ELEKTRIČNE MA ŠINE - prakticnanastavaets.files.wordpress.com · jednosmerne struje sve više...

ELEKTRIELEKTRIČČNE MANE MAŠŠINEINEKomutatorske mašine jednosmerne struje

Uvod

� Mašine jednosmerne struje su zbog svojih veoma dobrih funkcionalnih karakteristika nekada predstavljale često rešenje u električnim pogonima.

Osnovni delovi

� Osnovni elementi jednosmerne električne mašine su:

1. mirujući deo (statorstator) i

2. obrtni deo (rotorrotor).

elektromagnetstalni magneti

Osnovni delovi

� Uloga statora je stvaranje pobudnog fluksa.

� Pobudni fluks mogu stvoriti permanentni (stalni) magneti ili paknamotaj u kome postoji jednosmerna struja (elektromagnet), kakav se slučaj ovde razmatra.

Osnovni delovi

� Stator je oblika šupljeg valjka od masivnog gvožđa (ili složen od paketa limova), na čijoj su unutrašnjoj periferiji pričvršćeni polovi izrađeni od feromagnetskih limova.

� Na polovima statora je smešten pobudni namotaj.

� Kroz pobudni namotaj se propušta jednosmerna struja koja stvara statorsku magnetnopobudnu silu i statorski fluks. Kako jestruja statora jednosmerna to je statorski fluks nepomičan.

Osnovni delovi

Dvopolna mašina jednosmerne struje

stator

namotajrotora

rotor

pobudninamotaj

natpisnapločica

stopala

komutator

priključnakutija

Osnovni delovi

� Rotor je cilindričnog oblika i sastavljen od tankih feromagnetskih limova i ravnomerno je ožljebljen po svom obimu. Nalazi se na vratilu mašine.

� U žlebove rotora je postavljen namotaj rotora.

� Počeci i krajevi namotaja rotora su izvedeni na tzv. komutator(kolektor). Komutator je sastavljen od bakarnih segmenata koji su izolovani međusobno i u odnosu na masu. Uloga komutatora je preusmeravanje smera struje kroz navoje rotora.

Osnovni delovi

Rotor jednosmerne mašine

komutatorventilator

ležaj

žlebvratilo

magnetno kolo rotora namotaj rotora

Osnovni delovi

četkice držači četkica

Komutator

Princip rada

� Namotaj rotora se nalazi u magnetnom polju. Kada kroz njega

protiče električna struja nastaje sila , F = I (l x B), koja deluje na provodnike rotora, a zbog kružnog oblika rotora

nastaje elektromagnetni moment M = R x F = F R, gdeje R prečnik rotora.

� Komutator (kolektor) i četkice služe za napajanje rotorskog namotaja potrebnim smerom struje.

Princip rada

četkica

komutator

BlIFrvr

×⋅=

Princip rada

Princip rada

Vrste komutatorskih mašina� U praksi se koristi veliki broj navojaka namotaja rotora, a magnetno polje se

proizvodi elektromagnetom (namotaj pobude), te je srednja vrednost elektromagnetnog momenta motora približno konstantna.

� Prema načinu spajanja namotaja pobude i namotaja rotora, razlikujemo sledeće osnovne vrste jednosmernih komutatorskih mašina:1. sa nezavisnom pobudom, kod koje je namotaj pobude spojen na poseban spoljni izvor

napona, koji je potpuno nezavisan od prilika u mašini. Namotaj rotora se napaja iz drugog izvora jednosmernog napona. Jednosmerni naponi se dobijaju iz naizmenične trofazne mreže, preko ispravljača,

Vrste komutatorskih mašina

2. sa paralelnom pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen paralelno na namotaj rotora i priključeni su na izvor jednosmernog napona,

3. sa rednom (serijskom) pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen na red sa namotajem rotora i priključeni su na izvor jednosmernog napona.

Vrste komutatorskih mašina

Momentna karakteristika

� Pri konstantnom naponu napajanja rotorskog namotaja i pobudnog (statorskog) namotaja, brzina obrtanja rotora zavisi od razvijenog elektromagnetnog momenta. Veza koja postoji između brzine obrtanja i momenta u stacionarnom stanju se zove momentna (mehanička) karakteristika: M=f(n). Ona prvenstveno zavisi od sistema pobude i može biti:1. "tvrda“, kod koje se brzina obrtanja vrlo malo menja sa promenom

momenta opterećenja (nezavisna i paralelna pobuda),

2. "meka“, kod koje se značajno menja brzina obrtanja sa promenom momenta opterećenja (redna pobuda).

Momentna karakteristika

M [Nm]

ω [rad/s]

tvrda

meka

ω0

Jednosmerni motor sa rednom pobudomne sme da radi neoptrećen jer je tada brzinaobrtanja velika (razletanje motora).

ω0 - brzina neopterećenog motora (prazan hod)

Napajanje mašine jednosmerne struje

� jednosmernih mašinama treba jednosmerni (DC) napon

� Ako hoćemo da menjamo brzinu, treba nam promenjivi DC napon

� Napajanje jednosmernih mašina se vrši pomoću AC/DC pretvarača.

� Pretvarač rešava problem pokretnja i regulacija brzine !

Model jednosmernog motora

em au

mm

ai

- a

apT

R

+1

1

fkpJ +1

fψ

femf ωψ≈

ω

Napon pravi struju

Moment menja brzinu

Struja sa fluxom pravi moment

-

Elektromagnetni momenat LaRaua

ia

iaψψψψa x

em au

mm−

ai

- e

a

ap T

R

+1

1

fkp J +1

fn o mψ

fn o mψ

ω ωr e g

r e fω

-

J e d n o sm e rn i m o to r

P W M

r e fau

ir e g

r e fai

-

S tru jn o re g . n a p o n sk i iz v o r

em au

mm−

ai

- e

a

a

pT

R

+1

1

fkpJ +1

fψ

fnomψ

ω ωreg

refω

-

Jednosm erni motor

PWM

refau

ireg

refai

- p

1 θreg

refθ θ

ω

Regulacija brzine

Regulacija položaja

Reg. brzine i položaja DC motora

Izvor promenjivog jednosmernog napona Izvor promenjivog jednosmernog napona

DC napajanje – mrežno komutovani ispravljači

Neregulisan izvor napona Regulisan izvor napona

DC napajanje - DC-DC konvertor (čoper)

VDC

1f∼

3f∼ Va

Neregulisani ispravljač DC čoper

DCDCPWM

ONsr aVV

T

tV =⋅=

t

Va

TON TOFF

TPWM

VDC

0

a – faktor ispuneManja talasnost struje, manja

talasnost momenta

DC napajanje -Četvorokvadrantni DC-DC

Sve kombinacije

Napon + - Struja + -

Snaga = Napon * Struja

Snaga + -Smer brzine = znak napona

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Električna vuča (trolejbusi, tramvaji, metroi, lokomotive)

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Industrija

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Industrija

Mašina za izradu papirnih džakova

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� U automobilima (pogon brisača, pogon bočnih stakala, anlaser)

Jednosmerni motori za pogon brisača stakala na automobilu, 12 V, 40W

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Anlaser (elektropokretač) služi za pokretanje SUS motora. Najčešće je izveden kao motor sa rednom pobudom

Anlaser tipa PG260M 1,7 kW, 12 V

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Mašina sa stalnim magnetima na statoru: ova konstrukcija se koristi za manje snage (tahogeneratori, motori za pogon bočnih stakala i brisača na automobilima, anlaser za SUS motore manjih snaga).

Mali jednosmerni motor 1,3V, 70mA koji se koristi za stvaranja vibracija u mobilnim telefonima

Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje

� Mašina sa stalnim magnetima na statoru

Motor jednosmerne struje sa stalnim magnetima

Univerzalni motor

� Univerzalni motor je kolektorski motor sa rednom pobudom koji se može priključiti i na jednosmerni i na naizmenični izvor napajanja.

� Princip rada je isti kao princip rada jednosmerne mašine, ali u pogledu konstrukciji se razlikuje od njih jer je dosta prostiji.

� Kompletno magnetno kolo (statora i rotora) je napravljeno od tankih limova.

Univerzalni motor

Magnetno kolo univerzalnog motora (levo) i izgled univerzalnog motora (desno)

Univerzalni motor

� Prednosti: malih su dimenzija i mogu postići visok broj obrtaja.

� Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, mlinova za kafe, miksera, ventilatora.

� Izrađuju se za snage do oko 1 kW i za brzine obrtanja preko 10000 ob/min za ručne alate i druge ručne elektromotorne uređaje, oko 15000 ob/min i više za usisivače i miksere, te oko 30000 ob/min za mlinove za kafu.

Natpisna pločica320 kW 900 o/min

500 V 690 A

Pobuda: 220 V, 10 A

� Iz podataka prethodno navedene natpisne pločice obrazloženo odgovoriti o kojoj se vrsti mašine radi? Odrediti da li je mašina namenjena za generatorski ili motorski režim rada? Ukoliko je u pitanju motor, izračunati nazivni (nominalni) obrtni moment na vratilu. Izračunati stepen korisnog dejstva mašine za nazivni režim rada na osnovu datih podataka (ukoliko je to moguće).

Natpisna pločica� u pitanju je mašina jednosmerne struje, što se može zaključiti iz činjenice da

nema podatka o frekvenciji niti o faktoru snage (cosφ)

� 320 kW: nazivna (nominalna) snaga mašine (izlazna snaga mašine)

� 900 o/min: nazivna brzina obrtanja

� 500 V, 690 A: nazivni (nominalni) napon i struja rotorskog namotaja

� 220 V, 10 A: nazivni (nominalni) napon i struja statorskog (pobudnog) namotaja

� u pitanju je jednosmerna komutatorska mašina sa nezavisnom pobudom (stator i rotor se napajaju iz dva nezavisna izvora)

Natpisna pločica

� mašina je predviđena za motorski režim rada, a to se može ustanoviti izračunavanjem električne snage: Pe=Ua⋅Ia=500⋅690=345000 W = 345 kW. Kako je električna snaga Pe veća od 320 kW (320 k W predstavlja izlaznu snagu), u pitanju je motor (razlika snaga potiče zbog postojanja gubitaka u mašini). Kod generatora su izlazna i električna snaga jednake (to ne znači da ne postoji snaga gubitaka, već je kod generatora izlazna snaga upravo električna). Kako je u pitanju motor, to izlazna snaga predstavlja mehaničku snagu.

Natpisna pločica

� Nazivni obrtni mometn je:

� Stepen iskorišćenja u nazivnom režimu:

Nm3397900

602320000 =

⋅=== πωω n

izlazna

n

nn

PPM

%9292,010220690500

320000 ==⋅+⋅

=+

==ffaa

n

ulazna

izlaznan IUIU

P

P

Pη

Natpisna pločica

� Primer za samostalan rad:

270 kW 890 o/min

500 V 610 A

Pobuda: 220 V, 10 A

I na kraju...

� Zbog veće cene, složenijeg i skupljeg održavanja, manje pouzdanosti i kraćeg veka trajanja, danas se mašine jednosmerne struje sve više potiskuje od strane jeftinijih, jednostavnih i robusnijih električnih mašina za naizmeničnu struju upravljanih mikroprocesorima i napajanih uređajima energetske elektronike.

� Generatori jednosmerne struje su praktično potisnuti iz upotrebe poluprovodničkim ispravljačima.