ELEKTRICNE_MASINE_PREDAVANJE_8_2013_2014

ASINHRONI STROJEVI (treći dio)

doc. dr. sc. Senad Smaka, dipl.el.ing.

ELEKTRIČNE MAŠINE

Ak. god. 2013/2014 Sarajevo, 28.11.2013.

EM8 – Asinhroni generator, Jednofazni asinhroni motori,

Posebni režimi rada asinhronog stroja

http://www.unsa.ba/

http://www.etf.unsa.ba/

http://www.unsa.ba/

http://www.etf.unsa.ba/

Sadržaj

28.11.2013. Električne mašine 2

1. Asinhroni generator

2. Jedofazni asinhroni motori

3. Posebni režimi rada asinhronog stroja

Asinhroni generator

Ako se na rotor asinhronog stroja privodi mehanička snaga iz vanjskog izvora

(turbine) asinhroni stroj može raditi kao generator.

Moguća su dva načina rada asinhronog stroja u generatorskom režimu koji se

razlikuju po izvoru reaktivne snage potrebne za izgradnju magnetnog polja u stroju:

Ako je asinhroni generator priključen na krutu električnu mrežu na koju je

paralelno priključen barem jedan sinhroni generator, tada reaktivnu snagu uzima

iz mreže.

Ako je generator priključen električnu mrežu u kojoj ne postoje sinhroni

generatori, reaktivna snaga se uzima iz kondenzatora priključenih u statorski

krug. Ovaj režim rada naziva se samostalni (autonomni) ili rad s vlastitom

uzbudom.


Karakteristike rada generatora na krutoj mreži:

mehanička snaga Pmeh na osovinu se privodi iz

vanjskog izvora;

brzina vrtnje osovine n mora biti veća od

sinhrone brzine vrtnje ns (n > ns, s < 0);

reaktivna snaga Q1 za stvaranje magnetnog

polja uzima se iz mreže.

Rad generatora na krutoj električnoj mreži


Maksimalni mehanički moment koji se može privesti iz vanjskog izvora određen je

tačkom prekretnog momenta na mehaničkoj karakteristici M = f(n) asinhronog stroja.

Kod asinhronog generatora na krutoj mreži ne postoji mogućnost regulacije uzbude i

njegovo pogonsko stanje određeno je jedino klizanjem.

Nazivno klizanje generatora približno je isto kao i nazivno klizanje motora s tim da

ima negativan predznak.

21 2 2

es

= m I R

Ms

Asinhroni generator

Mehanička karakteristika M = f(n) asinhronog stroja

Asinhroni generator ne

treba sklop za

sinhronizaciju (koji je

neophodan za sinhroni

generator).

Nije potreban skup

regulator brzine vrtnje

nego samo uređaj za

njeno ograničenje.


U autonomnom radu asinhronog generatora reaktivna snaga za stvaranje magnetnog

polja može se dobiti iz kondenzatora koji se priključuju na statorski namot.

Asinhroni generator

Rad generatora s vlastitom uzbudom (autonomni rad)

Sheme spoja generatora s kondenzatorskom uzbudom

Za početak rada generatora mora postojati remanentni magnetizam stroja koji je

potreban za proces samouzbuđivanja. Tijekom procesa samouzbude generator je u

praznom hodu, a trošila se priključuju tek kad se završi ovaj proces.


Kad se rotor generatora zavrti, inducirat će se napon Urem u namotima statora usljed

remanentnog magnetnog polja koji će uzrokovati protjecanje struje I’C kroz

kondenzator. Ta struja je kapacitivnog karaktera i jača magnetno polje generatora,

usljed čega dolazi do povišenja iduciranog napona statora na vrijednost U’0. Taj

inducirani napon uzrokuje još veću struju I’’C kroz kondenzator. Proces se ponavlja

to tačke presjeka karakteristike praznog hoda U0 = f(I0) i karakteristike napona na

kondenzatoru UC = f(IC).

Asinhroni generator

Proces samouzbude asinhronog generatora


Visinu induciranog napona u praznom hodu odreduje tačka presjeka karakteristike

praznog hoda U0 = f(I0) s karakteristikom napona na kondenzatoru UC = f(IC) (tačke A i

B na slici).

Utjecaj promjene kapaciteta kondenzatora na inducirani napon u praznom hodu

Asinhroni generator

Nepravilno odabran kapacitet kondenzatora može za posljedicu imati nizak napon

generatora ili se generator ne može uzbuditi. Kapacitet kondenzatora treba biti

određen u skladu s veličinom glavne reaktancije X.


Vrijednost kapaciteta kondenzatora koji se priključuje u jednu fazu asinhronog

generatora (za spoj kondenzatora Y) može se približno odrediti iz uvjeta jednakosti

napona generatora i napona na kondenzatoru u tački presjeka karakteristika U0 = f(I0)

i UC = f(IC). Za I0 Iµ vrijedi:

Glavna reaktancija Xµ, odnosno induktivnost Lµ, određuju se iz rezultata pokusa

praznog hoda asinhronog stroja. Frekvencija f1 je frekvencija napona izvora pri kojoj

se provodi pokus praznog hoda (obično je to nazivna frekvencija).

Kada se, nakon što se završi proces samouzbude, na generator priključi trošilo,

dolazi do:

smanjenja brzine vrtnje rotora, odnosno smanjenja frekvencije induciranog

napona generatora (f = pn/60);

sniženja napona na stezaljkama generatora (U = 4.44 f1 1 N1ph).

Korekcija brzine vrtnje odnosno frekvencije induciranog napona vrši se privođenjem

dodatne mehaničke snage iz vanjskog izvora (turbine) na osovinu stroja.

Asinhroni generator

C C

1 C1

12

2

I X = I X

I f L = If C

2

1

1

2 C =

f L


Priključkom trošila reaktivna snaga koju isporučuju kondenzatori QC dijeli se na

reaktivnu snagu predatu trošilu QT i snagu potrebnu za magnetiziranje generatora Q0:

Asinhroni generator

Priključak trošila na asinhroni generator

C T 0Q = Q Q

Uz konstantan kapacitet kondenzatora i reaktivna snaga kondenzatora QC ostaje

konstantna, pa se priključkom trošila snižava i izlazni napon generatora u odnosu na

napon u režimu praznog hoda jer se smanjuje struja magnetiziranja.


Pri većim opterećenjima kondenzatori nisu u mogućnosti istovremeno pobuđivati

generator i predavati reaktivnu snagu trošilima. U ovom slučaju dolazi do

razbuđivanja generatora i prekida njegovog rada.

Da bi se u svakom trenutku osigurala reaktivna snaga dovoljna za pobudu i trošila,

potrebno bi bilo kontinuirano povećavati kapacitet kondenzatora srazmjerno s

porastom reaktivne snage trošila, za što obično nema tehničkih mogućnosti.

Pravilan izbor odgovarajućeg kapaciteta kondenzatora i stabilan samostalan rad

asinhronog generatora mogući su samo u slučaju da je unaprijed poznato trošilo

koje će se napajati iz tog generatora.

Asinhroni generator


Jednofazni asinhroni motori

Za pogon radnih strojeva manjih snaga, na mjestima gdje nije dostupna trofazna

električna mreža, koriste se jednofazni asinhroni motori.

Jednofazni asinhroni motori proizvode se u velikim serijama i u opsegu snaga od

nekoliko desetina vata do nekoliko kilovata.

Koriste se za različite primjene u kućanstvu i zanatstvu (veš mašine, hladnjaci,

uređaji za čišćenje i klimatiziranje, različite vrste električnih alata).

Konstrukcijska izvedba statora je ista kao kod standardnih trofaznih motora. U utore

statora ugrađuje se jedan (glavni) namot, a zbog problema s pokretanjem često i

drugi (pomoćni) namot.

Rotor jednofaznog motora je uvijek kavezni s aluminijskim kavezom s okruglim

štapovima. Da bi se smanjili gubici, kod jednofaznih motora ne koriste se rotori u

kojima se predviđa potiskivanje struje.

Osnovnu prednost jednofaznih motora predstavlja mogućnost priključka na

jednofaznu električnu mrežu. Nedostaci jednofaznih motora su:

teškoće kod pokretanja;

snaga jednofaznih motora je cca od 50 % do 60 % snage trofaznih motora sličnih

dimenzija;

mali prekretni moment i niži faktor korisnosti nego trofazni motori;

velika struja magnetiziranja, odnosno mali faktor snage cos.


Izmjenična struja koja protiče kroz namot statora stvara jednofazno pulzirajuće

elektromagnetno polje. Protjecanje ovog polja može se prikazati kao suma

protjecanja dva okretna polja:

Direktno i inverzno okretno protjecanje imaju jednake amplitude i brzine vrtnje, ali se

vrte u suprotnom smjeru.


Princip rada

Shema spoja i prikaz protjecanja pomoću fazora



Predstavljanje jednofaznog pulzirajućeg protjecanja s dva okretna protjecanja

(direktnim i inverznim) omogućuje da se jednofazni asinhroni motor predstavi s dva

jednaka trofazna motora kod kojih su rotori mehanički povezani osovinom, a njihovi

statorski namoti priključeni su na trofaznu električnu mrežu s različitim redoslijedom

priključka faza.

Jednofazni motor predstavljen s dva trofazna motora

Direktno i inverzno okretno polje stvaraju s rotorskim strujama okretne momente

svako u svom smjeru, odnosno javljaju se direktni Med i inverzni Mei moment koji

djeluju na rotor.


Dok rotor miruje, njegovo je klizanje prema direktnom i inverznom protjecanju

stvorenima strujom namota statora jednako (sd = si = 1). To znači da su (dok rotor

miruje) direktna i inverzna komponenta struje rotora I2dp i I2ip međusobno jednake. To

znači da su i direktni i inverzni moment međusobno jednaki dok rotor miruje (n = 0),

iz čega slijedi da je ukupni moment jednak nuli. Motor ne može krenuti iz mirovanja!


Nadomjesne sheme rotora za n = 0 i n 0

Ako se rotor zavrti brzinom n u smjeru djelovanja direktnog momenta Med, klizanja za

direktno i inverzno okretno polje su:

sd

s

n ns = = s

n

s ss si

s s s

12

n n sn n n ns = = = = s

n n n


U ovom slučaju je sd < 1, odnosno član R2/sd se povećava u odnosu na vrijednost pri

mirujućem rotoru, dok se član R2/si smanjuje jer je si > 1. Zato se povećava inverzna

komponenta struje I2i koja uzrokuje povećanje inverznog rotorskog protjecanja.

Inverzno rotorsko protjecanje suprotstavlja se statorskom inverznom protjecanju,

odnosno dolazi do smanjenja ukupnog inverznog protjecanja, što za posljedicu ima

smanjenje inverznog momenta Mei. Direktni moment nadvladava inverzni pa motor

razvija moment kojim može savladati teret i nastavlja vrtnju u smjeru koji je zadat kod

pokretanja.


Potpuna nadomjesna

shema jednofaznog

motora može se dobiti

spajanjem u seriju

nadomjesnih shema

dva trofazna motora.


Mehanička karakteristika jednofaznog asinhronog motora dobije se sumiranjem

elektromagnetnih momenata nastalih uslijed direktnog i inverznog magnetnog polja

(Me = Med + Mei) u području klizanja od s = 0 do s = 2, pri čemu treba voditi računa da

inverzni moment djeluje u suprotnom smjeru u odnosu na direktni.

Ukupni moment za s = 1 jednak je nuli motor se ne može samostalno pokrenuti.

Vrijednosti direktnog i inverznog momenta manje su nego vrijednosti momenta kod

trofaznog motora radi manje amplitude jednofaznog protjecanja.


Mehanička karakteristika

Mehaničke karakteristike jednofaznog asinhronog motora

Mei

Med

Me



Pokretanje jednofaznih motora

Jednofazni asinhroni motor se može samostalno pokrenuti ako u trenutku pokretanja

u motoru nastane rezultantno okretno magnetno polje, pa motor može razviti potezni

moment.

Da bi se to postiglo u jednofazni asinhroni motor ugrađuje se pomoćna faza za zalet

koja je prostorno pomaknuta prema tzv. glavnoj fazi za neki kut. Tako se dobije

jednofazni motor s pomoćnom fazom za zalet.

Potezni moment direktno je proporcionalan faznom pomaku između struja glavne i

pomoćne faze.

Postoji više načina pokretanja jednofaznog asinhronog motora s pomoćnom fazom:

glavna i pomoćna faza spajaju se na različite izvore napona (nepraktično);

glavna i pomoćna faza priključuju se na jednofaznu

mrežu, a fazni pomak između struja glavne i

pomoćne faze ostvaruje se dodavanjem radne

otpornosti Rp u pomoćnu fazu;

glavna i pomoćna faza priključuju se na jednofaznu

mrežu, a fazni pomak između struja glavne i

pomoćne faze ostvaruje se dodavanjem

kondenzatora Cp u pomoćnu fazu.

rotor



Pokretanje s radnom otpornosti u pomoćnoj fazi

Karakteristike pokretanja:

mali fazni pomak između struje glavne i pomoćne faze mali potezni moment;

velike struje pokretanja;

isključenje pomoćne faze ovisno o iznosu struje u glavnoj fazi;

primjenjuje se za pokretanje motora manjih snaga (do nekoliko stotina vata).

Shema spoja i mehaničke karakteristike

rotor



Pokretanje s kondenzatorom u pomoćnoj fazi

Karakteristike pokretanja:

veći potezni momenti nego u prethodnom slučaju;

mogu se pokrenuti motori s priključenim opterećenjem;

pomoćna faza se isključuje nakon dostizanja cca 80 % nazivne brzine vrtnje.


rotor

rotor


Jednofazni kondenzatorski motor


Motor kod kojeg se kondenzator u pomoćnoj fazi ne mora isključiti nakon pokretanja,

odnosno kod kojeg je kondenzator u pomoćnoj fazi trajno uključen naziva se

jednofazni kondenzatorski motor.

Trajno uključeni kondenzator poboljšava radne i polazne (zaletne) karakteristike, koje

se približavaju karakteristikama trofaznih asinhronih motora.

Vrijednost kapaciteta kondenzatora za trajni rad iznosi cca 25 μF − 55 μF po jednom

kilovatu snage motora koji se priključuje na jednofaznu mrežu napona 230 V.

Napon na kondenzatoru znatno je viši od napona na koji se priključuje motor.

Naprimjer, za motor koji se priključuje na mrežu jednofaznog napona 230 V potrebno

je izabrati kondenzator s nazivnim naponom 450 V ili 550 V.

Shema spoja i fazorski dijagram napona i struja



Jednofazni kondenzatorski motor ima veći prekretni moment, faktor korisnosti i

faktor snage nego jednofazni motor bez pomoćne faze. Također ima veću snagu od

jednofaznog motora bez pomoćne faze istih dimenzija.

Kapacitet kondenzatora za trajni rad proračunava se tako da se u motoru osigura

simetrično okretno magnetno polje za nazivno opterećenje. Simetrično okretno polje

u motoru se osigurava ako su zadovoljeni sljedeći uvjeti:

naponi glavne i pomoćne faze međusobno pomjereni za električni kut od 90;

struje u glavnoj i pomoćnoj fazi proizvode ista protjecanja;

struje u fazama imaju isti fazni pomak u odnosu na odgovarajuće napone;

obje faze predviđene za trajni rad treba dimenzionirati na jednaku snagu.


Poboljšanje karakteristika pokretanja kod kondenzatorskog motora može se postići

uključenjem u pomoćnu fazu dodatnog kondenzatora za pokretanje koji se isključuje

nakon završenog zaleta.



rotor


Trofazni motor na jednofaznoj mreži


Standardni trofazni asinhroni motori mogu se priključiti na jednofaznu mrežu i

koristiti kao jednofazni motori. Za pokretanje se u krug namota statora dodaje

kondenzator koji ostaje uključen tokom rada motora.

Kapacitet kondenzatora proračunava tako da u motoru nastane simetrično okretno

magnetno polje. Simetrično okretno polje nastalo bi ako je fazor struje Ic fazno

pomjeren u odnosu na fazor napona Ubc za ugao 60. Približna vrijednost kapaciteta

kondenzatora je 75 F po jednom kilovatu nazivne snage motora koji se priključuje

na jednofaznu mrežu napona 230 V.

¯ ¯

Shema spoja i fazorski dijagram napona i struja

rotor



Međutim, potpuno simetrično okretno magnetno polje nije moguće postići. Zato su

radne karakteristike trofaznog motora u radu na jednofaznoj mreži lošije od radnih

karakteristika u radu na trofaznoj mreži jer postoji djelovanje inverznog magnetnog

polja i inverznog elektromagnetnog momenta.

Polazni moment iznosi 25 % nazivnog momenta, prekretni moment je manji, a gubici

su veći. Zato se trofazni motor, koji se predviđa za rad na jednofaznoj mreži, treba

opteretiti samo sa 75 % − 80 % nazivnog momenta.

Trofazni motori s kondenzatorom, priključeni na jednofaznu mrežu, koriste se za

pogon pumpi, ventilatora i ostalih sličnih uređaja manje snage.

Ako se paralelno

kondenzatoru za

trajni rad priključi i

kondenzator za

pokretanje, trofazni

motor, priključen na

jednofaznu mrežu,

imat će bolje

karakteristike pri

pokretanju.

Sheme spoja za pokretanje trofaznog motora na jednofaznoj mreži

Rad trofaznog motora bez jedne faze

rotor rotor



Ako se trofazni motor priključi na trofaznu mrežu bez jedne faze, u njemu će nastati

jednofazno pulzirajuće magnetno polje. Motor se neće moći samostalno pokrenuti.

Ako se u toku rada trofaznog motora na trofaznoj mreži s opterećenjem na osovini

desi prekid jedne faze, naprimjer uslijed izgaranja osigurača, motor će nastaviti

vrtnju u smjeru koji je imao prije prekida faze, ali će zbog djelovanja inverznog

momenta doći do smanjenja elektromagnetnog momenta motora.

Zato će biti povećana snaga koju motor uzima iz mreže, odnosno veći toplinski

gubici i veće zagrijavanje motora, što bi moglo dovesti, ako ne funkcionira termička

zaštita od preopterećenja, do izgaranja namota motora.


Posebni režimi rada asinhronog stoja

Asinhroni stroj kao pretvarač frekvencije

Asinhroni kliznokolutni stroj (stroj s namotanim rotorom) može proizvoditi trofazni

napon promjenljive frekvencije kojim se napaja trošilo priključeno na rotor takvog

stroja.

Asinhroni stroj kao pretvarač frekvencije

Stroj B je pomoćni stroj koji ima mehaničku sinhronu brzinu vrtnje okretnog polja nsB

i radi s klizanjem sB. Stroj A je pretvarač frekvencije mehaničku sinhronu brzinu

vrtnje okretnog polja nsA i radi s klizanjem sA. Rotori strojeva su međusobno vezani

preko osovine pa imaju istu brzinu vrtnje n.


Klizanje stroja A i mehanička brzina vrtnje zajedničke osovine određeni su izrazima:


sAA

sA

n ns =

n

sB B1n = n s

Ako strojevi A i B imaju pA i pB pari polova, tada je frekvencija f2A rotorskih napona

stroja A jednaka:

sB A2A A 1 B 1 B 1

sA B

1 1 1 1

n pf = s f = s f = s f

n p

Ako je stroj B polno preklopivi asinhroni motor s dvije brzine vrtnje, moguće je dobiti

četiri različite frekvencije rotorskog napona stroja A.


Asinhroni kliznokolutni stroj može se koristiti za dobivanje izlaznog napona čija se

amplituda može kontinuirano mijenjati u određenom opsegu, odnosno dobiva se

zakretni transformator.


Zakretni transformator

Shema spoja i fazorski dijagram napona

Okretno magnetno polje u namotima nepokretnog rotora inducira napon E2, a u

statoru napon E1:

2 2 2ph 14.44 E = N f 1 1 1ph 14.44E = N f


Napon mreže kod zakretnog transformatora se priključuje na rotorski namot, a trošilo

se priključuje na stezaljke statora. Izlazni napon zakretnog transformatora je:

Efektivna vrijednost izlaznog induciranog napona može se mijenjati od minimalne

vrijednosti:

do maksimalne vrijednosti:

Maksimalni izlazni inducirani napon dobije se ako rotor nije zakrenut u odnosu na

stator (meh = 0), a minimalni izlazni inducirani napon postiže se ako je rotor

zakrenut u odnosu na stator za ugao meh = 180.

Zakretni transformator na rotorskoj strani mora imati mehanizam koji dozvoljava

kontrolirano pomjeranje rotora, kako bi se mogao regulirati izlazni napon, a zatim

ukočenje rotora u željenom položaju kako bi se spriječilo njegovo okretanje.

Nedostaci zakretnog transformatora u odnosu na klasični transformator su: veća

struja magnetiziranja, veći napon kratkog spoja zbog postojanja zračnog raspora,

pojava zakretnih momenata uslijed kojih dolazi do mehaničkih udara na osovini, viša

cijena radi komplicirane izvedbe pogonskog mehanizma za pokretanje i kočenje

rotora.


1 2E = E E

zmin 1 2E = E E

zmax 1 2E = E E

Documents

ELEKTRICNE_MASINE_PREDAVANJE_8_2013_2014