ELEMENTI, VRSTE I STANJA ELEKTROMOTORNIH POGONA

Do kraja devetnaestog vijeka u industriji su bili parni strojevi i vodene turbine glavni izvor mehaničke energije za pogon radnih mehanizama. Takvi strojevi su se ugradivali na izvor energije (pare, vode), a dobivena mehanička energija se koristila direktno ili se, znatno češće, prenosila pomoću raznih prenosnih elemenata na transmisijske osovine. Od glavne transmisijske osovine razvodila se mehanička energija direktno na radne strojeve, ili na pomoćne transmisijske osovine sa kojih se prenosila na radne strojeve. Svaki stroj je obično imao još nekoliko remenastih i zupčastih prenosa u svrhu pokretanja svih dijelova radnog stroja.I pogon parnim klipnim strojem i pogon vodenom turbinom bio je neprikladan iz više razloga. To je vjerojatno jedan od razloga što se tražio bolji stroj iz kojeg se može dobiti mehanički rad na prikladniji način. Pokazalo se, da se električnim motorom mogu izbjeći nedostaci parnog stroja i vodene turbine.

Prednosti elektromotra pred drugim motorima bile su brzo uočene i njegov prodor i primjena je bila veoma brza. Svakako da tako veliki prodor elektromotra ne treba tražiti samo u njegovim izvanrednim tehničkom osobinama, nego i u ekonomskim razlozima, a u novije vrijeme i zbog brige za očuvanje čovjekove okoline. Elektromotorima nije potrebno gorivo, ne stvaraju ispušne plinove i ne zagađuju atmosferu. Također buka u usporedbi s ostalim pogonskim strojevima je neznatna.

Današnja moderna industrijska proizvodnja se ne može zamisliti bez elektromotornih pogona (EMP). Njima se može lagano upravljati. Oni omogućuju, zahvaljujući razvoju i primjeni drugih tehničkih disciplina, ekonomično rješenje u automatizaciji mnogih proizvodnih procesa. U relativno kratkom vremenskom periodu od prvih jednostavnih EMP do današnjih najmodrnijih, reguliranih i elektroničkim računarom vođenih EMP postoji vrlo intenzivan razvojni put, ne samo glavnog elementa EMP elektromotora nego i drugih tehničkih disciplina.

OSNOVNA RJEŠENJA EMP U praksi se najčešće pojavljuju sljedeća tri rješenja elektromotornih pogona:• Jednostavni naizmjenični EMP,• Istosmjerni EMP,• Naizmjenični EMP sa elektroničkim pretvaračima,Kao što se može vidjeti sa slike, jednostavni naizmjenični EMP čine: izvor naizmjenične energije, elementi za prenos naizmjenične energije od izvora do elektromotora, elektromotor kao pretvarač električne energije u mehaničku (ME), te mehanički elementi koji prenose mehaničku energiju od osovine elektromotora do radnog stroja i radni stroj odnosno radni mehanizam. Navedeni elementi čine tzv. energetski krug EMP. Osim energetskog kruga postoje i krugovi upravljanja, regulacije, signalizacije i dojave, mjerenja i zaštite.

Jednostavni naizmjenični EMP

EE - Izvor naizmjenične električne energije (električna mreža), ME - Mehanička energija koju proizvodi elektromotor, M – Elektromotor naizmjenične struje, RS – Radni stroj (radni mehanizam), P – Učinska sklopka ili kontaktor, U – Upravljački elementi, R – Elementi za regulaciju, S – Elementi za signalizacije i dojave,

Mj – Elementi za mjerenje pojedinih veličina EMP Z – Elementi za zaštitu

IIstosmjerni EMP, prikazan samoenergetski krug EMP

EE – Trofazna el.mreža naizmjenične struje,EE – Istosmjerna električna mreža (izvor),I – Ispravljač naizmjeničnog napona u istosmjerniM – Istosmjerni motor

Naizmjenični EMP sa pretvaračima frekvencije (PF)

EE - Naizmjenična trofazna mrežaPF – Pretvarač naizmjeničnog napona frekvencije f1 u naizmjenični napon frekvencije f2

ME – Mehanička energija na osovini pogonskog motoran – Broj okretajaM – Moment elektromotoraMt – Moment kojim se RS suprostavlja pogonskom motoru

STATIČKO I DINAMIČKO STANJE EMPOpća jednadžba gibanja rotirajućih masa EMP ima oblik M = 0Momenti koji djeluju na osovinu elektromotra jedog EMP su:• moment elektromotra M sa smjerom djelovanja koji zahtjeva radni stroj,• moment tereta Mt kojim se radni stroj suprostavlja pogonskom elektromotoru

preračunan na osovinu elektromotra i ima smjer djelovanja suprotan momentu elektromotora,

• moment ubrzanja (ili usporenja) Mu kojim sve zamašne mase pogona djeluju

na osovinu elektromotra Uvrste li se svi navedeni momenti u prethodnu jednadžbu dobije se da je:

gdje je: J - moment tromosti (inercije) svih gibajućih dijelova reduciran na osovinu elektromotora; = 2 n – kutna brzina; n - brzina vrtnje osovine elektromotora; - kutno ubrzanje.

JdtdJMMM tu

Prethodnom jednadžbom mogu se obuhvatiti svi procesi gibanja elektromotornog pogona u stacionarnom (n = konstantno) i dinamičkom stanju (n 0).Kod stacionarnog pogonskog stanja EMP u mehaničkom smislu, moment motora M i moment tereta Mt radnog stroja su međusobno jednaki M = Mt pa su zato stanje karakteristični odnosi = konst; n = konst; d/dt = 0; dn/dt = 0; = 0 i Mu = 0.Prelaz od jednog na drugo stacionarno stanje EMP nužno dovodi do mehaničkih prelaznih pojava elektromotornog pogona. U tom slučaju radi se o dinamičkom stanju EMP u mehaničkom smislu i tada nije ispunjen uvjet jednakosti momenta motora M i momenta tereta Mt , pa je tada M Mt . Tada je moment ubrzanja jednak razlici momenata Mu = M – Mt ,odnosno vrijede odnosi

0)(;0)( uu MfdtdnMf

dtd

Statička i dinamička stanja EMP u mehaničkom smislu međusobno se neprekidno izmjenjuju. Nemoguće je dovesti EMP u bilo koje stacionarno stanje, ili ga izvesti iz njega, a da se ne prođe kroz dinamičko stanje. U elektromotornim pogonima obično se ova dva stanja proučavaju odvojeno polazeći od lakših statičkih stanja na teža i složenija dinamička stanja.Za razumjevanje stacionarnih i dinamičkih odnosa EMP, a pogotovo za njihovo pokretanje i proračun, moraju biti poznate pogonske karakteritike radnog stroja (radnog mehanizma) i elektromotora.

KARAKTERISTIKE RADNIH STROJEVA

Razlikuju se dva karaktera momenta tereta: reaktivni i potencijalni.Reaktivni moment tereta opire se svakom kretanju i uvijek mijenja smjer djelovanja kada se mijenja smjer gibanja

Moment tereta (Mt): a) raktivni; b) potencijalni

Reaktivni moment tereta opire se svakom kretanju i uvijek mijenja smjer djelovanja kada se mijenja smjer gibanja(slika a)Potencijalni moment tereta zadržava smjer djelovanja nezavisno o smjeru vrtanje (slika b), jer njegovo djelovanje ovisi o potencijalnoj energiji sistema

Ovisno o karakteru promjene momenta tereta, radni mehanizmi se mogu svrstati u sljedeće četiri grupe:a)Radni mehanizmi kojima se moment tereta može prikazati kao funkcija brzine vrtnje Mt = f(n) ; Mt = f () .To su npr. dizalice, liftovi, transportne trake i uređaji, centrifugalne pumpe, kompresori i drugi njima slični radni mehanizmi. Ovo je najrasprostranjenija grupa radnih mehanizama;b)Radni mehanizmi kojima je moment tereta funkcija brzine vrtnje i vremena Mt = f (n, t) .Mnogi radni procesi prestavljaju periodički promjenljivo opterećenje. Ono može biti dano ili programom kao npr. kod valjačkih stanova, numerički upravljanih strojeva itd., ili može biti slučajno kao što je to npr. pri električnoj vuči, kod dorbilica i mlinova sa kuglama, itd.;c)Radni mehanizmi kod kojih je moment tereta funkcija brzine vrtnje i kuta zakreta rotirajućeg dijela mehanizma ili rotora elektromotora: Mt = f (n, ) .d)Radni mehanizmi kojima je moment tereta funkcija brzine vrtnje, vremena i drugih fizikalnih veličina kao što su položaj, put, materijal itd.Mt = f (n, t ...)Mehanizmi ovog karaktera su malobrojni, a svaki od njih ima svoje specifičnosti (npr. centrifuge, strojevi za obradu kože, mješalice u industriji guma itd.).

Dijagram momenta opterećenja Mt klipnog kompresora

Kao primjer vrste radnih mehanizama Mt = f (n, ) može se promatrati

klipni kompresor kod kojega se sa stapajem mijenja snaga klipa. Osim toga pomicanjem klipa nastupa, zbog ubrzavanja ili usporavanja masa, moment tereta ovisan o kutu zakreta . Na slici je pokazan, kao primjer, dijagram Mt klipnog kompresor Ova promjena momenta tereta

daje i neravnomjernu rotaciju. Ako se sa max označi najveća, a sa

min najmanja kutna brzina, tada je stupanj nejednolikosti definiran

izrazom ,2minmin

minmax

JK

MEHANIČKE KARAKTERISTIKE RADNIH MEHANIZAMAMehanizmi a) i b) grupe su najbrojniji. Čine preko 90 % svih radnih mehanizama.Ovisnost Mt = f(n) i Mt = f (), odnosno n = f (Mt) ili = f (Mt) naziva se statička ili mehanička karakteristika radnog

mehanizma. Općenito ovisnost momenta tereta radnih mehanizama o brzini vrtnje može se prikazati izrazomgdje je: Mo – moment trenja,

MtN – nazivni ili nominalni moment tereta radnog mehanizma

k' – faktor opterećenja, n – trenutna brzina vrtnje, nN – nazivna brzina vrtnje,

- eksponent čija veličina može biti 0, 1, 2, -1.

NotNot n

nMMkMM '

Zanemari li se moment trenja Mt prethodna jednadžba poprima

jednostavni oblik

Obzirom na iznos vrijednosti u izrazu postoje četiri različita oblika mehaničkih karakteristika radnih mehanizama. Pri tome je: iU promatrana četiri slučaja razlikuju se:a)Mehanizam čiji moment tereta ne ovisi o brzini vrtnje. U tom slučaju

u izrazu za Mt uvrštava se iznos = 0. Takvi radni mehanizmi su vrlo česti i među njih spadaju dizalični mehanizmi, transportni uređaji s konstantnim teretom, valjački stanovi, strug sa konstantnim presjekom strugotine i slično. Budući da je moment tereta neovisan o brzini vrtnje (Mt = konst. pogonska snaga, koja je općenito jednaka P = M, može se u reduciranom obliku prikazati

tj. snaga raste linearno s brzinom vrtnje.

.'

NtNt n

nMkM

NtNtttNtt PPPMMM /,/,/ Nnnn /

nPt

b) Mehanizam čiji je moment tereta linearno ovisan o brzini vrtnje Tada je = 1. U tu grupu spadaju motalice za papir, tekstil ili metal. Uvrštavajući = 1 u izrazu za Mt dobije se da je

pogonska snaga ovih mehanizama data je izrazom i raste sa kvadratom brzine.c) Mehanizmi čiji je moment tereta Mt nelinearno ovisan o brzini vrtnje (najčešće je = 2). Slika prikazuje tu ovisnost. Takva mehanička karakteristika se često naziva centrifugalna ili ventilatorska. Mehanizmi, koji imaju takvu karakteristiku su veoma česti. U tu grupu spadaju mehanizmi kao što su centrifugalne pumpe i kompresori, ventilatori, centrifuge, otpor zraka kod vozila itd.Budući da moment tereta raste kvadratično s brzinom vrtnje pogonska snaga raste s trećom potencijom brzine vrtnje

,nM t

22 nPt

,22 nM t .33 nPt

Karakteristike opterećenja radnih strojeva a)konstantni moment, b) linearno rastući moment,c) kvadratično rastući moment, d) konstantna snaga

d)Mehanizmi konstantne snage, čiji je moment tereta obrnuto proporcionalan brzini vrtnje. U tom slučaju je = 1. Takvu ovisnost prikazuje karakteristika na (slika d). U tu grupu mehanizama spadaju ljuštilice, strojevi za obradu metala itd. S obzirom da je moment tereta obrnuto proporcionalan s brzinom vrtnje pogonska snaga je konstantna (Pt = konst, Pt=1).

Mehaničke karakteristike radnih strojeva su jedan od osnovnih elemenata na osnovu kojih projektant kod projektiranja pogona vrši izbor vrste pogonskih elektromotora radnih mehanizama.

nM t

11