izračunat pomoću sledeće formule:

T = P × 9950n = 15 × 9950

2910 = 49Nm .

Mašine sa zadnjom pločom, horizontalnog dizajna

Montiranje Objašnjenje Skraćenica u saglasnosti sa

DIN IEC 34 DIO 7 Slika DIN 42 950 Kod I Kod II

Ploča Stator Generalni dizajn

Pričvršćivanje ili montaža

B3 IM B 3 IM 1001 Dve ploče W / stopa - Montaža na

podnožje

B3\B5 IM B 35 IM 2001 Dve ploče W / stopa Prirubnica

Montaža na podnožje sa

dodatnim flanšama

B3\B14 IM B 34 IM2101 Dve ploče W / stopa Prirubnica

Montaža na podnožje sa

dodatnim flanšama

28

B5 IM B 5 IM3001 Dve ploče Ohne Füβe Prirubnica Spajanje

flanšama

B6 IM B 6 IM1051 Dve ploče W / stopa

Montaža B3 i ploče

okrenute za 90°

Pričvršćivanje na zid sa

podnožjem levo od

pogonske strane

Tabela 5. Montaža motora po standardu IEC 34.7

Stepen iskorišćenja η motora je određen kao odnos između nominalne snage i ulazne električne snage:

η = P3 × U × I × cosφ = 15000

3 ×380 × 29 × 0.9 = 0.87

Klizanje motora može biti izračunano pošto sa ploče očitamo nominalnu brzinu i frekvenciju. Ova dva podatka nam ukazuju na dvopolni motor sa sinhronom brzinom od 3000 o/min. Prema tome klizanje je :

nS =3000-2910=90 o/min Klizanje se obično prikazuje u procentima:

s = nsn0

= 903000 = 0.03=3% .

Katalog motora sadrži podatke sa ploče motora kao i dodatne podatke o motoru:

29

Nominalne vrednosti

Tip

Izlazna snaga

[kW]

Brzina min'

Stepen iskorišćenja

[%]

cosϕ

Struja na 380V

A

IaI

T

Nm

TaT

TmaxT

Momenat inerci

je

kgm²

Težina

kg

160MA 11 2900 86 0.87 25 6.2 36 2.3 2.6 0.055 76 160M 15 2910 88 0.90 29 6.2 49 1.8 2.0 0.055 85 160L 18.5 2930 88 0.90 33 6.2 60 2.8 3.0 0.056 96

Tabela 6. Podaci iz kataloga motora

Izlazna snaga vratila, brzina, cosϕ i struja motora mogu da se očitaju sa pločice motora. Stepen iskorišćenja i moment se mogu izračunati na osnovu tih informacija. Osim toga, u katalogu motora se može videti da je struja zaletanja motora od 15kW, 6.2 puta veća od nominalne struje, In ⋅ Ia=29 × 6.2 = 180A. Moment zaletanja motora (Ta) je 1.8 puta veći od nominalnog momenta Ta=1.8 × 49= 88Nm. Ovaj moment zaletanja zahteva početnu struju od 180A. Maksimalni moment motora, momenat zaustavljanja motora (Tk) je dva puta veći od nominalnog momenta:

Tk= 2 × 49 = 98Nm

Slika 28. Moment i struja motora I na kraju liste dati su moment inercije i težina motora. Moment inercije se koristi da bi se izračunao moment ubrzanja. Težina može biti od značaja zbog transporta i instalacije. Neki proizvođači motora umesto momenta inercije izdaju efekat zamajca WR². Bilo kako, ova vrednost može biti pretvorena na sledeći način:

J = WR2

4 × g ,

gde je:

30

g je gravitaciono ubrzanje, jedinica za efekat zamajca WR² je [Nm²], jedinica za moment inercije J je [kgm²]. Vrste opterećenja. Kada je moment na vratilu motora jednak momentu opterećenja, tada je motor u stacionarnom stanju. U ovom slučaju moment i brzina su konstantni. Karakteristike motora i radne mašine su određene kao odnos između brzine i momenta na izlazu. O momentnoj karakteristici je već bilo govora ranije. Karakteristike radne mašine mogu da se podele u četiri grupe:

Prvu grupu čine mašine za namotavanje. U ovu grupu spadaju, na primer, mašine za sečenje i mašine alatljike.

U drugu grupu spadaju pokretne trake, dizalice, neke pumpe.

U treću grupu spadaju mašine kao što su valjci, mašine za glačanje i

još neke procesne mašine.

Grupu četiri čine mašine čiji rad se zasniva na centrifugalnoj sili, kao što su centrifuge, centrifugalne pumpe i ventilatori.

Stacionarno stanje nastaje kada se izjednače momenti motora i radne mašine, Slika 29. Karakteristike se seku u tački B. Kada je motor projektovan za datu radnu mašinu, tačka preseka dve karakteristike treba da je što bliže tački N gde se ima rad sa nominalnim parametrima motora. Rezerva momenta treba da se ima tokom čitavog opsega rada, od samog starta, pa do tačke preseka. Ako to nije slučaj, rad postaje nestabilan, a stacionarno stanje može da se promeni ako je brzina suviše mala. Jedan od razloga je i to da je rezerva momenta potrebna za ubrzavanje.

Slika 29. Motor treba da ima rezervu momenta za ubrzavanje

Specijalno za mašine iz grupe 1 i 2, potrebno je voditi računa o rezervi momenta prilikom startovanja. Ove vrste mašina mogu imati potrebni moment za start jednak startnom momentu motora.

31

U slučaju da je startni moment radne mašine veći od startnog momenta motora, motor neće moći da startuje.

Slika 30. Pri startu potreban moment može da bude izrazito velik Sinhroni motori Statori sinhronih i asinhronih motora su isti. Rotor sinhronog motora ima isturene magnetne polove i može biti napravljen kao stalni magnet (za male motore) ili kao elektromagnet. Rotor ima dva ili više pari polova pa prema tome može biti korišten za motore sa malom brzinom. Sinhroni motori ne mogu da startuju samo uz pomoć mrežnog napajanja i to zbog inercije rotora i velike brzine obrtnog polja. Zbog toga rotor moramo ubrzati na brzinu obrtnog polja. Kod većih motora ovo se obično postiže korištenjem vučnih motora ili konvertor frekvencije. Mali motori se startuju pomoću startnih namota koji prouzrokuje da se motor ponaša kao kavezni motor.

Slika 31. Rotor sinhronog motora: stalni magnet

32

Nakon zaletanja, rotor se okreće sinhrono sa obrtnim poljem Ako je motor podvrgnut opterećenju, razmak između polova na rotoru i polova obrtnog polja se povećava. Rotor zaostaje za obrtnim poljem za ugao opterećenja pa prema tome iza pozicije rotora u praznom hodu. Sinhroni motori imaju konstantnu brzinu koja je nezavisna od opterećenja. Motor neće tolerisati veće opterećenje od polazne snage izmedju rotora i obrtnog polja. Ako opterećenje prekorači polaznu snagu, sinhronizacija se prekida i motor se zaustavlja. Sinhroni motori se koriste, na primer, u u paralelnim operacijama gde nekoliko mehanički nezavisnih jedinica trebaju da rade sinhrono.

Slika 32. Rotor sa isturenim polovima i momentna karakteristika

Slika 33. Ugao opterećenja i radni momenat protivan uglu rotora.

33

Reluktansni motor

Trofazni naizmenični reluktansni motori razvijaju brzine kao obični squirrel-cage trofazni asinhroni motori, ali tada postaju sinhroni. Pošto reluktansni motori imaju jednostavni squirrel-cage namot u rotoru, oni su snažni, pouzdani, ne zahtevaju održavanje, ne generišu radio smetnje i relativno su jeftini. Nedostatak je to što imaju visoko induktivne reaktivne izlazne zahteve i što su neefikasni pa se zbog toga ovi motori koriste isključivo u industriji i to ne veći od 15kW.

Izgradnja. Statori trofaznih naizmeničnih reluktansnih motora su isti kao i statori običnih squirrel-cage trofaznih asinhronih motora. Ima jednostavne squirrel-cage namote. Međutim, rotor reluktansnog motora ima isti broj isturenih polova kao i stator. Polovi se izrađuju zarezivanjem žlebova po obimu skupa metalnih ploča rotora ili sličnih pločastih struktura (vidi Sliku 34).

Slika 34. Reluktansni rotor Fleksibilni magnetni otpor (reluktansa) pojavljuje se po obimu rotora preko žlebova polova koji mogu biti ispunjeni istim materijalom kao i kavez rotora. Otpor je najmanji u predelu polova, a najveći u prostoru između dva pola.

34

Slika 35. Momentni grafikon reluktansnog motora Kada je povezan na trofaznu naizmeničnu mrežu, reluktansni motor- baš kao i običan squirrel-cage motor- razvija momenat i dostiže brzinu blisku sinhronoj. Motor je snabdeven većim momentom od momenta opterećenja tokom procesa rada. Struja zaletanja je obično nešto veća, a moment zaletanja je nešto manji nego kod uporedivog squirrel-cage motora pošto je kod reluktansnog motora vazdušni međuprostor širi u okolini polova. Kada rotor dostigne brzinu obrtnog polja, magnetna spojnica statorskog obrtnog polja i rotorskih polova rezultuje sinhroni moment (reaktivni moment) koji uvodi rotor u sinhroni rad. Nakon sinhronizacije, motor će raditi na sinhronoj brzini uprkos smanjenoj rotorskoj regulaciji. Sinhroni reluktansni motor radi, na manje više, isti način kao sinhroni motor i njegov rotor će se okretati sinhrono sa brzinom obrtnog polja statora. Na isti način kako se polovi statorskog obrtnog polja kreću da utiču na rotorske polove, u reluktansnom motoru magnetni fluks statorskog obrtnog polja pokušava aktivirati rotor u predelu isturenih polova. Mali vazdušni međuprostori u ovim tačkama rezultuju manju magnetnu otpornost nego u žlebovima polova. Napor magnetnog fluksa da prevaziđe veći magnetni otpor u predelu žlebova polova stvara moment sinhronizacije koji održava pod opterećenjem. Zbog opadajućeg jednosmernog generatora u rotoru, sinhroni moment reluktansnog motora je znatno manji nego moment uporedivog sinhronog motora. Nakon završene sinhronizacije, reluktansni motori imaju radne karakteristike slične standardnim sinhronim motorima. Rotor se obrće brzinom obrtnog polja statora koje zavisi od frekvencije napajanja i broja pari polova. Ugao opterećenja određuje koliko istureni polovi rotora zaostaju za poljem statora. Ako se motor preoptereti počeće da radi kao asinhroni motor sa brzinom zavisnom od opterećenja (slika 1.38b). Motor se resinhronizuje kada momenat opterećenja padne ispod vrednosti momenta sinhronizacije.

35

Motor će se zaustaviti ako momenat opterećenja pređe vrijednost momenta zaustavljanja asinhronog motora. Zbog povećanog vazdušnog međuprostora u predelu žlebova polova duž obima rotora, reluktansni motori imaju relativno veliku disperziju koja vodi do visoko induktivnih reaktivnih zahteva snage i odgovarajućih ulaganja. Ovo dalje vodi do niskog faktora snage, između 0.4 i 0.5 nominalne vrednosti. Prilikom dizajniranja reluktansnih motora mora se uzeti u obzir zahtevi za reaktivnom snagom. Trofazni naizmenični reluktansni motori se uglavnom koriste kod višenamjenskih primena gde brzina svake ose mora da bude potpuno ista i gde je upotreba jednog motora sa mehaničkim prenosom do svake ose previše komplikovana i skupa da bi se ostvarila.Primer takve upotrebe su mašine za tkanje, pumpe ili transportni sistemi. Frekventni regulator Od kasnih 60-ih godina prošlog veka, frekventni regulatori podležu ekstremno brzim promenama, najviše kao rezultat razvoja mikroprocesorskih i polu-provodničkih tehnologija i pada njihovih cena. Međutim osnovni principi frekvencijskih regulatora ostali su isti.

Frekventni regulator se sastoji od četiri glavne komponente:

Slika 36. Principijalna blok šema frekventnog regulatora

Ispravljač, koji je spojen glavnim mono/tro-faznim AC napajanjem i

generiše pulsirajući DC napon. Postoje dva osnovna tipa ispravljača -kontrolisani i nekontrolisani.

Međukolo. Postoje tri tipa:

a)konvertuju ispravljački napon u direktnu struju b)stabilišu (peglaju) pulsirajući DC napon i stavljaju ga na raspolaganje invertoru

c)konvertuju konstantan DC napon ispravljača u promenljiv AC napon

36

Invertor, koji generiše frekvenciju napona na motoru. Alternativno,neki invertori mogu takođe konvertovati konstantan DC napon u promenljiv AC napon.

Upravljačko kolo, koje šalje i prima signale iz ispravljača, međukola i

invertora. Delovi regulatora koji se kontrolišu zavise od dizajna samog regulatora.

Ono što svi frekvencijski regulatori imaju zajedničko jeste da kontrolno kolo koristi signale da uključuje ili isključuje poluprovodničke elemente. Frekventni regulatori su podeljeni prema načinu prekidanja, koje kontroliše napajanje motora. Na Slici 37,koja prikazuje različite dizajne-kontrole:

1 kontrolisani ispravljač 2 nekontrolisani ispravljač 3 promenljivo DC međukolo 4 konstantno DC međukolo 5 promenljivo DC međukolo 6 PAM invertor 7 PWM invertor

a1 2

3 4 5

6 7

Slika 37.

strujni invertor:CSI (1+3+6) amplitudno-modulisani invertor:PAM (1+4+7) (2+5+7) širinsko-modulisani invertor:PWM (2+4+7)

Direktni regulatori, koji nemaju međukolo takođe bi trebalo kratko spomenuti radi kompletnosti.Ovi regulatori se koriste u opsegu megavata da generišu nisko frekventno napajanje direktno iz 50Hz, dok njihova maksimalna izlazna frekvencija nije veća od 30Hz. Ispravljač Napon napajanja je trofazni AC napon ili monofazni AC napon fiksne frekvencije(3x400V/50Hz ili 1x240/50Hz)(400V je napon izmedju dve faze, a

37

ne izmedju faze i nule!!!) i njihove karakteristične vrednosti mogu biti prikazane kao:

Slika 38. Mono i trofazni AC napon

Na slici 1.03 sve tri faze međusobno su razmeštene u vremenu, fazni napon konstantno menja smer, dok frekvencija prikazuje broj perioda u sekundi. Frekvencija od 50Hz znači 50 perioda u sekundi, sa trajanjem periode 20ms. Ispravljači frekventnih regulatora sastoje se od dioda i tiristora. Ispravljač sačinjen od dioda je nekontrolisan, a ispravljač sačinjen od tiristora je kontrolisan. Ako su korišćene i diode i tiristori tada je ispravljač polu-kontrolisan. Nekontrolisani ispravljači

Slika 39. Radni rezim rada diode Diode dozvoljavaju tok struje samo u jednom smeru, od anode(A) ka katodi(K). Ne postoji mogućnost, kao u slučaju nekih drugih poluprovodnika, kontrolisanja jačine struje. AC napon putem dioda konvertuje se u pulsirajući DC napon. Ako trofazni AC napon napaja nekontrolisani trofazni ispravljač, DC napon će neprestano pulsirati.

38

Slika 40. Nekontolisani ispravljač Slika 1.05 prikazuje nekontrolisani trofazni ispravljač, načinjen od dve grupe dioda. Jedna grupa sastoji se od dioda D1,D3 i D5, dok drugu čine diode

D2,D4 i D6. Svaka dioda vodi 13 periode (120˚). U obe grupe diode vode u

sekvencama. Period u kome obe grupe kontrolišu razmeštene su za 16

periode T(60˚) u odnosu jedna na drugu. Diode D1,3,5 vode za vreme pozitivne poluperiode. Ako napon faze L1 dostigne pozitivan pik, terminal A usvaja vrednost faze L1. Na preostale dve diode su inverzni naponi UL1-2 i UL1-3. Isto ovo, može se primeniti na diodnu grupu D2,4,6. Ovde terminal B usvaja negativnu fazu napona. Ukoliko u zadatom vremenu L3 dostigne negativni prag, dioda D6 počinje da vodi. Preostale dve diode su podređene inverznom naponu UL3-1 i UL3-2. Izlazni napon nekontrolisanog ispravljača je razlika napona ove dve diodne grupe. Srednja vrednost pulsirajućeg DC napona je 1.35 puta veći od glavnog napajanja.

39

Slika 41. Izlazni napon trofaznog nekontrolisanog ispravljača

Kontrolisani ispravljači U kontrolisanim ispravljačima, diode su zamenjene tiristorima. Kao dioda, tiristor dozvoljava tok samo od anode (A) ka katodi (K). Međutim, razlika između te dve komponente je ta što tiristor ima treći izvod gejt (G). Gejt mora biti kontrolisan pre nego što tiristor provede. Kada struja proteče kroz tiristor, on će provoditi sve dok struja ne postane nulta. Struja ne može biti prekinuta signalom na gejtu. Tiristori se često koriste u ispravljačima kao i u invertorima. Signal na gejtu je kontrolisani signal α koji predstavlja ugao paljenja. Ugao paljenja predstavlja vreme kašnjenja između pobude na ulazu i početka provođenja tiristora.

Slika 42. Tiristorski režim rada

40

Ukoliko je α između 0˚ i 90˚, tiristorski spoj se koristi kao ispravljač, a kada je između 90˚ i 300˚ tiristor se koristi kao invertor.

Slika 43. Kontrolisani trofazni ispravljač Kontrolisani ispravljač je u osnovi isto što i nekontrolisani ispravljač, osim što se tiristori kontrolišu sa α i startuju sa provođenjem u skladu sa tim uglom paljenja α, za razliku od diode. Regulacija α dozvoljava varijacije vrednosti ispravljenog napona. Kontrolisani ispravljači na izlazu daju DC napon koji je 1.35xcosα puta veći od glavnog napajanja.

41

Slika 44. Izlazni napon kontrolisanog trofaznog ispravljača Za razliku od nekontrolisanog ispravljača, kontrolisani ispravljač prouzrokuje glavne gubitke i poremećaje u napajanju, zato što ispravljač povlači više reaktivne snage ako tiristori provode kratko vreme. Međutim, prednost kontrolisanih ispravljača je što se energija može vratiti u mrežno napajanje. Međukolo

Međukolo se može videti kao neka vrsta skladišta iz kog motor vuče energiju kroz invertor. Međukolo može biti izgrađeno na tri načina u zavisnosti od izvedbe ispravljača i invertora. Strujni invertori (I-regulatori). Kod strujnih invertora međukolo se sastoji od velikog kalema i kombinuje se, isključivo sa kontrolisanim ispravljačem. Kalem transformiše promenljiv napon iz ispravljača u promenljivu direktnu struju. Opterećenje određuje napajanje motora.

42

Slika 45. Promenljivo DC međukolo

Naponski invertori (U-regulatori). Kod naponskih invertora međukolo se sastoji od kondenzatora(filtra) i može biti kombinovano sa oba tipa ispravljača. Filter poravnava pulsirajući napon (UZ1) ispravljača. U kontrolisanom ispravljaču napon je konstantan na zadatoj frekvenciji, i snabdeva invertor sa čistim DC naponom (UZ2) promenljive amplitude. U nekontrolisanom ispravljaču, napon na ulazu invertora je DC napon konstantne amplitude.

Slika 46. Konstantno DC naponsko međukolo Promenljivo DC međukolo. Konačno, u promenljivom DC međukolu čoper može biti vezan ispred filtra, kao što je ilustrovano na Slici 47.

43

Slika 47. Promenljivo međukolo

Čoper ima tranzistor, koji radi kao prekidač koji uključuje i isključuje ispravljeni napon. Upravljačko kolo reguliše čoper, poredeći promenljivi napon nakon filtra (Uv) sa ulaznim signalom. Ako postoji razlika, odnos se reguliše vremenom za koje tranzistor provodi i vremena kada je blokiran. Ove promene efektivne vrednosti i veličine DC napona mogu biti iskazane sa:

UV = U × ton(ton + toff)

Kada čoperski tranzistor prekine struju, filterski kalem povećava napon na tranzistoru. Da bi se ovaj efekat izbegao, čoper se zaštićuje sa diodom. Kada se tranzistor otvori i zatvori, kao što je prikazano na slici 1.13, napon je najviši u situaciji 2.

Slika 48. Regulacija međukola čoperskim tranzistorom Filter međukola ravna naponski talas posle čopera. Filterski kondenzator i kalem drže konstantan napon na datoj frekvenciji. Napon na izlazu ovog chopper-a je uvek nizi od napona na ulazu. Ovaj tip chopper-a je jos zove step-down konvertor ili buck konvertor. Međukolo takođe obezbeđuje određen broj dopunskih funkcija u zavisnosti od dizajna, kao sto su:

razdvajanje ispravljača od invertora redukciju harmonika energetske zalihe za povremene udare

Invertor Invertor je poslednji stepen frekventnog regulatora, pre motora i tačke gde se odvija finalna adaptacija izlaznog napona.

44

Frekventni regulator garantuje dobre operativne uslove, kroz čitav kontrolni opseg, adaptirajući izlazni napon prema uslovima opterećenja. To je moguće izvesti sa magnetisanjem motora na optimalnoj vrednosti. Iz međukola invertor prima:

promenljivu direktnu struju promenljiv DC napon konstantan DC napon

U svakom slučaju, regulator osigurava da napajanje bude kvantitativno promenljivo. Drugim rečima, frekvencija napajanja motora se uvek generiše u invertoru. Ako su struja i napon promenljivi, invertor generiše samo frekvenciju. Ukoliko je napon konstantan, invertor generiše frekvenciju kao i napon.

Iako invertori rade na različite načine, njihova osnovna struktura je uvek ista. Glavne komponente su kontrolisani polu-provodnici, postavljeni u parove u tri grane.

Tiristori su sada zamenjeni sa visoko-frekventnim tranzistorima koji se brzo pale i gase. Mada ovo zavisi od polu-provodnika, tipično je između 300Hz i 20kHz. Polu-provodnici u invertoru se uključuju i isključuju signalom generisanim u upravljačkom kolu. Signali mogu biti kontrolisani na različite načine.

Slika 49. Tradicionalni invertor za promenljiv napon međukola Tradicionalni invertori sastoje se od šest dioda, šest tiristora i šest kondenzatora. Kondenzatori omogućuju tiristorima da se pale i gase, pa je struja fazno pomerena za 120˚ i mora biti adaptirana za motor. Intermitentno rotaciono polje sa zahtevanom frekvencijom nastaje kada se motor periodično snabdeva strujom U-V,V-W,W-U,U-V,...Iako ovo čini struju motora kvadratnom, napon motora je gotovo sinusoidan. Međutim uvek postoje naponski pikovi kada se struja pali i gasi. Diode razdvajaju kondenzatore od napojne struje motora.

45

Slika 50. Invertor za promenljiv ili konstantan napon međukola I izlazna struja zavisi od prekidačke frekvencije invertora

Pri promenljivom ili konstantnom naponu međukola invertori imaju šest prekidačkih komponenti i bez obzira koji polu-provodnici su upotrebljeni, funkcija je bazično ista. Upravljačko kolo pali i gasi poluprovodnike koristeći različite modulacione tehnike i na taj način se menja izlazna frekvencija frekventnog regulatora. Prve tehnike radile su sa promenljivim naponom ili strujom u međukolu. Intervali tokom kojih individualni poluprovodnici provode su smešteni u sekvencu koja se koristi da bi se postigla zahtevana izlazna frekvencija. Sekvenca rada poluprovodnika je kontrolisana veličinom promenljivog napona ili struje u međukolu. Koristeći naponski kontrolisan oscilator, frekvencija uvek prati amplitudu napona. Ovakav tip invertora se naziva amplitudno modulisani (PAM). Ostale glavne tehnike koriste fiksni napon međukola. Napon motora se menja primenjujući napon međukola duže ili kraće vreme.

Slika 51. Modulacija amplitude I širine impulsa

Frekvencija se menja varirajući naponske impulse duž vremenske ose-pozitivno za jednu poluperiodu i negativno za drugu.

46

Tehnika menjanja širine naponskog impulsa naziva se impulsno-širinska modulacija (PWM). PWM (i slične tehnike kao sinusno-modulisani PWM) je najčešća tehnika invertorske kontrole. U PWM tehnici kontrolno kolo određuje vreme paljenja i gašenja polu-provodnika u preseku između napona i nametnutog sinusoidnog referentnog napona (sinus-kontrolisani PWM). Druge unapređene PWM tehnike uključuju modifikacije PWM-a kao što je Danfoss-ova VVC i VVCplus. Tranzistori Pošto tranzistori mogu da prekidaju velikim brzinama, magnetni šum generisan impulsnim magnetisanjem motora je smanjen. Još jedna prednost velike brzine prekidanja je fleksibilna modulacija izlaznog napona frekventnog regulatora koja omogućava generisanje sinusoidalne struje motora jer upravljačko kolo treba samo da uključuje i isključuje tranzistore invertora.

Slika 52. Uticaj frekvencije prekidanja na struju motora Frekvencija prekidanja invertora mora biti dobro izabrana, jer visoke frekvencije mogu dovesti do zagrevanja motora i velikih pikova napona. Što je frekvencija prekidanja veća veći su i gubici. Sa druge strane niska frekvencija prekidanja može dovesti do velikog akustičkog šuma motora. Visokofrekvencijski tranzistori mogu se podeliti na tri glavna tipa:

bipolarni (LTR) unipolarni (MOS-FET)

47

izolovani-gejt-bipolarni (IGBT). Danas se najčešće koriste IGBT tranzistori za moderne frekventne regulatore jer objedinjuju upravljačke osobine MOS-FET tranzistora sa izlaznim osobinama LTR tranzistora i imaju pogodan opseg napajanja, provodnost, frekvenciju prekidanja i lakoću upravljanja. Izlazni stepen kod IGBT-a je bipolarni, tj. kolektor-emitor zbog malih parazitnih induktivnosti za razliku od MOSFET-a. Ulaz kod IGBT-a je gejt i ima tu prednost jer se ukljucuje naponom, a ne strujom za razliku bipolarnog tranzistora i upravljacko kolo je znatno jednostavnije!!! IGBT tranzistori su zajedno sa komponentama invertora i njihovim kontrolama smešteni u modul koji se zove "Inteligentni napojni modul" (IPM). Sledeća tabela daje glavne razlike izmedju MOS-FET, IGBT I LTR tranzistora.

Tabela 7. Poredjenje energetskih tranzistora

48

Slika 53. Energetski i frekvencijski opseg energetskih tranzistora (opsezi snaga i frekvencija) Impulsno-amplitudska-modulacija (PAM). PAM se koristi za frekventne regulatore sa promenljivim naponom međukola. U frekventnim regulatorima sa nekontrolisanim ispravljačima, amplituda izlaznog napona se generiše čoperom međukola, a sa kontrolisanim ispravljačima, amplituda se generiše direktno.

Slika 54. Generisanje napona u frekventnim regulatorima sa čoperom međukola (čoperom u

međukolu) Tranzistor (čoper) na Slici 54. se uključuje i isključuje uz pomoć kontrolnog i regulacionog kola. Brzine prekidanja zavise od zadate vrednosti (ulazni signal) i izmerene (stvarne) vrednosti napona. Stvarna vrednost se meri na kondenzatoru. I kalem i kondenzator se ponašaju kao filter koji poravnava talasanje napona. Maksimum napona zavisi od vremena otvaranja tranzistora i ako se zadata i stvarna vrednost razlikuju, čoper se reguliše sve dok se ne dostigne zadata vrednost.

49

Regulacija frekvencije. Frekvencija izlaznog napona se menja invertorom za vreme promene periode i za vreme dok su prekidačke jedinice aktivirane više puta. Dužina periode se može kontrolisati na dva načina:

direktno ulaznim signalom ili promenljivim DC naponom koji je proporcionalan ulaznom signalu.

Slika 55a. Regulacija frekvencije naponom međukola Impulsna-širinska-modulacija (PWM). PWM je najčešće korišćena procedura za generisanje trofaznog napona sa odgovarajućom frekvencijom. Sa PWM celokupan napon međukola ≈ 2 × Umains se uključuje ili isključuje elektronskim komponentama. Širina impulsa između uključenja i isključenja je promenljiva i uzrokuje podešavanje (promenu) napona. Postoje tri glavna načina za određivanje prekidačkog metoda u PWM kontrolisanom invertoru:

sinusno kontrolisani PWM sinhroni PWM asinhroni PWM.

Svaka invertorska grana trofaznog PWM invertora može imati dve različite pozicije (uključeno ili isključeno). Tri prekidača generišu osam mogućih prekidačkih kombinacija 23 i samim tim оsam diskretnih vektora napona na izlazu iz invertora ili na statorskom namotaju priključenog motora. Kao što je pokazano na Slici 55b) ti vektori 100, 110, 010, 011, 001, 101 su postavljeni u uglovima oslonjenog šestougla, koristeći 000 i 111 kao nula vektore.

50

Slika 55b. Slika 55c. Pri prekidačkim kombinacijama 000 i 111 , isti potencijal je generisan na sva tri izlazna priključka invertora – bilo pozitivni bilo negativni potencijal od međukola (videti Sliku 55c). Za motor to je blisko efektu kratkog spoja priključaka, napon od 0V se takođe dovodi na namotaje motora.

51

Sinusno – kontrolisana PWM. Kod sinusno kontrolisane PWM, kontrola se sastoji u korišćenju sinusnog referentnog napona (Us) za svaki invertorski izlaz. Dužina periode sinusoidalnog napona odgovara željenoj osnovnoj frekvenciji izlaznog napona. Tri referentna napona su upravljana testerastim naponom (U∆) (videti Sliku 56).

Slika 56. Princip sinusno – kontrolisane PWM

(sa dva referentna napona) Na presecima testerastog napona i sinusnih referenci invertorovi poluprovodnici su ili uključeni ili isključeni. Preseci su određeni elektronski kontrolnom karticom. Ako je testerasti napon veći od sinusnog izlazni impuls se menja sa pozitivnog na negativan (ili negativan na pozitivan) kada se testerasti napon smanjuje, tako da se maksimum izlaznog napona frekventnog regulatora određuje naponom međukola. Izlazni napon se menja odnosom između vremena uključenosti i isključenosti i taj odnos se može menjati da bi se generisao željeni napon. Zato amplituda pozitivnih i negativnih impulsa napona uvek odgovara polovini napona međukola.

52

Slika 57. Izlazni napon sinusno kontrolisane PWM Na niskim frekvencijama statora, vreme isključenosti se povećava i može postati toliko veliko da nije moguće održati frekvenciju testerastog napona. To izaziva da period bez napona bude predugačak što uzrokuje da motor radi nepravilno. Da bi se to izbeglo, frekvencija testerastog napona može biti udvostručena na niskim frekvencijama. Fazni napon izlaznih priključaka frekvencijalnog invertora odgovara polovini napona međukola podeljenog sa 2 i tako je jednak polovini glavnog napona napajanja. Linijski napon izlaznih priključaka je 3 puta veci od faznog i stoga je jednak proizvodu glavnog napona napajanja i 0,866. PWM kontrolisani invertor koji radi sa isključivo sinusoidalnom referentnom modulacijom može da isporuči do 86,6% propisanog napona, Slika 57.

Izlazni napon frekventnog regulatora ne može da dostigne napon motora koristeći samo sinusnu modulaciju, jer će izlazni napon biti približno 13% manji.

Ipak dodatni napon se može dobiti smanjivanjem broja impulsa kada frekvencija prelazi 45 Hz, ali postoje nedostaci ove tehnike. Naročito, ovo dovodi do toga da se napon menja stepenasto i da struja motora postane nestabilna. Ako se broj impulsa smanji, povećavaju se viši harmonici na izlazu frekventnog regulatora što vodi ka povećanim gubicima u motoru.

53

Drugi način rešavanja problema uključuje korišćenje drugih referentnih napona umesto tri sinusne reference. To može biti bilo koji oblik signala (npr. trapezni ili odskočni(step)). Na primer jedan uobičajen izvor referentnog napona koristi treći harmonik sinusne reference. Povećanjem amplitude sinusne reference za 15,5% i dodatkom trećeg harmonika, dobija se prekidački talasni oblik za poluprovodnički invertor kod koga je povećan izlazni napon frekventnog regulatora. Sinhrona PWM. Glavni problem kod sinusno kontrolisane PWM procedure leži u određivanju optimalnog vremena prekidanja i ugla za napon u zadatom periodu. Ta vremena prekidanja moraju biti postavljena tako da se dozvoli samo minimum viših harmonika.Takav prekidački oblik se održava samo u zadatom opsegu frekvencija. Rad izvan ovog opsega zahteva drugačiji prekidački oblik. Koristeći sinusno kontrolisanu PWM neophodno je optimizovati iskorišćenost napona i minimalizovati spektar harmonika. Ako brzina ponavljanja (npr. frekvencija testerastog napona) postane veoma visoka u odnosu na frekvenciju referentnog signala, ta dva signala mogu biti asinhrona jedan u odnosu na drugi. Pri odnosima frekvencija blizu 10 i nižim, ometajući harmonici će se pojaviti i postaje neophodno da se ti signali sinhronišu. Ova sinhronizacija može da se vidi iz tzv. “promene brzina” što je dobro za trofazne AC pogone sa slabim dinamičkim osobinama, gde napon i frekvencija (normalno V/f upravljanje) mogu da se menjaju polako. Asinhrona PWM. Zahtev za orijentacijom polja i brzim reagovanjem sistema u pogledu obrtnog momenta i kontrole brzine trofaznih AC uređaja (osim servo-uređaja) zahteva stepenastu modifikaciju amplitude i ugla napona invertora. Koristeći “normalni” ili “sinhroni” PWM prekidački oblik nije moguće amplitudu i ugao napona invertora menjati u koracima. Ipak, jedan način za postizanje ovog zahteva je asinhrona PWM procedura, kod koje umesto sinhronizacije modulacije izlaznog napona na izlaznu frekvenciju, što se obično radi da se smanji broj harmonika motora, modulacija se dovodi vektoru kontrolnog ciklusa napona što rezultuje asinhronu relaciju prema izlaznoj frekvenciji. Postoje dve glavne asinhrone PWM tehnike:

SFAVM 60° AVM

SFAVM je procedura modulacije vektora stanja koja omogućava promenu amplitude i ugla napona invertora na slučajan način, ali u koracima u okviru vremena prekidanja (drugim rečima asinhrono). Ovo daje bolje dinamičke performanse.

54

Glavni cilj ove modulacije je da se optimizuje fluks statora koristeći napon statora uz istovremeno minimizovanje oscilacije obrtnog momenta, jer odstupanje ugla zavisi od redosleda prekidanja i može dovesti do veće oscilacije obrtnog momenta. Kao posledica toga, redosled prekidanja mora biti proračunat tako da se obezbedi da odstupanje ugla vektora bude minimalno. Izbor između vektora napona se bazira na proračunu željenje trajektorije fluksa statora motora, koji za uzvrat određuje momenat procepa.

Predhodna, konvencionalna PWM je imala za nedostatak odstupanje amplitude i ugla vektora fluksa u statoru. Ova odstupanja su uticala na obrtno polje (obrtni moment) u vazdušnom procepu motora i izazivala oscilovanje obrtnog momenta. Efekat amplitudskog odstupanja je zanemarljivo mali i može biti dodatno smanjen povećavanjem frekvencije prekidanja.

Generisanje napona motora.U ustaljenom stanju vektor napona mašine U ωt

se kreće po kružnoj putanji, kao što je prikazano na slici 1.24. Dužina vektora napona je mera vrednosti napona motora ,a brzina rotacije odgovara radnoj frekvenciji u datom trenutku. Napon motora se generiše formiranjem srednjih vrednosti od kratkih impulsa susednih vektora. Danfosov SFAVM između ostalih ima sledeće osobine:

vektor napona može biti upravljan bez odstupanja, sa poštovanjem unapred zadate reference, amplitude i ugla

prekidački redosled koji uvek počinje od 000 ili 111. To omogućava da svaki vektor napona ima tri prekidačka moda.

srednja vrednost vektora napona se dobija kratkim impulsima susednih vektora kao i nula vektora 000 ili 111.

Generisanje napona motora može biti objašnjeno sa više detalja pomoću sledećih eksperimenata, prikazanih na slikama 1.24 i 1.25:

prisutan izlazni napon ( 50% od nominalne vrednosti)

naknadno generisanje idealnog vektora napona U ax kroz PWM

između susednih, podešljivih naponskih vektora vremenski redosled kontrolnih signala za tri faze invertora – U, V,

W

55

Slika 58. Trenutna vrednost momenta za PWM koja se bazira na prostornoj vektorskoj modulaciji (SFAVM) za 50% zadatog napona motora

Postojeća zadata referentna vrednost (U ωt ) je 50%, Slika 58a.

Izlazni napon se generiše pomoću kratkih impulsa susednih vektora - ovom slučaju 011 i 001, kao i 000 i 111 – u formi srednje vrednosti (slika 2.24 b)). Slika 59. pokazuje generisanje napona motora od 100%.

56

Slika 59. Trenutna vrednost momenta za PWM koja se bazira na prostornoj vektorskoj modulaciji (SFAVM) za 100% zadatog napona motora

unapred zadat izlazni napon (100% od nominalne vrednosti)

generisanje idealnog vektora napona (U ωt ) kroz PWM između

susednih podešljivih vektora napona vremenski redosled kontrolnih signala za tri faze invertora – U, V,

W SFAVM pravi vezu između upravljačkog sistema i napojnog kola invertora.

Modulacija je istovremena sa frekvencijom kontrole (videti poglavlje VVCplus

) i asinhrona sa osnovnom frekvencijom napona motora.

Sinhronizacija između kontrole i modulacije je prednost snažnih kontrolera (vektor napona, vektor fluksa), zato što je kontrolni sistem vektora napona u stanju da kontroliše direktno i bez ograničenja (amplituda, ugao i ugao brzine su upravljivi).

U cilju da se značajno smanji vreme računanja, vrednosti napona za različite uglove su date u tabeli. Slika 60. pokazuje izvod iz tabele modulacije vektora za SFAVM kao i izlazne napone (na motoru).

57

Slika 60. Izlazi dati u tabeli modulacije vektora (SFAVM)

Slika 70. Izlazni napon (motor) – (faza – faza)

Kada se koristi 60° AVM ( ) umesto SFAVM procedure, vektori napona se mogu odrediti na sledeći način:

unutar prekidačkog perioda, samo se koristi nula vektor (000 ili 111)

redosled prekidanja ne počinje uvek od nula vektora (000 ili 111) unutar 1/6 periode (60°) jedna faza invertora se ne prebacuje.

Stanje prekidača (0 ili 1) se zadržava. U preostale dve faze prekidanje je normalno.

58

Slika 71a/b. daje poređenje prekidačkog redosleda 60° AVM i SFAVM procedure – za kratak interval a) i za nekoliko perioda b).

Slika 71a. Prekidački redosled za 60° AVM i SFAVM za neke 60° intervale

Slika 71b. Prekidački redosled u 60° AVM i SFAVM, respektivno, za nekoliko

perioda. Upravljačko kolo Upravljačko kolo ili upravljačka kartica, je četvrta važna komponenta frekventnog regulatora i ima četiri bitna zadatka:

upravljanje poluprovodnicima frekventnog regulatora razmena podataka između frekventnog regulatora i perifernih uređaja sakupljanje i izveštavanje o porukama greške ostvarivanje zaštitne funkcije za frekventni regulator i motor

Mikroprocesori povećavaju brzinu upravljačkog kola, značajno povećavajući broj odgovarajućih aplikacija za pokretanje, a ujedno smanjujući broj neophodnih proračuna. U frekventnom regulatoru integrisani su mikroprocesori, koji omogućavaju da se determiniše optimalna povorka impulsa za svako radno stanje.

59

Upravljačko kolo za PAM frekventni regulator. Slika 72. prikazuje PAM–upravljan frekventni regulator sa čoperom u među–kolu. Upravljačko kolo upravlja čoperom (2) i invertorom (3). Time je učinjeno slaganje sa trenutnim vrednostima napona među-kola.

Slika 72. Princip rada upravljačkog kola upotrebljenog za upravljanje čoperom među-kola

Napon među–kola upravlja sa kolom koje obavlja funkciju adresnog brojača u skladištu podataka. Iz tog skladišta se uzima sekvenca za dobijanje povorke impulsa, koja se šalje invertoru. Kada je napon među–kola u porastu, brojanje se ubrzava, sekvenca nastaje brže i izlazna frekvencija raste.

Poštujući upravljanje čoperom, ipak se prvo napon međukola upoređuje sa nominalnom vrednošću referentnog signala, naponskog signala. Od tog naponskog signala se očekuje da će dati korektan izlazni napon i frekvenciju. Ako su referentni signal i signal međukola različiti, PI regulator informiše kolo da vreme ciklusa mora biti promenjeno. To vodi do usaglašavanja napona međukola sa referentnim signalom.

Frekventni regulatori i trofazni AC motori Moment (T) razvijen od strane asinhronih motora

T~Φ*Ir, gde je: Ir struja rotora a Φ je fluks vazdušnog procepa mašine. Da bi se optimizovao moment motora, fluks vazdušnog procepa mašine(Φ~V/f) bi

60

trebalo održavati konstantnim. Ovo znači da ako se promeni frekvencija(f), napon(V) mora da se promeni proporcionalno. Za teške startove (transportni valjak) i za optimizovani zaustavni moment, potreban je dodatni (startni) napon (V0). Kada je opterećen i u opsegu niskih brzina(f<10Hz) gubitak napona se jasno vidi na aktivnom otporu namotaja statora(naročito u malim motorima), što vodi ka specifičnom pobuđenju fluksa vazdušnog procepa(Φ).

Primer: Motor od 1.1kW , 3×400V/50Hz , sa otporom statora (jedna faza) od otprilike 8Ω povlači 3A pri nominalnom opterećenju. Pad napona na statorskom otporniku je u ovom slučaju oko 8Ω×3A=24V. Proizvođač obezbeđuje da se ovaj gubitak kompenzuje radi dužeg procenjenog rada. 40V na 50Hz je idealno za upavljanje V/f karateristikama. Ako je motor opterećen nominalnim opterećenjem, motor će uzeti 3A i zbog toga imati gubitak napona od 24V. Važno je da samo da 16V ostaje za magnetizaciju motora, te je motor nedovoljno magnetisan i generiše redukovani moment. Zbog toga,u cilju odrzavanja fluksa mašine pad napona mora biti kompenzovan, a najprostije metode su:

Povećati ulazni napon u opsegu manjih brzina upravljanjem u otvorenoj sprezi

Regulisati izlazni napon koristeći aktivne komponente izlazne struje pretvarača.

Ova kompenzacija se normalno zove I×R kompenzacija, podizanje, povećanje momenta ili po Danfosu startna kompenzacija. Ovaj tip upravljanja ima ograničenja tamo gde su poremećaji teško merljivi kada su velike promene opterećenja (na primer, kod pogona sa radnim promenama otpora kalema do 25% između toplog i hladnog stanja). Povećanja napona mogu dovesti do različitih rezultata. Bez opterećenja, to može dovesti do saturacije motornog fluksa ili kada je operećen do smanjenog glavnog fluksa. U slučaju saturacije, velika reaktivna struja će poteći što vodi ka zagrevanju motora. U slučaju opterećenja, motor će razviti mali moment zbog slabog glavnog fluksa i može doći do zastoja. Radni uslovi motora Kompenzacija. Nekada je bilo teško podesiti frekventni regulator prema motoru zato što su nekad kompenzacijske funkcije kao ’’početni napon’’, ’’start’’ i ’’kompenzacija klizanja’’ teške za razumevanje. Međutim, danas napredniji frekventni regulatori automatski kontrolišu ove kompenzacijske

61

parametre na bazi nominalne frekvencije motora, napona i struje. Naravno, ova kompenzacijska podešavanja se taođe mogu menjati ručno. Kompenzacijski parametri – zavisni i nezavisni od opterćenja. Parametri kompenzacije omogućavaju optimalnu magnetizaciju, te stoga i maksimalni moment, kako tokom zaleta tako i celim putem od malih brzina do punih nominalnih brzina motora. Izlazni napon dobija naponski dodatak koji efektivno prevazilazi dejstvo omskog otpora kalema motora na niskim frekvencijama. Naponski dodatak zavistan od opterećenja (startna i kompenzacija klizanja) je određen putem merenja struje (aktivne struje). Dodatak nezavisan od opterećenja (startni napon) garantuje optimali zaustavni moment u opsegu niskih brzina. Motor koji je mnogo manji od preporučene veličine motora, može zahtevati dodatni, ručno podesivi naponski dodatak koji bi obezbedio optimalnu magnetizaciju u opsegu malih brzina. Ako su nekoliko motora kontrlisani sa jednim frekvencijskim pretvaračem (paralelni rad), kompenzacija zavisna od opterećenja ne bi trebalo da se koristi. U slučaju frekvencijskih pretvarača poslednje generacije, ova kompenzacija je podešena automatski od strane frekvencijskog pretvarača(u standardnim primenama). Kompenzacija klizanja. Klizanje asinhronih motora je zavisno od opterćenja i iznosi do 5% od nominalne brzine. Za dvopolan motor to znači da će klizanje biti 150 obrtaja u minuti. Međutim, klizanje bi bilo približno 50% tražene brzine da je frekvencijski pretvarač kontrolisao motor na 300 o/min (10% od nominalne brzine). Ako frekvencijski pretvarač treba da upravlja motorom na 5% nominalne brzine, motor neće reagovati na opterećenje. Ova zavisnost od opterćenja je neželjena i frekventni regulator je sposoban da potpuno kompenzuje ovo klizanje efikasnim merenjem aktivne struje u izlaznim fazama frekvencijskog pretvarača. Frekventni regulator tada kompenzuje klizanje povećanjem frekvencije. To se zove aktivna kompenzacija klizanja. Karakteristike momenta motora Strujno ograničenje. Ako je frekventni regulator sposoban da obezbedi struju puno puta veću od nominalne struje motora, momentne karakteristike motora bi izgledale kao na Slici 104.

62

Slika 104. Momentna karakteristika dobijena primenom frekventnog regulatora Tako velike struje mogu da oštete i motor i elektronske komponente napajanja u frekventnom regulatoru i nisu potrebne za normalan rad motora. Stoga frekventni regulator indirektno ograničava struju motora redukovanjem izlaznog napona, a tako i frekvencije. Ograničenje struje je varijabilno i garantuje da struja motora ne može konstantno da prevazilazi nominalnu vrednost. Pošto pretvarač frekvencije kontroliše brzinu motora nezavisno od opterećenja, moguće je podesiti različite vrednosti ograničenja u okviru nominalnog radnog opsega motora.

Momentne karakteristike motora su u okviru nominalnih vrednosti za neke od frekvencijskih pretvarača. Međutim to je prednost za frekventni regulator da obezbedi moment, na primer, do 160% od nominalnog momenta za kraće ili duže periode vremena.Takođe je normalno moguće za motor regulisan frekvencijskim pretvaračem da radi u presinhronizovanom opsegu do približno 200% nominalne brzine.

Slika 105. Momentna karakteristika motora regulisanog frekvencijskim regulatorom može biti

zadata u ״pravougaonicima״

63

Frekventni regulator nije sposoban da isporuči veći napon od napona glavnog napajanja što vodi ka opadanju odnosa napon/frekvencija ako je nominalna brzina postignuta. Magnetno polje slabi i moment garantovan motorom opada sa 1/n.

Slika 106. Moment motora i premoment

Maksimalna izlazna struja frekvencijskog pretvarača ostaje nepromenjena. Ovo vodi ka konstantnoj energetskoj performansi do 200% nominalne brzine.

Slika 107. Performanse motora

Brzina motora može biti predstavljena na tri različita načina:

obrtajima u minuti(o/min), hercima(Hz) ili

64

kao procenat od nominalne brzine motora(%). Referentna vrednost je uvek brzina motora na nominalnoj frekvenciji.

Slika 108. Prikaz brzine (za dvopolni motor)

Promena odnosa napon/frekvencija utiče na momentnu karakteristiku. Ilustracija ispod prikazuje momentnu karakteristiku u povezanosti sa smanjenjem odnosa napon/frekvencija na 6.7 [V/Hz], Slika 109.

Slika 109. Moment pri različitim podešavanjima odnosa V/f Zahtevi od naprednih digitalnih frekventnih regulatora. Skorašnji napredak u energetskoj elektronici, tehnologiji mikroprocesora i integrisanih kola imao je snažan uticaj na pogonsku tehnologiju, naročito u smislu

65

razvijanja digitalnih pogona sa višim procesnim brzinama i povećanom preciznošću. Druge prednosti digitalnog upravljanja:

unapređena ponovljivost i stabilnost kontrolnih parametara lakše upravljanje mernim veličinama prilagodljivost funkcija specifičnih za neke primene veća preciznost upravljanja na većem opsegu.

Stari analogni pogoni su podešavani potenciometrima ili pasivnim komponentama što može voditi ka ofsetu i problemima sa odstupanjem temperature. Sa druge strane, sa digitalnim upravljanjem svi kontrolni parametri mogu biti smešteni u EEPROM.

Dimenzionisanje frekventnog regulatora Pri određivanju kategorije frekvencijskog pretvarača pri datom opterećenju prvi korak je uzeti u obzir karakteristike opterećenja. Postoje četiri različita metoda za izračunavanje zahtevanih izlaznih performansi i izbor metode zavisi od karakteristika motora.

Karakteristike opterećenja. Pre nego što je moguće odrediti dimenzije frekventnog regulatora, mora se napraviti razlika između dve najčešće korićene karakteristike opterećenja prikazane na Slici 110.

Slika 110. Konstantan i kvadratni moment opterećenja

Razlozi za razlikovanje između karakteristika opterećenja su sledeći:

Kada brzina centrifugalnih pumpi i ventilatora raste, energetska potraživanja raste brzinom na treći stepen(P~n³).

Normalni radni opseg centrifugalnih pumpi i ventilatora je brzina opsega od 50% do 90%. Faktor opterećenja raste sa kvadratom brzine i približno iznosi 30 do 80%.

Ova dva faktora su prikazana na momentnoj karakteristici motora upravljanog frekventnim regulatorom. Slika 111. i Slika 112. prikazuju momentne karakteristike za dva frekventna regulatora različitih dimenzija – jedan od njih (Slika 112.) je za jedan red snage manji od drugog. Za obe

66

momentne karakteristike unete su iste karakteristike opterećenja za centrifugalnu pumpu. Na Slici 111. potpuni radni opseg pumpe (0-100%) leži unutar nominalnih vrednosti motora. Pošto je normalni radni opseg pumpe 30-80%, može biti izabran frekventni regulator nižeg izlaznog stepena.

Slika 111 i Slika 112 Ako je moment opterećenja konstantan, motor mora biti sposoban da generiše više od momenta opterećenja pošto se suvišni moment koristi za ubrzavanje. Prekomerni moment od 60% generisan od strane pretvarača frekvencije za kratko vreme je dovoljan za ubrzavanje i visok startni moment, na primer u vezi sa transportnim pojasevima. Prekomerni moment takođe garantuje da je sistem sposoban da se izbori sa iznenadnim povećanjima opterećenja. Frekventni regulator koji ne dozvoljava takav prekomerni momenat mora biti tako izabran da moment ubrzavanja (Tb) leži unutar nominalnog momenta.

Slika 113. povećani moment se koristi za ubrzavanje

Kada su karakteristike opterećenja određene, postoje četiri različita različita skupa podataka motora za odlučivanje o veličini snage frekventnog regulatora.

Metod 1. Frekventni regulator može biti određen brzo i precizno na bazi struje Im koju motor povlači. Ako motor nije potpuno opterećen,

67

struja motora može biti izmerena na sličnom sistemu u punoj funkcionalnosti.

Primer: Motor od 7.5kW ,3×400V, povlači 14.73A. U odnosu na tehničke podatke frekventnog regulatora, frekventni regulator je izabran tako da ima maksimalnu kontinualnu izlaznu struju višu ili jednaku 14.73A za konstantne ili kvadratne momentne karakteristike. Primetiti: Ako je frekventni regulator izabran na bazi snage (metode 2-4) važno je da izračunata snaga i snaga ustanovljena nad tehničkim podacima za frekventni regulator budu poređene na istom naponu. Ovo nije neophodno ako je frekventni regulator proračunat na bazi struje (metod 1), pošto izlazna struja frekventnog regulatora utiče na ostale podatke.

Metod 2. Frekventni regulator može biti izabran na bazi prividne snage Sm postrane motora i prividne snage isporučene od strane frekvencijskog pretvarača

Primer: Motor od 7,5 kW ,3×400V povlači 14.73A.

SM = U × I × 31000 = 400 × 14.73 × 3

1000 = 10.2kVA

Prema tehničkoj dokumentaciji frekvetnog regulatora, on je odabran tako da poseduje maksimalni kontinualni izlaz veći ili jednak od 10.2 kVA pri konstantnoj ili kvadratnoj momentnoj karakteristici.

Metod 3. Frekventni regulator takođe može biti izabran saglasno sa

snagom PM generisanu motorom. Međutim ,pošto se cosφ i koeficijent efikasnosti menjaju sa opterećenjem,ovaj metod je neprecizan.

Primer: Motor od 3kW sa koeficijentom korisnog dejstva i sa cosφ od 0.8 i 0.81 respektivno, povlači kao što sledi:

Sm= Pm ή×cosφ = 3.0

0.80×0.81 =4.6kVA

Frekventni regulator je izabran s obzirom na tehničke podatke frekvencijskog pretvarača tako da ima maksimalni kontinualni izlaz veći ili jednak od 4.6kVA pri konstantnoj ili kvadratnoj momentnoj karakteristici.

Metod 4. Zbog praktičnih razloga, nominalna vrednost snage većine

frekvencijskih pretvarača prati standardne serije asinhronih motora. Usled toga, frekventni regulatori su često izabrani na ovoj bazi, ali to

68

može voditi ka nepreciznom dimenzionisanju, naročito ako je motor podvrgnut punom opterećen.

Raspodela struje u frekvencijskim pretvaračima (cosφ motora). Struja magnetisanja se obezbeđuje od strane kondenzatora u središnjem strujnom kolu frekvencijskog pretvarača. Struja magnetisanja je reaktivna struja koja teče između kondenzatora i motora.

Slika 114. Struja u frekventnom regulatoru

Samo aktivna struja (Iw) je povučena iz električne mreže. To je zato što je izlazna struja frekvencijskog pretvarača uvek veća nego ulazna struja. U dodatku sa aktivnom strujom, gubici (Igub ) su preuzeti od strane električne mreže, što se može jasno videti pri radu bez opterećenja. Primer: Struja neopterećenog četvoropolnog motora od 1.1kW je 1.6A. Izlazna struja priključenog frekvencijskog pretvarača je otprilike 1.6A, a ulazna struja pri radu bez opterećenja je skoro nula. Proizvođači motora uobičajeno utvrđuju cosφ motora pri nominalnoj struji. Na nižoj vrednosti od cosφ (reluktansni motori) nominalna struja motora, na istoj snazi i nominalnom naponu, biće veća što je pokazano u sledećoj jednačini:

Is = Iwcosφ

Ako je frekventni regulator dimenzionisan saglasno sa nominalnom strujom motora (metod1), neće biti smanjenja nominalnog momenta motora. Kondenzator postavljen na priključcima motora u cilju kompenzacije reaktivne struje mora biti odstranjen. Visoka frekvencija uključivanja frekvencijskog pretvarača prouzrokuje da kompenzator radi kao kratak spoj i

69

prouzrokuje visok porast struje motora. Pretvarač će ovo “videti” kao uzemljenje ili kratak spoj i isključiće se. Kontrola brzine motora. Izlazna frekvencija frekventnog regulatora, a tako i brzina motora, je kontrolisana jednim ili sa više signala (0-10V,4-20mA ili sa naponskim impulsima) kao referencom brzine. Ako referentna vrednost brzine raste, brzina motora raste i vertikalni deo momentne karakteristike se pomera u desno (Slika 115).

Slika 115. Funkcija između referentnog signala i momentne karakteristike motora

Ako je moment opterećenja manji od raspoloživog momenta motora, brzina će dostići zahtevanu vrednost. Kao što je pokazano na slici 2.13 karakteristika momenta opterećenja preseca momentnu karakteristiku motora na vertikalnom delu (u tački A). Ako je presek na horizontalnom delu (tačka B), brzina motora ne može kontinualno dostići odgovarajuću vrednost. Frekventni regulator omogućuje kratkotrajne ograničene strujne preskoke bez okidanja (tačka C), ali je neophodno da se preskoci vremenski ograniče.

Slika 116. Struja motora može dostići strujni maksimum u kratkom vremenskom intervalu

70

Rampa ubrzavanja i usporavanja. Nagib ubrzavanja ukazuje na brzinu kojom se brzina povećava i ustanovljen je u obliku vremena ubrzanja Tubr. Ovi nagibi su većinom bazirani na nominalnoj frekvenciji motora, tj. nagib ubrzavanja od 5sec znači da će frekventnom regulatoru trebati 5sec da bi sa 0 dostigao nominalnu frekvenciju motora(fn=50Hz).

Slika 117. Vreme ubzanja i usporavanja Nagib usporavanja ukazuje na to koliko brzo se brzina smanjuje. Ustanovljen je u obliku vremena usporenja Tusp. Moguće je ići direktno iz usporavanja u ubrzavanje, pošto motor uvek prati izlaznu frekvenciju regulatora. Ako je moment inercije osovine motora poznat, optimalna vremena ubrzanja i usporavanja mogu biti izračunata.

tacc = J × n2 - n1(Tacc - Tfric) × 9.55

tdec = J × n2 - n1(Tdec + Tfric) × 9.55

gde je: J moment inercije osovine motora, Ttrenja moment trenja sistema, Tubr moment preskoka korišćen za ubrzavanje, Tusp kočioni moment koji se pojavljuje kada je referentna vrednost brzine smanjena n1 i n2 su brzine na frekvencijama f1 i f2. Ako frekventni regulator dopušta prekomerni moment za kratko vreme, momenti ubrzanja i usporavanja su podešeni za nominalni motorni moment (T). U praksi , vreme usporenja i ubrzanja su uobičajano identična. Primer: J=0.042kgm² n1=500min-1

n2=1000min-1

Ttrenja=0.05×Mn Tn=27Nm

tacc = J × n2 - n1 (Tacc - Tfric) × 9.55 = 0.042 × 1000 - 500

(27 - (0.05 × 27 )) × 9.55 = 0.1[s]

71

Dinamičko kočenje. Kada je referentna brzina smanjena, motor se ponaša kao generator i koči. Kočiono usporavaje zavisi od veličine opterećenja motora.

Motor priključen direktno na električnu mrežu isporučuje kočionu energiju nazad u električnu mrežu. Ako je motor upravljan frekventnim regulatorom, energija kočenja je skladištena u središnjem strujnom kolu. Ako energija kočenja prevazilazi gubitke energije frekventnog, napon u središnjem strujnom kolu raste.

Napon središnjeg strujnog kola može rasti sve dok frekventni regulator ne aktivira zaštitu i ponekad je neophodno postaviti opterećenje u središnje strujno kolo u obliku kočionog modula i jedan eksterni otpornik za apsorbovanje kočione energije. Korišćenje kočionog modula i otpornika omogućava savladavanje velikih opterećenja veoma brzo. Međutim, to može prouzrokovati probleme sa zagrevanjem. Jedna alternativa je regenerativna kočiona jedinica. Ove jedinice se koriste za frekvencijske pretvarače sa neupravljanim ispravljačem i oni vraćaju kočionu energiju nazad u električnu mrežu. U frekventnim regulatorima sa upravljanim ispravljačima, kočiona energija može biti vraćena u mrežu (Slika 118) pomoću, na primer, jednog invertora u antiparalelnoj vezi unakrsno ispravljaču.

Slika 118. Razdvojni modul i optička veza

72

Slika 119. anti paralelni invertor

Jednosmerno kočenje je drugi način za kočenje motora. Jednosmerni napon duž dve faze motora je korišćen da generiše stacionarno magnetno polje u statoru. Budući da kočiona energija ostaje u motoru i da može doći do pregrevanja preporučljivo je podesiti jednosmerno kočenje u nižem opsegu brzina tako da nominalna struja motora nije dostignuta.Uopšteno, jednosmerno kočenje je ograničeno vremenom. Kontra-obrtanje (rotacija) motora. Smer obrtanja osovine kod asinhronog motora je određen sekvencom faza napona napajanja. Ako se dve faze zamene, smer u kom se motor obrće se menja.

Slika 120. Sa promenom fazne sekvence menja se i smer obrtanja motora Fazna sekvenca na izlaznom terminalu većine frekventnih regulatora odgovara ovom principu. Frekventni regulator može izvršiti promenu smera obrtanja motora elektronskom promenom fazne sekvence. Promena smera obrtanja je postignuta ili primenom negativne referentne brzine ili pomoću digitalnog

73

ulaznog signala. Ako motor zahteva unapred određen smer obrtanja, važno je poznavati fabrički postavljeno podešavanje frekventnog regulatora. Kako frekventni regulator ograničava struju motora do nominalne vrednosti, kod motora kontrolisanog frekventnim regulatorom može se češće vršiti promena smera obrtanja nego kod motora kontrolisanog direktno naponom.

Slika 121. Obrtni moment frekventnog regulatora u toku promena smera obrtanja motora

Rampe. Svi frekventni regulatori poseduju rampa funkciju da bi obezbedili finije radne uslove. Ove rampe su podesive i obezbeđuju da se referentna brzina može povećavati ili smanjivati samo na osnovu zadate vrednosti.

Slika 122. Promenjivi vremenski intervali rampa funkcije

Vremenski interval rampa funkcije može biti postavljen na tako malu vrednost da u nekim slučajevima motor ne može pratiti trenutnu referentnu brzinu. Ovo će dovesti do povećavanja struje motora sve dok ona ne dostigne maksimalnu vrednost. U slučaju malog vremenskog intervala oborene rampa funkcije ( )at − napon u međukolu može se toliko povećati da dođe do prorade kola za zaštitu frekventnog regulatora koje će obustaviti promenu frekvencije. Optimalni vremenski intervali rampa funkcije mogu se izračunati na osnovu primene sledećih jednačina:

ta = J × n(TN - Tfric) × 9.95

74

t-a = J × n(TN + Tfric) × 9.95

gde je: ta vreme porasta rampa funkcije, t-a vreme opadanja rampa funkcije,TN moment motora, Tfric moment trenja.

Slika 123. Podešavanje vremenskog intervala rampa funkcije

Vremenski intervali rampa funkcije se obično podešavaju na osnovu deklarisane brzine motora. Nadzor. Frekventni regulatori mogu vršiti nadzor nad procesom i intervenisati u slučaju pojave poremećaja u procesu. Nadzor može biti podeljen u tri grupe:

nadzor procesnog postrojenja, nadzor motora i nadzor frekventne regulacije.

Nadzor procesnog postrojenja je zasnovan na izlaznoj frekvenciji, izlaznoj struji i obrtnom momentu motora. Na osnovu ovih vrednosti mogu se postaviti mnogobrojna ograničenja koja ako su dostignuta aktiviraju kontrolnu funkciju. Ova ograničenja mogu biti:

najmanja moguća brzina motora ( minimalna frekvencija ), maksimalno dozvoljena struja motora ili maksimalno dozvoljen obrtni moment motora.

Ako su ova ograničenja dostignuta, frekventni regulator može, na primer, biti programiran da da signal upozorenja, smanji brzinu motoraili da zaustavi motor što je brže moguće.

75

Primer: U instalaciji koja koristi V-pojas kao vezu između motora i ostatka instalacije, frekventni regulator može biti programiran za nadzor V-pojasa. U koliko dođe do neke greške na V-beltu izlazna frekvencija će se povećati mnogo brže nego trenutna rampa. Ova frekvencija se može iskoristiti ili za upozorenje ili da zaustavi motor. Nadzor motora preko frekventnog regulatora je moguć uz pomoć kalkulacija temperaturnih uslova unutar motora ili preko termistora povezanog na motor. Kao temperaturni prekigač frekventni regulator može sprečiti preopterećenje motora. Izlazna frekvencija je među proračunima koje vrši frekventni regulator. Ovo obezbeđuje da motor ne bude preopterećen pri maloj brzini ako je unutrašnja ventilacija motora smanjena. Današnji frekventni regulatori su u mogućnosti da obezbede zaštitu motora i pri forsiranom hlađenju ako je struja motora prevelika.

Frekventni regulator će napraviti grešku pri pojavi prekostruje motora. Neki frekventni regulatori mogu da podnesu kratkotrajnu pojavu prekostruje motora. Mikroprocesor unutar frekventnog regulatora je u mogućnosti da proračuna struju i vreme te time omogući optimalno korišćenje frekventnog regulatora bez pojave preopterećenja. Opterećenje i hlađenje motora. Kada je motor povezan sa frekventnim regulatorom mora se održati na određenoj temperaturi. Ovo je posledica dve stvari:

sa smanjenjem brzine rada motora smanjuje se intezitet hlađenja ako se pojavi ne sinosoidna struja motora, temperatura motora raste.

Pri niskim brzinama rada motora , ventilator na motoru nije u mogućnosti da obezbedi dovoljno vazduha za hlađenje. Ovaj problem nastaje ako je moment opterećenja konstantan u celom opsegu upravljanja. Ova niska ventilacija određuje veličinu dozvoljenog obrtnog momenta pri konstantnom opterećenju. Ako motor radi konstantno na 100% deklarisanog obrtnog momenta, pri brzini koja je duplo manja od deklarisane, motoru je potrebno dodatno hlađenja. Jednostavno izborom većeg motora se može izbeći preopterećenje, ali se tada mora voditi računa o izboru adekvatnog frekventnog regulatora.

76

Graf 1 – motor deklarisane veličine 15kW

Graf 2 – preveliki motor 22kW za dati frek.-reg.

Slika 124. Potrebe za dodatnim hlađenjem deklarisane veličine i preveliki motor

Ako struja motora nije čisto sinusnog oblika, motor ne bi trebao biti 100% opterećen svo vreme, jer ova struje koja poseduje više harmonike i dovešće do pregrevanja motora. U zavisnosti od veličine struje motor će se zagrevati više ili manje.

Slika 125. Nesinusoidna struja generiše dodatno zagrevanje motora

Efikasnost. Efikasnost (koeficijent korisnog dejstava) η se definiše kao odnos između izlazne snage P1 i snage P2.

η = P2P1

Razlika između snaga P1 i P2se definiše kao gubitak snage PV. Koeficijent korisnog dejstva se može proračunati samo za frekventni regulator, samo za motor i za motor i regulator zajedno (sistem).

77

koeficijent korisnog dejstva za frekventni regulator P2P1

koeficijent korisnog dejstva za motor P3P2

koeficijent korisnog dejstva za sistem P3P1

Slika 126. Koeficijent korisnog dejstva frekventnog regulatora pri opterećenju od

100% (A) i 25% (B)

Slika 127. Koeficijent korisnog dejstva tipičnog motora (2 – pola) pri 100%

opterećenja (A)i 25% opterećenja (B)

78

Priloženi grafici pokazuju da efikasnost motora ima veliki uticaj na efikasnost celog sistema. Efikasnost frekventnog regulatora je na visokom nivou kroz ceo opseg regulacije i pri velikom i malom opterećenju. Takođe se može primetiti da je efikasnost najniža pri malim brzinama, ali ovo ne znači da su ukupni gubici najveći pri malim brzinama.

Slika 128. Koeficijent korisnog dejstva sistema pri opterećenju od 100% (A) i 25% (B)

Primer:

na osnovu grafa sa Slike 128. :

2827.4WPPP

12455.4WηPP

77.3%η9628WP

800minn

31ν

31

3

1

=−=

==

=

== −

na osnovu grafa sa Slike 128. :

643WPPPν

2143WηPP

1500WP500minn

31

31

3

1

=−=

==

== −

79

Visok koeficijent korisnog dejstva frekventnog regulatora pruža nekoliko prednosti:

Što veća efikasnost manji su toplotni gubici koji treba da se otklone iz instalacije. Ovo je važno ako je frekventni regulator integrisan na kontrolnom panelu.

Što su manji toplotni gubici u poluprovodnicima i kalemovima frekventnog regulatora to mu je duži radni vek.

Što veća efikasnost to je manji utrošak energije. OPŠTA TEORIJA MEHANIKE Pravolinijsko kretanje Telo teži da miruje ili da nastavi da se kreće pravolinijski do delovanja sile. Sila, F , može biti definisana kao proizvod mase tela i promene brzine tela u jedinici vremena. Promena brzine tela u jedinici vremena se naziva ubrzanje, a. Masa: “m” merna jedinica:[kg]

F = m x a Ubrzanje:”a” merna jedinica:[ms2]

Sila: “F” merna jedinica:[N] Da bi zadržalo konstantno kretanje telo mora biti konstantno pod dejstvom sile, jer bi u protivnom sile koje deluju suprotno pravcu kretanja tela, kao što su sila trenja i sila gravitacije, prouzrokovale usporavanje i zaustavljanje tela. Kružno kretanje U slučaju kružnog kretanja, telo može biti naterano da se kreće kružno ili da menja pravac kružnog kretanja, ako je izloženo delovanju momenta sile u tački centra mase. Kao i sila, moment sile može biti zadat načinom delovanja. Moment sile je proizvod momenta inercije tela i promene brzine u jedinici vremena tela tj. takozvanog ugaonog ubrzanja, α.

Slika 160.

80

T = J x a

ω = 2πn60 ,

“n” merna jedinica: [obrtaja u minuti] Ugaona brzina ω merna jedinica: [rad/s]

Ugaono ubrzanje α = dωdt , merna jedinica: [rads2

]

Moment Inercije J, merna jedinica:[kg m2 ] Kao i masa, i moment inercije sprečava (smanjuje) ubrzanje. Moment inercije zavisi od mase tela i položaja tela u prostoru u zavisnosti od ose rotacije.

81

Slika 161. Izračunavanje različitih momenata inercije

Kada se izračunaju moment sile i ubrzanje sistema, poželjno je obuhvatiti sve mase i momente inercije jednim zajedničkim momentom inercije ose motora.

...JJJJ2

1

33

2

1

221 +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ϖϖ

×+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ϖϖ

×+= :

J1 : sopstveni moment inercije motora

82

J2,J3 : pojedinačni momenti inercije u sistemu ugaona brzina motora ω2,ω3 : ugaona brzina pojedinačnih delova

sistema Rad i snaga Rad koji vrši motor u pravolinijskom kretanju može biti izračunat kao proizvod sile u pravcu kretanja “F” i puta “s” koji pređe telo.

W = F x s

Pređeni put:”s” merna jedinica:[m] Rad: “W” merna jedinica:[W x s]

U kružnom kretanju,rad se izračunava kao proizvod momenta sile “T” i ugaonog pomeraja “ϕ”. Jedan pun krug = 2 x π [rad].

W = T x ϕ

Ugaoni pomeraj:”ϕ” merna jedinica:[rad] promena ugla 1 pun krug = 2 x π [rad]

Rad koji vrše prenosni sistemi raste vremenom. Ne postoji nešto kao maksimalna vrednost i ne postoji neka brojna vrednost koja bi figurisala u izračunjavanjima. Snaga P , je rad u jedinici vremena i ona ima maksimalnu vrednost. U slučaju pravolinijskog kretanja, snaga se računa kao proizvod sile u pravcu kretanja i pređenog puta u jedinici vremena tj.brzine “v”.

P = F x v merna jedinica:[W]. U slučaju kružnog kretanja, snaga može biti izračunata kao proizvod obrtnog momenta i ugaonog pomeraja u jedinici vremena tj. ugaone brzine “ω”.

P = T x ω

merna jedinica:[W].