Sinkroni i asinkroni motori

Aktuatori Osnovni pojmovi Elektromagnetski aktuatori Istosmjerni motori

Izvedba i princip rada Nezavisno uzbuđeni motor Serijski uzbuđeni motor Složeno uzbuđeni motor Upravljanje brzinom vrtnje Dinamičke karakteristike

22.10.2010.

2

Predavanje 7 - EAP

Sinkroni strojevi Sinkroni motori

Asinkroni strojevi Asinkroni motori

22.10.2010.

3

Predavanje 7 - EAP

Sinkroni strojevi su strojevi izmjenične struje koji imaju brzinu vrtnje n čvrsto određenu s frekvencijom f i brojem pari polova p prema:

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

22.10.2010.

4

Predavanje 7 - EAP

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

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

Istosmjerni se izvor priključuje preko kliznih kolutova i četkica (kontaktno) ili se preko inverznog stroja i rotorskog ispravljača ostvaruje bezkontaktni prijenos energije za uzbudu.

Kod manjih strojeva mogu se za uzbudu koristiti i permanentni magneti.

Umjesto tiristorskog ispravljača nekad je služio istosmjerni generator.

22.10.2010.

5

Predavanje 7 - EAP

Bezkontaktni prijenos energije za uzbudu

22.10.2010.

6

Predavanje 7 - EAP

Da bi se inducirao napon u armaturnom namotu sinkronog generatora treba postojati vremenska promjena magnetskog toka.

Prolazom istosmjerne uzbudne struje kroz uzbudni namot, uzbuđuje se konstantni magnetski tok koji je nepokretan kada rotor miruje, a rotirajući kad rotira.

Pri rotaciji uzrokovanoj pogonskim strojem (npr. turbina) magnetski tok polova presjeca vodiče statorskog namota u kojima se inducira izmjenični napon karakteriziran frekvencijom, oblikom i iznosom.

Frekvencija induciranog napona određena je izrazom:

22.10.2010.

7

Predavanje 7 - EAP

Oblik induciranog napona obično odstupa od sinusnog za niz nepoželjnih viših harmoničkih članova.

Da bi se u trofaznom sinkronom generatoru inducirala tri fazna napona međusobno pomaknuta za 120°, moraju u utorima statora biti smještena tri fazna armaturna namota čiji su početni zavoji prostorno međusobno pomaknuti za kut:

22.10.2010.

8

Predavanje 7 - EAP

Raspored dvopolnog trofaznog namota

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

Brzina vrtnje je sinkrona i određena izrazom:

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

22.10.2010.

9

Predavanje 7 - EAP

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

22.10.2010.

10

Predavanje 7 - EAP

Glavne karakteristike sinkronog motora:- konstantna brzina vrtnje- veća specifična težina i specifična cijena od asinkronog motora- ako se poveća uzbuda (preuzbuda) može popravljati faktor snage cosφ*- ne može se pokrenuti bez prigušnog namota- brzina vrtnje može se podešavati samo promjenom frekvencije- kod velikih opterećenja ispadne iz sinkronizma

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

22.10.2010.

11

Predavanje 7 - EAP

Asinkroni strojevi su strojevi izmjenične struje kod kojih je brzina vrtnje različita od brzine vrtnje okretnog polja i mijenja se s promjenom opterećenja.

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

22.10.2010.

12

Predavanje 7 - EAP

Asinkroni motor otkrio je Nikola Tesla 1882. godine.

Asinkroni motori najviše se koriste od svih električnih motora.

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

Zahvaljujući razvoju frekventnih pretvarača, u posljednje vrijeme počeli su prevladavati i u pogonima s regulacijom brzine vrtnje.

Asinkroni motori se uglavnom izrađuju i koriste kao trofazni motori, koji na statoru imaju trofazni simetrični namot.

22.10.2010.

13

Predavanje 7 - EAP

Ovisno o izvedbi rotora trofazni asinkroni motori dijele se na:

- kolutne asinkrone motore, koji na rotoru imaju trofazani simetrični namot,

- kavezne asinkrone motore, kojima je rotorski namot izveden u obliku kaveza.

Jednofazni asinkroni motori izrađuju se samo za manje snage i u glavnom se ne primjenjuju u industriji, već u kućnim aparatima. Imaju kavezni rotor, a na statoru osim glavnog namota imaju i pomoćni namot koji služi za stvaranje okretnog polja.

Magnetski krug asinkronog motora sastoji se kao i kod ostalih rotacionih strojeva od nepokretnog dijela ili statora i pokretnog dijela ili rotora.

22.10.2010.

14

Predavanje 7 - EAP

Izvedba kolutnog asinkronog motora

22.10.2010.

16

Predavanje 7 - EAP

1. Statorski paket2. Statorski namot3. Rotorski paket4. Rotorski namot5. Osovina6. Klizni koluti7. Ventilator8. Ležaji9. Kućište

Statorski namot

22.10.2010.

17

Predavanje 7 - EAP

Glava statorskog

namota

Statorski paket

Statorski utor

Kućište

Kolutni asinkroni motor

22.10.2010.

18

Predavanje 7 - EAP

Držači četkica

Četkice

Klizni koluti

Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

Konstrukcija statora i izvedba njegovog namota jednaka je kolutnom motoru.

U utorima kaveznog rotora smješteni su štapovi koji su na obje strane rotora spojeni ukratko pomoću dva prstena, tako da cijeli namot tvori zatvoreni kavez.

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

22.10.2010.

19

Predavanje 7 - EAP

Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

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

Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specifično najlakši i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najčešće korišteni elektromotor.

Kavezni namot je jednofazni i višefazni, a broj pari polova kaveznog rotora prilagođuje se broju pari polova statorskog namota.

22.10.2010.

20

Predavanje 7 - EAP

22.10.2010.

21

Predavanje 7 - EAP

Odstranjen prsten

Ležaj

OsovinaRotorski štap

VentilatorKratkospojni prsten

Skošenje štapova Kavezni rotor

22.10.2010.

22

Predavanje 7 - EAP

Princip radaStatorski namot sastoji se od tri fazna namota koji su izvedeni

tako da su njihove geometrijske osi prostorno pomaknute za 1200.

Na trofazni statorski namot narinu se simetrični sinusni fazni naponi (uas, ubs, ucs) koji su vremenski fazno pomaknuti za 1200.

Kroz fazne namote proteku struje (ias, ibs, ics) istih amplituda i faznog pomaka od 1200.

uas

icr

ucs

ics

ubs

ibs

iar

ibr

ias

ias ibs ics

ωst

22.10.2010.

23

Predavanje 7 - EAP

Princip rada• Zbog prostornog pomaka faznih namota od 1200 i vremenski fazno

pomaknutih struja od 1200, sve tri struje stvaraju jedinstveno okretno magnetsko polje koje se vrti (rotira) sinkronom brzinom:

gdje je fs-frekvencija statorskih struja,

p- broj pari polova statorskog namota.

Sinkrona brzina izražena u (rad/s) je: ωs=2πfs/p

uas

icr

ucs

ics

ubs

ibs

iar

ibr

ias

ias ibs ics

ωst

nf

pss 60 1, m in

22.10.2010.

24

Predavanje 7 - EAP

Princip rada

Ukoliko je motor neopterećen brzina je približno sinkrona (ns), a opterećenjem motora brzina mu opada na vrijednost n.

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

Nakon definicije klizanja, brzina vrtnje može se izraziti kao: n=(1-s)ns

Frekvencija rotorskih napona i struja proporcionalna je klizanju: fr=s·fs

Inducirani napon u rotorskim namotima je: Er=s·Er0, gdje je Er0 inducirani napon u rotoru dok rotor miruje (n=0, s=1).

sn n

ns

s

s

s

22.10.2010.

27

Predavanje 7 - EAP

Bilanca energije asinkronog motora

Pri pretvorbi energije u različitim dijelovima stroja javljaju se gubici.

U asinkronom stroju to su gubici u bakru statorskog i rotorskog namota zbog toplinskog djelovanja struje, zatim gubici u željeznoj jezgri statora i željezu rotora zbog vrtložnih struja i histereze, mehanički gubici koji nastaju trenjem u ležajevima, trenjem s okolnim zrakom (ventilator), te dodatni gubici…

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

22.10.2010.

28

Predavanje 7 - EAP

Bilanca energije asinkronog motora

Omjer između čiste mehaničke snage P2 i primarne snage P1 koju motor uzme iz mreže predstavlja korisnost motora

22.10.2010.

29

Predavanje 7 - EAP

Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

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

M

s

s

s

s

epr

pr

pr

2

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

momentu)

22.10.2010.

30

Predavanje 7 - EAP

Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji Uz konstantne

parametre motora prekretni moment je:

gdje su:

K – konstanta ovisna o parametrima motora

p – broj pari polova

M K pU

prs

s

2

2

Me

ωωs

s

1 s pr 0

0

Mpr

Mp

nestabilno područje

stabilno (radno) područje

22.10.2010.

31

Predavanje 7 - EAP

Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

Potezni moment Mp mora biti veći od momenta tereta (momenta opterećenja), da motor može krenuti.

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

22.10.2010.

32

Predavanje 7 - EAP

Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

Me

ωωs0

Mt1

Mp Mt2

Mt3

Stacionarna brzina vrtnje ω < ωs

M

Na slici su prikazane tri različite karakteristike momenta tereta, pri čemu je za Mt1 i Mt2 moguće izvršiti zalet motora i uspostaviti stacionarnu radnu točku, dok to nije moguće za Mt3 budući da je potezni (početni) moment motora (Mp) manji od momenta tereta.

Stacionarna radna točka: Me= Mt

22.10.2010.

33

Predavanje 7 - EAP

Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

Me

ωωs0

Mt1

Mp Mt2

Mt3

Stacionarna brzina vrtnje ω < ωs

M• Mt1 - kvadratna

karakteristika tereta (ventilator, crpka, ...)

• Mt2 , Mt3 – konstantan moment tereta (dizalo, ...)

Stacionarna radna točka: Me= Mt

22.10.2010.

35

Predavanje 7 - EAP

Reverziranje (promjena smjera) brzine vrtnje

Smjer vrtnje okretnog polja i brzine vrtnje određen je redoslijedom faza. Želimo li ga promijeniti, dovoljno je međusobno zamijeniti priključke 2 od 3 fazna namota trofaznog motora. To se obično radi primjenom dva sklopnika prema slici :

S2

M 3 ~

L1L2L3

S1

ωs- ωs

ω

M

+ ωs- ωs

S2

S1

22.10.2010.

36

Predavanje 7 - EAP

Reverziranje (promjena smjera) brzine vrtnje

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

S2

M 3 ~

L1L2L3

S1

ωs- ωs

ω

M

+ ωs- ωs

S2

S1

22.10.2010.

37

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje

Brzinom vrtnje asinkronog motora moguće je upravljati na sljedeće načine:

- promjenom efektivne vrijednosti napona statora- promjenom broja pari polova- dodavanjem otpora u rotorski krug (samo kod kolutnih

motora)- promjenom frekvencije i napona statora – najkvalitetnije

upravljanje

Ako tehnološki proces tako zahtjeva, upravljanje (regulacija) brzine može biti neophodna i prema tom zahtjevu bira se čitava struktura elektromotornog pogona (uređaj za napajanje motora, motor, senzori, regulacijski elementi).

22.10.2010.

38

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje

Principna struktura suvremenog elektromotornog pogona

22.10.2010.

39

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

Efektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja (α) tiristorskog pretvarača, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan kvadratu napona, M=k Us

2

Nedostatak ovog upravljanja je usko područje regulacije i povećani gubici motora.

M 3 ~

L2L3

us

L1

α

t

us

22.10.2010.

40

Predavanje 7 - EAP

Efektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja (α) tiristorskog pretvarača, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.

Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan kvadratu napona, M=k Us

2

Nedostatak ovog upravljanja je usko područje regulacije i povećani gubici motora.

ωωs0

Usn

M

Mn

2

1

0,8Usn

ω2

ω1

Mt

ω1< ω2 < ωs

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

22.10.2010.

41

Predavanje 7 - EAP

Statorski namot je posebno projektiran tako da se njegovim prespajanjem dobiva namot s različitim brojem polova, čime se mijenja sinkrona brzina vrtnje:

Različitim spojevima mogu se postići različite brzine, momenti i snage

Primjer: Dahlanderov spoj - statorski namot s šest namotaja –a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

nf

pss

60

R

T SR

ST

a)

b)

22.10.2010.

42

Predavanje 7 - EAP

Primjer: Dahlanderov spoj - statorski namot s šest namotaja –a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

n

0

M

Mn

2

1 Mt

750 1500

p = 2p = 4

n1 n2

22.10.2010.

43

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom frekvencije

Brzina je direktno proporcionalna frekvenciji

Frekvencija se mijenja pomoću frekvencijskog pretvarača, koji proporcionalno frekvenciji istovremeno mijenja i napon statora, tj. održava omjer Us / fs = konst.

n n sf

pss

s ( ) ( )160

1

M 3 ~

L1L2L3

f1 = 50 Hz

=

=

0 < fs < fsmax

≈

≈

Frekvencijski pretvarač

kU

fkonsts

s

.

22.10.2010.

44

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom frekvencije

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

Magnetski tok u motoru približno je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i napon.

M 3 ~

L1L2L3

f1 = 50 Hz

=

=

0 < fs < fsmax

≈

≈

Frekvencijski pretvarač

kU

fkonsts

s

.

22.10.2010.

45

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom frekvencije

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

Magnetski tok u motoru približno je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i napon.

n

0

M

Mn

2

1 Mt

fs = 50 Hz

n1 n2

fs = 25 Hzfs = 10 Hz

n3

22.10.2010.

46

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

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

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

Pomoću frekvencijskog pretvarača brzinu asinkronog motora moguće je regulirati i za brzine veće od nazivne (fs > fsn), ali u tom području nije moguće povećavati napon po zakonu Us / fs = konst., već se napon drži jednak nazivnom (Us=Usn).

Zbog toga se povećanjem frekvencije smanjuje magnetski tok i maksimalni moment motora, a taj se režim naziva “režim slabljenja magnetskog toka”

22.10.2010.

47

Predavanje 7 - EAP

Upravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

n

M

Mn

2

1

fsn = 50 Hz

fs fsn

Usn

Us

ΦUs Φ

fs4

fs5

fs6

fs1 fs2