mr. sc. Maja Krčum

EKSPLOATACIJA BRODSKIH ELEKTRIČNIH STROJEVA I UREĐAJA I

I DIO

SADRŽAJ:

1. UVOD 1.1. Elektrotehnička regulativa 1.2. Tehničko tehnološke specifičnosti i karakteristike brodova

2. BROD – STRUJNI KRUG 2.1. Izvori električne energije 2.2. Razvod i razdioba električne energije 2.3. Trošila 2.4. Neke specifičnosti za brodske električne strojeve 3. ELEKTRIČNI STROJEVI 3.1. Osnovna podjela električnih strojeva 3.2. Teorija električnih strojeva 3.3. Princip rada elementarnog električnog stroja 3.4. Osnovni dijelovi električnog stroja 3.5. Zagrijavanje i hlađenje električnih strojeva 3.6. Pogonska stanja električnih strojeva 4. TRANSFORMATORI 5. SINKRONI STROJEVI 6. ASINKRONI STROJ 7. ISTOSMJERNI STROJEVI

1

1. UVOD Brod – osim ratnog, je ploveći objekt namijenjen za plovidbu morem (duljina mu je jednaka 12 m ili veća i bruto tonaža je jednaka ili veća od 15, a ovlašten je za prijevoz više od 12 putnika). U osnovi brod služi za prijevoz putnika i tereta (putnički, ro-ro putnički brod, teretni, ro-ro teretni, brod za rasuti teret, za rudaču, za cement, za mješoviti teret, kontejnerski, različiti tankeri...) , za ribolov (ribarski brod), za tegljenje (za tegljenje i spašavanje drugih plovećih ili plutajućih objekata), brod za opskrbu, školski brod (građen je i namijenjen je isključivo za praktičnu obuku pomoraca), istraživački brod, tehnički ploveći objekt ( namjena mu je za obavljanje tehničkih radova),te plutajući objekt koji nije namijenjen za plovidbu već je stalno usidren, privezan ili položen na dno (plutajući dok, plutajuća elektrana, skladište, restoran, pontonski most, pontonska marina). On je složeni proizvod odnosno složeno prijevozno sredstvo koje mora biti sposobno i smo sebi dovoljno (na moru) da u dužem vremenskom periodu ima visoki stupanj sigurnosti, pouzdanosti i efikasnosti. Brodar - fizička ili pravna osoba koja je kao držitelj broda nositelj plovidbenog pothvata odnosno vlasnik broda, mora osigurati da je stanje broda i održavanje njegove opreme, takvo da u svakom pogledu brod ostane sposoban za plovidbu bez opasnosti za brod, osobe na brodu, teret i okoliš. Očito je da je brodski sustav složen i on obuhvaća detaljnu analizu i integriranost kako u razvoju (projektiranju), tako i u gradnji te održavanju, različitih područja tehnike(strojarstvo, brodogradnja, elektrika, kemija ...) ekonomije i prava. Osnovni cilj je da se ostvari funkcionalno djelovanje na ili ispod vodene površine. Brodske mehaničke, električne i strukturne izvedbe su raznovrsne i još se dodatno kompliciraju činjenicom da taj brod se u određenim područjima namjerava i iskorištavati. Električna oprema koja se ugrađuje na brodu mora, bilo da se radi o opremanju novogradnje ili opremanju brodova u smislu modernizacije ili rekonstrukcije, udovoljiti određenim tehničkim zahtjevima. Sva električna oprema i uređaji moraju biti proračunati na trajan i siguran rad u određenim klimatskim i mehaničkim uvjetima. Specifičnost električnog sustava broda proizlazi iz uvjeta okoline , propisa klasifikacijskih ustanova, autonomnosti i veličine električnog sustava, utjecajnih faktora te tehničko tehnoloških karakteristika. 1.1. Elektrotehnička regulativa Tehnička regulativa – je skup pisanih pravila koja se smatraju priznatim pravilima tehnike , a izdaju se u obliku propisa ili standarda. Primjena odredbi propisanih tehničkom regulativom je obavezna , a osigurava se državnom prinudom. Za pomorske brodove je to u Hrvatskoj Hrvatski registar brodova koji propisuje zahtjeve u svezi nadzora nad gradnjom koji obuhvaća odobrenje tehničke dokumentacije broda i nadzor gradnje broda kod graditelja. Tehničkom regulativom su na međunarodnom i nacionalnom planu regulirana: - sredstva zajedničkog izražavanja (rječnici, grafički simboli, mjerne jedinice...) - usklađeni pokusi i ispitivanja proizvoda, unificira se označavanje podobnosti i funkcionalnosti; - riješen problem nivoa kvalitete proizvoda i funkcionalnost na osnovi propisanih ispitivanja; - rješava problem veličine i oblika pojedinih proizvoda koji su sastavni dijelovi složenih proizvoda (omogućava se serijska proizvodnja); - rješava problem sigurnosti za ljudske živote kada su oni u opasnosti od tehničkih proizvoda ili uređaja ili od produkata koji ti uređaji proizvode. Dosljednim provođenjem tehničke regulative električna energija postaje bezopasna i njena upotreba postaje svugdje moguća. Propis je dokument čija je primjena obavezna i koji sadrži zakonska , podzakonska ili administrativna pravila a donio ga je i objavio nadležni organ. Tehnički uvjeti su dokument koji određuju karakteristike nekog proizvoda ili usluge (kao npr. nivo kvalitete, eksploatacijske karakteristike, sigurnost i ostale mjere). Može sadržavati terminologiju, simbole ispitivanja i postupke ispitivanja, odredbe o pakiranju i sl. tehnički uvjeti mogu biti u obliku upute. Standard su tehnički uvjeti, ili drugi dokumenti dostupni javnosti, a pripremljeni su u suradnji svih zainteresiranih i na osnovi njihove suštinske suglasnosti ili odobrenja, zasnovani na

provjerenim rezultatima znanosti, tehnike i prakse čiji je cilj postizanje optimalne koristi društva, a doneseni su od strane nadležnog na nacionalnom, regionalnom ili međunarodnom nivou. To je neka vrsta dogovora, konvencije između proizvođača i potrošača o određenim karakteristikama proizvoda. Standard ne obuhvaća sve do u detalje već samo minimalne kvalitete koju jedan proizvod treba postići, jer bi time bile zakočena invencija konstruktora koji u skladu s tim standardom stvara odgovarajući proizvod. Standardizacija je sistemska djelatnost na izradi i afirmaciji standarda. Ciljevi standardizacije : - sigurnost pri upotrebi predmeta, zaštita zdravlja i života; - usklađivanje razvoja nacionalne privrede s razvojem u svijetu, koristeći međunarodnu suradnju na standardizaciji (priključnica, žarulje...) - racionalno smanjenje asortimana proizvodnje (presjeci vodiča, vijci...); - zaštita interesa potrošača – potrošač mora biti siguran da kupuje proizvod određene kvalitete ( otpor vodiča, el. motori, gorivo ...). Tehničke smjernice ili preporuke su zahtjevi odnosno podaci čija primjena nije obvezna već se preporučuje. Nakon dužeg provjeravanja određene tehničke smjernice mogu postati i tehnički propisi. Znakovi kvalitete i sigurnosti – razvojem tehnike ukazala se potreba uvođenja niza znakova za kvalitetu sigurnost kao na slici 1.1. a) b)

2

Slika 1.1 . Znakovi kvalitete i sigurnosti

Tipizacija je izvod za standard i on je strogo definiran. Npr. poduzeće za distribuciju električne energije ima svoje interesne standarde koji su stroži od službenih, jer službeni zahtjeva minimum kvalitete i ne definiraju do detalja proizvod ili izradu. Tipizacijom se postiže veća pogonska spremnost, manje teškoće u održavanju, znatno suženje asortimana materijala, lakša nabava i manja angažiranost kapitala i smanjenje troškova. Međunarodna tehnička regulativa – podrazumijeva međunarodne organizacije koje se bave izdavanjem preporuka kao osnova za usklađivanje regulative pojedinih država. Tako npr. postoji ISO (International Standard Organization) – međunarodna organizacija za standardizaciju, IEC (International Electrotehnical Commision) međunarodna organizacija za područje elektrotehnike , IMO (International Maritime Organization) – međunarodna pomorska organizacija 1.1.1. Elektrotehnički grafički simboli Pogonska sredstva, njihovi dijelovi na nacrtima i shemama prikazuju se grafičkim simbolima, koji se određuju tehničkom regulativom. Na slikama 1.2. i 1.3. su prikazane mogućnosti označavanja simbolima i nekoliko grafičkih simbola.

Slika 1.2. Prikazivanje simbolima

Slika 1.3. Neki grafički simboli

Električne sheme, planovi, dijagrami i tablice Električne sheme, planovi, dijagrami i tablice su sastavni dijelovi tehničko-projektne

Slika 1.4. Klasifikacija električnih shema u skladu s DIN 40719/73

3

dokumentacije. Električna shema je crtež gdje se električnim simbolima, pojednostavljenim konstrukcijskim crtežima i slikama prikazuje odgovarajući električni aparat ili sklop, a također se i električnom shemom prikazuje i način djelovanja, tok struje ili spajanje vodova (slika 1.4.). Pregledna shema je pojednostavljeno prikazivanje najvažnijih dijelova postrojenja ili jednog dijela postrojenja s funkcionalnim međuvezama zbog jednostavnijeg razumijevanja kao što je prikazano na slici 1.5.

Slika 1.5. Pregledna shema pogona Slika 1.6. Strujna shema upravljanja asinkronog motora asinkronim motorom Strujna shema – prikazuje tok struje sa svim kontaktima i detaljima. Redoslijed kontakata je isključivo prema električnoj funkcionalnosti, a položaj pojedinih aparata i kontakata na shemi je neovisan o njihovom stvarnom položaju na samom uređaju tj. aparatu (stezaljke i spojna mjesta se mogu ucrtati na strujnoj shemi). Shema djelovanja – prikazuje sve aparate i spojeve u svim pojedinostima i za razliku od strujne sheme ovdje se svaki aparat crta sa svim svojim kontaktima i spojevima tako da se može točno znati način rada tog aparata. Stezaljke i spojna mjesta mogu se crtati na shemama djelovanja (slika 1.7.)

Slika 1.7. Shema djelovanja pogona asinkronog motora 4

Upravo poznavajući pregledne nacrte, strujne sheme i sheme djelovanja može se doznati kako određeni sklop ili aparat radi. Shema spajanja aparata – prikazuje vodove i priključna mjesta unutar jednog aparata ili grupe aparata i predstavlja završni plan pri spajanju raznih uređaja. Priključni plan – je raspored rednih stezaljki s naznačenim spojevima prema aparatima na jednoj strani i naznačenim vodovima na drugoj strani. Plan prostorne raspodjele – se dijeli na: - plan mreže – pokazuje položaj vodova, izlazne točke (transformatorske stanice i električne centrale), te spojne točke s pripadajućim uređajima za određeno područje; - plan instalacija – pokazuje položaj vodova za rasvjetu, energiju i uređaje slabe struje (telefonija, radio i TV uređaji, signalizacija, vatrodojava ...). Ovaj plan se ucrtava u građevinske nacrte; - plan vodova – pokazuje položaj vodova unutar jednog aparata, između dva aparata ili između grupe aparata. Priključna mjesta, redne stezaljke, razdjelnici, aparati i grupe aparata mogu se pojednostavljeno prikazati.

Slika 1. 8. Tropolna shema pogona asinkronog motora i ožičenje

5

Projektno tehnička dokumentacija Projekt je zapisani rad kojim su određeni svi potrebni podaci za izvedbu i održavanje. Cilj i zadatak projektna je : - tehnički (izvedba , održavanje troškovi); - ekonomski (troškovi); - organizacijski (nabava materijala, organizacijska struktura); - regulacijski (potrebne suglasnosti). Projekt može biti idejni, investicijski, glavni i izvedbeni. Projekt se sastoji od tekstualnog dijela ( osnovni podaci investitora, projektni zadatak, regulacijski dio, tehnički opis, proračun, troškovnik, specifikacija materijala) te nacrta. 1. 2. T E H N I Č K 0 T E H N 0 L 0 Š K E S P E C I F I Č N 0 S T I I K A R A K T E R I S T I K E P L 0 V N I H 0 B J E K A T A Svaki brod je opremljen električnim sustavima koji su po mnogo čemu specifični u odnosu na velike kopnene sustave. Ta specifičnost električnih sustava brodova proizlazi iz: - uvjeta okoline, - propisa klasifikacionih ustanova, - autonomnosti i veličine električnih sustava, - utjecajnih faktora, - tehničko tehnoloških karakteristika.. 1.2.1. UVJETI OKOLINE Električni uređaj koji je izrađen za upotrebu na kopnu u pravilu se ne može bez nekih modifikacija koristiti na brodu jer na brodu izložen je s obzirom na klimatske prilike i tehnološke zahtjeve znatno težim pogonskim uvjetima nego što je slučaj kod kopnenih uređaja. Klimatske prilike, naročito na palubi, znatno se mijenjaju ovisno o godišnjem dobu i geografskom području. Morski zrak je vlažan i sadrži soli. Relativna vlažnost na palubi iznosi od 70 do 95%, u unutrašnjosti broda od 40 do 70%, a sadržaj soli u 1 m3 zraka može iznositi i do 5 mg soli. Iz vlažnog zraka se sol taloži na metalne dijelove broda i oni zbog elektrolitskog djelovanja korodiraju, vlažni slani talog na izolatorima izaziva pojavu puzajućih struja čime se stvaraju uvjeti za električni proboj. Zrak u blizini dizelmotora sadrži 3-20 mg/m ulja, koje zajedno s čađom i metalnom prašinom prevlači električki aktivne dijelove i dovodi do pojave puzajućih struja i preskoka izolacije na električnim strojevima i uređajima , ako oni nisu posebno izvedeni. Ljuljanje i posrtanje broda na valovima te neizbježne vibracije izazvane radom pogonskih strojeva traže posebna mehanička rješenja i učvršćenja. Električni uređaji moraju besprijekorno raditi bez obzira na vibracije i kad je objekt nagnut uzdužno l0o, poprečno do 15o i pri bočnom ljuljanju do 22,5o.

3

Za ratne jedinice postavljaju se daleko stroži zahtjevi i posebni uvjeti za rad uređaja pod specijalnim uvjetima. Od nekih uređaja zahtijeva se pouzdan rad i pod vodom. Radi povećanja sigurnosti i zaštite života posade i putnika; doneseni su internacionalni i nacionalni propisi o kvaliteti i izvedbi električnih uređaja plovnih objekata. U skladu s Međunarodnom konvencijom o sigurnosti života na moru, pojedine zemlje su donijele dopunske propise koji se u principu svode na to da svi električni uređaji i instalacije plovnih objekata moraju biti izvedeni tako da i u najtežim uvjetima pouzdano rade i da ne predstavljaju nikakvu opasnost za posadu i putnike. Uvjeti okoline zbog svoje specifičnosti utjecat će radi toga na projektiranje uređaja, izbor materijala, tehnologiju izrade, nadzor nad izgradnjom, ispitivanje, puštanje u pogon i eksploataciju. Da je neki uređaj građen za uvjete okoline i da se može ugraditi na plovni objekt, odnosno eksploatirati, potvrđuje dobiveni atest od odgovarajuće klasifikacione ustanove.

6

7

1.2.2. KLASIFIKACIJSKE USTANOVE Svaka klasifikacijska ustanova , među koje spada i Hrvatski registar brodova, je orijentirana da se bavi Tablica 1.1. Popis nekih klasifikacijcskih ustanova

Godina osnivanja

Naziv i kratica Sjedište

1760 1828 1861 1864 1867 1896 1899 1946 1950

Lloyd′s register of Shipping, L.R. Bureau Veritas, B.V. Registro Italiano, R.I. Det Norske Veritas, N.V. Germanischer Lloyd, G.L. American Bureau of Shipping, A.B.S. Nippon Kaiji KYOKAI Polski REJESTR Statkow Hrvatski registar brodova

London Paris Roma Oslo Hamburg New York Tokio Gdansk Split

klasifikacijom brodova (utvrđivanje sposobnosti za plovidbu) i statutarnom certifikacijom u ime Tablica nacionalnih Pomorskih uprava, a glavni joj je zadatak promicanje sigurnosti ljudskih života i imovine na moru, te zaštita pomorskog okoliša. U sklopu tih djelatnosti radi na izdavanju standarda (Tehnička pravila za projektiranje, gradnju i redovne preglede brodova u službi), pregledu brodova za vrijeme gradnje/preinake, kao i redovne preglede brodova u službi u skladu s Tehničkim pravilima te radi na izdavanju dokumenata na temelju obavljenih pregleda. Klasifikacijska društva su nastala kao specijalizirane ustanove za procjenu kvalitete brodske konstrukcije i sposobnost broda da sigurno obavlja prijevoz te na osnovu svjedodžbe koju izdaje klasifikacijska ustanova osiguravajuće društvo preuzima osiguranje broda i njegovog tereta. Vršenjem Tehničkog nadzora, koji se vrši na postojeći brod ili brod u gradnji, odgovarajuća klasifikacijska ustanova utvrđuje udovoljava li brod odgovarajućim zahtjevima Tehničkih pravila za određenu namjenu i za određeno područje plovidbe (slika 1.) U svojim pravilima klasifikacijska ustanova određuje koja tehnička dokumentacija podliježe odobrenju, a koja se donosi na uvid . U svojim pravilima klasifikacijska ustanova određuje koji strojevi, uređaji oprema, sredstva i njihovi pojedini dijelovi, te materijali podliježu nadzoru za vrijeme proizvodnje i tvorničkog ispitivanja. O pozitivnom nalazu po izvršenom nadzoru, odnosno ispitivanju, klasifikacijske ustanove izdaju odgovarajuću dokumentaciju (atest). Pod klasifikacijom plovnog objekta smatra se nadzor za vrijeme projektiranja i izvedbe, nadzor nad pogonskom ispravnošću, nad načinom gradnje i područjem u kojem je plovidba predviđena. Poznatija klasifikacijska društva su: Lloyd's Register of Shipping - Velika Britanija, American Bureau of Shipping - USA, Bureau Veritas - Francuska, Germanischer Lloyd - SR Njemačka, Det Norske Veritas - Norveška, Registro Italiano Navale - Italija, Registar SSSR, Nippon Kaiji Kyokai - Japan, Hrvatski registar brodova. Propisi klasifikacijskih društava su dosta slični, ali se ipak razlikuju u pojedinim područjima. Neka društva se međusobno priznaju. Svaki plovni objekt podliježe propisima klasifikacijske ustanove, međutim, često su objekti građeni po propisima i po nekoliko registara (lakša promjena zastava). Uz propise klasifikacijskih društava često se pri gradnji postavljaju i zahtjevi da oprema ili pojedini njeni dijelovi odgovaraju preporukama, pravilima i standardima pojedinih nacionalnih ili internacionalnih udruženja ili komiteta, npr. internacionalni IEC, britanski IEE, MOT, BOT, USA: AIEE, Coast Guard, SR Njemačka: VDE, FNS, Norveški: NSC, Hrvatski HN itd. Da bi registar mogao izdati atest o ispravnosti i sposobnosti za plovidbu, potrebno je poštivati zahtjeve koji se postavljaju kroz opseg nadzora i tehničke dokumentacije. Tako npr. Hrvatski registar brodova zahtijeva nadzor nad tehničkom dokumentacijom električne opreme, u što spada:

1. Opći plan elektroenergtetskih postrojenja, oprema za proizvodnju i raspodjelu električne energije. 2. Tehnički podaci generatora – tip pogonskog stroja, nazivna snaga (kVA ili kW), početna reaktancija i prijelazna reaktancija (ako je ukupna snaga svih generatora veća od 500 kW), a za generatore koji su pogonjeni vodom vratila, potrebno je priložiti nacrte koji prikazuju konstrukciju i razmještaj opreme.

8

Slika 1.9. Propisani i međusobno povezane djelatnosti Tehničkog nadzora (prema Hrvatskom registru brodova)

9

10

3. Tehnički podaci pretvarača – tip pretvarača, nazivna snaga (kVA), napon (primarni/sekundarni). 4. Razmještaj opreme u prostorima visokog rizika od eksplozije, uz detalje o instaliranim uređajima ( tip opreme, oznaka protueksplozivne zaštite, ustanova koja je izdala potvrdu, broj potvrde). 5. Proračun kratkog spoja (ako je ukupna snaga svih generatora veća od 500 kW – simetrična komponenta struje kratkog spoja, vršna vrijednost struje kratkog spoja. 6. Bilanca električne energije – na moru, manevar, u radu, u nužnosti. 7. Jednopolne sheme svih razdjelnika uz slijeće informacije – smještaj trošila, opterećenje (kW ili A), tip kabela i presjek vodiča, proizvođač/tip/veličina osigurača i sklopnih uređaja, za automatske prekidače, uklopna/prekidna snaga i postavne vrijednosti releja. 8. Za glavnu sklopnu ploču, sklopnu ploču za nužnost i za velike motorno upravljačke centre snage veće od 100 kW – nacrt koji prikazuje razmještaj opreme i prednji izgled, sheme djelovanja za sve upravljačke krugove uz podatke o tipu kabela i presjecima vodiča te podaci o proizvođaču/tipu/veličini za svu opremu, nacrt sabirnica, uz podatke o presjeku i izolacijskom materijalu nosača sabirnica, podaci o proizvođaču/tipu/veličini osigurača i sklopnih aparata uz naznaku uklopne/prekidne snage svih automatskih prekidača, karakteristike okidanja osigurača i automatskih prekidača glede uloge u selektivnoj zaštiti sustava, proračun mehaničkog naprezanja sabirnica pri kratkom spoju ako je struja kratkog spoja veća od 50 kA (r.m.s). 9. Sheme djelovanja za uputnike bitnih motora, uputnike poprečnih brodskih vijaka, statičke pretvarače bitne i važne opreme. 10.Dokumentacija za sklopna postrojenja rashladne opreme. 11. Opći plan glavne kabelske staze 12. Razmještaj rasvjete 13. Razmještaj rasvjete za nužnost, razmještaj dodatne rasvjete za nužnost i njena svojstva. 14. Dokumentacija porivnog stroja (kod električnog poriva) 15. Opći plan sustava napajanja za navigacijska i signalna svjetla 16. Sustav unutarnjih brodskih veza i signalizacija 17. Električne sheme i razmještaj sredstava dojave požara i alarmiranja 18. Planovi polaganja kabela/lista 19. Za putničke brodove potrebno je na općem planu broda naznačiti glavne vertikalne požarne zone, te polažaj opreme i kabelskih staza za rasvjetu u nužnosti, sustav detekcije, alarma i fiksnog sustava za gašenje požara, sustav javnog priopćavanja (razglas), opći alarm, vodonepropusna vrata. 20. Plan uzemljenja samo za drvene bnrodove. 21. Razmještaj i tehnički podaci akumulatorskih baterija U tehničku dokumentaciju koja se odnosi na automatizaciju treba: 1. Popis sustava i komponenti automatike s naznakom proizvođača i tipa uređaja. 2. Popis mjernih i alarmnih točaka 3. Smještajni nacrt sustava i komponeneti automatike. 4. Nacrti upravljačkih pultova sa smještajem uređaja 5. Temeljne blok sheme za slijedeće sustave upravljanja, uzbunjivanja i sigurnosti za: - porivne i bitne pomoćne strojeve, - kaljužni balastni sustav, - separatore goriva i maziva, - brodsku elektranu, - kotlove i spaljivače otpadaka, - sustav stlačenog zraka - pumpni sustav tereta ( tankeri koji prevoze ulje/prerađivanje/sirovo ulje) - pumpe tereta i balasta u opasnim područjima - vijke sa zakretnim krilima i poprečne brodske vijke - generatore inertnog plina - kormilarski uređaj - sustav pretakanja i pohranjivanja goriva - ostale automatizirane sustave ( dizala, sustav za isparivanje i destilaciju...)

11

6. Detaljna shema cjelokupnog sustava uzbunjivanja koja povezuje glavnu upravljačku stanicu, pomoćne upravljačke stanice, zapovjednički most i nastambe 7. Dijagram toka za procesorske sustave, uključujući blok shemu konfiguracije i specifikaciju zahtjeva 8. Program ispitivanja (metode ispitivanja i pripada oprema) U tehničku dokumentaciju koja se odnosi na radioopremu treba: 1. Popis radio opreme (proizvođač i tip) 2. Smještaj radioopreme u radiokabini i na zapovjedničkom mostu (kormilarnici i navigacijskoj kabini). 3. Podaci o izvoru električne enrgije za pogon radioopreme u nužnosti (uključujući i njegov smještaj) 4. Smještaj svih antena na brodu 5. Blok shema povezivanja radioopreme na brodu i njezina uzemljenja 6. Plan kabela radioopreme Nadalje, nadzoru na brodu podliježu slijedeći uređaji i sistemi: - električni uređaj propulzije - izvori električne energije - transformatori i pretvarači električne energije - električni pogoni - osnovna rasvjeta prostorija bitnih službi, izlaznih putova i rasvjeta za slučaj nužde - signalna i navigacijska svjetla - električni telegraf strojarnice - službene telefonske veze - signalizacija opće uzbune - signalizacija požara - signalizacija vodonepropusnih i protupožarnih vrata - električni uređaj u zonama opasnosti - kabelska mreža - naprave za uzemljenje trupa broda - tankera - gromobranski uređaj. Električni uređaj za domaćinstvo, osobnu upotrebu i tehnološke svrhe podliježu nadzoru samo u dijelu: - djelovanja rada tog uređaja na električnu energiju brodske elektrane - izbor presjeka kabela - sredstva zaštite, izolacije i uzemljenja. Prilikom izrade pojedinih elemenata električnog sistema, nadzoru podliježu slijedeći dijelovi: - električni agregati - električni strojevi i transformatori - sklopne ploče i pultovi - aparatura za zaštitu, regulaciju, upravljanje, signalizaciju, mjerenje - statički pretvarači snage - akumulatori - kabeli i vodovi - ostalo: svjetiljke, grijači, kuhala itd. Da su pojedini električni uređaji izrađeni prema zahtjevima propisa klasifikacijskih ustanova, provjerava se pojedinačnim ispitivanjem, dok su za serijske proizvode dovoljna tipska ispitivanja na osnovu kojeg pojedini proizvod dobiva tipski atest. Za pojedinačno izrađene elemente potrebna su primopredajna ispitivanja u prisustvu predstavnika klasifikacijske ustanove. Električni uređaj broda podliježe propisima registra i u eksploataciji. Obavezni su na brodu propisani rezervni dijelovi, kao i periodični pregledi i testiranja.

1.2.3. AUTONOMNIOST I VELIČINA ELEKTRIČNIH SISTEMA Pod autonomnošću električnog sistema (proizvodnja, razvod i potrošnja) podrazumijeva se njegova sposobnost za rad u uvjetima nezavisnosti od drugih sistema, a pod veličinom, prostorna rasprostranjenost i ukupnost instaliranih snaga. Zbog smještaja na malom prostoru i zbog relativno malih instaliranih snaga, ovi sistemi spadaju u tzv. "male sisteme" pa u odnosu na veliki sistem imaju drugačije odnose između induktivnih i radnih otpora, a i ukupni otpori su im relativno veći. Posljedice ovoga odražavaju se u malim električnim vremenskim konstantama, utjecajem na električne prijelazne pojave i na veću promjenljivost parametara električne energije (napon i frekvencija). Autonomnost električnog sistema zahtijeva veću pažnju kod izrade bilance električne energije. Neadekvatno dimenzioniranje izvora električne energije može imati odlučujući utjecaj na mogućnost ispunjenja tehničko tehnoloških parametar plovnog objekta, ali i velikog utjecaja na investicione i troškove korištenja, posebno kroz cijenu proizvedene električne energije, odnosno potrošnje goriva po proizvedenom kWh. Autonomnost zahtijeva veću pouzdanost električnih uređaja i veću raspoloživost električnog sistema. Pouzdanost se ovdje vezuje uz kvaliteta uređaja, a raspoloživost uz zalihost uređaja i organizaciju otklanjanja kvarova. "Mali sistem" zahtijeva veliku pažnju kod izbora veličine pojedinog izvora u odnosu na veličinu potrošača, kao izvođenje računa o međusobnim utjecajima, kada su u sistemu prisutni nelinearni elementi (asinkroni motori, tiristorski ispravljači). 1.2. 4. UTJECAJNI FAKTORI Na osnivanje električnog sistema plovnog objekta veliki utjecaj imaju tehničko tehnološke specifičnosti. Iz takvih specifičnosti proizlaze tzv. utjecajni faktori koji predstavljaju ulazne i izlazne veličine električnog sistema bez kojih je najčešće nemoguće doći do kvalitetnog sistema. Ulazni zahtjevi Izlazni zahtjevi

Zbog tehnološke specifičnosti faktore, odnosno zakonitosti ko Pod osnivanjem se podrazumispitivanje i puštanje u pogon.radnih organizacija i ako se ževaljanosti omogućuje kvalitetizgradnje i eksploatacije, uz obavezna tehnološka orijentaciUtjecajni faktori ulaznog karak- tehničke karakteristike objek- trošila električne energije - op- karakteristike specifičnih karakteristike, potrebna pouzd- potrebna snaga za pojedine re Utjecajni faktori izlaznog kara- kvaliteta parametara električn

S U S T A V

Slika 1.11. Osnovna struktura

svakog pojedinog objekta, nužno je definirati pripadajuće utjecajne jih se treba pridržavati kod osnivanja.

ijeva osmišljavanje, projektiranje, nabavka opreme, izgradnja, U navedenim fazama osnivanja učestvuju različiti profili kadrova i li doći do električnog sistema "visoke valjanosti" (el. sistem visoke no odvijanje tehnološkog procesa uz minimalne ukupne troškove minimalno zaokupljanje pažnje tehničkog osoblja), potrebna je ja kadrova i radnih organizacija. tera mogu biti:

ta ćenito

električnih motornih pogona (snaga, momentne i regulacijske anost i sigurnost, tehnologija rada) žime rada.

ktera mogu biti: e energije

12

- kontinuitet napajanja električnom energijom - pouzdanost i raspoloživost električnog sistema - eksploatacijski zahtjevi.

Slika 1.12. Dijagram toka projektiranja električnog sistema

Projektiranje električnog sistema jedna je od važnijih faza osnivanja. Za realizaciju faze projektiranja neophodno je krenuti od navedenih utjecajnih faktora. 1.2. 5. TEHNIČKE KARAKTERISTIKE BRODA Da bi se već na početku dobila određena slika karakterističnih brodova , ali sa stanovišta osnovnih karakteristika električnih sistema, dati su u nastavku podaci sa kojima se mogu sagledati karakteristični električni sistemi brodova. Trgovački brodovi Trgovački brodovi bez obzira na vrstu i namjenu pogone se direktno dizelmotorima ili rjeđe turbinama, a imaju električne sisteme koji služe za napajanje pomoćnih uređaja pogonskih strojeva i brodske službe, sisaljke tereta, klimatizacije i ventilacije, palubnih uređaja, domaćinskih uređaja, rasvjete i ostalog. Veličina električne potrošnje, a time i instalirana snaga električnih centrala, varira u zavisnosti od veličine i vrste broda. Može se uzeti da su instalirane snage električnih centrala:

13

brod za opći teret 1500 - 3000 kW brod za rasuti teret 1300 - 2500 kW tankeri 16oo - 7ooo kW brod za hlađeni teret 5700 kW brod za prijevoz spremnika 9400 kW trajekti 8400 kW Karakteristični potrošači na trgovačkim brodovima u zavisnosti od vrste broda jesu: sidrena i pritezna vitla, dizalice, kormilarski uređaji, pumpe, ventilatori, kompresori i bočni propeleri. Izvori električne energije su u pravilu dizelgeneratori, ali se radi ekonomičnosti proizvodnje upotrebljavaju i turbogeneratori i osovinski generatori. Izvori za napajanje u nuždi su dizelgeneratori i akumulatorske baterije. Potreba za električnom energijom različita je u različitim režimima rada. Radi ekonomičnosti rada izvori električne energije prilagođuju se potrošnji, pa se električne centrale sastoje iz tri ili više jedinica s visokim stupnjem automatizacije rada. Zbog mogućnosti priključka na kopno, opremljeni su s priključkom za spoj na kopno. Današnji brodovi grade se s električnim sistemima na izmjeničnu struju frekvencije 50 ili 60 Hz i uz njih vezani naponi 380 ili 440 V. Ovo su naponi izvora i motornih pogona, dok se za rasvjetu najčešće koristi 220 V ili 110 V preko transformatora za rasvjetu. Glavno mjesto razdiobe električne energije je glavna sklopna ploča na koju su priključeni glavni izvori električne energije i pojedini odvodi. Osim glavne sklopne ploče, razvodu energije služe pomoćne ploče, ploča za nuždu, ploča grupnih uputnika i razdjelnici. Svi električni elementi međusobno su povezani kabelskim vodovima položenim u kabelskim trasama.

Slika 1.13. Shematski prikaz električnog sistema broda Objekti za bušenje Objekti za bušenje nafte i plina iz podmorja sa zahtjevima za plovnošću, pokretnošću, čvrstoćom, stabilnošću, protupožarnom i protueksplozivnom zaštitom, sa raznim uređajima za vez, sidrenje, održavanje pozicije, opreme za izradu i obradu bušotina, sa stambenim i domaćinskim prostorijama predstavljaju tehničke plovne objekte specijalne namjene sa ili bez vlastite propulzije. Kao plovni objekti zbog toga potpadaju pod pravila gradnje pomorskih klasifikacionih ustanova, a kao tehnološko-namjenski objekti (bušenje) i pod druge institucije nadležne za odgovarajuća područja i djelatnosti (npr. rudarski inspektorat). Razlikuju se tri osnovna tipa istraživačkih objekata za bušenje, kao što su samopodizna na nogarima, poluuronjiva i brod.

14

Slika 1.14. Tipični električni sistemi a) samopodizne b) poluuronjive platforme Zajedničko ovim objektima jesu tehnološki pogoni i funkcije: stola za bušenje (RT), isplačne crpke (MP), dizalice tornja (DW) i često propulzije (P). Karakteristični objekti jesu brod za bušenje, poluuronjiva platforma i samopodizna platforma. Brod za bušenje ima sva obilježja broda na kojem je smještena oprema za bušenje. Većina ovakvih objekata koristi vlastitu propulziju za pokretanje s jednog mjesta na drugo. Poziciju na mjestu za bušenje održavaju pomoću sistema sidara ili pomoću dinamičkog pozicioniranja gdje se vanjski utjecaji valova, morskih struja i vjetra poništavaju automatski upravljanim potiskom većeg broja propelera. Brod pozicioniran sistemom sidara koristi se u morima dubine do 180 m, a dinamičkim pozicioniranjem do dubine od 1800 m. Predviđeni su za dubine bušenja do 9000 m. Ovi su se objekti počeli graditi početkom 70-tih godina, a grade se i danas. Često imaju vrlo snažne električne sisteme za napajanje pogona propulzije, bočnih propelera, opreme za bušenje, agregata za cementiranje, sidrenih vitala, dizalica, pomoćnih pogona i ostalih brodskih službi. Snaga električnih centrala brodova bez dinamičkog pozicioniranja i električne propulzije kreće se oko 3,6 MW, bez dinamičkog pozicioniranja, ali s električnom propulzijom 5,8 MW, a brodova sa dinamičkim pozicioniranjem oko 15 MW.(3)

Ove posljednje karakterizira i zahtjev velike pouzdanosti snabdijevanja električnom energijom i zastupljenost visokog stupnja automatizacije. Kad kod ovakvih relativno velikih električnih sistema snaga kratkog spoja prelazi mogućnosti opreme ili kad upotreba velikih pojedinačnih motora čini upotrebu niskog napona neekonomičnom, prelazi se na primjenu visokog napona. Primjena visokog napona na ovakvim plovnim objektima daje električnom sistemu nove karakteristike i specifičnosti (konfiguracija, način uzemljenja neutralne točke, aspekt opasnosti). Konfiguracija, struktura električnih sistema i visina upotrebljenog napona razlikuje se od objekta do objekta. Međutim, sva rješenja idu za tim da povećaju raspoloživost sistema u svim uvjetima rada, pa čak i u kvarnim stanjima. Poluuronjiva platforma upotrebljava se za bušenje u dubinama mora do 180 m sa pozicioniranjem pomoću sistema sidara, a do dubine od 1800 m s opremom za dinamičko pozicioniranje. Koriste se za bušenje do dubine od 9000 m. Poluuronjiva platforma je čisto plovni tehnički objekt. Plovnost joj omogućavaju dva ili tri plovka u obliku papuča ili duguljastih cilindara. U plovidbi plovci plutaju na površini mora, dok u radnoj poziciji, na položaju za bušenje, platforma uranja puneći plovke morskom vodom pomoću

15

balastnog sustava. Radna pozivija je u položaju gdje je donja paluba platforme uzdignuta iznad površine mora, tako da je van dohvata i najvećih valova koji dostižu visinu od 10 do 27 m. Ove platforme mogu mijenjati položaj pomoću drugih plovnih objekata, ali češće sa vlastitim uređajem za propulziju. Tipične platforme ove vrste imaju propulzioni uređaj za premještanje i sidrene uređaje za održavanje pozicije. Propulzioni uređaji su pogonjeni

Slika 1.15. Električni sistem broda s dinamičkim pozicioniranjem

istosmjernim motorima koji se napajaju iz tiristorskih usmjerivača. Budući da istovremeno nikada ne rade tehnološki pogoni za bušenje i propulzija, to se isti tiristorski usmjerivači koriste za obje funkcije. Snaga dizelelektrične centrale prilagođena je osnovnim režimima rada - bušenju i propulziji. Za napajanje u nuždi ova, kao i ostale platforme, imaju ugrađen dizelgenerator za nuždu i akumulatorske baterije za uređaje koji zahtijevaju besprekidno napajanje. Snaga električne centrale poluuronjive platforme s električnom propulzijom kreće se oko 6,3 MW, a bez električne propulzije oko 4,6 MW.(9)

Samopodizna platforma na nogarima objedinjuje ekonomičnost, dobre tehničke karakteristike i fleksibilnost rada u srednjim dubinama mora od 20-110 m. Koristi se za dubine bušenja do 9000 m. Ovaj tip platforme često stvara dileme oko uvrštenja u plovne objekte. Za vrijeme premještanja s jedne pozicije na drugu, objekt plovi po moru. U tu svrhu platforma ima nepropusni ponton sposoban i opremljen za plovidbu. U principu, ovi objekti rijetko imaju vlastiti pogon, pa se premještaju tegljenjem drugim namjenskim objektima. Na poziciji za bušenje platforma se izdiže iznad morske površine za 10-20 m, van domašaja morskih valova, pomoću specijalnih nogara i sistema za podizanje. U ovoj poziciji platforma ne predstavlja plovni objekt pa otuda i dileme o uvrštenju. Samopodizna platforma se često koristi, osim za izradu istražnih bušotina, i za izradu eksploatacionih, ali su tada opremljene sa pomičnim bušaćim tornjem. Snaga električne centrale na ovim objektima kreću se najčešće oko 4,8 NW.(6)

Ovoj platformi posebno obilježje daju nogari i uređaji za podizanje. U zavisnosti od broja nogara (tri ili četiri), platforma ima i toliko podiznih uređaja. Pogon podiznih uređaja je električni ili hidraulični. Električni pogon može biti istosmjernim ili asinkronim motorima. Zauzetu poziciju nogara ili platforme osiguravaju elektromagnetske kočnice. Servisni brodoviZa odvijanje radova istraživanja podmorja uz objekte za bušenje potrebne su i razne plovne jedinice za tegljenje, snabdijevanje prijevoz ljudstva, spašavanje i prijenos teških tereta. Ovakvi objekti uz dobre plovne osobine moraju imati robusne i pouzdane električne sisteme. Brodovi za snabdijevanje često su opremljeni s električnom propulzijom. Ona omogućava dobre manevarske sposobnosti uz velike mogućnosti primjene dinamičkog pozicioniranja za održavanje pozicije

16

prilikom servisiranja, te drugačiju konstrukciju i razmještaj opreme na brodu, pa se to kod ovakvih jedinica često koristi. Električni pogon propelera ostvaruje se na nekoliko načina od kojih ćemo spomenuti istosmjerne motore s napajanjem iz tiristorskih usmjerivača, asinkrone motore s napajanjem direktno iz izmjenične mreže i asinkrone motore s napajanjem iz statičkih pretvarača frekvencije.

Slika 1.16. Električna propulzija s tiristorskim pogonom

Slika 1.17. Električna propulzija s asinkronim motorom

Kada pogonski motori nemaju mogućnosti regulacije brzine, potisna sila na brod mijenja se pomoću propelera sa zakretnim krilima. Objektima za spašavanje osnovna je namjena spašavanje i transport ljudstva, gašenje požara, pružanje servisnih usluga, prenošenje teških tereta i sl. Po konstrukciji vrlo su slični poluuronjivim platformama, uli su većih dimenzija. Opremljeni su s jakim električnim sistemima gdje električne centrale dostižu snagu od 20 MW. Glavni potrošači električne energije su motori propulzije 5očnih propelera i protupožarnih crpki. Prioritetni zahtjev električnog sistema jeste sigurno snabdijevanje električnom energijom u svim situacijama. U tu svrhu objekt može imati dvije električne centrale fizički smještene na različitim mjestima. Isto tako uređaji i komponente od kojih ovisi rad sistema su udvojeni. Nastali kvarovi selektivno se isključuju, a kod preopterećenja sistemi automatizacije brinu se o rasterećenju djelujući na smanjenje snage propelera ili se isključuju manje važni potrošači. Brodovi dizalice iz ove grupe objekata, specifični su po vrlo čestoj električnoj propulziji gdje se fiksni propeleri pogone istosmjernim motorima s napajanjem iz tiristorskih usmjerivača. Zajednička električna centrala služi i za napajanje motora dizalice koji ne rade istovremeno sa propulzijom. Specifičnost električnog sistema jeste u tome što mora biti prilagođen povratnom utjecaju tiristorskih usmjerivača.

Slika 1.18. Tipični električni sistem objekta s dinamičkim pozicioniranjem

17

Na prikazanoj principnoj shemi odvojena je opća potrošnja od glavnog napajanja preko motornog pretvarača i na taj način izbjegnuto nepovoljno povratno djelovanje tiristora. (Slika 1.19.)

Slika 1.19. Principni prikaz električnog sistema broda dizalice 12000 kN Plovni dokovi Plovni dokovi pripadaju plovnim objektima, ali često imaju fiksno određeno mjesto za rad u brodogradilištima. Namijenjeni su za dizanje i spuštanje brodova i omogućavanje vršenja radova na brodu. Kao plovni objekti, njihovi električni sistemi spadaju pod nadležnost brodskih klasifikacionih društava. Električni sistemi plovnih dokova spadaju u "male" i autonomne sisteme kad nisu povezani na vanjski električni sistem, ali kad su povezani na njega gube te specifičnosti jer tada postaju dio električnog sistema brodogradilišta. Osnovna namjena električnog sistema plovnog doka jeste omogućavanje dizanja i spuštanja doka, napajanje brodova u doku i omogućavanje vršenja radova na brodu. Karakteristični potrošači električne energije na doku su sisaljke za izbacivanje vode iz pontona doka, vitla za privlačenje brodova, dizalice na doku, priključak broda i priključci za napajanje tzv. električnih instalacija za gradnju broda. Svaki plovni dok mora biti opremljen s uređajima koji će brodu osigurati potrebnu električnu energiju u dovoljnim količinama. Zbog toga da doku postoje slijedeći priključci: 110 i 220 V istosmjerne struje, 380 V, 50 Hz; 440 V, 60 Hz i 440 V, 50 Hz. Napajanje doka sa kopna vrši se preko fleksibilnih spojeva s naponima 380 V ili češće sa 10 kV. Ovaj se napon u pravilu transformira preko transformatora na 380 V kao osnovni napon doka. Za napajanje u nuždi dokovi su opremljeni automatskim dizelgeneratorima koji najčešće napajaju ventile doka i električnu rasvjetu. Međutim, plovni dokovi su često snabdjeveni dizelgeneratorima za normalno napajanje potrošnje plovnog doka. Ovi dizelgeneratori mogu imati i dodatne namjene kao što su:

Slika 1.16. Principni prikaz električnog sistema plovnog doka u brodogradilištu Kraljevica

18

ispomoć u napajanju brodogradilišta u redukcijama, rezanje vršnih opterećenja i nezavisno - otočno napajanje dijela brodogradilišta. Kod ovakvih slučajeva mora biti moguć paralelni rad dizelgeneratora sa jakim sistemom ali i druge međusobne prilagodbe dva sistema. Ratni brodoviSvaki se suvremeni ratni brod projektira i izrađuje prema taktičkim i tehničkim zahtjevima, a predstavlja u relativno malom volumenu vrlo kompliciranu i kompleksnu opremu raznih grana tehnike. Za borbenu sposobnost broda važna su tri zahtjeva: što kraće vrijeme otkrivanja protivnika, izvanredno brza reakcija i maksimalna točnost utvrđivanja pozicije protivnika. Ti se zahtjevi mogu optimalno ostvariti ako se integriraju u jedan ukupni sistem za izvršenje tih zadataka, pripadni elektronički uređaji povezani s upravljanjem oružjem i vođenjem pogonskog kompleksa uz sisteme za obradu podataka koje automatski obraduju procese i pripremaju podatke za donošenje odluka. S obzirom da se iz električnog sistema napajaju elektronički uređaji, (na nekim tipovima brodova dostižu i 60% ukupne cijene broda),kao i mnogobrojna trošila ostalih službi, slijedi da o električnim postrojenjima i električnim uređajima zavise vitalne funkcije svakog ratnog broda. To nalaže da se kompletni električni sistem, na kojeg se postavljaju daleko strožiji zahtjevi nego na trgovačkim brodovima, izvede tako da bude jednostavan, pouzdan, siguran, fleksibilan, otporan na šokove itd. i da se u svim režimima, pa i kod nekih oštećenja broda, osigura kontinuitet pogona Električni uređaj ratnog broda izrađuje se prema posebnim propisima ratne mornarice. Propisi klasifikacionih društava za električne uređaje obavezni su samo onda kada njihovu primjenu traži propis za gradnju ratnih brodova. Specifičnosti električnih sistema ratnih brodova proizlaze iz izloženosti raznim teškim okolnostima okoline, pa zato svi elementi sistema moraju izdržati uz vibracije, temperature, morsku klimu, naginjanje broda, dopuštenu emisiju šumova, kao kod ostalih plovnih objekata, još i šokove zbog eksplozije. Da bi se osiguralo snabdijevanje električnom energijom u različitim stanjima broda, tj. da se postigne čim veća žilavost električnog sustava, često se izvode po dvije električne centrale na odvojenim mjestima s dodatnim kabelskim vezama. Primjer jednog takvog električnog sistema prikazan je na slici 1.11.

Slika 1.17. Principna shema električnog sistema fregate sa radijalnom mrežom

19

2. BROD – ELEKTRIČNI STRUJNI KRUG Svaki brod može se promatrati kao zatvoreni električni strujni krug koji ima svoj izvor i trošila te elemente koji ih spajaju, uključuju ili isključuju, reguliraju, zaštićuju i njima upravljaju. Na slici 2.1. predočena je shema takva strujnog kruga.

( A ) izvor električne energije ( B ) razvod i razdioba (elementi koji spajaju, uključuju ili isključuju, reguliraju, zaštićuju i upravljaju trošilima i izvorima) ( C ) električna trošila

Slika 2.1. Pojednostavnjena shema brodskoga električnog strujnog kruga Brodski elektrodistribucijski sustav osigurava siguran prijenos električne energije od izvora do trošila. Danas se uglavnom u brodskim elektroenergetskim sustavima koristi izmjenična struja koja u odnosu na istosmjernu nudi veću raspoloživu snagu, veći omjer proizvodnje, raspodjele i iskoristivosti el. energije.

2. 1. IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE

Izvori električne energije na brodu (A) dijele se na: - osnovne izvore i izvore u slučaju nužde,

a mogu biti: generatori, akumulatorske baterije, solarne ćelije, električni pretvarači i priključak na kopno.

Osnovni izvor električne energije na brodu čine generatori:

- istosmjerni generatori, a njih su zamijenili izmjenični generatori, odnosno trofazni samouzbudni sinkroni generatori. Danas se u brodove najčešće ugrađuju trofazni samouzbudni kompaundirani beskontaktni generatori, kojima se postiže zadovoljavajuća brzina regulacije napona i frekvencije i stabilnost rada neovisno o mogućim naglim velikim opterećenjima trošila na brodskoj mreži. Ovisno o vrsti pogona brodskoga generatora, razlikuju se: - dizelski, osovinski i turbinski generatori, a sva proizvodnja električne energije na brodu obavlja se na jednomu mjestu u električnim centralama ili s pomoću pojedinačnih agregata. Budući da mnoga brodska trošila izmjenične struje moraju raditi pri različitim naponima, odnosno pri naponima koji su (obično) manji od napona izvora (generatora), to za takve potrebe služe jednofazni ili trofazni brodski energetski transformatori. Osim njih u brodove se ugrađuju i mjerni transformatori, kojima je, preko mjernih instrumenata, moguće neizravno mjeriti jake struje strujni mjerni transformatori) ili visoke napone (naponski mjerni transformatori).

20

Manja količina energije na brodu dobiva se iz akumulatorskih baterija (olovni ili kiselinski akumulatori i čelični ili alkalijski akumulatori). Oni služe kao izvor istosmjerne električne energije za pričuvu, za napajanje pokretača motora s unutarnjim izgaranjem, kao izvori u spoju s osovinskim generatorom, na manjim jedinicama za napajanje brodske mreže za vrijeme mirovanja u luci, za neprekidno napajanje elektroničkih uređaja za potrebe navigacije, komunikacije, automatike, alarma i slično. Istosmjerni napon može se na brodu osigurali i preko ispravljača (usmjerivača. To su obično silicijski ispravljači u jednofaznom ili trofaznom Graetzovu spoju, odnosno danas najčešće upotrebljavani tiristorski ispravljači u mosnom spoju. Priključak na kopno brodu služi kad se nalazi u brodogradilištu ili u luci (kad ne rade generatori). Pri tome dovod s kopna može zadovoljiti samo minimalne potrebe na brodu (obično polovicu snage pomoćnog, odnosno lučkoga generatora).

Dimenzioniranje izvora električne energije na brodu određuje se tzv. bilancom

električne energije. Potrebna instalirana snaga izvora električne energije izračunava se uzimajući u obzir različita brodska pogonska stanja (plovidbu, manevar, uplovljavanje, isplovljavanje, ukrcaj i iskrcaj tereta, mirovanje u luci i slično), zone plovidbe (hladne i tople), dnevnu plovidbu (dan i noć), te uzimajući u obzir tehničke i iskustvene podatke (priključnu snagu trošila, faktor opterećenja, faktor istodobnosti, pad napona, odnosno gubitke u mreži i slično).

Slika 2.2. Napajanje u slučaju nužde Sustav napajanja u nuždi se koristi kada se isključi glavno napajanje i tada se

opskrba el. energijom vrši za određenu grupu trošila kao npr. rasvjetu (u nuždi), glavne komunikacije, vodonepropusna vrata te druga trošila kojima se osigurava sigurna evakuacija s broda. Prema slici se vidi da se svi sustavi napajaju s glavnog izvora , a u slučaju opasnosti,

21

samo se uređaji u nuždi napajaju sa izvora el. energije u slučaju nužde. Ovaj izvor napajanja mora biti spreman za rad u bilo kojem trenutku i ovaj izvor zahtjeva temeljito održavanje.

2.2. RAZVOD I RAZDIOBA ELEKTRIČNE ENERGIJE Razvod i razdiobu električne energije na brodu (B) omogućuju vodovi i kabeli,

kabelska mreža s priključnim priborom te sklopni uređaji i aparati. Sva proizvedena električna energija na brodu od izvora do trošila prenosi se vodovima

i kabelima, odnosno kabelskom mrežom i priključnim priborom. Sustav razdiobe električne energije može biti za istosmjernu, jednofaznu i trofaznu struju. Razdioba za istosmjernu struju:

- dvovodni izolirani (s dva izolirana voda na koje je priključeno trošilo); - jednovodni (s uporabom brodskog trupa kao povratnog vodiča - samo za napon do 50 V); - dvovodni sustav, kod kojeg se plus i minus vodič polažu izolirano, dok se minus pol generatora spaja s brodskim trupom; - trovodni (koji ima dva izolirana voda (krajnja), a umjesto trećega (srednjeg) služi brodski trup);

G P

G P

BRODSKI TRUP( POVRATNI VOD)

a) b)

G P

c) Slika 2.3. a) Dvovodni; b) jednovodni sustav; c) dvovodni sustav – pol generator je spojen na brodski trup U svjetskoj brodogradnji za sve vrste brodova prevladava dvopolni sustav s izoliranim plus i minus vodičem ( slika 2.3.a). Na tankerima se dopušta samo takvo polaganje mreže, jer međunarodni propisi zabranjuju svaku pogonsku vezu između dijelova pod naponom i trupa

22

broda. Za putničke brodove zabranjena je primjena jednopolne mreže, tj. ne smije se upotrebljavati brodski trup kao povratni vod (slika 2.3.b) tako da se primjenjuje isključivo samo dvopolni sustav kao na slici 2.4. Naime, za jednopolni sustav svaki spoj plus vodiča s brodskim trupom predstavlja direktni spoj , što izaziva djelovanje električne zaštite i isključenje dijela mreže iz pogona. Kod jednopolnog sustava postoji poteškoća oko održavanja dobre izolacije, teže se poništavaju radio smetnje i teža je kontrola izolacije za vrijeme pogona.

G P

G P

P

GLAVNI VOD

SREDNJI VOD

GLAVNI VOD

G P

G P

P

GLAVNI VOD

SREDNJI VOD

GLAVNI VOD a) b) Slika.2.4. a)Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči i srednji vodič polažu izolirano; b) Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči (plus i minus) i srednji vodič polažu izolirano, dok se srednja točka generatora spaja s trupom broda

G P

G P

P

GLAVNI VOD

SREDNJI VOD

GLAVNI VOD

BRODSKI TRUP

Slika 2.5. Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči (plus i minus) polažu izolirano, dok brodski trup služi kao srednji vodič.

23

Tropolni sustavi istosmjerne brodske mreže danas se rijetko upotrebljavaju zbog opasnosti povećanja napona u slučaju prekida srednjeg vodiča. Tropolni sustavi danas se još upotrebljavaju samo pri propulziji, gdje sustav kao na slici 2.5. ima prednosti. Razdioba za jednofaznu izmjeničnu struju:

-jednovodni (s uporabom brodskog trupa kao povratnog vodiča - samo za napon do 50 V);

- dvovodni izolirani (s dva izolirana voda na koje je priključeno trošilo);

Razdioba za trofaznu izmjeničnu struju: - trovodni izolirani (s tri izolirane faze)slika 2.7.; - trovodni s uzemljenim zvjezdištem (s tri izolirane faze) slika 2.8.; - trovodni izolirani (s tri izolirane faze i nul-vodom) slika 2.9.; - trovodni s uzemljenim nul-vodom (s tri izolirane faze i nul-vodom koji je priključen na zvjezdište izvora)slika 2.10.;

Na brodovima za opću potrošnju najčešće se primjenjuje trovodni trofazni sustav napajanja s izoliranom neutralnom točkom, napon sustava je 380V (440V), frekvencije 50Hz (60Hz), dok je napajanje manjih trošila (snage do 4kW) ograničeno do 250V. Prvi put visoki naponi (iznad 1000V) korišteni su u drugom svjetskom ratu, a iz iskustva s prenaponima neutralna točka je bila uzemljena preko otpornika. Trenutno brodovi s električnom propulzijom koriste napone od 10kV odnosno 11kV frekvencije 50Hz (60Hz). Pri izboru napona mora se voditi računa o : veličini snage kratkog spoja, veličini generatora i trošila, dimenzijama strojeva i sklopnih postrojenja, prikladnost opreme i brodskih sustava, iskustvo.

Slika 2.6. Trovodni izolirani sustav

Slika 2.7. Trovodni sustav s uzemljenim zvjezdištem

24

Slika 2.8. Trovodni sustav s nul-točkom

Slika 2.9. Trovodni sustav s uzemljenom nul-točkom

Slika 2.10. Četverovodni sustav gdje brodski trup služi kao nul - vod

25

Korištenje napona od 380V prikladno je stoga jer nisu potrebne posebne mjere predostrožnosti za zaštitu od visokog napona, kod mreže s uzemljenom neutralnom točkom moguće je postići bez transformacije napona za napajanje malih trošila i rasvjete, nije potreban transformator za priključak s kopna. U slučaju da se ovaj napon primjeni u mrežama čija snaga prelazi 8 MVA javit će se velike struje i padovi napona što traži prevelike presjeke kablova. Ako ovaj napon ne zadovoljava ili je ekonomski neopravdan prijelaz na napon od 660V prikladan je stoga jer motori napona 380V frekvencije 50Hz mogu se koristiti u spoju zvijezda, primjenjuju se standardni kabeli, nisu potrebne mjere predostrožnosti zbog visokog napona, struja kratkog spoja smanjuje se za tri puta, naprezanje među sabirnicama glavne sklopne ploče u kratkom spoju smanjuje se tri puta. Pri analiziranju sustava raspodjele mora se imati u vidu način uzemljenja neutralne točke. Izolirani / nuzemljeni sustav je potpuno izoliran od zemlje tj. trupa broda. Uzemljeni sustav ima neutralnu točku napajanja spojenu prema zemlji. Obzirom na uzemljenje razlikuju se: a) Neuzemljeni sustav – izolirani sustav

=

G1 G2 G3 G4

M EG M

SPOJ SKOPNOM

380V

GLAVNASKLOPNAPLO^ A380V

MOTORNIKONTROLNICENTRI

GLAVNASKLOPNAPLO^ A220V

TRO[ ILA

380VSKLOPNA PLO^ AZA NU@NOST

SKLOPNA PLO^ A ZA NU@NOST220V

220V

MOTORNIKONTROLNICENTRI

Slika. 2.11. Neuzemljeni sustav

Prednosti neuzemljenog sustava su :

- mali rizik od požara, uz dobro izvedenu izolaciju; - minimalni rizik od bljeska luka; - minimalna cijena zaštite od zemnog spoja; - mogućnost kontinuiteta pogona, uz postojanje zemnog spoja jedne faze.

Nedostaci neuzemljenih sustava su : - struja je mala da bi mogli osigurači proraditi ili prekidači, pa se mjesto kvara

mora ručno tražiti; - brza lokacija kvara je vrlo važna zbog integriteta cijelog sustava; - neophodni su transformatori i dvopolni osigurači za napajanje dvožilnih

krugova; - veoma je važno brzo otklanjanje zemnog spoja, jer zemni spoj iduće faze

predstavlja međufazni kratki spoj; - potrebni su transformatori za stupanj niži napon (380 / 220V);

26

- neophodni su osigurači u obje žile kod jednofaznog napona. Neuzemljeni sustav prikladan je za prostore visokog rizika kada se traži neprekidnost napajanja nedupliciranih važnih trošila iako se primjenjuje u svim prostorima. b) Uzemljeni sustav

G4G3G2G1

690V

TRO[ ILA 690V

TRO[ ILA 690V

400/230V 400/230V 400/230V 400/230V

P O T R A [ I P O T R O [ A ^ I

Slika 2.12. Uzemljeni sustav

Uzemljeni sustavi (primjenjuju se na kopnu) imaju prednost nad ostalim sustavima stoga jer se oprema rađena za kopno može bez ikakvih problema ugraditi na brod ako zadovoljava opće zahtjeve na brodsku instalaciju. Prednosti ovog sustava su automatski rad prekostrujne zaštite u slučaju kratkog spoja, trenutačna lokacija i izolacija kvara, nema potrebe za ugradnjom posebnih releja zemnog spoja, nisu potrebni dvopolni osigurači u jednofaznom sustavu, nisu potrebni transformatori za stupanj niži napon (380/220V), nije potrebna posebna oprema i dodatna zaštita od zemnog spoja jer osigurač redovito izolira kvar u slučaju zemnog spoja. Međutim, kako ima prednosti tako ima i mane: povećan rizik od požara, povećan rizik od luka, mogući problemi sa uzemljenjem generatora, u slučaju kvara prisilni rad je nemoguć, u petlji uzemljenja impendancija mora biti pravilno ispitana, ako se samo osigurači primjene kao zaštita velikih trošila postoji opasnost od požara. c) Uzemljenje preko impendancije i ohmskog otpora Uzemljenje neutralne točke preko impendancije ima prednosti: releji zemnog spoja mogu osigurati automatsku izolaciju mjesta kratkog spoja, struja kratkog spoja je još uvijek dovoljno mala da neće napraviti velike štete, rizik od luka nije još uvijek značajan. Dok su pak mane ovakvog sustava oprema za zaštitu od zemnog spoja je skupa, postoji opasnost od požara u slučaju kvara opreme za zaštitu od zemnog spoja, u slučaju zemnog spoja nije moguć prisilan rad. Primjena ovakvog sustava na tankerima ima ograničenje jer struja zemnog spoja mora biti u određenim granicama. Neutralna točka koja je uzemljena preko visokoohmskog otpora, mora imati otpor koji je jednak ili je nešto manji od 1/3 kapacitivne reaktancije između faze i zemlje. Kod niskoohmskih sustava, bira se otpor koji ograničava struju zemnog spoja na vrijednost između 20% i 100% nominalne struje generatora. Ukoliko je značajan kriterij

27

nalaženje kvara tada se koristi ovakav sustav, dok kruti sustav uzemljenja zbog nedostataka koji su navedeni nije prihvatljiv. Na kraju se mora spomenuti da izbor uzemljenja neutralne točke zahtijeva analizu siguronosnih i funkcionalnih parametara za svaku pojedinu primjenu. Za razvod električne energije na tankerima mogu se primijeniti samo sustavi:

- dvovodni izolirani za istosmjernu struju, - dvovodni izolirani za jednofaznu izmjeničnu struju, - trovodni izolirani za trofaznu izmjeničnu struju.

Brodske električne mreže obzirom na opskrbu električnom energijom trošila mogu se podijeliti: Zrakasta ili radijalna brodska mreža Zrakasta ili radijalna mreža najčešće se primjenjuje, međutim ona ne može osigurati veći kontinuitet napajanja. Eventualni kvar na glavnoj razvodnoj ploči izbacuje dio postrojenja iz pogona. Ako glavna razvodna ploča nije izvedena s podijeljenim jednostrukim sabirnicama, kvar može izbaciti iz pogona čitavo postrojenje. Zamkasta zatvorena brodska mreža Svi brodski generatori napajaju električnom energijom osnovnu zatvorenu mrežnu zamku na kojoj se nalaze na obje strane broda, te na pramčanoj i krmenoj strani primarni razdjelnici s kojih se odvode strujni krugovi na sekundarne razdjelnike, odatle na potrošače. Osnovna mrežna zamka može biti razdijeljena sekcijskim prekidačima na sekcije (dijelove) koje napajaju pojedini generatori, čime se postiže elastičnija podjela električne energije. Pošto zrakaste mreže ne mogu osigurati veći kontinuitet napajanja u slučaju potrebe mogu se povezati i zamkasto. Dobre strane zamkaste zatvorene mreže su : lakša montaža, ušteda materijala i mogućnost napajanja potrošača sa dvije strane. Nedostatak je u otežanom centralnom upravljanju napajanja pojedinačnih ili grupnih potrošača.

G 1

G 2 G 3 G 4 G 5

Generatori

Primarni razdjelnici Primarni razdjelnici

Generator za nu`du

Glavna razvodna plo~a

Slika 2.13. Zrakasta ili radijalna brodska mreža

28

G 1

G 2 G 3 G 4 G 5

G 1

G 2 G 3 G 4 G 5

( (( (

Generator za nu`du

Sekundarni razdjelnici Sekundarni razdjelnici

Primarni razdjelnik

Primarni razdjelnik

Glavna razvodna plo~a

Generatori

Slika 2.14. Zamkasta zatvorena mreža Zrakasta mreža s međuvezama primarnih razdjelnika Ovakve mreže predstavljaju optimalno rješenje brodske mreže. Primarni razdjelnici napajaju se direktno s glavne razvodne ploče, a predviđene su (zbog sigurnosti) veze između primarnih razdjelnika. Troškovi instalacije su minimalno povećani, dok je sigurnost pogona ista kao i kod zamkastih.

G1

G2 G3 G4 G5

G1

G2 G3 G4 G5

( (

Sekundarni razdjelniciSekundarni razdjelnici

Primarnirazdjelnik

Primarnirazdjelnik

Glavna razvodna plo~a

Generator za nu`du

Generatori

Slika 2.15. Zrakasta mreža s međuvezama primarnih razdjelnika

29

Na slici 2.12. prikazana je relativno jednostavna razvodna ploča, kojoj su sva glavna trošila, a to su motori i razni grijači spojeni izravno. Glavni problem kod svih mreža, a pogotovo kod brodskih je trenutak uključenja asinkronih motora. Poznat je problem kada se stavlja u pogon, asinkroni motor povuče 7 do 8 puta veću nazivnu struju, te dolazi do velikih padova napona, a u ekstremnim slučajevima do uništavanja mreže (upućivanje u pogon više motora odjednom).

Središnje mjesto električnog sustava na brodu jest glavna sklopna ploča, jer se na nju dovodi električna energija iz generatora (ili transformatora) i odvodi prema trošilima izravno ili preko ostalih sklopnih uređaja kao što su: pomoćne sklopne ploče, uputnici, razdjelnici, upravljački ormari i pultovi. Ti sklopni uređaji osim različitih konstrukcijskih dijelova sadrže sklopne aparate, tj. sklopke, pokretače, programatore, osigurače i regulacijske elemente (okidače i releje), električne mjerne uređaje (mjerne transformatore i instrumente) te električnu i svjetlosnu /zvučnu signalizaciju. Glavne sklopne ploče se dijele: - visokonaponske (3, 3.3, 6, 6.6, 10, 11 [kV] ) - niskonaponske (380 ,440, 600, 660 [V] ) Postoje elektroenergetski sustavi sa više naponskih nivoa pa oni imaju više glavnih sklopnih ploča, ali se ne razvijaju distributivne mreže sa više naponskih nivoa. Da bi se smanjile dimenzije glavne sklopne ploče, dimenzije priključnih kablova, povećava preglednost i selektivnost sustava koriste se ostale sklopne ploče koje se priključuju na glavnu sklopnu ploču: sklopna ploča za napajanje u nuždi, sklopna ploča grupnih uputnika, sklopna ploča pojedinačnih uputnika, razdjelnici snage, razdjelnici rasvjete i pultevi.

2.3. TROŠILA

Trošila električne energije na brodu (C ) mogu se podijeliti na elektromotorni pogon, toplinska trošila, električnu rasvjetu te na navigacijske i komunikacijske uređaje. Na trgovačkim brodovima srednjih veličina potrošnja elek. energije je: - 80% potrošnje električne energije otpada na elektromotorne pogone pomoćnih strojeva (sidrena i pritezna vitla, dizalice, pumpe, kompresore i slično) i na pogon gospodarskih uređaja; - 15% za grijanje i hlađenje te toplinska trošila troši ; - 3 - 4% za rasvjetu (opću ili normalnu, pomoćnu, pojačanu i dekorativnu rasvjetu i rasvjetu za nuždu) ; - 1 - 2% za napajanje navigacijskih i komunikacijskih uređaja. Na putničkim brodovima računa se prosječno za elektromotorni pogon oko 75% električne energije, za grijanje i hlađenje 12%, za rasvjetu 11% i 2% za sva ostala trošila.

Na temelju ovako jednostavnog prikaza elemenata zatvorenoga električnog strujnog kruga može se pretpostaviti s kojim se problemima valja suočiti pri uporabi električne energije na brodu.

2.4. NEKE SPECIFIČNOSTI ZA BRODSKE ELEKTRIČNE STROJEVE

Brodski električni strojevi, odnosno generatori i motori uglavnom se u pogledu pogonskih karakteristika ne razlikuju od strojeva za sličnu primjenu na kopnu. Zbog toga se načelna teoretska razmatranja električnih strojeva mogu primijeniti i u ovom slučaju. Svi brodski električni strojevi priključeni su uglavnom izravno na strojeve koje pogone ili koji ih pogone. Uporaba remena je rjeđa, i to samo za osovinske generatore i kompresore. Manji i

30

srednji agregati na zajedničkom su postolju, a veći imaju posebne temelje koji su dio brodske konstrukcije. Kućišta električnih strojeva uglavnom su zavarena, od lijevanog su željeza i robusne izvedbe, ali su dopušteni i motori s kućištima od lakih metala otpornih na morsku vodu i pogodno zaštićeni od korozije, tako da se postiže ušteda na težini i do 25%. Na najnižim mjestima moraju imati otvore za istjecanje kondenzata, a protiv rošenja često se ugrađuju električni grijači koji se automatski uključuju kad strojevi prestanu raditi. Ljuljanje, posrtanje broda na valovima i neizbježive vibracije zahtijevaju posebna mehanička rješenja i učvršćenja. Zbog brodskih vibracija ležaji stroja koji miruje dodatno su opterećeni, pa su ponekad posebno mehanički blokirani. Radi manjeg dodatnog opterećivanja ležaja vodoravni strojevi moraju se smjestiti paralelno s brodskom uzdužnom osi. Generatori su obično jednoležajni radi manjih dimenzija čitavog agregata i manjih torzijskih napona osovine generatora koji nastaju zbog nejednolikog hoda dizelskog motora. Elektromotori mogu imati vodoravnu ili okomitu osovinu. Okomiti elektromotori najčešće se rabe za pogon: pumpa, kompresora, kormilarskih uređaja, sidrenog vitla itd. Brodski palubni strojevi. zbog specifičnih uvjeta rada i montaže na palubi, imaju posebne karakteristike, oblike i zaštitu. Prostorije u kojima su smješteni električni strojevi moraju ,sc dobru ventilirati da se u njima ne bi skupljali zapaljivi plinovi, a sami strojevi moraju biti dovoljno udaljeni od zapaljivih materijala (u okomitom smjeru 120 cm, a u vodoravnom 30 cm). Svaki električni stroj također mora imati mehaničku zaštitu od prodiranja ulja i uljnih para, a dijelovi pod naponom moraju sc osigurati od slučajnog dodira ako je istosmjerni napon veći od 120 V ili efektivna vrijednost faznog napona veća od 50 V. Svi strojevi moraju sc solidno uzemljiti (spojiti na glavnu brodsku masu). Brzina vrtnje električnih strojeva ovisi o njihovoj namjeni. Danas se sve vise rabe strojevi s većim brzinama vrtnje jer imaju male dimenzije i malu težinu. Najčešće su u upotrebi oni koji imaju pri 50 Hz sinkrone brzine vrtnje 1000 i 1500 min-1 ili pri 60 Hz 1200 i 1800 min-1. Svi dijelovi električnih strojeva koji vode struju moraju biti od bakra ili od mesinga, a svi ostali dijelovi od nehrđajućeg materijala ili prevučeni zaštitom od korozije (galvanskim metalnim slojem ili lakom). Radi uklanjanja radio-smetnja moraju se strojevi koji iskre blokirati na odgovarajući način. Radi povećanja sigurnosti broda i zaštite života posade i putnika doneseni su posebni propisi za gradnju i izvedbu električnih strojeva. U skladu s Međunarodnom konvencijom o sigurnosti života na moru i Hrvatska je donijela svoje propise (HRB -Hrvatski registar brodova) kojima se propisuje kako električni strojevi mogu i u najtežim uvjetima plovidbe pouzdano raditi.

31

REZERVA

REZERVA

CRPKA ZA PRETAKANJJE NAFTE

REZERVNA CRPKA ZA PODMAZIVANJE

KA SLATKE VODE

ORSKE VODE

CRPKA HIDROFORA

REZERVNA CRPKA ZA HLA\ENJE G.M.

]E SLU@BE

RIJA^ SEPARATORA ULJA

SEPARATOR ULJA

SEPARATOR NAFTE

ZAGRIJA^ SEPARATORA NAFTE

RAZDJELNIK GRIJA^A

OMPRESOR

IDRENO VITLO

. [TEDNJAK

AZDJELNIK VENTILACIJE

REZERVA

18 kVA

380/220V 50Hz

REZERVA

3x16

2x1,5

2x1,5

2x1,5

2x1,5

4x1,5

4x1,5

4x1,5

4x1,5

4x1,5

4x1,5

4x2,5

4x1,5

CRP

CRPKA M

RZERVNA

CRPKA OP

ZAG

CRPKA ZA PRETAKANJE NAFTE REZERVNA CRPKA ZA PODMAZIVANJE CRPKA SLATKE VODE CRPKA MORSKE VODE REZERVNA CRPKA HIDROFORA REZERVNA CRPKA ZA HLA\ENJE G.M. CRPKA OP]E SLU@BE SEPARATOR ULJA ZAGRIJA^ SEPARATORA ULJA SEPARATOR NAFTE ZAGRIJA^ SEPARATORA NAFTE RAZDJELNIK GRIJA^A

EL. K

S

EL. KOMPRESOR SIDRENO VITLO

EL

R

EL.[TEDNJAK RAZDJELNIK VENTILACIJE

Slika 2.16. Glavna sklopna ploča

32

3. OSNOVE ELEKTRIČNIH STROJEVA

3.1. Osnovna podjela električnih strojeva

Električni strojevi pretvaraju jedan oblik energije u drugi oblik na principu elektromagnetske indukcije. Iz toga se može zaključiti da barem jedna od energija mora biti električna. Pri tom pretvaranju jedan dio energije prelazi u toplinsku koja nepovratno odlazi u okolni prostor. Taj je dio zauvijek izgubljen za proces pretvaranja, pa se zove gubitak energije. Pod električnim strojevima u užem smislu uvijek se misli samo na one u kojima se elektromehaničko pretvaranje energije obavlja posredovanjem mehaničkog (obično rotacijskog) gibanja. Ovisno o pretvorbi energije iz jednog oblika u drugi, takav električni stroj može raditi kao 'generator ili motor, kako je shematski predočeno na slici .

. Slika 3.1. Shematski proces pretvorbe energije u električnom stroju Električni generatori su strojevi koji pri svome radu pretvaraju mehaničku energiju u električnu. Mehaničku energiju dobivaju na svoje vratilo od pogonskog stroja (na brodu je to parna ili plinska turbina, dizel motor, osovina propelera), a električnu energiju predaju trošilima preko svojih stezaljki (priključnica).

Električni motori su strojevi koji pri svome radu pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Električna energija dovodi se na motorske stezaljke (priključnice) iz električne mreže, ili iz posebnog izvora. Mehanička energija predaje se s kraja vratila preko spojke, remena ili zupčanika pokretanom radnom stroju, odnosno mehanizmu.

Posebni tip električnih strojeva su električni pretvornici (pretvarači). To su rotacijski strojevi koji pri svome radu pretvaraju električnu energiju jednih parametara u električnu energiju drugih parametara na principu elektromagnetske indukcije

U električne strojeve u širem smislu ubrajaju se i električni transformatori iako nemaju pokretnih dijelova. To su statičke naprave koje pri svome radu pretvaraju električnu energiju jednih parametara u električnu energiju drugih parametara.

Ovisno o pretvorbi energije iz jednog oblika u drugi, u tablici 3.1. navedene su vrste električnih strojeva pomoću kojih se obavlja pretvorba.

Električni strojevi koriste se ili pojedinačno ili kombinirano u grupi. Kod kombinirane upotrebe razlikuju se motorgeneratori, kaskade i električne osovine.

33

Tablica 3.1. Pretvorba energije u električnom stroju.

Električni stroj Oblik privedene energije Oblik dobivene energije GENERATORI mehanička električnaMOTORI električna mehaničkaPRETVORNICI i TRANSFORMATO

električna električna

Motorgenerator se sastoji od motora i jednog ili više generatora izravno vezanih mehanički. Motor je obično izmjenični, a generator istosmjerni stroj.

Kaskada je sastavljana od dva rotacijska stroja koja su međusobno električki i mehanički spojena. Takve kaskade obično služe za pogone promjenljive brzine vrtnje.

Električna osovina je takva kombinacija električnih strojeva kod koje su oba stroja napajana iz iste mreže, a sekundarni namoti su međusobno električki povezani. Na taj način ostvaruje se potpuno podudaranje u rotaciji oba stroja.

Osim navedenih strojeva razlikuju se i razni specijalni strojevi kao npr. amplidini, selsini, tahogeneratori itd.

Za svaki električni stroj karakteristično je da ima najmanje dvije garniture namota: uzbudni namot (koji se kod nekih vrsta strojeva može zamijeniti permanentnim magnetom) i armaturni radni namot) .

Rotacijski električni strojevi mogu se podijeliti s obzirom na vrstu struje, načme napajanja i prema principu rada.

Prema vrsti struje električni strojevi mogu biti istosmjerni i izmjenični.

Istosmjerni (kolektorski stroj je onaj kroz čije priključne vodove teče istosmjerna struja;, iako kroz armaturni namot teče izmjenična. Kroz uzbudni namot tih strojeva također teče istosmjerna struja. Prema vrsti uzbude dijele se na ovisno i neovisno uzbuđene, a ovisno uzbuđeni strojevi, prema spoju uzbudnog namota, mogu biti serijski, paralelni\ koiupaundni (mješoviti). Izmjenični stroj je onaj kroz čije priključne vodove teče izmjenična struja. Prema izvedbi mogu biti jednofazni i višefazni, a ti se dalje dijele prema prncipu rada i pogonskim karakteristikama na sinkrone, asinkrone i kolektorske. Kod sinkronih strojeva teče kroz uzbudni namot istosmjerna struja, a kroz armaturni (radni) namot izmjenična struja. Kod asinkronih i kolektorskih strojeva izmjenične struje teče kroz oba namota izmjenična struja. S obzirom na brzinu vrtnje rotora, frekvencije struja oba namota obično su različite.

Svaki od navedenih izmjeničnih strojeva može se dalje podijeliti s obzirom na izvedbu rotora (rotor s istaknutim polovima ili cilindrični rotor kod sinkronih strojeva, kavezni ili kolutni rotor kod asinkronih strojeva) ili s obzirom -na spoj i način napajanja kod kolektorskih strojeva. Osim navedene podjele električni strojevi mogu sejoš podijeliti prema drugim kritemima.

34

Tako se razlikuju strojevi prema izvedbenom obliku, mehaničkoj zaštiti, načmu hlađenja, nazivnoj brzini vrtnje, veličini, načimi poktretanja itd. Osnovna shema podjele električnih strojeva predočena je na slici.

Za električne strojeve karakteristična su zajednička svojstva:

a) mogu raditi u oba smjera pretvorbe električne energije, tj. rad električnih strojeva je reverzibilan. To znači da će električni rotacijski stroj, kome se dovodi mehanička energija, davati uz određene uvjete električnu energiju i raditi kao generator, a ako se tom istom stroju dovodi električna energija, on će davati uz određene uvjete mehaničku energiju i radit će kao motor. Isto tako, jednoarmaturni pretvornik ovisno o smjeru energije pretvara izmjenični napon u istosmjerni i obratno, a transformator može transformirati niži napon na viši ili obratno, ovisno o priključku transformatora, odnosno smjeru energije;

Slika 3.2. Shema podjele rotacijskih električnih strojeva.

b) iz stroja dobivena energija manja je od stroju privedene energije. u idealnom slučaju (za

idealne strojeve) bila bi privedena energija dobivenoj energiji tj. vrijedi da je 1W 2W

21 WW =

U realnim strojevima uvijek se dobije nešto manje korisne energije od one koja se stroju privodi. Razlog tome je taj što materijal od kojeg su strojevi izrađeni ne vodi idealno dobro električnu struju i magnetske silnice, a također pri rotaciji strojeva javlja se trenja, pa nastaju gubici energije - U tom slučaju vrijedi da je: gW

gWWW −= 12

Razumljivo da gubitak energije W nije nestao. On je samo izgubljen pri transformaciji, jer

35

se nije pretvorio u onaj oblik energije koji se od stroja želio dobiti.

Za rad električnih strojeva od neobične je važnosti da gubitak energije Wg bude što manji zbog ekonomskih razloga i životne dobi električnog stroja.

Jedna od veličina koja karakterizira ekonomičnost stroja je njegov stupanj iskoristivosti (korisnost) koji je definiran kao:

1

2

WW

=η

Kod idealnog stroja taj je odnos jednak jedinici, ili izražen u postocima, korisnost je 100 %. Kod realnog stroja korisnost je manja od jedan i određuje se prema:

1

2

1

21 1WW

WWW

−=−

=η

Kod električnih strojeva korisnost se može izraziti pomoću omjera dobivene (predane) i privedene (primljene) snage: 2P 1P

11

2 <=PP

η

Mjerenje električne snage jednostavnije je od mjerenja mehaničke snage, pa se obično korisnost računa pomoću električne snage (kod motora), odnosno snage (kod generatora) i gubitaka snage . Korisnost motora je:

1P 2P

gP

11

1 1PP

PPP gg

m −=−

=η

a korisnost generatora: g

g

gg PP

PPP

P+

−=+

=22

2 1η

lako realni električni strojevi imaju gubitke, oni su ipak vrlo ekonomični strojevi. Kod njih se postiže, u odnosu na druge strojeve, vrlo povoljna korisnost, koja kod transformatora najvećih snaga iznosi i do 0,99, kod najvećih ratacijskih strojeva nešto je manja, a kod strojeva srednje snage iznosi približno 0,95.

Životna dob električnog stroja bit će zadovoljavajuća ako se pri eksploataciji ne zagrijava iznad dopuštene nadtemperature. Gubici energije W koji nastaju u električnom stroju pretvaraju se pretežno u toplinu zbog koje se povisuje temperatura stroja. Da bi se spriječilo brzo "starenje" izolacije namota električnih strojeva i time osigurala njegova životna dob, moraju se električni strojevi odgovarajuće hladiti.

Gubici u stroju koji se pretvaraju u toplinu mogu nastati na raznim mjestima. Ti su gubici:

- električni gubici zbog prolaza struje kroz namot određenog otpora - gubici u bakru (u namotu),

- gubici u magnetskom krugu zbog pojave histereze i vrtložnih struja - gubci u željezu,

- gubici u izolaciji koji se javljaju kod vrlo visokih napona, pa se uzimaju u obzir samo kod transformatora najvećih snaga i vrlo visokih napona - dielektrički gubici,

- mehanički gubici koji nastaju kod rotacijskih strojeva - gubici trenja i ventilacije.

Teorija električnih strojeva

Poznato je da električna struja nastaje u vodiču zbog napona, tj. zbog razlike potencijala koja vlada između pojedinih točaka na vodiču. Istodobno će se zbog te potencijalne razlike u okolišnom izolacijskom prostoru oko vodiča stvoriti električno polje. Kad kroz vodič prolazi električna struja stvorit će se u okolišu vodiča (i u samome vodiču) i magnetsko polje. Ta polja su dvije komponente rezultirajućeg polja koje se zove elektromagnetsko polje. Predodžbu o magnetskom polju u okolišu elektromagneta moguće je dobiti tako da se ispituje prostor oko elektromagneta. To polje predočeno je magnetskim silnicama, tj. crtama koje su same u sebe zatvorene bez ikakva početka i svršetka, kako se vidi na slici

Magnetske silnice elektromagneta.

Oblik magnetskog polja, odnosno magnetskih silnica ovisi o obliku vodiča kojim protječe električna struja, njegov smjer ovisi o smjeru struje a njegova jakost o jakosti struje, broju zavoja i o srednjoj dužini silnica . Na slici je predočen oblik magnetskog polja ravnog vodiča protjecanog strujom kao i način određivanja smjera tog polja prema pravilu prstiju desne ruke.

Budući da magnetsko polje naglo slabi što je veća udaljenost od vodiča kojim protječe struja praksi se za stvaranje jakih .magnetskih polja ne koriste ravni vodiči. Ako se umjesto ravnog vodiča protjecanog strujom uzme vodič savinut u jedan zavoj prilike se bitno mijenjaju. U tom će slučaju sve magnetske silnice biti prisiljene prolaziti kroz površinu S što je okružuje zavoj, jer

Magnetsko polje ravnog vodiča protjecanog strujom

se ni jedna silnica ne može zatvoriti izvan te površine. Time je gustoća silnica na površini S znatno povećana, pa se dobiva znatno jače magnetsko polje. Još jače magnetsko polje dobit će se ako se umjesto jednog zavoja uzme svitak s N zavoja. Tu se magnetska polja svih zavoja potpomažu pa jakost ukupnog polja rezultat djelovanja svih zavoja. Ako su zavoji gusto namotani jedan do drugoga, magnetske silnice su paralelne i jedino u sredini unutar svitka predočuju homogeno polje. Izvan svitka se razilaze na sve strane , pa je izvan svitka polje nehomogeno. Oblici j smjerovi magnetskih polja zavoja i svitka protjecanih električnom strujom predočeni su na slici .

Oblik i smjer magnetskog polja a) zavoja i b) svitka protjecanih električnom strujom

Opisana tri primjera magnetskih polja što ih je stvorila struja prolazeći kroz različito oblikovane vodiče pruža samo kvalitativan uvid u odnos struje i stvorenog magnetskog polja. Da bi se saznali kvantitativni odnosi između jakosti struje kao uzroka i magnetskog polja kao posljedice treba obaviti razna mjerenja. Pri tome valja znati da veliku poteškoću pri mjerenju predstavlja nehomogenost magnetskog polja koja je karakteristična za električne strojeve.

Rad električnih strojeva temelji se na tri osnovna zakona elektrotehnike: elektromagnetske indukcije, elektromagnetskog protjecanja i sile na vodiče u magnetskom polju.

Zakon elektromagnetske indukcije

Elektromagnetska indukcija je pojava gdje se u_zatvorenoj konturi (zavoju) stvara ili inducira napon e ako se mijenja magnetski tok što ga obuhvaća ta kontura. Veličina tog napona ovisi samo o brzini kojom se mijenja magnetski tok, pa se prema tome može izraziti jednadžbom:

dtde Φ

−=

Značenje predznaka minus u toj jednadžbi objašnjava Lenzov zakon koji kaže, da je smjer induciranog napona uvijek takav da se od toga napona stvorena struja svojim magnetskim učinkom protivi promjeni magnetskog toka Φd , zbog kojeg je došlo do induciranog napona.

Ako kontura ima N zavoja ili ako magnetski tok prođe kroz istu konturu N puta, tada kroz plohu omeđenu tom konturom (svitak) prolazi ulančeni magnetski tok Φ⋅=Ψ N , pa je u tom slučaju inducirani napon:

dtd

dtde Φ

−=Ψ

−=

Izraz predstavlja Faradayev zakon koji kaže daje inducirani napon u strujnom krugu jednak brzini kojom se mijenja magnetski tok ulančen strujnim krugom.

Na slici je predočen način induciranja napona.

Način induciranja napona

Opći oblik zakona elektromagnetske indukcije ne pokazuje kako nastaju promjene magnetskog toka. Te se promjene mogu ostvariti:

a) Pri konstantnom iznosu magnetskog toka i gibanju strujnog kruga u odnosu na magnetski. Kod električnih strojeva gibanje je uglavnom rotacijsko, pa se napon induciran takvom promjenom magnetskog toka zove napon rotacije,

b) promjenom uzbudne struje koja stvara promjenljivo magnetsko polje uz mirovanje

magnetskog kruga u odnosu na strujni krug. Napon induciran takvom promjenom magnetskog toka zove se napon transformacije. Na tom principu zasniva se rad transformatora.

Postoje strojevi i prijelazna stanja u kojima se induciraju naponi na oba načina. To se pojednostavljeno može objasniti prema slici .

Induciranje napona transformacije i rotacije.

Dva strujna kruga 1 i 2, na slici , međusobno su povezana međuinduktivitetom M pri čemu je krug 1 protjecan strujom , a krug 2 može mijenjati polažaj u odnosu na krug 1. Ukupni ulančeni magnetski tok

)( ti1

Ψ u krugu 2 koji nastaje djelovanjem struje u krugu 1, može se izraziti pomoću međuinduktiviteta M (ovisi o geometrijskim odnosima između ta dva strujna kruga, a nije ovisan o struji), paje:

)( ti1

)( tiM 1⋅=Ψ inducirani napon u krugu 2 iznosi:

rt eedt

dMtidtdi

Mdtde +=⋅−⋅−=Ψ

−= )(11

Prvi član napon transformacije koji se inducira samo onda kad uzbudna struja nije konstantna, a drugi član je napon rotacije , koji se inducira samo onda ako geometrijski odnosi jednog kruga prema drugom nisu konstantni.

te

re

Napon transformacije javlja se između ostalog i kod prolaza izmjenične sinusne struje kroz namot. Efektivni iznos induciranog napona računa se u tom slučaju iz:

maxmax

maxmax

maxmax

maxmax

sin

sin

cos

Φ⋅⋅⋅==

Φ⋅⋅⋅=

Φ⋅⋅=

Φ=Φ→Φ

⋅−=

NfE

E

tfNE

tNE

tdtdNE

22

2

2

π

ωπ

ωω

ω

pa konačno iznosi:

max. Φ⋅⋅⋅= NfE 444

gdje je maksimalni magnetski tok, f frekvencija, a N broj zavoja namota. maxΦ=Φ

Napon rotacije nastaje kod relativnog gibanja vodiča (zavoja ili svitka) u odnosu na magnetski tok. Pri tome je svejedno da li se giba vodič (zavoj ili svitak), a magnetski tok miruje, ili obratno. Također valja znati da se napon inducira samo na onom dijelu vodiča (zavoja ili svitka) kojim je taj vodič (zavoj ili svitak) presijecao magnetske silnice, a ostali dijelovi, koji nisu u dodiru sa silnicama magnetskog toka, ili samo klize uz silnice, ili ih ne sijeku, smatraju se neaktivnim u procesu induciranja napona.

Ako se vodič dužine l giba brzinom v u homogenom polju magnetske indukcije B tada je iznos i smjer induciranog napona ovisan o usmjerenim vektorskim veličinama v, B i l i može se napisati u vektorskom obliku:

lBvErrr⋅×= )(

Budući da su kod električnih strojeva redovito tri vektora međusobno okomita, može se za inducirani napon koristiti skalarna jednadžba:

vlBE ⋅⋅=

Smjer induciranog napona E određuje se pravilom desne ruke, kako je predočeno na slici .: postavi li se desna ruka tako, da magnetske silnice ulaze u dlan, a ispruženi palac označuje smjer brzine, tada preostali ispruženi prsti pokazuju smjer induciranog napona.

Određivanje smjera induciranog napona

U općenitom slučaju, ako je vodič bilo kakva oblika i ako se giba u nehomogenom magnetskom polju, treba primijeniti na infinitezimalno mali dio vodiča dl kojem je, dakako, onda induciran samo jedan dio napona dE. tu je smjer induciranog napona dE u svakom elementu dl određen Lenzovim zakonom, a budući da taj smjer ovisi o usmjerenim vektorskim veličinama v, B i 1 može se napisati daje:

ldBvdErrr

××= )(

Za cijelu zatvorenu konturu 1 bit će inducirani napon u svakom trenutku jednak zbroju svih elementarnih napona

∫ ××=l

ldBvErrr

)(

Zakon protjecanja

Između električnih i magnetskih pojava postoji uska povezanost, tj. nema električnih pojava bez magnetskih i obratno. Električne struje i magnetski tokovi povezani su zakonom protjecanja. Poznato je da prolazom struje kroz ravni vodič stvara se u vodiču i oko njega magnetsko polje. Svakoj točki u.tom magnetskom polju pripada određena jakost magnetskog polja H koja je definirana i po smjeru i po iznosu. Jakost homogenog magnetskog polja računa se prema izrazu:

lNI

H⋅

=

gdje je I jakost struje, N broj zavoja (za ravni vodič 1=N ), a l srednja dužina puta zatvaranja magnetskih silnica. Može se zak1jučiiti da je zbog magnetomotorne sile NI ⋅ prostor oko vodiča magnetski uzbuđen, a mjera te uzbude u pojedinačnim točkama tog prostora je veličina H. Magnetomotorna sila će već prema permeabilnosti µ prostora u promatranoj točki toga prostora stvoriti magnetsko polje gustoće B. Gustoća ma.gnetskog polja, odnosno magnetska indukcija B povezana je s magnetskom uzbudom H izrazom :

HB ⋅= µ

Budući daje stvorena gustoća B vektor, a faktor µ , skalar, mora se i veličini H pripisati vektorski karakter, pa se može pisati u obliku

HBrr

⋅= µ

slijedi da je NIlH ⋅=⋅ , pri čemu lijeva strana tog izraza predstavlja magnetski napon koji djeluje na cijeloj dužini /magnetskog toka, tj.

lHV ⋅=

U nehomogenim poljima mijenja se B po cijeloj dužini silnice, pa prema tome ima H od točke do točke različite vrijednosti. Jakost magnetskog polja. ili potrebna uzbuda za stvaranje tog polja, može se odrediti zakonom protjecanja koji_glasi zatvoreni linijski integral magnetske uzbude H po bilo kakvoj zatvorenoj krivulji, jednak je algebarskom zbroju struja I obuhvaćenih tom krivuljom. Matematički izražen taj se zakon može napisati:

∫ ∫ ∑ Θ==Γ=l S

IdSHdl

Linijski integral ∫l

Hdl zove se magnetski napon nehomogenog polja, a odnosi se na

zatvorenu krivulju l plohe površine S. Plošni integral gustoće struje ∫ ΓdSS

Γ po

površini

S zove se strujao protjecanje i predstavlja zbroj svih struja obuhvaćenih promatranom zatvorenom krivuljom kako je za

Θ-jedan primjer predočeno na slici:

Uz objašnjenje zakona protjecanja

Prema slici struje računale bi se s jednim predznakom, struja sa suprotnim, dok se struje ne bi uzimale u obzir, jer su izvan konture l. S obzirom na pravilne geometrijske oblike električnih strojeva i s obzirom da obično kroz N zavoja teče ista struja I, zakon protjecanja daje se u jednostavnijem obliku:

421 IiII , 3I

65 IiI

∑ Θ== NIHl

Sile na vodiče u magnetskom polju

Međusobnim djelovanjem dvaju elektromagneta. kako je predočeno na slici., kroz čije svitke prolaze struje stvorit će se sila F. Sila nastaje zbog toga što magaetski tokovi svojim polovima na svicima djeluju jedan na drugoga prema poznatom pravilu da se istoimeni polovi odbijaju, a raznoimeni privlače.

21 IiI

21 ΦΦ i

Načelni prikaz stvaranja sile F- međusobnim djelovanjem dvaju elektromagneta.

Kad su svici obaju elektromagneta oblikovani i u prostoru smješteni bilo kako, n.e može se ukupna sila odrediti (izračunati) jednostavnim načinom. To ukupno djelovanje može se, međutim, shvatiti kao rezultat svih elementarnih sila kojima magnetsko polje jednog svitka djeluje na elemente vodiča drugog svitka koji su protjecani strujom.

Osobito jednostavne i mjerenju pristupačne prilike dobiju se ako se uzme samo jedan dio drugog svitka i to ravni vodič dužine l koji se nalazi u homogenom magnetskom polju prvog svitka, te ako ie vodič okomito položen na magnetske silnice. Sila kojom magnetsko polje djeluje na taj vodič protjecan strujom može, se izmjeriti, pa pokusi pokazuju daje sila F .izravno proporcionalna gustoći magnetskih silnica B, jakosti struje I koja, prolazi kroz vodič i dužini l na kojoj je vodič u dodiru s magnetskim silnicama. Ta sila može se odrediti po veličini i smjeru iz vektorskog izraza:

)( BlIFrr

×⋅=

Kod električnih strojeva redovito su B i l međusobno okomiti pa se može upotrebljavali skalarna jednadžba:

lBIF ⋅⋅=

Smjer sile okomit je na ravnmu koju tvori smjer struje i smjer magnetskih silnica, a odreduje se pravilom lijeve ruke, koje glasi: poslavili se liieva ruka tako da magnetske silnice udaraju u dlan, a ispruženi prsti pokazuju_smjer struje, onda ispružem palac pokazuje smjer siIeJcako je predočeno na slici .

Određivanje smjera sile na vodič protjecan strujom u magnetskom polju. Ako se u magnetsko polje umjesto ravnog vodiča postavi zavoj protjecan strujom na zavoj će djelovati moment vrtnje M, kako je predočeno na slici .

Moment vrtnje koji djeluje na zavoj protjecan strujom u magnetskom polju.

Prema slici moment vrtnje dobije se iz izraza:

αsin⋅⋅= dFM

gdje je sila lBIF = , pa je αsin⋅⋅⋅⋅= BdlIM , pri čemu je Sdl =⋅ površina što je obavija zavoj (kontura strujnog kruga), te poprima oblik:

αsin⋅⋅⋅= BSIM

Usmjerenoj površini S može se pridati vektorski karakter, pa je:

)( BSIMrr

×⋅=

Princip rada elementarnog električnog stroja

Ako se primjenjuje zakon za inducirani napon iza silu na vodič protjecan električnom strujom u magnetskom polju može se opisati princip rada elementarnog stroja prema slici .

Princip rada elementarnog električnog stroja.

Gibanjem vodiča (nekom vanjskom silom) brzinom v u polju magnetske indukcije B inducira se u vodiču napon vlBE ⋅⋅= čiji je smjer određen pravilom desne ruke. Ako je strujni krug zatvoren poteći će struja I istog smjera kao što je inducirani napon zbog čega se javlja sila lBIF ⋅⋅= . Smjer sile određen pravilom lijeve ruke suprotan je smjeru gibanja vodiča (vidi sliku ). U vremenu dt obavljen električni rad iznosi:

dtIlBvdtIEdWe ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅=

Napon i struja djeluju u istom smjeru pa je obavljeni rad pozitivan. Istodobno sila F obavi mehanički rad koji je negativan (sila F djeluje suprotno gibanju vodiča);

dtvBlIdtvFdSFdWm ⋅⋅⋅⋅−=⋅⋅−=⋅−=

Usporedbom vidi se daje:

me dWdW −= tj. dobiveni električni rad morao se dovesti mehaničkim gibanjem vodiča. To je princip rada generatora.

Ako se na krajeve vodiča priključi napon koji će protjerati struju u suprotnom smjeru od one na slici . a) ( vidi sliku b ) stvara se sila lBIF ⋅⋅= suprotnog smjera od onog na slici a) (prema pravilu lijeve ruke). Zbog djelovanja sile vodič se giba brzinom v zbog čega se

u njemu inducira napon vlBE ⋅⋅= čiji je smjer (određen pravilom desne ruke) suprotan smjeru struje, odnosno priključenom naponu. Inducirani napon je protunapon koji drži ravnotežu priključenom naponu. Posljedica toga je daje električni rad negativan, paj e:

dtIEdWe ⋅⋅−=

Međutim, dobiveni mehanički rad je pozitivan (sila F djeluje u smjeru gibanjja vodiča) i iznosi:

dtvBlIdtvFdSFdWm ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅=⋅=

Vidi se da opet možemo pisati da je:

me dWdW =−

tj. privedeni električni rad pretvorio se u mehanički. To je princip rada elektromotora (motor).

Pri spomenutim pretvorbama javlja s jedne strane električna snaga:

IlBvIEPe ⋅⋅⋅=⋅=

a s druge strane mehanička snaga:

vBlIvFPm ⋅⋅⋅=⋅=

I jedna i druga snaga mogu se dovesti ili odvesti iz stroja ako postoji: - magnetsko polje indukcije B, - vodič koji dužinom l leži u polju indukcije;

- mogućnost relativnog gibanja vodiča prema silnicama magnetskog polja nekom brzinom v,

- priključci vodiča na vanjski strujni krug preko kojih se može vodiču dovesti ili od njega odvesti stnija_/j

- mehanički uređaj za prijenos sila i momenata od vodiča do osovine, ili obratno.

Kod rotacijskog gibanja između snage P i energije W postoji odnos:

ωα rrrr

⋅=⋅

== Mdt

dMdt

dWP

gdje je M moment vrtnje, a α kut zakreta, a ω kutna brzina.

Budući da su kod električnih strojeva vodiči smješteni na obodu rotora koji se može slobodno vrtjeti moment vrtnje M definiran je izrazom:

rFM ⋅=

gdje je F sila na vodič, a r polumjer rotora

Kutna brzina ω mjeri se radijanima u sekundi (rad/s), jer brzina vrtnje n predstavlja n/60 punih okretaja u jednoj sekundi, a svaki puni okretaj predstavlja π2 radijana, tako da je:

602 n⋅

=π

ω

Brzina kojom se vrti vodič na obodu relativno prema silnicama koje miruju, tzv. obodna brzina v (m/s), računa se iz činjenice da svaka točka oboda prevali pri jednom punom okretaju put )( rotorapromjerjerDD 2=⋅π pa je :

60nD

v⋅⋅

=π

Iz izraza može se napisati daje:

dtdαω =

gdje je kut αd iskazan u radijanima, pa je razumljivo da u svim računima te vrste kut treba uvrštavati u radijanima, bez obzira što je kut bezdimenzijska veličina (vidite prilog u udžbeniku).

Pri mehaničkom opterećenju motora mora se uzimati iz izvora električna energija kako bi se savladao moment-tereta, dok se pri električnom opterećenju generatora javlja mehanički protumoment na osovini, zbog čega se generatoru mora dovoditi mehanička energija. Uspoređujući princip rada generatora i motora vidi se daje prijelaz iz generatorskog u motorski rad (ili obratno) moguć bez zaustavljanja pogona. Smjer gibanja (smjer vrtnje) u oba je slučaja isti, a mijenja se samo predznak struje, zbog čega i električni i mehanički rad mijenjaju predznak sto dovodi do prijelaza iz generatorskog u motorski rad ili obratno.

Osnovni dijelovi električnog stroja

Svaki električni stroj mora nužno sadržavati dva osnovna dijela: - magaetski dio koji je obično izveden u obliku jezgre od feromagnetskog materijala - električni dio izveden od dva ili više namota. Magnetsko polje magnetskog kruga i električno polje u zavojima namota međusobno su povezani i čine jedinstveni elektromagnetski sustav električnog stroja.

Kvaliteta električnog stroja, njegova ekonomičnost i pouzdanost u radu bitno ovise o kvaliteti materijala od kojih su izrađeni. Za izradu se koriste magnetski, vodljivi i izolacijski materijali (služe za izradu magnetskog i električnog dijela stroja) koji čine aktivni dio, jer se pomoću njih ostvaruje pretvorba energije i konstrukcijski materijali koji služe za smještaj aktivnog dijela stroja i za prenošenje mehaničkih djelovanja. Magnetski materijali služe za izradu magnetskih krugova. Za transformatore koriste se specijalni transformatorski limovi (s 4 - 5% silicija), dok se za rotacijske strojeve koriste dinamo limovi, čelični limovi itd., legirani s 2 - 3 % silicija. Radi smanjenja gubitaka zbog vrtložnih struja. limovi se međusobno izoliraju vodenim staklom i drugim izolacijskim materijalima. Vodljivi materijali ( uglavnom bakar, a za kavezne motore aluminij) služe za izradu namota. Kod manjih presjeka bakrenog namota koriste se vodiči okruglog presjeka, a kod većih koriste se vodiči profilnog pravokutnog presjeka. Izolacijski materijali upotrebljavaju se za međusobnu izolaciju vodljivih dijelova i izolaciju vodljivih dijelova prema drugim dijelovima transformatora i rotacijskih strojeva. Kvaliteta tih materijala diktira dopuštenu nadtemperaturu namota, a s time i opterećenje aktivnog materijala električnom strujom. Konstrukcijski materijali su lijevano željezo i čelik, te aluminij i njegove legure od kojih su izrađeni kotlovi uljnih transformatora i kućišta rotacijskih strojeva. Energetski transformatori koji nemaju pokretnih dijelova sastoje se od željezne jezgre sastavljene od transformatorskih limova, dva ili -wše namota smještenih oko željezne jezgre i izoliranih međusobno i prema jezgri te od ostalih dijelova ( kotao i pribor) koji služe za hlađenje, mehaničko učvršćenje konstrukcije, transport i prijenos transformatora itd.

Za pretvorbu mehaničke energije u električnu, ili obratno, potrebno je relativno gibanje vodiča prema magnetskom polju. Zbog toga se električni rotacijski strojevi sastoje od dva osnovna dijela: nepomičnog dijela ili statora \ pomičnog dijela ili rotora. Da se omogući gibanje, nalazi se između statora i rotora zračni raspor. Stator se nalazi u kućištu koje se opire o podnožje i prenosi moment na krutu okolinu. Rotor je pričvršćen na osovinu koja se vrti u ležajima. Oni mogu biti pričvršćeni na kućište ili izravno na podnožje na kojem čitav stroj stoji. Mehanička snaga dovodi se ili odvodi s osovine preko spojke, remenice, zupčanika ili sličnog elementa za mehanički prijenos snage. Shematski presjek jednog rotacijskog stroja prikazanje na slici.

Shematski presjek rotacijskog (asinkronog) stroja.

Stator stroja sastavljen je od aktivnog željeza, kućišta, namota s izolacijom i priključka. Aktivna željezna jezgra (zove se i paket limova statora) predstavlja magnetski krug statora, a izvedena je ovisno o vrsti stroja. Statorski paket nalazi se u kućištu, čija je funkcija da nosi i stiti stroj. Kućište malih asinkronih strojeva obično je lijevano od aluminija ili željeza, dok je kućište istosmjernih strojeva zavarene konstrukcije, ili je odliveno od lijevanog čelika- Statorski namot s izolacijom izvodi se ovisno o izvedbi stroja, kako je opisano. Na kućištu se nalazi priključna kutija u koju su izvedeni na stezaljke krajevi statorskog namota preko kojih se stroj priključuje na električnu mrežu. Rotor stroja sastavljen je od aktivnog željeza, namota s izolacijom, kliznih kontakata, ventilatora i osovine. Izvedba rotora pojedinih vrsta strojeva može se znatno razlikovati, jer je za elektromehaničku pretvorbu potpuno svejedno da li magnetsko polje (uzbudni dio) miruje, a armaturni namot se giba (kako je to izvedeno kod istosmjernih strojeva), ili obratno: da se magnetsko polje giba, a vodiči miruju (kako je to obično izvedeno kod sinkronih strojeva). Preko kliznih koluta (kod kolutnih asinkronih i sinkronih strojeva) ili preko kolektora (kod kolektorskih strojeva) i četkica dovode se i odvode struje rotorskog namota. Preko elemenata za prijenos mehaničke snage povezuje se osovina stroja s pogonskim strojem kad radi kao generator, ili s radnim strojem kad radi kao motor.

Magnetski krugovi električnih strojeva

Magnetski krug električnog stroja sastoji se od feromagnetskog (pretežno) i neferomagnetskog (djelomično) materijala te zračnog raspora. Kroz magnetski krug prolazi korisni magnetski tok (tzv. glavni tok) o kojemu ovisi veličina induciranog napona. Glavni magnetski tok zajednički uzbuđuju svi namoti u stroju svojim rezultirajućim protjecanjem. Budući da su kod rotacijskih strojeva namoti smješteni na na statoru i rotoru, silnice glavnog magnetskog toka prolaze kroz zračni raspor.

Osim glavnog magnetskog toka javljaju se i rasipni tokovi koji se djelomično zatvaraju unutar magnetskog kruga, a djelomično izvan njega. Rasipni magnetski tokovi ne doprinose induciranju aktivnog napona.

Da bi se u električnom stroju proizvela potrebna indukcija B sa što manjim strujama u uzbudnom namotu dio puta magnetskih silnica u zraku mora bit što kraći. (To je zbog

toga što je permeabilnost zraka 0µ konstantna i manja je stotinu do nekoliko tisuća puta - ovisno o jakosti polja - od permeabilnosti željeza. Za postizanje iste indukcije u željezu i zraku potrebno je mnogostruko veća jakost polja u zraku od one u željezu.). Kod transformatora to je lako postići, jer nije potrebno mehaničko gibanje jednog dijela stroja prema drugom dijelu, kao što je to nužno kod rotacijskih strojeva. Zbog toga se povećava potrebno protjecanje za stvaranje magnetskog polja, pa je struja praznog .hoda (struja magnetiziranja, uzbudna struja) relativno yeća kod rotacijskih strojeva od one kod transformatora.

0H

Magnetski krug transformatora objasnit će se u poglavlju o transformatorima na brodu. Kod rotacijskih strojeva oblik magnetskog kruga može biti različit, ovisno o broju pari polova, izvedbi polova, te ovisno o tome da li je uzbudni dio na rotoru ili statoru.

Na slici je predočen shematski presjek dvopolnog stroja (jedan par polova, p = 1) s istaknutim polovima na statoru. Oko polova smješten je uzbudni namot. Najveći dio silnica zatvara se kroz rotor tako da ih vodiči rotora sijeku pri gibanju, poput onih označenih s 1, a manji dio zatvara se od pola na pol mimo rotorskog namota, poput onih označenih s 2. Prve silnice čine korisni magnetski tok ili glavni tok, a druge rasipni magnetski tok. Takva izvedba primjenjuje se kod istosmjernih strojeva.

Shematski presjek dvopolnog stroja s istaknutim polovima na statoru.

Shematski presjek četveropolnog stroja (dva para polova, p = 2) s istaknutim polovima na rotoru predočen je na slici . Iz ucrtane jedne silnice glavnog i jedne rasipnog magnetskog toka može se lako zamisliti slika cijelog magnetskog toka. Takva izvedba često se primjenjuje kod sporohodnih sinkronih generatora (hidrogeneratori).

Shematski presjek četveropolnog stroja s istaknutim polovima na rotoru.

Stroj ne mora imati istaknute polove, već mogu stator i rotor biti cilindrični , s utorima za smještaj namota. I uzbudni namot može biti smješten ili na statoru ili na rotor kako je shematski predočeno na slici .

Shematski presjek dvopolnog stroja cilidrične izvedbe s uzbudom na

a) statoru i b) rotoru stroja

Izvedba stroja s cilindričnim polovima na rotoru primjenjuje se kod brzohodnih sinkronih generatora (turbogeneratori).

Za razliku od ostalih rotacijskih električnih strojeva asinkroni strojevi nemaju uzbudu izvedenu s posebnim uzbudnim namotom već je jedini izvor uzbude mreža na koju je priključen statorski namot. Na slici shematski je predočen presjek magnetskog kruga jednog takvog stroja.

Shematski presjek magnetskog kruga asinkronog stroja.

Smjerovi struja u uzbudnom namotu (odnosno u statorskom namotu asinkronog stroja) moraju biti takvi da se po obodu stroja naizmjenične uzbuđuju polovi N - S - N - S itd. Zanimljivo je zapaziti da je smjer struje u prostoru između susjednih polova na oba pola isti. Simetrala između susjednih polova dijeli zbroj svih struja u tom prostoru na dva jednaka dijela, a okomita je na sve silnice, tj. po toj je simetrali 0=∫ ldH l

rr.

Namoti električnih strojeva

Električni stroj bi bio vrlo slabo iskorišten kad bi se na stator ili rotor smjestio samo jedan

ili samo nekoliko vodiča. Raspoloživi prostor valja što potpunije iskoristiti pa se po obodu razmješta više vodiča koji se međusobno tako spajaju da bi se dobilo što racionalnije slaganje njihovih napona u ukupni napon i njihova struja u ukupnu struju, odnosno njihovo protjecanje u ukupno protjecanje. Svi tako spojeni vodiči čine namot statora ili namot rotora.

Svaki namot električnog stroja stvara magnetsko polje kad kroz njega prolazi struja. Oni namoti kojima je psnovna namjena stvaranje magnetskpg polja u stroju zovu se uzbudni namoti, a oni kojima je_osnovna_namjena da se u njima inducira napon i izravno _sudjeluju u pretvorbi energije zovu se_radni ili armaturni namoti. Armaturni namoti se preko stezaljki priključuju na izvor električne energije, ili se na nih priključuju trošila trošila. Kod asinkronog stroja statorski namot ima ulogu i uzbudnog i radnog namota, jer on daje osnovnu uzbudu kada kroz njega prolazi struja, a također se u njemu inducira napon te može primiti ili predati električnu snagu.

Ovisno o namjeni i vrsti stroja, izvedba namota može biti različita. Namot kod kojeg su svi vodiči smješteni u jednom velikom utoru, odnosno namotani oko željezne jezgre zove se konceatrirani namot kako je shematski predočeno na slici

Shema stroja s koncentriranim uzbudnim namotom na a) statoru i b) rotoru stroja.

Namot kod kojeg su vodiči smješteni u više utora po obodu statora ili rotora zove se raspodijeljeni namot. Takav namot je u pravilu radni namot stroja. Vodiči raspodijeljenog namota ulažu se u utore štancane u željezne limove koji čine statorski ili rotorski paket. Prema obliku utori mogu biti otvoreni, poluzatvoreni i zatvoreni kakoje predočeno na slici .

Oblici utora: a) otvoreni; b) poluzatvoreni; c) zatvoreni.

Prema obliku utora primjenjuju se različiti tehnološki postupci izvedbe vodiča i njihovo ulaganje u utore. Kod raspodijeljenog namota svaki se zavoj sastoji od dva vodiča smještena u dva različita utora i međusobno spojena u čeonoj strani; Ako su vodiči zavoja smješteni u utorima tako, da se svaki vodič nalazi pod suprotnim magnetskim polom, tada se njihovi naponi i sile stvorene protjecanjem struje kroz oba vodiča potpomažu. Više u seriju namotanih zavoja (s izvedenim početkom prvog i svršetkom zadnjeg zavoja) koji imaju istu, magnetsku os i predstavljaju mehaničku cjelinu čine .svitak kako je predočeno na slici .

Svitak rotacijskog električnog stroja.

Svaki svitak ima aktivni i neaktivni dio. Aktivni dio svitka je onaj u kojem se inducira napon, tj. to su strane svitka (vodiči) koji se nalaze u utoru. «l» je upravo dužina vodiča koja je povezana s magnetskim poljem, tj. koja se nalazi u utoru. Dio svitka koji se ne nalazi u utoru, već samo povezuje strane svitka (vodiče) u zavoje, neaktivan je i zove se čeona strana, odnosno za čitav namot glava namota. Zbog njih se povećavaju otpor i gubici u stroju.

Različiti svici smješteni su u različitim utorima i mogu se spajati serijski (češće) ili paralelno. Međusobno spojeni svici čine namot. Ukupni inducirani napon odnosno ukupna sila na obodu stroja proporcionalni su ukupnom broju zavoja. Namot se može izvesti s jednakim svicima ili s različitim koncentričnim svicima, kako je predočeno na slici . (gdje je P početak, a S svršetak svitka), pri čemu strana jednog svitka ispunjava čitav jedan utor. Ako su svi utori ispunjeni, broj je svitaka jednak polovici broja namotanih utora. Takav namot zove se jednoslojni namot.

Vrlo često upotrebljava se dvoslojni namot, kod kojega se u svakom utoru nalaze dvije strane dvaju različitih svitaka, jedna u gornjem, a druga u donjem sloju utora. Svaki svitak takva namota jednom je stranom u gornjem g, a drugom u donjem (/sloju, kako je predočeno na slici . Svi su svici međusobno jednaki, što je povoljno. Broj svitaka dvoslojnog namota jednak je broju namotanih utora.

Namot s grupom : a) jednakih svitaka; b) koncetričnih svitaka po paru polova; c) s grupom svitaka po polu

Utor s dvoslojnim namotom i svici dvoslojnog namota.

Zagrijavanje i hlađenje električnih strojeva

Pri radu električnog stroja ne pretvara se ukupno dovedena energija u željeni oblik. Jedan dio energije troši se na pokrivanje gubitaka i laj se dio na kraju pretvara u toplinu. Zbog toga dolazi do porasta temperature; najprije na mjestima gdje gubici nastaju, a zatim se prijenosom topline zagriju i ostali dijelovi stroja. Najveća razvijena toplina je u vodičima namota s kojih se prenosi na izolaciju koja je obično u usporedbi s ostalim materijalima u stroju najosjetljivija na utjecaj viših temperatura. Dopušteno zagrijavanje namota propisano je ovisno o kvaliteti izolacije. Tako su u tablici predočene granične temperature za pojedine klase izolacije (prema IEC standardu, Publ. 505/1975 i Publ.216/1974). Tablica: Toplinske klase izolacijskog materijala

KIasa izolacije

Y

A

E

B

F

H

C

Granična temperatura u(°C)

90

105

120

130

155

180

iznad 180

Dopušteno zagrijavanje namota električnog stroja određuje njegovu nazivnu snagu. Da bi se iz električnog stroja dobila što veća snaga, strojevi se konstruiraju tako da hlađenje, tj. odvođenje razvijene topline iz stroja bude što efikasnije, a da pri tome korisnost i povećani troškovi zbog boljeg hlađenja budu zadovoljavajući.

Velika većina strojeva hladi se zrakom. Kod malih strojeva odvodi se toplina preko površine statora. Za efikasnije hlađenje koristi se ventilator koji se kod manjih rotacijskih strojeva postavlja s vanjske strane statora tako da ventilator tjera zrak preko vanjskog kućišta statora, a u strojeve srednjih snaga ugrađuju se ventilatori koji tjeraju zrak kroz stroj. Za odvođenje 1 kW gubitaka potrebna je količina zraka od cca , odnosno uz porast temperature zraka za 18°C. Za poznatu snagu)

električnog stroja i njegovu korisnost

min/33m

sm /. 3050

)(WP2 η . potreban kapacitet ventilatora određuje se približno iz izraza:

)/( smQ 3

ηη−

⋅⋅= − 1105 25 PQ

Osim ventilatorima, vrlo veliki sutrojevi hlade se vodom pomoću ugrađenih hladnjaka, odnosno sisaljke tjeraju vodu kroz cjevovode, hladnjake i namot stroja.

Iako električni stroj nije homogeno tijelo, jer je sastavljen od mnogih dijelova, ipak se može (osim kod velikih preopterećenja) zagrijavanje i hlađenje električnog stroja promatrati kao zagrijavanje i hlađenje homogenog tijela.

Poznato je da je osnovni parametar zagrijavanja namota strujno opterećenje vodiča namota i s njim u vezi uvjeti odvođenja topline stroja. Strujno opterećenje (gustoća struje) općenito se definira kao struja I(A) koja protječe jedinicom presjeka vodiča S (mm2), što se izražava kao:

SI

=Γ

Ako struja prolazi namotima stroja onda će se u njima razviti Joulova toplina prema poznatom zakonu:

tRItPQ ⋅⋅=⋅= 2

Da bi se mogla stvoriti jasna slika o utjecaju strujnog opterećenja na zagrijavanje stroja, valja razmotriti opće toplinske zakonitosti pri opterećenju samog vodiča. Tako će proizvedena toplina zbog strujnog opterećenja u vremenu dt iznositi:

dtPdQ ⋅=

Od te topline dQ jedan se dio neposredno odvodi prijenosom topline na okolinu, a ostali dio utječe na porast temperature vodiča, čime se povećava efekt

odvođenja topline, i na nekoj temperaturi nastaje stabilizacija. U promatranom vremenu dt bit će količina odvedene topline:

dtSdQ ⋅−⋅⋅= )( 01 ϑϑλ

gdje je: S površina zagrijavanog vodiča preko koje se toplina odvodi (m2), λ toplinski koeficijent odvođenja topline (W/m2 °C), ϑ temperatura zagrijanog vodiča (°C),

0ϑ temperatura okoline (°C).

Preostala toplina koja nije odvedena u vremenu dt bila bi:

12 dQdQdQ −=

odnosno toplina koja će djelovati na porast temperature vodiča za iznos ϑd jednaka je:

ϑdcmdQ ⋅⋅=2

gdje je: m masa zagrijavanog vodiča (kg), c specifična toplina vodiča (Ws/kg).

Unošenjem izraza prethodnih izraza dobije se diferencijalna jednadžba:

ϑϑϑλ dcmdtSdtP ⋅⋅+⋅−⋅⋅=⋅ )( 0 Stacionarno stanje dobije se za ∞=t kad temperatura vodiča više ne raste, dakle ako je:

02 =⋅⋅= ϑdcmdQ

i pri tome jednadžba stanja dobiva oblik:

dtSdtP ⋅−⋅⋅=⋅ )( 0ϑϑλ

Iz jednadžbe za stacionarno stanje izlazi daje maxϑϑ = ili:

)( max 0ϑϑλ −⋅⋅= SP odnosno:

λϑϑ

⋅+=

SP

0max

pa maksimalno zagrijavanje ili nadtemperatura vodiča iznosi:

λϑϑϑ

⋅=−=

SP

n 0maxmax

Međutim, osim stacionarnog stanja potrebno je analizirati i prijelaznu pojavu, jer se vrlo često u praksi koristi samo režim prijelazne pojave, a da pri tome do stacionarnog stanja neće ni doći.

Zakonitost porasta temperature u prijelaznom stanju može se dobiti riješivši diferencijalnu jednadžbu . Podijeli li se s λ⋅S dobije se:

dtdS

cmdtS

P )( 0ϑϑϑλλ

−+⋅⋅

=⋅

Izraz maxϑλ=

⋅SP je nadtemperanira vodiča, a konstanta

τλ=

⋅⋅

Scm

ima dimenziju vremena i zove se vremenska konstanta zagrijavanja ili toplinska vremenska konstanta.

Uvrštenjem dobije se: dtddt ⋅−+⋅=⋅ )(max 0ϑϑϑτϑ

odnosno: τϑϑ

ϑ⋅

−=

)( max nn

ddt

gdje je 0ϑϑϑ −=n

Nakon integriranja i uvrštenjem integracijske konstante za t = 0, dobije se konačni izraz zagrijavanja u prijelaznom stanju:

)(maxτϑϑ1

1−

−= enn

Iz navedenih razmatranja može se zaključiti, da se zagrijavanje odvija po eksponencijalnom zakonu. To znači da će u početku temperatura brzo rasti, a zatim će se (uz pretpostavku nepromijenjenih uvjeta zagrijavanja i hlađenja) asimptotski približavati maksimalnoj (stacionarnoj) vrijednosti.

Sve promjenjive vrijednosti (površina, specifična toplina i uvjeti odvođenja topline) sadržane su u vremenskoj konstanti τ . Numeričke relativne vrijednosti zagrijavanja za ),,,(max 543211 ikktzain =⋅== τϑ navedene su u tablici .

Predoče li se vrijednosti iz tablice grafički, dobit će se krivulja zagrijavanja strojeva u prijelaznom stanju do stacionarnog stanja kako se vidi na slici.

Tab. Numeričke relativne vrijednosti zagrijavanja

t τ τ2 τ3 τ4 τ5 ma/ϑϑn 0,63

20,86

50,95

00,98

10,99

3

Zagrijavanje homogenog tijela (električnog stroja)

U prosječnim električnim strojevima i uređajima s izoliranim vodičima, vremenska konstanta ima vrijednost cca 1 sata. Međutim, kod jednostavnih uređaja, grijaćih tijela itd. vremenska konstanta iznosi nekoliko minuta, a i manje. Iz toga, a i prema podacima u tablici očito je da se stacionarno stanje postiže za nekoliko sati. Obično se smatra da se praktički stacionarno stanje uspostavlja nakon 5 do 8 sati. Radi ocjene strujnog opterećenja osim zagrijavanja valja razmotriti i proces hlađenja, dakle ono što se događa s temperaturom stroja nakon prestanka strujnog opterećenja, odnosno kad je:

0=⋅dtP

pri čemu diferencijalna jednadžba ima oblik:

00 =⋅⋅+⋅−⋅⋅ ϑϑϑλ dcmdtS )(

Na osnovi njezina rješenja, uz pretpostavku da je kod promatranja t = 0 bilo stacionarno stanje, dakle maksimalna nadtemperatura vodiča maxnϑϑ = i uz uvođenje temperaturne konstante, dobiva se nadtemperatura pri hlađenju vodiča:

τϑϑ1

−= enn max )

Jednadžba predstavlja prijelazno stanje hlađenja homogenog tijela (električnog stroja), a temperatura će se kretati ovisno od vremena kao u tablici , odnosno po krivulji predočenoj na slici .

Tab. Numeričke relativne vrijednosti hlađenja.

t τ τ2 τ3 τ4 τ5 ma/ϑϑn 0,36

80,13

50,05

00,01

90,00

7

Hlađenje homogenog tijela (električnog stroja).

Kao i pri zagrijavanju vremenska se konstanta može grafički odrediti, tj. ona odgovara vremenu τ=t koje siječe tangenta krivulje u početku prijelazne pojave, i to od vrijednosti stacionarnog stanja.

Bez obzira na to gdje prijelazna pojava počela (zagrijavanje ili hlađenje), tangente početka krivulje imaju uvijek isti kut koji je kod hlađenja preslikan od zagrijavanja s obzirom na vremensku os.

Pogonska stanja električnih strojeva

Osnovno pogonsko stanje električnog stroja je opterećenje. Ono se kreće od praznog hoda, kada stroj nije opterećen, preko djelomičnog i nazivnog opterećenja je preko preopterećenja do kratkog spoja. Često se poznavanjem karakteristika stroja u dva krajnja pogonska stanja - u praznom hodu i kratkom spoju - može se zaključiti na ponašanje stroja za vrijeme opterećenja.

Prazan hod električnog stroja je njegovo krajnje pogonsko stanje u kojem nema korisnog pretvaranja energije zbog toga sto trošila nisu priključena, ali je stroj spreman da preuzme opterećenje. Kod rotacijskih strojeva to je i prijelazno stanje između motorskog i generatorskog procesa rada. Transformator se nalazi u praznom hodu kad je priključen na nazivni ulazni napon (primar), a izlazne stezaljke (sekundar) su otvorene, tj. nema struje opterećenja. Za pokrivanje gubitaka praznog hoda transformator uzima iz mreže radnu energiju, a jalovu za uzbudu.

Generator radi u praznom hodu onda kad se vrti pod utjecajem pogonskog stroja, uzbuđen je, na stezaljkama ima nazivni napon, ali nema priključena trošila, tj. struja opterećenja jednaka je nuli. Gubici praznog hoda generatora pokrivaju se energijom pogonskog stroja.

Motor radi u praznom hodu kad je priključen na nazivni napon, a na osovini (pri zanemarivo malom momentu trenja) ne razvija nikakav okretni moment, jer nema mehaničkog opterećenja. Njegova brzina vrtnje praznog boda može biti ista (sinkroni motor) ili znatno veća (istosmjerni serijski motor) od nazivne brzine vrtnje. Za pokrivanje gubitaka praznog hoda motor uzima energiju iz električne mreže.

Korisnost električnih strojeva u praznom hodu jednaka je nuli (r| = 0), jer je dovedena

snaga (kod transformatora i motora to je električna, a kod generatora mehanička)jednaka gubicima.

Kratki spoj električnog stroja je njegovo krajnje pogonsko stanje u kojem zbog prevelikog opterećenja prestaje korisna pretvorba energije. Nastaje onda kad se kratko spoje (premoste) sekundarne stezaljke transformatora ili stezaljke generatora vrlo malim otporom, ili ako se preopterećenjem (velikim protumomentom) spriječi vrtnja motora tako da se on zakoči. U tom pogonskom stanju stroj je prisiljen da svu energiju koju primi (jer je više ne predaje trošilu) sam potroši, tj. sva se dovedena energija troši na gubitke u stroju koji zbog toga može biti toplinski preopterećen. Kratki spoj motora također je prijelazno stanje između motorskog rada i kočnog (protustrujnog) rada koje se koristi u elektromotornim pogonima.

Korisnost u kratkom spoju jednaka je nuli ( 0=η ), jer je korisna snaga jednaka nuli (kod transformatora i generatora zbog toga što je izlazni napon jednak nuli, a kod motora zbog toga što je brzina vrtnje jednaka nuli), pa je privedena radna snaga jednaka gubicima.

Iako je u praznom hodu i kratkom spoju krajnji vanjski efekt isti (ne predaje se nikakva korisna energija i korisnost je nula) velika je razlika u toplinskom opterećenju stroja (najmanje je u praznom hodu, a najveće u kratkom spoju) pa se rad , stroja u kratkom spoju obično ne dopušta i mora se što prije prekinuti. Zbog toga električni strojevi moraju imati zaštitu od kratkog spoja. Iz podataka dobivenih pokusom praznog hoda i kratkog spoja može se približno zaključiti o gubicima pri opterećenju i zaključiti da li će stroj moći podnijeti opterećenje. Valja znati, da se zbog velikog termičkog opterećenja pokus kratkog spoja izvodi kod transformatora i motora obično pri sniženom naponu, a kod generatora pri sniženoj uzbudi.

Opterećenje električnog stroja nastaje kad se priključenjem odgovarajućih trošila koristi energija pretvorena u stroju. Kod transformatora i generatora priključuju se trošila električne energije (motori, toplinska trošila, rasvjetna tijela itd.), a kod motora priključuju se trošila mehaničke energije (razni radni strojevi na brodu: pumpe, kompresori, ventilatori, vitla itd.).

Pri opterećenju električni stroj uzima energiju (transformator i motor iz mreže, a generator od pogonskog stroja) potrebnu za rad priključenog trošila, kao i za pokrivanje gubitaka. Pri opterećenju javljaju se osim gubitaka praznog hoda i gubici zbog opterećenja.

Opterećenje električnog stroja može biti različito. Pri djelomičnom opterećenju stroj nije potpuno iskorišten, a preopterećenje izaziva zagrijavanja viša od dopuštenog i štetno je. Zbog toga električni stroj mora raditi pri nazivnom opterećenju, odnosno opterećenju za koje je izgrađen i koje je označeno na natpisnoj p/očici za određenu vrstu pogona (trajni, kratkotrajni, intermitirani itd.).

Na natpisnoj pločici navedeni su nazivni podaci električnog stroja kako je predočeno na slici .

Natpisna pločica za električne strojeve.

Valja znati da se svi navedeni podaci (i drugi nenavedeni) ne nalaze na svim natpisnim pločicama, već samo oni koji su potrebni za određenu vrstu stroja i karakter njegova rada.

62

4. ELEKTRIČNI STROJEVI NA BRODU – EL. TRANSFORMATORI

Veliki je broj različitih električnih strojeva koji se upotrebljavaju na brodu. Sve te strojeve moguće je podijeliti u tri osnovne skupine:

1. transformatori; 2. električni strojevi s elektromehaničkim pretvaranjem; 3. električki pretvarači.

Transformatori mogu biti energetski (transformatori snage), regulacijski, mjerni, laboratorijski (ispitni), autotransformatori (transformatori u štednom spoju) i specijalni. Budući da se u ovom udžbeniku obraduje elektroenergetski dio broda, proučavat će se samo energetski transformatori ili transformatori snage.

U skupinu električnih strojeva s elektromehaničkim pretvaranjem ubrajaju se:

1. asinkroni strojevi; 2. sinkroni strojevi; 3. kolektorski strojevi (istosmjerni strojevi i kolektorski strojevi izmjenične struje); 4. pretvarači i regulacijske skupine.

Zbog važnosti primjene na brodu, u udžbeniku su najdetaljnije opisani asinkroni motori \ sinkroni generatori, dok se za istosmjerne strojeve daju samo njihove osnovne karakteristike jer se oni sve manje rabe na brodu.

Iako ne pripadaju električnim strojevima. u udžbeniku su opisane i osnovne karakteristike ispravljača (usmjerivača jer je njihova uporaba na suvremenim brodovima velika.

3.1. Energetski transformatori

Energetski transformator ili transformator snage statičke su elektromagnetske naprave ili najjednostavniji električni strojevi bez okretnih dijelova koji povisuju, odnosno snizuju izmjenični napon na principu elektromagnetske indukcije. Pri transformaciji napona frekvencija sc ne mijenja.

Svaki transformator sastoji se od željezne jezgre, namota i ostalih dijelova i pribora

(kotla u uljnih transformatora, te pripadnih uređaja za priključak i mehaničko učvršćenje i zaštitne naprave). Željezna jezgra tako je načinjena da čini zatvoreni magnetski krug, a oko jezgre postavljaju sc namoti koji su međusobno i prema jezgri izolirani. Jezgra i namoti zovu sc aktivni dijelovi, jer oni izravno sudjeluju u procesu transformacije. Izvedba ostalih dijelova transformatora obično ovisi o njegovoj veličini, namjeni i načinu hlađenja.

Željezna transformatorska jezgra sastavljena je iz međusobno izoliranih legiranih

limova da bi se smanjili gubici zbog vrtložnih struja koji nastaju u željezu pri izmjeničnom magnetiziranju. Transformatorski limovi slažu se u paket tako da zračni raspor u jezgri bude što manji kako bi i potrebna struja magnetiziranja (uzbudna struja) bila što manja. Praktički se smanjenje struje magnetiziranja rješava prekrivanjem limova pri slaganju jezgre.

Ovisno o veličini transformatora i vrsti limova, oblik izrezanih limova, a s tim i slaganje

jezgre, može biti različito. Na slici . predočeni su slojevi limova jednofaznog i trofaznog transformatora. Izmjeničnim slaganjem limova u paket (lako da na sloj 1 dolazi sloj 2) postiže se da uvijek puno željezo u parnom sloju prekriva zračni raspor u neparnom, i obrnuto, a konačno se dobiva traženi oblik jezgre.

Slaganje limova jezgre: a) jednofaznog i b) trofaznog transformatora

Izolacija limova izvodi se jednostrano ili dvostrano, i to s pomoću svilenog papira, laka, vodenog stakla, oksida itd. Izolacija, nejednolika debljina limova (od 0,3 do 0,5 mm) i hrapavost površine lima uzrokuju smanjenje aktivnog presjeka jezgre, pa je odnos čistog presjeka željeza Fe prema ukupnom presjeku jezgre .manji od jedan. Taj odnos zove se faktor punjenja paketa i iznosi 0,85 - 0,97.

'S FeS

Prema obliku jezgre transformatori se dijele na jezgraste (stupne) i ogrnute (oklopljene); Zbog ekonomskih i praktičnih razloga najčešći je jezgrasti oblik.

Na slici . predočena je načelna izvedba jezgrastog tipa jednofaznog i trofaznog transformatora. Jezgra se sastoji od stupova (1) koji nose donjonaponski (2) i gornjonaponski (3) namot te gornjeg ('4) i donjeg (5) jarma koji povezuje stupove, a služi za zatvaranje magnetskog toka. Otvor između stupova i jarmova zove se proz.or jezgre (6) i služi za smještaj namota.

Jezgrasti: a) jednofazni i b) trofazni transformator

Presjek stupa može imati različite geometrijske oblike, a neki su predočeni na slici l.. Tehnološki je najjednostavnije napraviti stup s pravokutnim presjekom (prema slici )) jer je širina svih limova jednaka (za najmanje transformatore).

63

Za veće snage transformatora izrađuje se presjek stupa s većim brojem različitih širina limova (prema slici .

Presjek jarma obično je pravokutan ili kvadratni u manjih jezgrastih transformatora, a veći imaju oblik stupa. Obično je 10 - 15% veći od presjeka stupa jer je manja indukcija u jarmu, a s tim je manja i ukupna struja praznog hoda, odnosno manji su gubici u željezu.

Oblici presjeka transformatorskog stupa: a) kvadratni, b) križni i c) stubasti

Željezna jezgra mora biti kruto učvršćena da ne dolazi do brujanja limova. Zato se limovi međusobno stežu podložnim pločama i vijcima od magnetskog materijala koji su izolacijskim valjkom dobro izolirani od limova.

U ogrnutom tipu transformatora, prema slici ., kroz stup se zatvara magnetski tok Φ , a kroz jarmove 2

Φ . Da bi indukcije u stupu i jarmu bile približno jednake, presjek je stupa približno dva puta veći. Taj tip jezgre rabi se za transformatore male snage ili samo u specijalnim slučajevima.

Ogrnuti jednofazni transformator

Namoti transformatora nalaze se namotani oko stupova. Obično se izrađuju od čistog elektrolitskog bakra. okruglog ili pravokutnog presjeka vodiča. Ovisno o načinu hlađenja (suhi ili uljni), vodiči .se izoliraju različitom izolacijom. Budući da na brodu treba ugrađivali samo suhe transformatore, ta izolacija može biti od pamuka impregnirana lakom na bazi umjetnih smola, ili od staklenog prediva impregnirana lakom na bazi umjetnih smola, ili impregnirana silikonskim lakom.

Kad je poznat smjer prenošenja energije, razlikuje se primarni (ulazni) i sekundarni (izlazni) namot. Prema visini napona namot se dijeli na nam ot nižeg napona (donjonaponski -

64

namot) i namot višeg napona (gornjonaponski - namot). Ti namoti postavljaju sc uvijek oko istog slupa a ne razdvojeni jer je tada rasipanje magnetskog toka najmanje. Zbog izolacijskih razloga, oko stupa postavlja se prvo DN namot, a onda na njega GN namot.

Prema položaju DN i GN namota, te njihovu oblikovanju, transformatorski namot može biti koncentričan i plosnat. Obje izvedbe imaju prednosti i nedostatke. Za energetske transformatore rabi se koncentrični namot, tj. koncentrični položaj DN i GN namota, kako je predočeno na slici .

Transformatorski koncentrični namot

Za napajanje raznih trošila, priključenih na brodsku mrežu, služe jednofazni i trofazni transformatori. Ti transformatori, hlađeni zrakom ili suhim dielektrikom, moraju osigurati napajanje trošila u svim plovidbenim uvjetima.

Jednofazni transformatori

U brodove se često ugrađuju jednofazni zračni ili suhi transformatori oblika prema slici . Da bi se poboljšalo hlađenje, stavljaju se između namota bakreni ili cinčani limovi koji su razrezani da ne tvore kratko spojene zavoje i da se u njima ne stvaraju velike vrtložne struje. Pričvršćuju se na dva koluta K radi sigurnosti pri valjanju broda, rijetko se dodatno hlade ventilatorima, a smješteni moraju biti tako da se spriječi kontakt s prašinom i vlagom.

Jednofazni zračni ili suhi transformator Da bi se pojednostavnilo tumačenje načelo rada jednofaznih ( pa i višefaznih )

transformatora, može poslužiti idealni transformator.

65

Jednofazni idealni transformator

Pretpostavlja se da idealni transformator ima takvu željeznu jezgru koja omogućuje da se cijeli magnetski tok zatvara kroz sve zavoje oba namota; da je magnetska permeabilnost takve jezgre konstantna veličina vrlu visokog iznosa (pa je za stvaranje magnetskog toka u jezgri potrebna mala struja magnetiziranja); da su gubici u željezu i bakru te pad napona zanemarivo mali. Tim pretpostavkama odgovara transformator prikazan na slici .

Načelna shema jednofaznog idealnog transformatora

Ako se primarni namot s zavoja priključi na jednofazni izmjenični napon , poteći će kroz namot izmjenična struja. Ta struja, tzv. uzbudna struja ili struja magnetiziranja m , s primarnim zavojima stvorit će protjecanje koje će uzbudili magnetski tok Φ . Budući da je i taj magnetski tok izmjeničan, prema zakonu elektromagnetske indukcije inducirat će se u primarnom namotu napon , a u sekundarnom namotu napon . Veličine tih induciranih napona određuju se prema II. Kirchhoffovu zakonu, koji kaže da zbroj svih napona u strujnom krugu mora biti jednak nuli. Uzevši u obzir pretpostavku za idealni transformator da u strujnom krugu nema padova napona, za primarnu stranu možc se pisati da je:

1N 1UI

1E 2E

011 =+ EU

odnosno

UE −=1

a za sekundarnu stranu:

22 UE =

Iz gornjih izraza vidi se da je inducirani napon primara protunapon koji drži ravnotežu naponu izvora , dok je inducirani napon sekundara , aktivni napon koji će protjerati struju kroz trošila ako se sklopkom S oznaćenom na slici zatvori strujni krug.

1E

1E E2

Svaki od induciranih napona može sc predočiti kao funkcija vlastitog broja

zavoja, jer je magrnetski tok Φ i njegova brzina promjene u oba slučaja jednaka: 21 EiE

dtdNE Φ

−= 11

odnosno: dtdNE Φ

−= 22

66

Ako podijelimo ove izraze, dobiva se:

2121 NNEE :: =

Ovaj izraz vrijedi za svaki transformator, dok za idealni transformator također vrijedi:

2121 NNUU :: =

Za idealni transformator mogu se zanemariti gubici, što energetski znači daje ulazna snaga jednaka izlaznoj snazi 11 IU ⋅ 22 IU ⋅ , pa vrijedi:

1

2

2

1

II

UU

=

slijedi:

1221 NNII :: =

odnosno: 2211 NINI ⋅=⋅

Ovi izrazi osnovne su ili glavne jednadžbe transformatora. One znače da se naponi primara i sekundara odnose kao njihovi brojevi zavoja, a struje primara i sekundara odnose se obrnuto proporcionalno njihovim brojevima zavoja. Slijedi da će namot određen za viši napon (GN namot) biti onaj koji ima više zavoja kroz koje teče slabija struja, a namot predviđen za niži napon (DN namot) biti onaj koji ima manje zavoja kroz koje teče jača struja. Prema tome, GN namot ima više zavoja tanje žice, a DN namot ima manje zavoja deblje žice.

Budući da je osnovna karakteristična veličina pri procesu transformacije omjer 2

1U

U koji se zove omjer prenošenja. ili prijenosni odnos transformatora, za jednofazni idealni transformator taj se odnos može prikazali koeficijentom transformacije.

2

112 N

Nk =

odnosno:

1

221 N

Nk =

Za napomenuti je da su inducirani naponi i struje u namotima električnih strojeva skalarne veličine vremenski promjenljive prema sinusnom zakonu. Često se simbolički prikazuju ka» fazori, tj. simbolički vektori, a u udžbeniku su .označeni strelicom iznad slovnog simbola. Kolike su trenutne vrijednosti napona i struja i koliki je vremenski pomak između njihovih prolazaka kroz maksimum, pokazuje fazorski dijagram.

Za jednofazni idealni transformator karakteristična .su dva pogonska stanja:

a) prazni hod;

b) opterećenje.

a) Prazni hod jednofaznog idealnog transformatora je njegovo granično pogonsko stanje, pri čemu je njegov primarni namot priključen na napon (poglavito nazivni napon), a sekundarni namot je otvoren (sklopka S na slici nije uključena). Priključkom na izvor napona ,kroz primarni namot poteći će vrlo mala struja koja zaostaje za naponom za 90°. Ta struja

1U

mI

67

uzbudit će magnetski tok koji je s njom u fazi. U sekundarnom namotu ne teče struja jer je otpor sekundara beskonačno velik.

Φ

Zbog vremenske promjene magnetskog toka Φ inducirat će sc u primarnom namotu protunapon , a u sekundarnom namotu napon . Ti su naponi u fazi, jer ih inducira isti magnetski tok, a njihovi su iznosi proporcionalni brojevima zavoja namota .

1E 2E

Na slici . prikazan je fazorski dijagram jednofaznog idealnog transformatora u praznom hodu uz pretpostavku da je broj zavoja primara dvostruko veći od broja zavoja sekundara, pa su tako nacrtani i iznosi induciranih napona.

Fazorski dijagram jednofaznog idealnog transformatora u praznom hodu

b) Opterećenje transformatora nastupa u trenutku kad je primarni namot priključen na nazivni napon, a na sekundarni namot priključeno je trošilo (sklopka S na slici je zatvorena).

Za vrijeme opterećenja transformatora kroz primarni namot teče primarna struja koja se sastoji od dvije komponente. Jednu komponentu te struje, tzv. struju magnetiziranja ili struju iizbude stvara primarni napon . Ta struja kasni iza napona , za 90° i sudjeluje u stvaranju magnetskog toka . Drugu komponentu primame struje, tzv. strujui opterećenja transformator uzima iz mreže za pokriće gubitaka pri opterećenju (obično je transformator opterećen istodobno radnim i induktivnim trošilom). Prema tomu, može se pisati da je:

1I

mI 1U 1UΦ PI

Pm III +=1

Zbog induciranog sekundarnog napona , poteći će kroz .sekundarni strujni krug struja opecrcćenja . Iznos te struje , i njezin fazni pomak

2E

2I 2I ϕ određeni su priključenim trošilom pa je:

22

222

XR

EZ

EI

+==

odnosno faktor snage: ZR

=2ϕcos

68

gdje je R omski, a X induktivni otpor trošila.

Budući da struja teče kroz sekundarne zavoje s kojima stvara protjecanje narušit će se u primarnom strujnom krugu prvobitno stanje ravnoteže. U stacionarnom stanju mora postojali ravnoteža, pa transformator sam poništava djelovanje protjecanja sekundara tako da zbog iz mreže uzima komponentu struje . Ta struja s primarnim zavojima

, stvara protjecanje koje poništava djelovanje sekundarnog protjecanja, tj. mora biti ispunjen uvjet:

2I 2N 22 NI ⋅

22 NI

11 UE ≠ PI

1N 1NI P ⋅

221 NINI P ⋅=⋅

Može se zaključiti da u stacionarnom stanju struja opterećenja ne utječe na iznos magnetskog toka u transformatorskoj jezgri, tj. magnetski tok je konstantan, neovisno u tome je li transformator opterećen ili radi u praznom hodu.

slijedi:

1

22 N

NII P ⋅=

pa je u toj prilici 1

221 N

NIII m += , odnosno može se pisati da je:

22111 NININI m ⋅+⋅=⋅

Uspoređujući izraze može se zaključiti da umnožak struje i ukupnog broja zavoja primarnog namota predstavlja ono protjecanje koje proizvodi magnetski tok . Ako se zanemari , izraz prelazi u idealni transformator.

mI

1N Φ

mI

Fazorski dijagram opterećenog jednofaznog idealnog transformatora predočen je na slici ( na slici a) uz , a na slici b) uz 0≠mI 0=mI ) uz pretpostavljeni koeficijent transformacije . 212 =k

Fazorski dijagram opterećenja jednofaznog idealnog transformatora

Kad se crta fazorski dijagram opterećenja jednofaznog idealnog transformatora, mora se pazili na smjer struje ,koji ovisi o karakteru trošila (omsko, induktivno, kapacitivno, odnosno njihove kombinacije).

2I

69

70

Ako se promatra rad jednofaznog idealnog transformatora s energetskog gledišta, dobiva se :

Pm IUIUIU ⋅+⋅=⋅ 1111

a uzevši uobzir prethodne izraze slijedi:

22111 IUIUIU m ⋅+⋅=⋅

Iz izraza (3.19) može se zaključili da opterećeni jednofazni idealni transformator uzima iz mreže potrebnu jalovu snagu za magnetiziranje željezne jezgre i prividnu snagu koju sekundarno predaje trošilu.

Jednofazni realni transformator

Tumačenja koja se odnose na jednofazni idealni transformator mogu sc primijeniti i za jednofazni realni transformator, ali se kod realnog transformatora moraju uzeti u obzir sve stvarne karakteristike materijala od kojih je on izrađen. To znači da valja voditi računa o omskim otporima namota (na kojima pri prolasku struje nastaju padovi napona i gubici u bakru), permeabilnosti željezne jezgre (koja nije beskonačno velika, pa dolazi do izražaja magnetska vodljivost zraka, te nastaju rasipni tokovi), magnetskoj vodljivosti željeza (koja nijc konstantna, zbog čega i uz sinusoidni magnetski tok struja magnetiziranja nije posve sinusoidna) itd.

Kad se promatraju prilike u jednofaznom realnom transformatoru, posebno se mora uzeti u obzir da željezna jezgra ne vodi idealno magnetske .silnice, pa se jedan dio magnetskog toka zatvara kroz zrak, odnosno svuda oko transformatora, kako je predočeno na slici . Magnetske silnice koje se zatvaraju kroz. zavoje primarnog i sekundarnog namota čine glavni magnetski tok Φ i je elektromagnetska veza između obaju namota.

Silnice koje se zatvaraju samo oko zavoja primarnog namota predstavljaju rasipni magnetski tok primara , a silnice koje se zatvaraju oko sekundarnog namota oblikuju rasipni magnetski tok sekundara .

1σΦ

2σΦ

Magnetski tokovi jednofaznog realnog transformatora

71

Rasipni magnetski tok u fazi je sa strujom ,,a tok 1σΦ 1I 2σΦ , u fazi je sa strujom , i oni uzrokuju gubitke u željezu. (glavni magnetski tok

2IΦ inducira u primarnom namotu napon ,

a u sekundarnom namota napon . Ti naponi imaju u realnog transformatora isto značenje kao i u idealnog. Magnetski tok Φ inducira u primarnom namotu napon U koji zaostaje za 90° za tokom a magnetski tok

1EE2

1σ 1σ

1σΦ 2σΦ inducira u sekundarnom namotu napon koji zaostaje za 90° za tokom .

2σU

2σΦ

Da bi se moglo analitički odrediti ponašanje jednofaznog realnog transformatora kod opterećenja i nacrtati točan fazorski dijagram služi se njegovom nadomjesnom shemom, kao na slici. Poprečna grana u nadomjesnoj shemi obuhvaća prilike kod magnetiziranja željezne jezgre. Struja praznog hoda rastavljena je na dvije komponente, struju u željezu ( struja gubitaka ) i struju magnetiziranja ( uzbudnu struju ) , koje prolaze kroz dva paralelno spojena nadomjesna otpora - omski i induktivni . Omski otpor je takva iznosa da su njegovi ekvivalentni strujni gubici jednaki gubicima u željezu transformatora .

0I

FeI mI

FeR mX

FeP

FeFe

FeFeFe RREPRI ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

22

odnosno:

FeFe P

ER2

=

Nadomjesna shema jednofaznog realnog transformatora Induktivni otpor određuje se pomoću poznatog induciranog napona E i struje magnetiziranja :

mX

mI

mm I

EX =

U nadomjesnoj shemi nisu prikazane stvarne sekundarne veličine, već sekundarne veličine reducirane na primarni broj zavoja ( pretpostavlja se da je omjer transformacije jednak jedinici ). Te veličine zovu se reducirane, a za razliku od stvarnih veličina označavaju se crticom.

2

1212212 N

NUkUUU ⋅=⋅=='

72

odnosno:

2

1212212 N

NEkEEE ⋅=⋅=='

Sekundarna struja reducira se na primarni broj zavoja tako da se podijeli koeficijentom transformacije , odnosno pomnoži recipročnom vrijednošću : 12k 21k

1

2221212 N

NIkIII ⋅=⋅=='

Na takav način reducirana snaga ostaje jednaka stvarnoj snazi, što odgovara načelu održavanja energije.

2221

22

2

12222 PIU

NN

INN

UIUP =⋅=⋅⋅⋅== '''

Sekundarni djelatni otpor reducira se na primarni broj zavoja tako, da se pomnoži kvadratom koeficijenta transformacije:

2122

2

2

12

212

122

2

22 kR

NN

RkIkU

IU

R ⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

⋅⋅

=='

''

jednako tako vrijedi za prividni otpor:

2122 kXX ⋅= σσ

odnosno za impedanciju:

212kZZ ⋅='

Uzimajući u obzir utjecaj pojedinih veličina, vodeći računa o smjeru pojedinih fazora i poštujući osnovna načela elektrotehnike, fazorski dijagram opterećenja jednofaznog realnog transformatora predočen je na slici:

73

Fazorski dijagram opterećenja jednofaznog realnog transformatora

Na temelju drugog Kirchhoffova zakona mogu se izračunati iznosi napona na stezaljkama primara i sekundara. Za primarni napon vrijedi:

11111 RIUEU ⋅=++ σ odnosno:

11111 RIUEU ⋅+−−= σ

dok je za sekundarni napon:

''''''''' ZIRIURIUE ⋅+⋅=+⋅=+ 22222222 σ odnosno:

'''''''222222 RIUEZIU ⋅−+=⋅= σ

74

Pri tome je napon na sekundarnim stezaljkama jednak padu napona na trošilu ( ).

2U

ZI ⋅2

Da bi se dobila preglednija slika o utjecaju padova napona u jednofaznom realnom transformatoru, može se zanemariti relativno mala struja praznog hoda ( koja iznosi od 3% do 10% nazivne vrijednosti struje ) pa se dobiva pojednostavljeni fazorski dijagram. Zbog toga postaje , a kut između struja iznosi 180°. Također, ako se sekundarni dio fazorskog dijagrama koji se nalazi ispo apscisne osi zaokrene za 180°, postaje

. Fazorski dijagram opterećenja jednofaznog realnog transformatora uz prikazan je na slici:

III == 12'

12 IiI '

IIIiEEE ==== ''2121

00 =I

Fazorski dijagram opterećenja jednofaznog transformatora pri 00 =I

U dijagramu na slici odgovarajući padovi napona međusobno su paralelni i oblikuju stranice pravokutnih trokuta. Ako se algebarski zbroje padovi napona na omskom otporu, odnosno padovi napona na induktivnom otporu, dobiva se od dva trokuta pada napona jedan u pojednostavljenom fazorskom dijagramu, kako je prikazano na slici. Pri tome više nije potrebno označavati magnetski tok i inducirane napone.

Pojednostavljeni fazorski dijagram jednofaznog transformatora

75

Pojedine stranice pravokutnog trokuta ABC na slici predočavaju padove napona određene kao umnožak struje s rezultirajućim otporima ( označenim indeksom k ). Tako ukupni pad napona na omskom otporu iznosi:

kR RIRIRIU ⋅=⋅+⋅= ''2211

Na jednak način dobit će se za pad napona na induktivnom rasipnom otporu:

kX XIXIXIU ⋅=⋅+⋅= ''2211 σσ

pa je ukupni pad napona:

kkkXRk ZIXRIUUU ⋅=+⋅=+= 2222 Pri nazivnom opterećenju ( nazivne struje ) padovi su napona nazivnog iznosa. U toj prilici obično se padovi napona izražavaju u postocima nazivnog napona, pa je:

%,%,% 100100100 ⋅=⋅=⋅=n

kk

n

XX

n

RR U

Uu

UU

uUU

u

Iz prikazanog se vidi da se padovi napona u jednofaznom realnom transformatoru , koji su uzrokovani omskim i induktivnim otporom namota, mogu zajednički promatrati kao ukupni pad napona zbog kojeg dolazi do promjene napona na sekundarnoj strani transformatora. Zbog toga je pri opterećenju transformatora općenito različito od . 1U '

2U

Ukupni pad napona može se izraziti kao umnožak struje kU I i ukupnog otpora

, pa se u jednofaznog realnog transformatora može smatrati da su svi padovi napona nastali u nekom kompleksnom otporu ( koji se sastoji od primarnog i sekundarnog omskog otpora te primarnog i sekundarnog induktivnog otpora ). Prema tome odgovara ukupnom unutarnjem otporu jednofaznog realnog transformatora.

kZ

kZ

kZ

Trokut ABC na slici zove se Kappov trokut pada napona. Na temelju njega moguće je konstrukcijski odrediti pad napona na realnom transformatoru.

Promjena struje opterećenja mijenja pad napona u realnom transformatoru i napon na njegovim sekundarnim stezaljkama. Promjena napona stezaljka sekundara u ovisnosti o struji opterećenja za konstantni faktor snage 2ϕcos približno je linearna. Karakteristike definirane

kao )( 22 IfU = uz .cos const=2ϕ , zovu se vanjske karakteristike realnog transformatora, a predočene su na slici . Na toj slici koordinate predstavljaju reducirane vrijednosti sekundarnog napona 2U , odnosno sekundarne struje 2I na njihove nazivne vrijednosti

(nn I

II

UU

U2

22

2

22 == , ).

76

U pogledu utjecaja karaktera opterećenja realnog transformatora vidi se da induktivno opterećenje smanjuje reducirani napon na stezaljkama sekundara, a kapacitivno opterećenje ga povećava.

Vanjske karakteristike realnog transformatora

Za jednofazni realni transformator važna su njegova dva granična pogonska stanja: prazni hod i kratki spoj. Pokusima praznog hoda i kratkog spoja moguće je odrediti, odnosno izmjeriti neke njegove osnovne podatke.

a) Opis praznog hoda jednofaznog realnog transformatora odgovara opisu za jednofazni idealni transformator s tom razlikom što se u ovom slučaju moraju uzeti u račun sva tamo naznačena pojednostavnjenja.

Zbog gubitaka u željezu uzrokovanih pojavom histereze i vrtložnih struja teče u praznom hodu osim struje magnetiziranja , (čista bezvatna komponenta) i struja u željezu . (vatna komponenta) koja je u fazi s naponom . Zbog toga će fazor ukupne struje praznog hoda zatvarati s fazorom napona kut

mI FeI

1U 0I

1U ϕ manji od 90°. Fazorski dijagram struje praznog hoda realnog transformatora vidi se na slici

77

Fazorski dijagram struje praznog hoda realnog transformator

Apsolutna vrijednost struje prazno hoda određuje se pomoću izraza : 0I

220 Fem III +=

Budući da je u praznom hodu mFeCu XXiRR <<<< σ nadomjesna shema realnog transformatora u praznom hodu može sc predočiti kao na slici .

Nadomjesna shema realnog transformatora u praznom hodu

Ukupni gubici jednofaznog realnog transformatora u praznom hodu su: 0P

dFeCu PPPP ++= 10

gdje su:

1CuP - gubici u bakru primarnog namota (zbog struje koja protječe kroz zavoje),

FeP - osnovni gubici u željezu (zbog pojave histereze i vrtložnih struja);

dP - dodatni gubici u željezu (zbog promjena pri mehaničkoj obradi limova željezne jezgre, nejednolikosti magnetske indukcije na mjestu spojeva stupova jarmova jezgre itd.).

Ako se zanemare gubici u bakru (jer iznose cca 2% ukupnih gubitaka u praznom hodu), tada je:

1CuP

FedFe PPPP )..( 2011510 −=+=

Snaga , kako je već rečeno, dovodi se u transformator komponentom struje pa je: FeP FeI

78

FeFe IUIUP ⋅=⋅= 101 ϕcos

Iz ovoga može se odrediti struja u željezu (struja gubitaka) i faktor snage praznog hoda 0ϕcos :

1UP

I FeFe =

odnosno:

010 IU

PFe

⋅=ϕcos

Kad bi se spojio vatmetar u primami strujni krug, tada bi on mjerio u praznom hodu vrlo malu snagu. Ta snaga pohranjena je za pokriće gubitaka u željezu. Budući da su gubici u primarnom namotu zanemarivo mali, gubici u željezu zovu se i gubici praznog hoda. Gubitke u željezu realnog transformatora moguće je odrediti pokusom praznog hoda..

b) Kratki spoj je takvo pogonsko stanje jednofaznog realnog transformatora u kojemu je primami namot priključen na napon (najčešće nazivni napon), a sekundarne su stezaljke kratko spojene (impedancija trošila jednaka je nuli). Priključkom na nazivni napona namotima će poteći jako velika struja kratkog spoja koja uzrokuje ukupni pad napona u transformatoru jednak primarnom naponu, tj. sekundarni napon jednak je nuli ( ).

1U

nU1

kI02 =U '

Veličina struje kratkog spoja unaprijed će se odrediti ako se zna tz.v. napon kratkog spoja transformatora. To je napon koji se mora spojiti na primarnu stranu transformatora ( ) i koji će, uz kratkospojeni sekundarni namot, namotima primara i sekundara potjerati nazivnu struju . Fazorski dijagram za kratki spoj realnog transformatora sadrži kao na slici:

kU

kn UU =1

nI

Fazorski dijagram za kratki spoj realnog transformatora

Napon kratkog spoja manji je od nazivnog primarnog napona (napona mreže) i ćesto se označava u postotnom iznosu nazivnog napona. U lom slučaju postotni napon kratkog spoja

dobiva se iz izraza ku

%1001

⋅=n

kk U

Uu

79

a naznačen je na natpisnoj pločici transformatora. Za male i srednje jednofazne realne transformatore iznosi od 2,5 do 4%. a z.a velike od 4 do 10%.

Struja pogonskog kratkog spoja realnog transformatora znatno je veća od nazivne struje i računa se iz izraza:

%1001 ⋅⋅=k

nnk U

UII

odnosno primjenom ova dva izraza :

k

nk UII 100

⋅=

Vidi se da će struja kratkog spoja biti toliko puta veća od nazivne struje koliko je puta postotni napon kratkog spoja manji od 100%.

Budući da su u kratkom spoju zanemarivi, nadomjesna shema realnog transformatora u kratkom spoju može se predočiti kao na slici:

mFe XiR

Nadomjesna shema realnog transformatora u kratkom spoju

Kad bi se spojio vatmetar u primarni strujni krug pri kratkom spoju realnog transformatora, tada bi on mjerio snagu kratkog spoja toga transformatora. Snaga troši se samo na toplinske gubitke u omskom otporu primarnog i sekundarnog namota ( , jer je ukupni magnetski tok malen pa su gubici u željezu zanemarivo maleni. Zbog toga se može napisati da je:

kP kP

21 CuCu PiP

CuCuCuk PPPP =+= 21

odnosno gubici u bakru jednaki su gubicima kratkog spoja. Gubitke u bakru realnog transformatora moguće je odrediti pokusom kratkog spoja.

80

Također moguće je izračunati faktor snage pri kratkom spoju realnog transformatora iz izraza:

nk

Cuk IU

P⋅

=ϕcos

Ako se pokusom praznog hoda odrede gubici u željezu , a pokusom kratkog spoja gubici u bakru realnog transformatora, tada ukupni gubici opterećenog transformatora iznose:

FeP

CuP

FeCug PPP +=

Budući da je:

FeCug PPPPPP ++=+= 221

dobiva se da je korisnost transformatora:

FeFeCu PRIRIIU

IUPPP

PPP

+++=

++==

2221

21222

222

2

2

1

2

ϕ

ϕη

cos

cos

također je:

Fecug PPPPPP −−=−= 112

pa za korisnost izlazi:

111

222

21

21

11

1 11ϕ

ηcosIU

PRIRIP

PPP

PP FeFecug ++−=

+−=

−=

Ako su u ovim izrazima nazivne vrijednosti , tada ovi rezultati izračunavaju nazivnu korisnost 0η .

Uz konstanta iznos i frekvenciju priključenog napona, gubici u željezu su konstantni i ne mijenjaju se s promjenom opterećenja. Naprotiv, gubici u bakru mijenjaju se s kvadratom promjene struje opterećenja , te kod promjene opterećenja od nazivne vrijednosti na neku drugu vrijednost

nP2

nPXP 22 = nastaje promjena gubitaka u bakru od vrijednosti na vrijednost zbog čega se korisnost mijenja s promjenom opterećenja.

CunP

CunCu PXP 2=

Pri bilo kojem opterećenju korisnost se određuje prema izrazu: nxP2

FeCunn

nx

PPXxPxP

++=

22

2η

gdje je nP

Px

2

2= , tj. relativno opterećenje.

81

Ako se derivira izraz po x i izjednači s nulom, slijedi da će se maksimalna korisnost mη postići pri onom opterećenju kod kojeg promjenjivi gubici u bakru postaju jednaki stalnim

gubicima u željezu, tj. vrijedi da je:

Cun

Fe

PP

x =

Na slici . predočena je ovisnost gubitaka u bakru i gubitaka u željezu te korisnosti (za različiti faktor snage) o opterećenju realnog transformatora.

Ovisnost gubitaka i korisnosti o opterećenju realnog transformatora

Jednofazni realni transformatori koji trajno rade opterećeni nazivnim opterećenjem (x = 1) imat će najpovoljniju korisnost prema gornjoj slici ako je FeCun . PP =

Međutim, većina energetskih transformatora projektira se tako da je čime se postiže najpovoljnija godišnja korisnost. Jednako tako uz nepromijenjene nazivne gubitke u transformatoru korisnost

FeCun PP )( 52−=

η postaje manja uz manji faktor snage 2ϕcos .

Trofazni transformator

Transformacija napona u trofaznoj brodskoj mreži ostvaruje se na dva načina:

a) ugradnjom tri jednofazna transformatora, odnosno na američki način;

b) ugradnjom jednog trofaznog transformatora, odnosno na europski način.

82

Američki način transformiranja napona ostvaruje se ugradnjom tri odvojena jednofazna transformatora, kako je skicirano na slici :

Skica američkog načina transformiranja napona

Europski način transformiranja napona ostvaruje se ugradnjom jednog trofaznog transformatora, kako je skicirano na slici .

Skica europskog načina transformiranja napona

Poradi svojih prednosti, na brodovima se rabe oba načina transformiranja napona.

Jednofazni transformator opisan je ranije, pa se ovdje opisuje samo trofazni transformator.

83

Trofazni transformator nastao je spajanjem triju jednofaznih transformatora tako da je po jedan njihov stup vez.an u zajednički. Takva trofazna jezgra zove se simetrična s povratnim magnetskim putem, kako se vidi na slici a). Fazni namoti postavljeni su na stupove 1, 2 i 3, i oni prolaskom struje stvaraju svoje magnetske tokove koji sc zatvaraju kroz, zajednički stup 4. Budući da su namoti na svakom stupu izvedeni s istim brojem zavoja i simetrično su raspoređeni, to su pri simetričnom opterećenju i struje magnetiziranja, a po njima i uzbuđeni magnetski tokovi, međusobno jednaki i pomaknuli z.a 120°. U tom će slučaju zbroj triju

magnetskih tokova u svakom trenutku biti jednak nuli, tj.:

0=Φ+Φ+Φ IIIIII

odnosno faktor snage:

XR

=2ϕcos

gdje je R omski, a X induktivni otpor trošila.

Budući da struja teče i kroz sekundarne zavoje s kojima stvara protjecanje narušit će se u primarnom strujnom krugu prvobitno stanje ravnoleže . U stacionarnom stanju mora postojati ravnoteža, pa transformator sam poništava djelovanje protjecanja sekundara

tako da zbog iz mreže uzima komponentu struje . Ta struja s primarnim zavojima stvara protjecanje koje poništava djelovanje sekundarnog protjecanja, tj. mora biti ispunjen uvjet:

2I 2N 22 NI

22 NI 11 UE −≠ pI

1N 1NI p

221 NINI p =

Možc se zaključiti da u stacionarnom stanju struja opterećenja ne utječe na iznos magnetskog toka u transformatorskoj jezgri, tj. magnetski tok je konstantan, neovisno u tome je li transformator opterećen ili radi u praznom hodu.

Iz toga slijedi:

1

22 N

NII p ⋅=

pa je izraz u toj prilici 1

221 N

NIII m ⋅+= , odnosno može se pisati daje:

22111 NININI m ⋅+⋅=⋅

Uspoređujući izraze može se zaključiti da umnožak struje i ukupnog broja zavoja primarnog namota , predstavlja ono protjecanje koje proizvodi magnetski tok Φ . Ako se

mI

1N

84

zanemari , prvi izraz prelazi u drugi. mI

Fazorski dijagram opterećenog jednofaznog idealnog transformatora predočen je na slici . ( na slici a) uz , a na slici b) uz 0mI 0=mI uz pretpostavljeni koeficijent transformacije

. 212 =k

Fazorski dijagram opterećenog jednofaznog idealnog transformatora

Kad se crta fazorski dijagram opterećenja jednofaznog idealnog transformatora, mora se paziti na smjer slruje , koji ovisi o karakteru trošila (omsko. induktivno, kapacitivno, odnosno njihove kombinacije).

2I

X, Y i Z, a nul-točka (zvjezdište) slovom N. Za DN namot vrijede iste oznake, samo malim slovima.

85

Skica trofaznog transformatora

Namoti za pojedine faze trofaznog transformatora mogu se spojiti u zvijezdu, trokut ili razlomljenu zvijezdu (cik-cak).

Spoj u zvijezdu (oznaka Y za GN namot, a y za DN namot) je takav spoj u kojem su tri istoimene stezaljke faznih namota (tri početka ili tri svršetka faznog namota) međusobno povezane u nul-točku (zvjezdište), a ostale tri stezaljke služe za priključak trofazne mreže (ako se radi o GN namotu transformatora) ili trošila (ako je to DN namot transformatora). Načelno spajanje trofaznog namota u spoj u zvijezdu i fazorski dijagram induciranih napona pokazani su na slici . Kod spoja u zvijezdu, linijska struja , (struja u vodu) jednaka je faznoj struji (struja u svakom faznom namotu), a linijski napon (međufazni napon) jednak je fazorskoj razlici dvaju faznih napona pa se može pisati daje:

lI fI

lU

fU

flfl UUII 3== ,

Shema trofaznog namota spojenoga u zvijezdu i odgovarajući fazorski dijagram napona

Spoj u trokut (oznaka D) za GN namot, a d za DN namot) takav je spoj u kojem su sva tri fazna namota spojena u serijski spoj prema slici . Uz spoj namota predočen je fazorski dijagram induciranih napona. Kod spoja u trokut, linijski napon , jednak je faznom naponu a lU fU

86

linijska struja , jednaka je fazorskoj razlici dviju faznih slruja pa se može pisati da je: lčI fI

flfl IIUU 3== ,

Shema trofaznog namota spojenog u trokut i odgovarajući fazorski dijagram napona

Razlomljena zvijezda ili cik-cak spoj (oznaka Z za GN namot, a z za DN namot) takav je spoj u kojem je namot svake faze razdijeljen na dvije polovice, od kojih se jedna nalazi na jednom stupu, a druga polovica iste faze na drugom stupu. Zbog toga taj spoj ima ukupno šest polunamota, i to na svakom stupu po dva, a svaki pripada drugoj fazi. Namot jedne faze dobiva se serijskim protuspojem obiju polovica. To znači da se obje polovice namota moraju međusobnu spojili istoimenim krajevima. Shema spoja razlomljene zvijezde trofaznog namota i odgovarajući fazorski dijagram vide se na slici .

Shema trofaznog namota spojenoga u razlomljenu zvijezdu i odgovarajući

fazorski dijagram napona

Napon pojedine faze u spoju razlomljena zvijezda dobiva se kao fazorska razlika dvaju napona međusobno pomaknutih za 120°. Uspoređujući napon spoja u zvijezdu i napon spoja razlomljena zvijezda (pri istom broju zavoja) dolazi se do zaključka da jc napon spoja razlomljena zvijezda manji za 2

3 puta. Ako se želi kod spoja razlomljena zvijezda dobiti isti

87

napon kao kod spoja u zvijezdu, potrebno je 3

2 puta više zavoja, što iznosi približno 15,5%.

Iako se iz rečenog može zaključiti da spoj razlomljena zvijezda nije ekonomičan, tim spojem koristi se često samo na DN strani gdje su moguća nesimetrična opterećenja.

Dvonamotni trofazni transformatori mogu imati različite vrste spojeva namota, odnosno različit spoj GN i DN namota. Uobičajene su sljedeće vrste spoja:

Yy, Yd, Yz, Dy, Dd i Dz.

Međutim, samo označavanje nije dovoljno da se električki potpuno definira spoj, jer je moguće da dva transformatora koji imaju potpuno jednaku vrstu spoja ne budu električki potpuno jednaki. Tako se npr- prema slici . vidi da iako su vrste spoja iste (Yy), ipak postoji razlika u kutu zaostajanja fazora napona DN strane prema istoimenim fazoru napona GN strane. Na slici a) taj pomak iznosi 0°, a na slici b) iznosi 180°.

Grupe spoja a) Yy 0 i b) Yy 6 trofaznog transformatora

Spomenuti kutovi zaostajanja fazora napona DN strane za istoimenim fazorom napona GN strane međusobno se razlikuju za 30° (0°, 30°, 60°... do 360°) i uvijek su takva iznosa da podijeljeni s 30 daju jedan od brojeva 0, 1, 2, ... do 11. Ti se brojevi zovu satni brojevi jer i kut dviju susjednih brojaka na brojčaniku sata iznosi također 30°. Na taj način jednoznačno je definiran kut zaostajanja, pa vrsta spoja sa satnim brojem čine grupu spoja trofaznog transformatora.

U prikazivanju grupe spoja s pomoću satnog brojčanika pretpostavlja se da fazor faznog napona GN strane (velika kazaljka sata) pokriva brojku 12, a istoimeni fazor faznog napona DN strane (mala kazaljka sata) pokriva na brojčaniku satni broj. Slika . pokazuje satni bruj 5 kod kojega fazor napona DN strane zaostaje za istoimenim fazorom napona GN strane za kut

. 0150305 =⋅=ϕ

88

Satni broj za grupu spoja Yd 5 trofaznog transformatora

Grupe spojeva energetskih trofaznih transformatora:

89

Svaki trofazni transformator može se opteretiti na sekundarnim stezaljkama simetrično

90

ili nesimetrično.

Pri simetričnom opterećenju svaka je faza opterećena jednakom impedancijom Z, pa uz simetrični trofazni napon brodske mreže i struje trošila čine simetrični trofazni sustav. To ujedno znači da je zbroj trenutnih vrijednosti struja jednak nuli. Prema tome, za simetrično opterećenje vrijedi :

∑ ===== 321321 0 ϕϕϕ,, IIII

Simetrično opterećenje trofaznog transformatora uvjetuje da se on ponaša kao jednofazni. Sekundarno opterećenje svake faze stvara sekundarno protjecanje (amperzavoji sekundara ), koje se mora poništiti primarnim protjecanjem (amperzavoji primara ). Zbog toga svaka faza primara povuče iz mreže struju opterećenja koja s namotom primara stvara amperzavoje kojima se poništava djelovanje sekundarnih amperzavoja.

22 NI '11 NI

Za trofazni simetrični sustav fazorski dijagram predočen je na slici .

Fazorski dijagram simetričnog trofaznog sustava

Pri simetričnom opterećenju nije bitno koju grupu spoja ima trofazni transformator. Radi jednostavnosti proizvodnje najčešće se odabire spoj Yy 0. U tom zvijezda-zvijezda spoju izolacija je najslabije opterećena, jer je fazni namot naponski naprezan samo s 3 puta manjim naponom od linijskog. Za vrlo velike snage uzima se spoj Dy 5, jer trokut spoj na GN strani uvjetuje bolje prilike u pogledu struje magnetiziranja.

Nesimetrično opterećenje trofaznog transformatora je takvo opterećenje u kojem je makar i jedna faza opterećena drugim iznosom impedancije ili i drugim karakterom opterećenja. U tom slučaju, iako je priključni napon simetričan, iznosi struja, ili/i njihovi fazni pomaci nisu više isti. To znači da svi, ili bilo koji znak jednakosti u izrazima više ne vrijedi. Prema tome, pri nesimetričnom opterećenju nije zbroj struja svakog trenulka jednak nuli, tj. u tom je slučaju:

∑ ≠ 0I

Za trofazni nesimetrični sustav fazorski dijagram prikazan je na slici:

91

Fazorski dijagram nesimetričnog trofaznog sustava

Najnepovoljniji slučaj nesimetričnog opterećenja trofaznog transformatora je jednofazno opterećenje. Rad transformatora je moguć ako je kod jednofaznog opterećenja postignuto da na primaru teče struja samo kroz onu fazu koja je na sekundaru opterećena. To znači da je zatvoren strujni krug izvor - primarni namot sekundarno opterećene faze - izvor. U tom će slučaju struja opterećenja primara sa svojim amperzavojima poništiti djelovanje amperzavoja sekundarno opterećene faze.

Na slici . vide se neki primjeri jednofazno opterećenog trofaznog transformatora.

Nesimetrično jednofazno opterećenje trofaznog transformatora

U spoju zvijezda - zvijezda (Yy), prema slici a), struja opterećenja mora teći i kroz ostale dvije neoptereće faze primara. Struje u neopterećenim fazama djeluju kao struje magnetiziranja, jer nemaju amperzavoje na sekundarnim stranama koje bi poništile.

92

Na laj način potpuno sc poremeti simetrija induciranih napona, pa taj spoj nije pogodan za nesimetrično opterećenje.

Spoj trokut - zvijezda (Dy), prema slici . pogodan je za nesimetrično opterećenje i često se upotrebljava. Jednofazno sekundarno opterećenje prenosi se primarno na odgovarajuću fazu i struja opterećenja može teći iz izvora u spomenutu fazu i vratiti se u izvor, a da pri tome ne prolazi kroz ostale dvije neopterećene faze.

Spoj zvijezda – razlomljena zvijezda prema slici c) , dopušta također nesimetrično opterećenje . Budući da svako jednofazno opterećenje izaziva na sekundarnoj strani prolazak struje kroz dvije polufaze koje su smještene na dva stupa, na primarnoj strani može struja opterećenja teći iz izvora jednim vodom, a prema izvoru drugim. Na taj će način amperzavoji primame struje opterećenja poništiti djelovanje amperzavoja sekundarne strane.

Paralelni rad transformatora

Ako jedan transformator nije dostatan da daje određenu snagu (energiju) priključenim trošilima na brodu, takvu transfoprmatoru treba paralelno priključili jedan ili više transformatora. Dva ili više transformatora rade paralelno kad se na ulaznoj (primarnoj) strani napajaju s istih sabirnica, a na izlaznoj (sekundarnoj) srrani napajaju zajedničke sabirnice, odnosno zajednička trošila kao što se vidi na slici . za dva trofazna transformatora.

Paralelni spoj dva trofazna transformatora

Da bi dva ili više transformatora radili paralelno, oni moraju imati:

a) jednake prijnosne omjere napona (jednake koeficijente transformacije). a također i jcdnake ili približno jednake nazivne napone. Nazivni naponi mogu se eventualno neznatno razlikovati (± 2,5%), ali prijenosni odnosi moraju biti jednaki. Nejednakost prijenosnog odnosa izaziva struje izjednačenja koje bi tekle između transformatora i

93

dodatno ih zagrijavale, dok nejednakost nazivnih napona ima za posljedicu da je jedan transformator naponski prenapregnut, što dovodi do magnetskog preopterećenja jezgre:

b) Jednake napone kratkog spoja, odnosno smiju sc razlikovati najviše 10% od neke

srednje vrijednosti kratkog spoja svih paralelno spojenih transformatora. U slučaju da se naponi kratkog spoja znatnije razlikuju, transformatori u kojih je bivaju preopterećeni, a oni kojima je samo su djelomično opterećeni. Također, ako naponi kratkog spoja paralelno spojenih transformatora nisu jednaki, tada je povoljnije da manji transformator ima veći napon kratkog spoja i obratno, jer relativno veće opterećenje preuzima transformator koji ima manji napon kratkog spoja. Ako su naponi kratkog spoja paralelno spojenih transformatora nejednaki, postrojenje treba rasteretiti tako da srednji napon kratkog spoja bude jednak najmanjem naponu kratkog spoja, tj. transformator s najmanjim smije se opteretili nazivnim opterećenjem;

ku'kk uu <

'kk uu >

'ku

ku

c) Jednake grupe spoja (za trofazne transformatore). Pri tome je bitan kut zaostajanja

fazora napona DN strane, odnosno satni broj. To znači da se mogu paralelno spojiti na istu sabirnicu istoimene stezaljke samo transformatori istog satnog broja (npr. 0 i 0; 5 i 5 itd.). Ako su transformatori različitih satnih brojeva (npr. 0 i 5; 6 i 11 itd.), tada se kod paralelnog spoja na DN strani ne spajaju zajedno na istoimene stezaljke već različito (ovisno o grupama spoja) kako bi se postigao navedeni uvjet;

d) odnos nazivnih snaga transformatora koji nije veći od 1 : 3.

Ako su uvjeti za paralelni rad transformatora ispunjeni, može se prići tzv. stavljanju transformatora u fazu, tj. spajaju se sve primame stezaljke transformatora na primarnu mrežu, a nakon toga ispita sc postoji li napon između sekundarnih stezaljka transformatora (a, b. c) i stezaljka odgovarajućih sabirnica a,b,c). Postupak kontrole, prema slici ., obavlja se tako da se jedna stezaljka (npr. a) spoji na fazu mreže i kontrolira imaju li stezaljke b i c u odnosu na stezaljku a napon. Ako je grupa spoja takva transformatora (II) jednaka kao u već priključenog transformatora (I), tada između stezaljka (npr. između stezaljke b i faze , odnosno stezaljkc c i faze ) i istih faza mreže nema napona (što se provjerava voltmetrom), pa se te stezaljke (b, c) mogu spojiti s mrežom.

1L

3L

Uključivanje (i isključivanje) transformatora za paralelni rad obavlja se prekidačem na

primarnoj i sekundarnoj strani svakog transformatora.

Neke specifičnosti za transformatore na brodu

Energetski transformatori na brodu rabe se za napajanje većih trošila koja rade pri nižim naponima od onog što ga daje izmjenični izvor. Ti su naponi općenito standardni. odnosno propisuju ih razna klasifikacijska društva. Tako prema HRB-u (Hrvatski registar brodova) veliki trofazni elektromotori (i grijanje tankova) rade pri naponu 380 i 440 V, a rasvjeta i jednofazna trošila pri 220 V (rasvjeta na tankerima pri 110 V). Također, propisi nekih klasifikacijskih društava ne dopuštaju za trošila koja su spojena na sekundarnu stranu transformatora napon prema trupu (masi) broda više od 150V.

94

Smanjenje nesimetričnih opterećenja i odgovarajući dopušteni napon prema brodskom

trupu postižu se najčešće s pomoću transformatora primarno spojenih u trokut, a sekundarno u zvijezdu (npr. za sckundarni napon 220 V dobiva se napon prema brodskom trupu 127 V).

Najčešće se koristi trofaznim transformatorima u spoju Dy 5, u kojih jc zvjezdište

potpuno opteretivo. Zbog dodirnog napona, zvjezdište se na sekundarnoj strani transformatora redovito uzemljuje (izravno ili preko male impedancije).

Na brodu. gdje se rasvjeta i druga mreža bitnih služba napaja preko transformatora,

moraju se osigurati najmanje dva transformatora takve snage da, pri ispadu iz rada najvećega translormatora. ostali budu u stanju osigurati punu potrebnu električnu energiju pri svim uvjetima rada na brodu. Na brodovima ograničenog područja plovidbe (osim putničkih) dopuštena je ugradnja samo jednog transformatora.

Prema Pravilima o gradnji pomorskih brodova koja je propisao IIRB, na jednofaznim i trofaznim transformatorima promjene napona pri radnom opterećenju u području između praznog hoda i nazivnog opterećenja, ne smiju prekoračiti 5% na transformatorima snage do 5 kVA po fazi, ili 2,5% na transformatorima većih snaga.

Također, transformatori hlađeni zrakom ili suhim dielektrikumom, moraju izdržati sva 10%-na preopterećenja u trajanju od 1 sata i 50%-na preopterećenja u trajanju od 5 minuta.

Svi transformatori koji se ugrađuju u brod podliježu ispitivanjima. Prema propisima HRB-a to se odnosi na:

- pregled i provjeravanje dokumentacije;

- mjerenje otpora izolacije;

- ispitivanje izolacije na otpornost protiv vlage;

- provjeravanje spoja stezaljka;

- provjeravanje prijenosnog odnosa;

- provjeravanje grupe spoja namota;

- ispitivanje pri nazivnom opterećenju i mjerenje temperature;

- ispitivanje na preopterećenja;

- provjeravanje promjena napona;

- ispitivanje na udarnu struju kratkog spoja;

- ispitivanje električne čvrstoće izolacije;

- ispitivanje električne izolacije između zavoja namota;

- provjeravanje antikorozijskih prevlaka;

- provjeravanje stupnja zaštite kućišta.

95

Provedena ispitivanja moraju dati propisane veličine električnih i mehaničkih parametara transformatora od kojih su najvažniji otpor izolacije prema brodskom trupu, odnosno fazama namota, struje kratkog spoja na sekundarnom namotu i dopušteni porast temperature pri nazivnom opterećenju.

Prema propisima HRB-a najmanji otpor izolacije pri temperaturi okoline od 20 ± 5° C i normalnoj vlažnosti kod transformatora na brodu u hladnom stanju mora biti 5 ΩM , a u ugrijanom stanju 2 ΩM .

Transformator mora bez oštećenja izdržati struje kratkog spoja na .sekundarnom ili sekundarnim namotima pri nazivnom naponu primara i naponu kratkog spoja u vremenu kako je navedeno u tablici .

Tabl. Parametri kratkog spoja transformatora u kratkom spoju prema propisu HRB-a

Napon kratkog spoja .transformatora

)%(ku

Trajanje kratkog spoja

)( st

Efektivna vrijednost simetrične struje kratkog spoja koju mora izdržati transformator

4 ili manje 2 nI⋅25

Više od 4 3 nI⋅100

Porast temperature transformatora koji rade pri nazivnim opterećenjima i temperaturi okoline od 45° C, ne smije biti veći od vrijednosti danih u tablici.

Tabl. Dopušteni porast temperature transformatora prema propisu HRB-a:

Dio

transformatora

Način

mjerenja

Dopušteni porast temperature za klasu izolacije

A E B F H

Namoti Otporom 55°C 65°C 75°C 95°C 120°C

Jezgre i

drugi dijelovi Termometrom

Porast temperature ne smije biti veći od

temperature koja je dopuštena

za okolni materijal

96

5. SINKRONI STROJEVI 5.1. Uvod Električni rotacijski strojevi kod kojih se rotor vrti jednakom brzinom kao i okretno magnetsko polje statora zove se sinkroni stroj. Brzina vrtnje rotora/okretnog magnetskog polja statora jednaka je sinkronoj brzini vrtnje ns.:

p

fns60

=

f – frekvencija mreže;

p- broj pari polova sinkronog stroja

Svi električni strojevi, pa tako i sinkroni, mogu raditi kao generatori ili motori odnosno reverzibilni su. Zbog praktičnih i konstruktivnih razloga neki se strojevi u pravilu izvode kao generatori (trofazni), a neki kao motori. Sinkroni stroj se na brodu uglavnom koristi kao sinkroni generator, a u posljednjem razdoblju (zadnjih 10-tak godina) se koristi i kao sinkroni motor i to u električnoj propulziji -kao motori većih snaga, dok se kao motori manjih snaga koriste u posebne namjene kao što su selsini i tahogeneratori. Sinkroni motor se koristi u onim pogonima gdje nije potrebno regulirati brzinu vrtnje a također se ne zahtjeva ni veliki broj pokretanja i zaustavljanja. Posebnu vrstu sinkronih strojeva predstavljaju kompenzatori koji rade bez pogonskog stroja a funkcija im je da elektroenergetskom sustavu daju jalovu komponentu snage (obično se ne koriste na brodovima). Sinkroni generator je jedini izvor električne energije na brodu. Izrađuju se za različite vrijednosti snaga tako da ih danas ima od 100 kW do 2 MW za napone 440 V, 60 Hz ili 380 V, 50 Hz izmjenične struje. Međutim pojavljuju se zahtjevi i za primjenom visokog napona (High Voltage -HV) posebno 6.6 kV, ali također i 3.3 kV i 11 kV pri frekvenciji 60 Hz. Kada se koristi kao generator u slučaju nužde (emergency generator) onda se snage kreće u rasponu 20 kW do 200 kW za 440 V ili 220 V. Sinkroni strojevi na brodu dobivaju mehaničku energiju od pogonskog stroja(turbina ili diesel motor). Parne turbine imaju velike brzine pa su i generatori pogonjeni tim turbinama građeni za velike brzine – brzohodni ili turbogeneratori. Vodena turbina radi pri manjim brzinama pa je i generator konstruiran za takvu izvedbu – sporohodni ili hidrogenerator. Prema vrsti pogonskog stroja određuje se nazivna brzina vrtnje i izvedba rotora sinkronog generatora. Pri frekvenciji od 50 Hz razlikuju se: Tablica 1. Izvedbe sinkronih generatora ns (r min-1) p Primarni pokretač BRZOHODNI 750 - 3000 cilindrični, 2,4,6,8 turbina, dizel motor SREDNJEHODNI 300 - 600 10 – 20 i rotor s

istaknutim polovima dizel motor, osovinski gen., hidrogenerator

SPOROHODNI manje od 300 više od 20 i rotor s istaknutim polovima

osovinski gen., hidrogen.

5.2. Sinkroni generator Osnovni dijelovi sinkronog generatora su:

- rotor s namotom - uzbudnim , potreban za stvaranje magnetskog toka; - stator s namotom - armaturnim (jednofazni ili višefazni), u kojem se inducira

izmjenična elektromotorna sila (EMS-a). Kod starijih izvedbi sinkronih generatora postojali su uzbudnici koje je kod suvremenih sinkronih generatora zamijenio elektronički sklop.

1 - air flow; 2 – stator endshield; 3 - heat exchanger; 4 – emergency air outlet doors; 5 – stator core (with air ducts); 6 –emergency air inlet panel; 7 – pilot exciter 8 – min exciter; 9 – diode plate; 10 - fanshield Slika 5.1. Sinkroni generator Stator je izveden u obliku cilindra koji je sastavljen iz prstenastih dinamo limova koji su međusobno izolirani tankim slojem papira, laka ili oksida. Na unutrašnjem obodu nalaze se u uzdužnom smjeru u jednakom razmaku utori (otvoreni ili poluzatvoreni) u koje se postavlja statorski/armaturni namot. Krajevi namotaji statora završavaju u priključnoj kutiji statora, koja može imati tri ili šest pristupnih stezaljki ovisno o izvedbi nul – točke generatora (slika 2.). onaj dio namota koji se nalazi u utorima predstavlja aktivni dio jer se u njemu inducira napon, a čeoni prednji i stražnji spojevi su neaktivni dijelovi namota.

Slika 5. 2. Priključna kutija statora

Slika 5. 3. Rotor generatora u a)izvedbi s istaknutim polovima 1- uzbudni namot; 2 – tijelo rotora; 3 – međupolni konektor; 4 – polna papučica b) cilindričnoj izvedbi

1- tijelo rotora; 2 – uzbudni namot u utoru ; 3 – osovina pola ; 4 – kraj namota

Rotor je uzbudni dio stroja i može biti (slika 4.3.): - s istaknutim polovima ; - cilindrične izvedbe

Rotor s istaknutim polovima ima polove na valjku tj tijelu rotora. Jezgra pola se sastoji iz običnih limova čiji oblik ima utjecaj na raspodjelu magnetskog toka u zračnom rasporu, a tako i na inducirani napon. Na jezgri polova nalazi se rotorski-uzbudni namot koji je izveden tako da po obodu izmjenično slijedi N (sjeverni) i S (južni) magnetski pol. Svaki pol završava s polnim stopalom (nastavak) koji zatvara namot s vanjske strane i posreduje pri prolazu magnetskog toka iz rotora preko zračnog raspora u stator. Kako je namot smješten relativno dalje od osovine rotora to je pri većim obodnim brzinama opterećen i relativno velikom centrifugalnom silom, namot se mora zbog toga brižljivo konstruirati i učvrstit. Rotori s istaknutim polovima se obično grade za male i srednje brzine vrtnje i za njih vrijedi da je zračni raspor δ ≠ konst. Rotor s neistaknutim polovima – cilindrične izvedbe je u obliku valjka s radijalnim ilim paralelnim utorima unutar kojih se postavlja uzbudni namot. Uzbudni namot je koncentričan a raspodjela u utorima je takva da inducirani napon u statoru sinkronog stroja ima oblik sinusoide. Ovom konstrukcijom rotora moguće je ostvariti velike brzine vrtnje i vrijedi da je δ = konst. Kako bi se u prijelaznim stanjima otklonile smetnje u rotor se često ugrađuje prigušni namoti ili tzv. kratkospojni kavez. Kod rotora s istaknutim polovima izveden je u obliku štapova koji prolaze kroz utore u uzdužnom smjeru polnih nastavaka i s obje su strane međusobno povezani kratkospojnim prstenima. Kod onih s neistaknutim polovima prigušni namot se sastoji iz metalnih klinova koji zatvaraju utore i koji su na bočnim stranama kratko spojeni. Uzbuda se ostvaraju pomoću uzbudnog sustava koji sadrži upravljačko-regulacijske uređaje i električnu zaštitu. Ovaj sustav mora udovoljavati uvjetima:

- pouzdanosti; - ekonomičnosti; - regulacija uzbudnog napona u propisanim granicama;

- brzi porast uzbudnog napona u slučaju naglog pada napona u električnoj mreži. Sinkroni generator kada radi kao na brodu onda se kaže da su to uvjeti rada na vlastitoj mreži za razliku od radnih uvjeta na kopnu kada se kaže da je to rad na krutu mrežu.regulacijom uzbude se u brodskoj elektroenergetskoj mreži postiže regulacija napona mreže, a u kopnenoj mreži se regulira jalova komponenta snage koju generatora daje u mrežu. Regulacijom uzbude postiže se bolja statička stabilnost rada i brže smanjenje oscilacija. 5.3. Uzbuda generatora Prema vrsti uzbude izvršena je podijela na sustave s rotacijskim uzbudnikom i statičke sustave:

- rotacijski uzbudnik : - istosmjerni - izmjenični (klasični sinkroni generator i inverzni) - statički uzbudnik : - s naponskim izvorom - s naponskim i strujnim izvorom.

Prema načinu uzbude ubudni sustavi se dijele na: - neovisne – napajaju se iz posebnog izvora ili izravno s pogonskog stroja. Najčešće je to

istosmjerni generator («budilica») koji je na istoj osovini kao i sinkroni generator , pa pogonski stoj pokreće sinkroni generator i uzbudnik (dovod energije neovisan od drugih izvora), a posebni izvor podrazumijeva uzbudnik pogonjen posebnim dizelskim ili električnim motorom;

- samouzbudni. Uzbudna struja se dovodi na uzbudni namot preko kliznih kolutova i četkica smještenih na osovinu uz rotor sinkronog generatora. Veličina struje koju istosmjerni generator daje uzbudnom namotu određuje veličinu induktivnih struja u samom armaturnom namotu generatora, pa je uzbudnu struju potrebno podesiti tako da se postigne stanje opterećenja jalovom snagom koja se želi. Napon uzbudnika se podešava pomoću ručnog ili automatskog regulatora u njegovom uzbudnom krugu (tim krugom teku relativno male struje). Zbog skupog održavanja i problema vezanih uz kolektor, kao i skupih istosmjernih uzbudnika, istosmjerni uzbudnici se sve manje ugrađuju u nove jedinice a zamjenjuju se izmjeničnim sinkronim uzbudnicima. Izmjenični sinkroni uzbudnik se izvodi kao klasični sinkroni generator s trofaznim armaturnim namotom na statoru ili kao inverzni sinkroni uzbudnik. Klasični sinkroni uzbudnik napaja se preko tiristorskog mosta (Slika 5.5.). Uzbudnik se nalazi na istoj osovini kao i sinkroni generator, a uzbuda glavnog generatora se regulira upravljivim tiristorskim usmjerivačem. Kada se primjenjuje uzbuda s rotirajućim ispravljačima (Slika 6.) ona u potpunosti isključuje kolektor i klizne kolute. Kao uzbudnik služi mali sinkroni generator tj. Sinkroni inverzni sinkroni uzbudnik kod kojega su zamijenjene uloge statora i rotora. Armatura izmjeničnog uzbunika vrti se na istoj osovini s rotorom glavnog sinkronog generatora i s njegovim uzbudnim namotom. Na istoj osovini vrte se i ispravljači koji nisu upravljivi pa im kao takvima ne trebaju vanjski priključci. Namot armature sinkronog uzbudnika spojen je preko tih ispravljača s uzbudnim namotom glavnog sinkronog generatora čvrstim priključcima bez

Slika 5.4. Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s uzbudnikom

Slika 5.5. Shema spoja sustava uzbude sa sinkronim uzbudnikom

kliznih koluta jer se cijeli sklop vrti na istoj osovini.polovi sinkronog uzbudnika (na statoru) a)

b)

Slika 5.6. a) Uzbudni sustav s rotirajućim ispravljačima b) Uzbudni sustav sa stacionarnim ispravljačima miruju pa za njihovu uzbudu trebaju čvrsti dovodi. Regulacijom male struje upravlja se naponom sinkronog uzbudnika a time i ispravljenom strujom koja teče u uzbudnom namotu glavnog sinkronog generatora. Takav sinkroni uzbudnik je rijetki primjer gdje sinkroni stroj ima armaturu na rotoru, a polove na statoru. Statički sustav uzbude ima tiristorske usmjerivače preko kojih se napaja uzbuda sa stezaljki sinkronog generatora ili iz posebnog izvora. Struja iz izmjeničnog sinkronog generatora ispravlja se upravljivim tiristorskim ispravljačem (ili ispravljač sa silicijskim diodama) na koji djeluje regulator. Na ovaj način se ne koriste kolektorski uzbudnici ali je potrebno osigurati izvor izmjeničnog napona za napajanje uzbude. Danas se uglavnom koriste samouzbudni trofazni sinkroni generatori koji se sami uzbuđuju koristeći pojavu remanentnog magnetizma .Uzbudni namot sinkronog generatora je preko ispravljačkog sklopa i prigušnice spojen na stezaljke sinkronog generatora. Kada se rotor sinkronog generatora zavrti u armaturnom namotu se inducira napon zbog remanentnog magnetizma. Kroz zatvoreni strujni krug proteći će u ispravljač struja koja je:

XEI3

= a proporcionalno toj struji povećat će se na izlazu iz ispravljača struja uzbude sve dok

se ne ispuni uvjet da je napon na stezaljkama sinkronog generatora : XIU 3= Da bi napon ostao nepromijenjen pri promjeni opterećenja samouzbudni singroni generator mora još imati i automatski regulator napona. Statičkim samouzbudnim kompaudnim sustavom uzbude cijeli agregat je kraći (nema rotacijskog uzbudnika) ali je potrebno ugraditi uzbudni transformator kojim se prilagođava napon napajanja uzbude.

Slika 5.7. Principijelna shema spoja samouzbudnog sinkronog generatora

Slika 5.8. Principijelna shema spoja statičkog samouzbudnog kompaudnog sustava uzbude Najvažnija karakteristika uzbudnog sustava su brzina odziva i faktor forsiranja uzbude. Brzina odziva uzbudnika ovisi o visini maksimalnog napona uzbudnika, vremenskim konstantama uzbudnog kruga uzbudnika i vrsti sustava uzbude. Brzina reguliranja napona sinkronog generatora ovisi o brzini odziva uzbudnika, brzini djelovanja regulatora i vremenskoj konstanti uzbudnog kruga sinkronog generatora koja vrijedi za zadano prijelazno stanje. Faktor forsiranja uzbude određuje se prema izrazu:

un

uf U

Uk max= i iznosi 1.2 do 2. Veći faktor forsiranja traži skupi uzbudnik, pa se koristi samo u

iznimnim slučajevima.

5.4. Automatska regulacija napona Naglo povećanje struje opterećenja (npr. pri startanju motora) u generatoru uzrokuje odgovarajuće promjene u izlaznom naponu. To je zbog unutrašnje pada napona u namotajima generatora i ta pojava se naziva podnapon. Slično tome, opadanjem dolazi do porasta napona na sabirnicama (prenaponi). Da bi se pratile promjene opterećenja uzbudni susstav generatora mora imati mogućnost regulacije (upravljanja). Oprema automatske regulacije napona (AVR) je neophodna da brzo ispravi takve promjene opterećenja ( Slika 5.9.)

Slika 5.9. Generator /AVR AVR kontrolira napon generatora do +/- 2,5% (ili bolje) njegove zadane vrijednosti pri punom opterećenju. Ovo je «brzo stanje» regulacije napona. Prolazni pad napona je najčešće ograničen na 15% za određene iznenadne promjene napona sa povratom na zadani napon unutar 1,5 sekundi. U specijalnim slučajevima, gdje je neočekivano velika potrošnja (npr. za dizalice tereta) mogu se karakteristike AVR promijeniti i prilagoditi određenim zahtjevima. AVR prepoznaje generatorski izlazni napon i nastoji promijeniti struju polja tako da se napon održi u zadanim vrijednostima. Ručno podešavajući regulator (trimer) može se smjestiti u generatorski kontrolni panel da uspostavi naponsku razinu od 440 V. Najčešće je naponski potenciometar smješten na kontrolnoj kartici AVR-a tako da nije moguć pristup operateru. Kontrolni/upravljački struji kruga za moderne AVR-e je sastavljena od transformatora, pojačala, otpornih dioda, tranzistora i tiristora. Oni su smješteni na jednu ili više kartica kruga instaliranih unutar razvodne ploče ili direktno na generator. Različiti su proizvođači AVR-a ali osnovna shema koja sadrži spomenute elemente je u osnovi ista (slika 5.10).

Slika 5.10. AVR blok dijagram

Naponska –senzorska jedinica smanjuje, povećava i ispravlja generatorski izlazni napon. To proizvodi signal istosmjerne struje niskog napona koji je proporcionalan naponu generatora izmjenične struje. Ovaj trenutni signal istosmjerne struje se uspoređuje s početnom vrijednosti istosmjerne struje koja je nastala u referentnom strujnom krugu zener dioda i otpornika. Pogrešni izlazni signal iz komparatora se pojačava i podešava (pravi pogodnim) za napajanje regulacijskog tiristora. Tiristor je brzodjelujući elektronski prekidač, upravljen naponskim signalom sa izlaznog terminala. Ovaj uređaj pojačava i regulira struju generatorskog polja. AVR treba sa svojim komponentama da uspostavi: - brzo vrijeme reakcije (odziva) u odnosu na stabilizaciju napona;

- pravilnu raspodjelu struje kada generatori rade u paraleli; - brzo podizanje napona za pokretanja generatora; - glavna zaštita za prekoračenje, odnosno pad napona.

Kompletni AVR strujni krug je dosta složen i sastoji se od nekoliko otpornika s promjenjivim vrijednostima za kontrolu osjetljivosti, izvansistemske greške i stabilnost (proporcionalnu, integralnu i diferencijalnu kontrolu). Oni su namješteni tako da se tokom generatorskog rada postignu optimalna i stabilna svojstva. Preporučuje se da se odoli iskušenju za namještanjem takvih već namještenih kontrolnih uređaja ukoliko nismo kompetentni za takve radnje. Provjere u radu AVR sistema prema uputama proizvođača se sastoje od mjerenja napona izmjeničnih i istosmjernih struja na određenim testnim točkama. One se uspoređuju s vrijednostima koje su bile prihvatljive tokom prethodnih ispitivanja generatora. Najčešće se upotrebljava za ove testove testovi s voltmetrom. Većina brodova ima rezervnu AVR jedinicu ili rezervne kartice koje se mogu zamijeniti nakon što se pronađe kvar. Izmjena AVR-a može se jedino napraviti kada je generator zaustavljen i izbačen iz mreže. Nakon instaliranja novog AVR-a treba se provjeriti vrijednost struje polja uzbude i ručna regulacija napona. Ovo se treba napraviti kada generator radi bez opterećenja tj. prije pokušaja da se sinkronizira na sabirnice. Kada generator radi u paraleli potrebno je provjeriti podjelu približno jednakih struja između strojeva. To će pokazati ispravnost rada njihovih AVR-a. 5.5. Princip rada sinkronog generatora Protjecanjem struje kroz uzbudni namot stvara se magnetsko polje i pri tome konstatnoj uzbudi odgovara konstantni magnetski tok a ako se mijenja struja mijenja se i protjecanje proporcionalno struji uzbude. Tako se razlikuju:

- mirujuća protjecanja – nastala su istosmjernom strujom; - pulzirajuća protjecanja – nastala su jedofaznom izmjeničnom strujom; - rotirajuća protjecanja – nastala su višefaznom (trofaznom) strujom u višefaznom namotu.

Prolaskom istosmjerne struje kroz uzbudni namot stvara se konstantno magnetsko polje čiji je tok nepokretan kada rotor miruje. Mehaničkim okretanjem rotora okreće se i magnetski tok polova koji određenom brzinom presijeca armaturni namot na statoru u kojem se inducira izmjenična EMS-a.U slučaju da je uzbuda izmjenična raspodjela indukcije u zračnom rasporu biti će pulzirajuća. Kod simetrične višefazne izmjenične struje uzbuda raspodjele indukcije u rasporu sadrži harmonike od kojih se svaki vrti sa svojom vlastitom brzinom, pa se oblik indukcije u zračnom rasporu mijenja od trenutka do trenutka unatoč konstantnom zračnom rasporu i simetričnom višefaznom protjecanju. Napon koji se inducira karakteriziran je oblikom, smjerom, frekvencijom i iznosom. Kod sinkronih generatora je brzina vrtnje u stacionarnom stanju konstantna pa vremenska promjena induciranog napona u svakom vodiču odgovara prostornoj raspodjeli indukcije u zračnom rasporu generatora. Oblik induciranog napona u armaturnom namotu sinkronog generatora trebao bi biti sinusni. Da bi se to postiglo potrebno je da se magnetska indukcija u zračnom rasporu mijenja po zakonu sinusa, a to se postiže oblikom polnih nastavaka i izvedbom armaturnog namota. Ako je napon koji se inducira nesinusnog oblika pojavljuju se viši

harmonici koji su nepoželjni, a prema propisima odstupanje napona na stezaljkama generatora ne smije biti više od 15 % amplitude osnovnog harmonika. Srednja vrijednost indukcije na polnom koraku iznosi:

lB

px ⋅

Φ=τ

gdje je :

pτ - polni korak, l- dužina stroja, - magnetski tok ΦAko je raspodjela sinusna u zračnom rasporu tada je srednja indukcija:

mp

mp

s BdxxBBp

⋅Π

=⋅Π

⋅= ∫2)sin(1

0

τ

ττ

Pa je maksimalna vrijednost indukcije s kojom treba računati:

lBB

psm ⋅

Φ⋅

Π=⋅

Π=

τ22

brzina relativnog gibanja vodiča prema polju prikazuje se preko brzine vrtnje n(r min-1):

602

60npnDv p ⋅⋅

=⋅Π⋅

=τ

gdje je D promjer rotora, a 2p je broj pari polova sinkronog generatora.

Maksimalna vrijednost induciranog napona u vodiču je:

=⋅⋅= vlBE mm fnp⋅Φ⋅=

⋅⋅Φ⋅ ππ

60

gdje je frekvencija određena izrazom:

60npf ⋅= pa ukoliko se želi dobiti frekvencija induciranog napona 50 Hz, tada se rotor mora

vrtiti točno određenom sinkronom brzinom. U tablici 2. prikazane su sinkrone brzine vrtnje kod frekvencije 50 Hz za razne brojeve pari polova. Tablica 5.2. Sinkrone brzine vrtnje rotora sinkronog generatora kod frekvencije 50 Hz

p ns(rmin-1) p ns(rmin-1) 1 2 3 4 5 6

3000 1500 1000 750 600 500

8 10 12 16 20 24

375 300 250 187,5 150 125

Uzme li se u obzir broj zavoja, oblik, veličina i raspodjela namota u utorima i po obodu statora, inducirani napon jedne faze računa se po izrazu:

nkNfE ⋅⋅⋅Φ⋅= 44,4 gdje je Φmagnetski tok, f frekvencija, N broj zavoja jedne faze i kn faktor namota koji uzima u obzir oblik, veličinu i raspodjelu namota u utorima i po obodu statora sinkronog generatora.

5.6.Pogonska stanja sinkronog generatora Za sinkroni stroj karakteristična su tri pogonska stanja: kratki spoj, prazni hod i opterećenje. Prazni hod je takvo stanje u pogonu kod kojeg se rotor sinkrong generatora vrti konstantnom brzinom vrtnje, uzbuda je takvog iznosa da se inducira nazivni napon E = Un , a stezaljke armaturnog namota su otvorene, pa je armaturna struja jednaka nuli Ia= 0.kada pogonski stroj pokreće sinkroni generator konstantnom brzinom vrtnje, a uzbudni namot je protjecan istosmjernom strujom zbog čega se uzbuđuje glavni magnetski tok, u armaturnom namotu svake faze inducira se napon određen izrazom nkNfE ⋅⋅⋅Φ⋅= 44,4 koji se može svesti na izraz:

jer su broj namotaja, frekvencija i faktor namota konstantne veličine. Φ⋅= kEGlavni magnetski tok ovisan je o iznosu uzbudne struje, broju zavoja uzbudnog namota, dimenzijama magnetskog kruga te o karakteristikama magnetskog materijala. Za određenu izvedbu sinkronog generatora broj zavoja uzbudnog namota je konstantan pa je krivulja magnetiziranja određena karakteristikom magnetskog kruga. Promjenom uzbudne struje u praznom hodu mijenja se magnetski tok u magnetskom krugu sinkronog generatora, tako se mijenja i inducirani napon.

)( uIf=Φ

Na slici 4.9. a) prikazana je karakteristika praznog hoda koja u odgovarajućem mjerilu predstavlja i krivulju magnetiziranja. Najveći dio protjecanja otpada na zračni raspor to se u području zasićenja (0.5 T) uzima samo to u obzir, a zanemaruje se protjecanje za put magnetskih silnica kroz željezo. U slučaju zanemarenja magnetskog otpora željeza tada je uzbudna struja određena pravcem δ . Međutim ako se uzme u obzir magnetski otpor željeza uzbudna struja u praznom hodu određena je karakteristikom δ + Fe.

Slika 5.11. Karakteristika praznog hoda a) i fazorski dijagram b) sinkranog generatora u praznom hodu

Na slici 5.11. b) prikazan je fazorski dijagram sinkronog generatora u praznom hodu gdje je napon stezaljki jednak induciranom naponu , a struja uzbude u praznom hodu prethodi tom naponu za 90º.

Priključenjem simetričnog trošila na stezaljke generatora poteći će armaturnim namotom struja opterećenja Ia . Ta struja izaziva padove napona u namotu armature pa je napon na stezaljkama sinkronog generatora manji od induciranog napona (U< E). Ovakvo pogonsko stanje se naziva opterećenje trofaznog sinkronog generatora. a) b)

Slika 5.12. a) Nadomjesna shema sinkronog generatora s cilindričnim rortorom b) Fazorski dijagram opterećenog sinkronog generatora Na slici 5.12. su prikazane prilike u opterećenom sinkronom generatoru s cilindričnim rotorom. Napon E0 je onaj napon koji bi se inducirao u armaturnom namotu nakon rasterećenja sinkronog generatora i kada bi karakteristika praznog hoda bila pravac. Taj inducirani napon nešto je manji zbog zasićenja. Vektorska razlika napona E0 i E predstavlja fiktivni pad napona izazvan djelovanjem reakcije armature koji odgovara reaktanciji armature Xa. Primarna uzbuda inducira napon E0 u armaturi, a nakon oduzimanja pada napona (zbog omskog otpora ), pada napona (zbog reakcije armature) i pada napona (zbog rasipne reaktancije armaturnog namota ) dobiva se napon na stezaljkama U.

aa RI aR

aa XI σXI a

Prema nadomjesnoj shemi: EXIRIU aaa =++ σ

a kako je sinkroni generator najčešće induktivno opterećen tada fazorski dijagram izgleda kao na slici 4.10.b). Obično se promatra sinkrona reaktancija koja je jednaka zbroju reakcija armature i rasipne reaktancije :

aX

σX

σXXX as += Sva razmatranja sinkronog generatora s cilindričnim rortorom odnose se i na generatore koji imaju istaknute polove, ali zbog različitih magnetskih otpora u uzdužnoj i poprečnoj osi treba armaturno protjecanje razložiti na uzdužnu i poprečnu komponentu, pa se tako računa sa reaktancijom u uzdužnoj i poprečnoj osi. dX qX Da bi napon na stezaljkama U kod opterećenog sinkronog generatora ostao nazivnog iznosa, mora se , ovisno o veličini opterećenja, mijenjati inducirani napon E. Struja opterećenja stvara s armaturnim namotom protjecanje, odnosno armaturni magnetski tok koji djeluje na glavni magnetski tok stvoren uzbudom, zbog čega se mjenja iznos induciranog napona E. Ta pojava naziva se reakcija armature. Djelovanje reakcije armature pri opterećenju ovisi o vrsti opterećenja tako da :

- pri čistom omskom opterećenju napon stezaljki U se neznatno mijenja s promjenom opterećenja;

- pri induktivnom opterećenju taj se napon smanjuje; - pri kapacitivnom opterećenju napon raste.

Ovisnost napona stezaljki o struji opterećenja )( aIfU = pri konstantnoj struji uzbude i faktoru snage određuje vanjsku karakteristiku sinkronog generatora (slika 5.13.).

Slika 5.13. Vanjska karakteristika sinkronog generatora Kako sinkroni generator mora osigurati trošilu konstantan napon kod svih opterećenja potrebno je promjenom uzbudne struje mjenjati glavni magnetski tok tako da se inducira upravo takav napon E koji će davati konstantan napon stezaljki. Potrebna uzbudna struja za razne iznose struja opterećenja i razne faktore snage i konstantni napon stezaljki U može se odrediti računski, grafički ili mjerenjem, odnosno njihovom kombinacijom. Tu ovisnost pokazuju tzv. regulacijske karakteristike(slika 5.14.). na istom dijagramu je prikazana i karakteristika praznog hoda, kako bi se upozorilo, da u tom pogonskom stanju sinkronog generatora, za nazivni napon Un potrebna struja Iu0.

Slika 5.14. Regulacijske karakteristike sinkronog generatora

Kratki spoj sinkronog generatora je posebno pogonsko stanje u kojem su stezaljke armaturnog namota međusobno kratko spojene kratkim vodovima velikog presjeka a struje u kratko spojenoj armaturi mogu slobodno teći. Pri tome pogonski stroj vrti generator sinkronom brzinom, a generator je uzbuđen. Kako u kratkom spoju nema zasićenja, struja kratkog spoja raste proporcionalno uzbudnoj struji pa je karakteristika kratkog spoja )( uk IfI = pravac. Kratki spojevi mogu biti:

- simetrični tj. tropolni (trofazni) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora u kojem su stezaljke armature kratko spojene međusobno pa je napon između njih jednak nuli;

- nesimetrični kratki spojevi mogu biti: jednopolni; dvopolni i dvopolni sa zvjezdištem. Pri jednopolnom kratkom spoju kratko se spaja jedna faza sa zvjezdištem, a kod dvopolnog kratko se spajaju dvije faze, a kod dvopolnog sa zvjezdištem kratko se spajaju dvije faze i zvjezdište. Pokusi kratkog spoja ostvaruju se kratkim spajanjem odgovarajućih stezaljki generatora, a zatim zalijetanjem pogonskim strojem do sinkrone brzine, te podizanjem struje uzbude do vrijednosti kad struja dosegne nazivnu vrijednost. To su trajni kratki spojevi. Struja trajnog tropolnog kratkog spoja generatora ovisi obrnutoproporcionalno o sinkronoj reaktanciji, dvopolnog kratkog spoja osim o sinkronoj reaktanciji i o reaktanciji inverznog sustava protjecanja, a jednopolnog kratkog spoja i o nultoj reaktanciji. U električnoj mreži se javljaju i udarni kratki spojevi. Početne struje i zakretni momenti kod udarnih kratkih spojeva znatno su veći od onih u trajnom kratkom spoju. Karakteristike simetričnog i nesimetričnog kratkog spoja prikazane su na slici 5.15.

Slika 5.15. Karakteristika tropolnog a), dvopolnog b) i jenopolnog c) kratkog spoja trofaznog sinkronog generatora

U kratkom spoju sinkronog generatora struja Ia povećava se na maksimalnu struju kratkog spoja. Dok proradi električna zaštita , rastuća struja kratkog sapoja spoja svojim magnetskim učinkom uzrokuju velike mehaničke sile – udarce. Ti mehanički udarci djeluju na čeone spojeve koji se zbog toga moraju dobro učvrstiti.Početnu struju kratkog spoja moguće je prigušiti s velikim reaktancijama namota. Nakon početne struje kratkog spoja slijedi prijelazna, trajna struja kratkog spoja koja svojim toplinskim učinkom može oštetiti namot ako se sinkroni stroj na vrijeme ne odspoji sa el. mreže.

5.7. Rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži

Slika 5.16. Blok shema rada sinkronog generatora na vlastitoj mreži

Sinkroni generator može sam napajati grupu trošila kao jedini izvor ele. energije. Tada mora svim trošilima osigurati napon konstantnog iznosa i frekvencije bez obzira na vrstu i veličinu opterećenja. U tom slučaju sinkroni generator radi na vlastitoj mreži. Promjenom opterećenja dolazi do promjene napona na stezaljkama generatora, a također i do promjene frekvencije tj. do promjene brzine vrtnje rotora. Kako bi veličine napona i frekvencije ostale u zadanim granicama to je potrebno:

- neprekidno regulirati napon stezaljki sinkronog generatora promjenom uzbudne struje i - regulirati brzinu vrtnje tako da ona bude sinkrona, kako bi frekvencija induciranog napona bila konstantna.

Pri radu sinkronog generatora na vlastitoj mreži bitan je faktor snage s kojim radi generator i on je određen trošilom.faktor snage trošila može ovisiti o frekvenciji, a ponekad može biti i funkcija napona što proračun stacionarnih i prijelaznih stanja generatora u radu čini znatno složenijim.Razvijeni elektromagnetski moment određuje se iz:

nP

nP

PM em

emm

em ⋅=⋅Π

⋅== 55.9

30

1ω

gdje je mω mehanička (kutna) brzina, ω kružna frekvencija

a n brzina vrtnje (rmin-1). Protumoment razvijenom elektromagnetskom momentu je u stacionarnom stanju pogoski moment stroja ( moment turbine, disel motora ili osovine propelera).veličina pogonskog momenta određena je dotokom pare ili plina u turbinu ili goriva u dizelski motor, a regulira se ugradnjom regulatora uz pogonski stroj. Na taj način je moguć rad sinkronog generatora na vlastitu mrežu s približno konstantnom frekvencijom. Vanjske karakteristike pogonskog stroja imaju različite oblike (slika 5.17.). Sjecište karakteristika pogonskog momenta i elektromagnetskog momenta predstavlja stacionarnu radnu točku generatora.

Slika 5.19. Karakteristika disel motora i sinkronog generatora Porastom opterećenja sinkronog generatora dolazi do pada napona U i pojačane reakcije armature, zbog čega je potreban regulator napona. Većim opterećenjem sinkronog generatora javlja se i veći kočni moment zbog čega je potrebno pogonskim strojem dovoditi više mehaničke energije kako bi brzina vrtnje rotora ostala konstantna. U suprotnom rotor bi se vrtio sporije pa bi porastom opterećenja padala frekvencija induciranog napona.Zbog toga je potrebno ugraditi regulator brzine vrtnje koji će djelovati na pogonski stroj ovisno o opterećenju sinkronog generatora. Sinkroni generator se na el. mrežu na kojoj ne radi drugi sinkroni generator se spaja relativno lako:

Slika 5.20. Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s uzbudnikom na el. mrežu

1. Sklopka S je otvorena i sinkroni generator se zavrti bez uzbude pomoću pogonskog stroja do sinkrone brzine vrtnje (mjeri se brojilom okretaja);

2. Kada se postigne sinkrona brzina vrtnje (odgovara nazivnoj frekvenciji el. mreže npr. 50 Hz) uključi se uzbuda (pomicanje otpornika Ru):

3. ampermetar pokazuje odgovarajuću struju, a voltmetar mrežni napon- nakon toga slijedi uključenje sinkronog generatora na el. mrežu.

Ampermetar A2 pokazuje struju opterećenja koja zahtjeva veći inducirani napon tj. veću struju uzbude kako bi napon stezaljki sinkronog generatora ostao konstantan (voltmetar V). Istovremeno s uzbudom mora se dodavati pogonskom stroju pogonska energija da brzina vrtnje i frekvencija izmjenične struje ne padnu ispod dozvoljenih granica. Ako se regulira uzbudna struja, tako da napon sinkronog generatora bude u stacionarnom stanju konstantan, a pogonski stroj se ne regulira, promjenom opterećenja znatno će se mijenjati brzina vrtnje, odnosno frekvencija napona. Promjena brzine vrtnje bit će neznatna samo u slučaju čistog jalovog opterećenja koji ne zahtjeva djelatnu snagu. Promjenom vanjskog djelatnog opterećenja trošilo zahtjeva novu djelatnu snagu koju mu osigurava pogonski stroj. Ako se pogonski moment ne mijenja mora se nakon prijelazne pojave uspostaviti novo stanje novom veličinom brzine vrtnje koja slijedi iz zakona o održavanju energije i ravnoteže protjecanja. Ukoliko je inducirani napon jednak naponu mreže (E=U) tada je stroj u praznom hodu. Da bi generator dao struju u el.mrežu potrebno je povisiti inducirani napon sinkronog generatora i to pojačanjem uzbude. Pri opterećenju sinkronog generatora potrebno je povećati privedenu mehaničku snagu. Opterećenje sinkronog generatora (trajno uz određeni cos φ) označeno je na natpisnoj pločici. Veće opterećenje, manji cosφ, zagrijava se armaturni namot i uzbudni iznad dopuštene nadtemperatura. Zbog toga može doći do oštećenja izolacije namota. 5.8. Paralelni rad sinkronih generatora Sinkroni generatori najčešće rade u paraleli. Dva ili više sinkronih generatora koja su spojena paralelno ili u seriju napajaju el. energijom brodsku el. mrežu, pri čemu su napon i frekvencija konstantni. Za paralelni priključak generatora potrebno je provesti postupak sinkronizacije odnosno potrebno je postići:

- jednake iznose napona generatora i napona mreže; - jednake frekvencije napona generatora i napona mreže; - jednake kutove napona generatora i mreže; - isti redoslijed faza generatora i mreže.

Ukoliko bilo koji od spomenutih uvjeta nije ispunjen dolazi do velikih strujnih udara, a time i do oštećenja sinkronog generatora i drugih elemenata brodskog postrojenja. Postupak uključenja sinkronog generatora na brodsku mrežu je slijedeći:

- generator se pokreće pogonskim strojem do približno sinkrone brzine vrtnje (određena frekvencija uz određeni broj pari polova sinkronog generatora);

- uključuje se i regulira uzbuda generatora dok se ne postigne vrijednost napona koja odgovara naponu mreže;

- provjerava se redoslijed faza mreže i sinkronog generatora (može pomoću indikatora redoslijeda faza ili pomoću smjera vrtnje malog indukcijskog motora koji je spojen na stezaljke generatora odnosno brodske mreže);

- priključak se izvodi kada je fazni pomak između istoimenih napona generatora i brodske mreže doveden na najmanju moguću mjeru.

Ispunjenost uvjeta za paralelni rad provjerava se različitim uređajima za sinkronizaciju. Sinkronizacija može biti automatska, poluautomatska i ručna. Najjednostavnije su sinkronizacijske žarulje pri čemu se koristi tamni, svijetli i mješoviti spoj. Takva sinkronizacija je ručna.

Slika 5.21. Sinkronizacija pomoću a) tamnog i b) mješovitog spoja sinkronizacijskih žarulja Kod sinkronizacije trofaznog sinkronog generatora najčešće se koristi tamni spoj gdje je premoštena generatorska sklopka sa žaruljicama. Žarulje moraju biti predviđene da izdrže dvostruki fazni napon. Postupak je slijedeći:

- žarulje trajno svijetle – nema približne jednakosti napona generatora i mreže; - reguliranjem uzbude postiže se jednakost napona mreže i generatora – provjerava se

voltmetrima; - kod jednakih iznosa napona, a različitih frekvencija – žarulje čas svijetle a čas potamne u

ritmu frekvencije napona generatora i mreže; - podešava se brzina vrtnje pogonskog stroja – frekvencije se izjednačavaju – paljenje i

gašenje žarulja je sporije; - duži interval tame – frekvencije se izjednačile – potrebno je uključiti generator; - ako je paljenje i gašenje žarulja istovremeno – redoslijed faza je ispravan, a ako nije

potrebno je dva dovoda na sinkronom generatoru zamjeniti. Svijetli spoj se kod trofaznog sinkronog generatora ne koristi jer maksimalna razlika napona nastupa 600 iza trenutka kada se naponi odgovarajućih faza poklapaju. Napon između stezaljki L1 i V u trenutku kada se naponi pokapaju iznosi 3 Uf, a nakon 600 taj napon iznosi 2Uf. Primjenom mješovitog spoja može se zaključiti da li se rotor sinkronog generatora vrti prebrzo ili presporo. Jedna žarulja priključena je kao kod tamnog spoja, a dvije križno između dvije različite faze brodske mreže i generatora:

- različite frekvencije – sve žarulje tamne ili svijetle (ako su žarulje u trokut postavljene slijedi kao da se svjetlo vrti i kada ta «vrtnja» stane – postignuta je jednakost frekvencija ).

Uz sinkronizacijske žarulje obično se koriste i instrumenti za kontrolu napona i frekvencije (slika 5.22.) – poluautomatska sinkronizacija.

Slika 5.22. Principijelna shema uređaja za sinkronizaciju pomoću instrumenta Pri poluautomatskoj sinkronizaciji koriste se :

- za kontrolu napona sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki voltmetar; - za kontrolu frekvencije sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki

frekvenciometar; - nul-voltmetra (mjeri više od od dvostrukog faznog napona) – služi za utvrđivanje

istofaznosti napona sinkronog generatora i brodske mreže. Kada on pokaže nulu tada je postignuta istofaznost napona.

Ovaj sklop se može još nadopuniti sinkronizacijskim žaruljicama kako bi se utvrdila prevelika ili premala brzina vrtnje rotora. Umjesto žarulja koristi se sinkronoskop s kazaljkom koji u sebi sadrži nul-voltmetar. To je mali sinkroni motor koji se priključuje između kontakata sklopke i brzinom koja je ovisna o razlici frekvencija napona sinkronog generatora i napona brodske mreže okreće se kazaljka koja predstavlja fazor napona sinkronog generatora ( miruje i stoji okomito prema gora). Kada kazaljka stane u položaju fazora napona brodske mreže, postignuta je istofaznost i može se priključiti sinkroni generator na brodsku mrežu. Prema smjeru vrtnje može se zaključiti da li se rotor generatora vrti prebrzo ili presporo (djeluje se na regulator pogonskog stroja). U pogonskim prilikama često se radi i gruba sinkronizacija. Pri tome generator koji se uključuje na mrežu zavrti se pogonskim strojem na brzinu vrtnje koja je jednaka približno sinkronoj brzini (do 2%), uključi se bez uzbude na brodsku mrežu i tek se tada uzbudi.. Elektromagnetski moment koji se tada stvori nakon priključka uzbude povuče generator u sinkronizam. Gruba sinkronizacija se koristi ako udar struje nije veći od 3.5 In. Prednost ovog načina sinkronizacije je u brzini i jednostavnosti automatizacije. Automatska sinkronizacija – vrši se sinkronizatorima. Njihovo djelovanje osigurava se jednostavnim pritiskom na tipku koja je smještena na glavnoj sklopnoj ploči u polju generatora. Po završetku sinkronizacije glavnom sklopkom generator se priključuje na brodsku mrežu. Povećanjem uzbude raste i inducirani napon, napon na stezaljkama generatora, opterećenje (djelatna komponenta), zatim dolazi do porasta faznog pomaka φ između napona stezaljki U i struje opterećenja Ia, te do povećanja jalove komponente struje (fazni pomak i faktor snage mijenjaju se s vrstom opterećenja). Ako je djelatna komponenta struje konstantna , a povećava se jalova (povećana je struja opterećenja) dolazi do zagrijavanja namota generatora. Prividna snaga (na natpisnoj pločici) ne smije se prekoračiti jer sinkroni generator u tom slučaju lako ispada iz sinkronizma.

Povećanjem uzbudne struje povećava se jalova komponenta struje sinkronog generatora i tada se on naduzbudi.. Ako generator treba dati i struju opterećenja(djelatnu komponentu) u brodsku mrežu, dolazi do povećanja el. snage, a to znači da se pogonskom stroju (disel motor ili turbina) mora povećati mehanička snaga, a sinkroni generator istodobno se jače uzbudi. Ako se ne mjenja mehanička snaga pogonskom stroju ne mjenja se ni električna snaga sinkronom generatoru

Slika 5.23.Momentna karakteristika sinkronog generatora i pogonskog stroja Ako sinkroni generator radi paralelno na mreži konstantne frekvencije tada mu je i brzina vrtnje konstantna pa mu je momentna karakteristika )(Mfn = pravac paralelan s apcisom (slika 5.23. karakteristika a).Na istoj slici su prikazane i karakteristike reguliranog pogonskog stroja (b). Na slici 5.23. se vidi kako se moment generatora može mjenjati samo djelovanjem pogonskog stroja, a to znači da se promjenom uzbude ne može mijenjati djelatna snaga jer se uzbudom ne može djelovati na brzinu vrtnje pogonskog stroja.često se linearno prikazuje i funkcija frekvencija-djelatna snaga generatora (slika 5.24.).

Slika 5.24. karakteristika frekvencija –snaga generatora Generator koji je sinkroniziran na el. mrežu predaje djelatnu el. energiju tako da se djeluje na regulator pogonskog stroja – povećava se pogonski moment. Kako je u početnom trenutku električni protumoment jednak nuli dolazi do poremećaja ravnoteže primljene i predane snage zbog čega se brzina vrtnje rotora generatora na trenutak poveća. Rastom brzine vrtnje rotora raste brzina okretnog magnetskog polja uzbude u odnosu na okretno polje mreže pa inducirani napon generatora prethodi naponu mreže. Između napona na stezaljkama i induciranog napona nastaje pad napona, a kroz namot armature mora proteći struja koja zaostaje za 90 0 za padom

napona. Ta je struja u fazi s naponom generatora(djelatna struja), pa generator razvija u odnosu na pogonski stroj kočni moment. Promjena uzbude sinkronog generatora djeluje samo na izmjenu jalove snage s mrežom za bilo koje pogonsko stanje a ne samo generator u praznom hodu. Povećanjem uzbude generator daje induktivnu, a smanjenjem uzbude kapacitivnu struju u mrežu. Za regulirani sinkroni generator može se prikazati linearna ovisnost napona generatora o jalovoj snazi (slika 5.25.)

Slika 5.25. Karakteristika napon-jalova snaga generatora

Opterećeni sinkroni generator se isključuju s brodske el. mreže: - smanji se uzbuda, a na taj način i inducirani napon tako da je cosφ=1; - istovremeno se smanjuje mehanička energija pogonskom stroju.

Struja opterećenja se smanjuje do minimuma , a frekvencija sinkronog generatora jednaka je frekvenciji brodske mreže. Kada je struja opterećenja jednaka nuli generatorskom sklopkom se generator isključi s mreže, isključi se i regulacijski otpornik u krugu uzbude i pogonski stroj. Ovakvo isključenje se vrši u slučaju rasterećenja el. mreže. Ukoliko sinkroni generator treba isključiti sa el. mreže uz nepromijenjeno opterećenje treba sa smanjenjem uzbude isključenog generatora ostale generatore naduzbuditi i povećati mehaničku energiju pogonskim strojevima. Kvarovi koji zahtjevaju trenutna isključenja s brodske el. mreže čine skupinu pogonskih stanja u kojima dolazi do porasta napona generatora. Obično se grade generatori kod kojih porast napona pri rasterećenju ne prelazi 30% nazivnog napona. 5.9. Gubici i korisnost sinkronog generatora

Slika 5.26. Bilanca snage sinkronog generatora

Gubici se dijele na osnovne i dodatne, odnosno na gubitke u statoru i gubitke u rotoru. Gubici u statoru (Pgs)se sastoje:

- gubici u bakru statorskog namota – PCus; - gubici u željezu – PFe; - dodatni gubici – Pd:

dFeCusgs PPPP ++=

Gubici u rotoru (Pgr) se sastoje: - gubici uzbude – Pgu; - mehanički gubici – Pgm;

gugmgr PPP +=

Gubici nastali u željezu (histereza i vrtložne struje) i mehanički gubici (trenje i ventilacija) ne ovise o opterećenju i dio su gubitaka praznog hoda (Po):

gmFe PPP +=0

Gubici u bakru i dodatni gubici nastaju pri opterećenju sinkronog generatora i proporcionalni su kvadratu struje opterećenja – gubici opterećenja sinkronog generatora Pgt:

dCusgt PPP += Gubici uzbude javljaju se i u praznom hodu i pri opterećenju sinkronog generatora, a mijenjaju se s kvadratom promjene uzbudne struje (Iu):

uugu RIP 2=

a pokrivaju se iz zasebnog izvora (osim kod samouzbudnih trofaznih sinkronih generatora) iz kojeg se napaja uzbudni namot. Bilanca snage sinkronog generatora je prikazana na slici 5.26.

Asinkroni motori

Stroj kojemu rotor nikada ne postiže brzinu vrtnje kojom se okreće magnetsko polje statora zove se asinkroni stroj.

Svaki asinkroni stroj može raditi kao generator ili motor. Ako se rotor asinkronog stroja pogoni nadsinkronom brzinom vrtnje (rotor ima veću brzinu vrtnje od okretnog magnetskog polja statora), tad stroj radi kao generator, a ako se pogoni podsinkronom brzinom vrtnje (rotor ima manju brzinu vrtnje od okretnog magnetskog polja statora), tad stroj radi kao motor.

Asinkroni generator u praksi se rijetko susreće jer redovito može raditi kad je priključen na mrežu koja se istodobno napaja sinkronim generatorom. To je zbog loga što asinkroni generator vuče iz mreže struju. magnetiziranja za stvaranje svoga vlastitog okretnog magnetskog polja, pa kada na mreži ne bi radio sinkroni generator, asinkroni generator ne bi se uzbudio ni ako se vrti nadsinkronom brzinom. Asinkroni generator može se ipak i sam uzbuditi s pomoću kondenzatora priključenih na stezaljke statora, jer u tom slučaju kondezatori dobavljaju potrebnu jalovu struju za uzbudu. Ti generatori sa samouzbuđenjem s pomoću kondenzatora nisu postigli širu primjenu jer je cijena potrebnih kondenzatora suviše velika.

Na brodu se upotrebljavaju samo asinkroni motori. Zovu se još i indukcijski jer se energija iz statora na rotor prenosi elektromagnetskim putem, tj. indukcijom. To znači da nema nikakve električne (galvanski vodljive) veze između statora i rotora niti između rotora i vanjske mreže, pa je iz tog razloga asinkroni motor sličan transformatoru.

Asinkronom motoru primarni namot nalazi se na statoru, koji sc spaja na mrežu. Da bi okretno polje statora induciralo napone u vodičima rotora (sekundarni namot), mora biti neka relativna brzina između okretnog polja statora i rotora. Kad bi njihove brzine vrtnje bile jcdnake, u rotoru se ne bi inducirali naponi, ne bi potekle struje, a bez struje u rotoru ne bi se razvijao moment. U tom slučaju, pri sinkronoj brzini vrtnje, takav motor ne bi mogao pretvarati energiju.

Ovisno o tome na koju je brodsku mrežu priključen statorski namot, odnosno za koju je brodsku mrežu građen asinkroni motor on je trofazni ili jednofazni.

.

Trofazni asinkroni motori

Trofazni asinkroni motor je najjednostavniji elektromotor, koji se sastoji od dva glavna dijela (statora i rotora) i drugih dijelova predočenih na slici .

Presjek i sastavni dijelovi trofaznog asinkronog motora

Namoti su najvažniji sastavni dijelovi asinkronog motora. Tehničke vrijednosti kao što su korisnost, faktor snage, zaletna svojstva, preopteretivost, zagrijavanje i magnetska buka, ovise o prikladnom izboru i izvedbi namota statora i rotora. Pogonska sigurnost i vijek trajanja ovise u velikoj mjeri o kvalitetnoj izradi namota.

Statorski trofazni namot izrađen je od izoliranih bakrenih ili aluminijskih vodiča, a sastoji

se od svitaka koji se ulažu u utore. Najčešće korišteni oblici statorskih utora asinkronih motora predočeni su na slici :

Oblici statorskih utora asinkronih motora

Prema obliku svitaka namoti mogu bili petljasti ili valoviti, a prema simještaju u utore jednoslojni ili dvoslojni. Trofazni asinkroni motori imaju na statoru najčešće dvoslojni trofazni namot peljastog ili valovitog tipa, a spojcni su u zvijezdu ili trokut. Na slici . predočeni su statori s jednoslojnim i dvoslojnim trofaznim namotom.

Valja znati da se u svim prilikama nakon ulaganja u utore namoti učvršćuju utorskim klinovima ili kapama (npr. klin ili traka od tvrdog papira - prešpana), a zatim se natope izolacijskim lakom i osuše.

Oblikovani svici imaju veliku mehaničku čvrstoću koja sc još povećava učvršćivanjem glava namota. Veliki asinkroni motori primaju pri pokretanju i preklapanju velike udarne struje koje uzrokuju znatno mehaničko naprezanje glava namota pa se zbog toga glave namota učvršćuju.

Statorski jednoslojni a) i dvoslojni namot b) trofaznog asinkronog motora

Krajevi statorskog namota spojeni su na priključunu kutiju motora. U niskonaponskih motora normalne izvedbe, s prigradnim mjerama prema standardu IEC, normalni je položaj priključne kutije na desnoj strani motora, gledano s pogonske strane. Svi drugi položaji priključne kutije moraju se pri narudžbi motora posebno zatražiti. Normalne priključne kutije potpuno su zatvorene poklopcem, a imaju jedan ili dva otvora s uvodnicima za priključak, kako je predočeno na slici .

Priključna kutija a) i pločica b) trofaznog asinkronog motora

Razmaci i strujne staze u priključnoj kutiji moraju se tako dimenzionirali da se unutar nje može nesmetano ugraditi priključna pločica sa stezaljkama za priključak krajeva namota. Standardne izolacijske pločice imaju 6, a polno preklopivi motori obično 9 ili 12 stezaaljka.

Kvarovi elektromotora na brodu često se događaju upravo u priključnoj kutiji. Zbog toga proizvođači asinkronih motora posebnu pozornost poklanjaju pravilnoj izradi priključnih stezaljka, jer sc time znatno pridonosi pogonskoj sigurnosti.

Preskokom električne iskre ili prekidom dovoda zbog slabo dimenzioniranih priključnih stezaljka počinju često veća oštećenja.

Namot statora moguće jc u priključnoj kutiji prespajati u zvijezdu Y (npr. za napon 380 V) ili u trokut D (npr. za napon 220 V), kako je predočenu na slici .

Prespajanje statorskog namota u priključnoj kutiji

Oznake dovoda mreže trofaznog suslava su , statorske stezaljke namota

označuju se s , a krajevi namota u statoru s . Ako nema šest izvoda u priključnoj kutiji počeci namota označeni su slovima

321 LLL ,,

111 WVU ,, 322 WVU ,,

WVU ,, , a krajevi s ZYX ,, . Prema izvedbi rotorskog namota trofazni asinkroni motori dijlc se na kavezne i kolutne. Ako je namot neizoliran smješten u utore (nema izolacije između štapova i utora,

odnosno jezgre rotora), prema slici ., međusobno spojen na čeonim stranama kratko spojenim prstenom, dobiva sc kratko spojeni rotor. Budući da rotorski namot ima oblik kaveza, takav se trofazni asinkroni motor zove kavezni motor.

Oblik utora kaveznih rotora asinkronih motora

Kavezni rotori grade se uvijek ka rotori s potiskivanjem sd'ujc, osim u motora malih

snaga, do cca 15 kW (1500 ). Djelovanje rotora s potiskivanjem struje osniva se na činjenici da se masivnim rotorskim štapovima zbog poprečnog utorskog polja induciraju vrtlože .struje. One uzrokuju neravnomjernu raspodjelu struje po presjeku štapa, tako da se struja u štapu potiskuje prema otvoru utora i zbog toga nastaju povećani gubici. Zato su omski otpor rotorskog namota i potezni moment •veći nego pri jednolikoj razdiobi struje. To djelovanje povećava se s povećanjem frekvencije rotora i visine štapa, a iščezava u blizini sinkronizma, tj. kod nazivnog opterećenja. Još veće potiskivanje struje pojavljuje se u kočnom području, jer je tamo frekvencija rotora viša nego mrežna frekvencija.

1−min

Kavezi rotora malih snaga jednostruki su kavezi s relativno malom visinom štapova. Oni ne pokazuju znatnije potiskivanje struje. Najčešće se lijevaju zajedno s kratko spojenim prstenima od čistog aluminija, koji se ulije u željezni paket. Slike predočuju oblike utora malih motora. U izradi srednjih motora bakreni (ili mjedeni) štapovi utiskuju se u utore predočene na slikama a)do e) i tvrdo se zaleme s oba kratko spojena prstena.

U rotora s potiskivanjem struje razlikuju se uglavnom dvije izvedbe: kavezni rotori s visokim štapovima i dvokavezni rotor. Kavezni rotor s visokim štapovima ima razmjerno uzak i visok štap u utoru. Za razliku od njih, za veće motore uzimaju se pretežno klinasti štapovi s utorima prema slikama g) i h). Kavezni rotor s klinastim štapovima i ventilatorima predočen je na slici .

Kavezni rotor s ventilatorima

Još bolje karakteristike postižu se primjenom dvokaveznog rotora. Lijevani dvokavezi lijevaju se najčešće od aluminija i imaju dva kratkospojna prstena s izlivenim ventilacijskim lopaticama. Kod većih dvokaveza u donjem dijelu utora leže bakrcni štapovi, iznad toga štapovi ud bakra ili mjedi. Lemljenjem četiriju kratkospojnih prstena nastaju dva odvojena kaveza s različito visokim otporima. Gornji kavez koji ima viši otpor zove se zaletni kavez. Na slici . prikazane su različite izvedbe utora dvokaveznih rotora

Oblici utora dvokaveznih rotora

Ako rotor ima sličan namot kao i stator, ako je trofazni namot uložen u utore ( zavoji namota međusobno su izolirani, a također su izolirani prema utorima, odnosno jezgri rotora) i spojen u zvijezdu kojoj su tri izvoda spojena na prstenove, onda se takvi motori zovu trofazni asinkroni kolutni motori. Pri tome je važno napomenuti da na prstenove dosjedaju četkice koje su spojene na priključnu kutiju rotora. Na slici . predočenje rotor trofaznog kolutnog motora.

Kolutni rotor trofaznog motora

Asinkroni motor s kolutnim rotorom znatno je skuplji od motora s kaveznim rotorom, manje je pouzdan u radu i zahtijeva zamršenije i skuplje održavanje. Zbog toga se sve manje izrađuje i sve rjede upotrebljavaju. Danas se još uvijek zadržala njegova primjena na brodu za dizalični pogon ili pogon brodskih vitala.

Trofazni asinkroni kavezni motori

Izgled trofaznog asinkronog kaveznog motora koji se ugrađuje u brod vidi se na slici

Trofazni asinkroni kavczni motor niskog a) i Visokog b) napona

Način rada

Način rada trofaznog asinkronog kaveznog motora može se opisati prema načelnoj spojnoj shemi na slici :

.

Načelna spojna shema za trofazni asinkroni kavezni motor

Ako se stator kaveznog motora priključi na brodsku mrežu trofaznog napona, struje koje poteku iz mreže u namote statora bit će, zbog simetrije, međusobno razmaknute u fazi, kao i naponi, za kut od 120°. Takve simetrične struje u simetričnome trofaznom namotu daju okretno protjecanje koje stvara u zračnom rasporu okretno polje magnetske indukcije B. Raspored indukcije u rasporu (koji je, pretpostavlja se, sinusoidni) inducira u namotima statora trofazni sustav napona koji mora biti upravo takav da drži ravnotežu trofaznom .sustavu napona mreže . Kad bi se i tu zanemarili padovi napona u djelatnom otporu , i rasipnoj reaktanciji statorskih namota , dobio bi se model idealnog stroja. U tom slučaju moraju naponi biti jednaki.

Θ

321 EEE ,,

321 UUU ,, 1R

1σX

332211 UEUEUE === ,,

Taj uvjet ravnoteže napona određuje struje u namotima. Okretno polje indukcije u rasporu, koje je rezultat djelovanja svih struja zajedno, mora biti upravo toliko da u namotima inducira napone E.

Padovi napona, zbog struja u statorskom namotu, u trofaznom asinkronom kaveznom motoru su znatni, i bitno utječu na rezultate u kvantitativnim razmatranjima, pa uvjet ravnoteže napona (bez zanemarenja) glasi:

)( 11 σjXRIUE +⋅−=

gdje je djelatni otpor, a 1R 1σX rasipna reaktancija statorskih namota.

Budući da se rotor trofaznog asinkronog kaveznog motora ne napaja iz vanjskog izvora, u njemu teku samo struje što ih inducira okretno polje stvoreno u zračnom rasporu. Da bi te struje mogle poteći, namoti rotora moraju biti zatvoreni strujni krugovi, a da bi struje u rotorskom namotu dale okretno protjecanje, mora taj namot biti višefazan.

Za postići simetričan višefazni sustav, broj faza statora i rotora ne mora btti jednak, već namot mora bili raspoređen simetrično, a broj polova statorskog i rotorskog namota mora u svakom slučaju biti jednak .

Ako je stator priključen na brodsku mrežu, a rotorski je namot otvoren i ne vrti se s rotorom, isto okretno polje koje inducira napone u namotima statora inducirat će napone i u namotima rotora. Brzina kojom sc to okretno polje vrti prema vodičima statora ista je kao i prema vodičima rotora, tj. frekvencije su jednake.

12 ff =

Napone u statoru i rotoru inducira jedan te isti magnetski tok. Jedino se razlikuje broj zavoja N i faktor namota nξ koji za stator i za rotor mogu biti po fazi različiti. Ako se podijele izrazi za inducirane napone rotora i statora dobiva se: 2E 1E

112212 ξξ NNEE :: =

tj. inducirani napon po fazi rotora i napon po fazi statora stoje u čvrstom odnosu tako dugo dok rotor miruje.

Ako se zatvore rotorski namoti, ali i dalje rotor miruje, inducirani naponi potjerat će u rotoru struje. Struja svake faze neće biti u fazi s naponom, već će za njim zaostajati za kut 2ϕ koji ovisi o odnosu reaktancije i radnog otpora rotorskog namota. Prema tome, sekundarno (rotorski) inducirani napon preko impedancije rotorskog namota: 2E

22

222 σXRZ +=

protjerat će struju:

22

22

22

σXR

EI

+=

gdje je djelatni otpor, a rasipna reaktancija rotorskog namota. 2R 2σX Ta struja u rotoru s magnetskim tokom okretnog polja Φ uzbuđenim od statorskih struja stvara silu u pojedinim vodičima rotora, a time i okretni moment u smjeru vrtnje okretnog polja. Tako stvoreni moment sila proporcionalan je struji , magnetskom toku 2I Φ i kosinusu kuta pomaka struje i napona rotora:

22 ϕcos⋅Φ⋅⋅= IkM

Ako rotor nije zakočen, počet će se okretati. Brzina vrtnje rotora rast će i približavat će se sinkronoj brzini vrtnje. Brzina okretnog polja rotora ,, bit će uvijek jednaka brzini okretnog protjecanja koje ga je stvorilo.

2sn

pf

nnssnn sss1

260

1⋅

==⋅+−⋅= )(

gdje je p broj pari polova motora, a s klizanje definirano izrazom.

Povećanjem brzine vrtnje smanjuje se zaostajanje rotora za okretnim poljem, a s time i brzina kojom okretno polje sa svojim silnicama siječe vodiče u rotorskim utorima. To zaostajanje rotora za okretnim poljem definira .sc kao klizanje, koje se označuje slovom s, a određuje iz izraza:

100⋅−

=−

=s

s

s

s

nnn

silin

nns %

Kad rotor stoji (n = 0), klizanje je jednako jedan (s = 1). Kad mu se brzina povećava, klizanje opada i postaje nula (s = 0) onda kada se rotor vrti sinkronom brzinom ( n = n), tj. kad je brzina rotora jednaka brzini okretnog polja.

Klizanje s određuje ne samo brzinu vrtnje već i frekvencije, napone, struje, tj. cijelo pogonsko stanje asinkronog stroja. Ono je najprikladniji parametar za definiranje tog stanja.

Kad rotor stoji, frekvencija rotoru induciranog napona jednaka je statorskoj (primarnoj) frekvenciji . Ako se rotor vrti u smjeru okretnog polja, sve manje zaostaje za njim, pa frekvencija rotora (sekundara) pada proporcionalno s klizanjem, tj. iznosi:

2f 2E

2f

2f

12 fsf ⋅=

Omjer statorskog (primarog) i rotorskog (sekundarnog) induciranog napona, ovisan o frekvencijama je:

22

11

222

111

2

1

444444

ξξ

ξξ

⋅⋅

=⋅⋅⋅Φ⋅

⋅⋅Φ⋅=

NN

NfNf

EE

..

gdje je broj zavoja statorskog i rotorskog namota, a 21 NiN 21 ξξ i namotni faktor statora i rotora. Označi li se rotorski napon u mirujućem stanju rotora ( s = 1 ) s uz stator priključen na napon dobiva se :

20E

1E

22120 444 ξ⋅⋅⋅Φ⋅= NfE .

pa je odnos tog napona prema naponu statora:

21

22

1

20

ξξ⋅⋅

=NN

EE

Budući da je inducirani napon na rotoru proporcionalan frekvenciji u rotoru bit će pri klizanju s :

2E 2f

202 EsE ⋅=

Inducirani napon rotora i njegova frekvencija izravno su proporcionalni klizanju. Proporcionalno s povećanjem brzine vrtnje pada klizanje s, a pada i napon rotora . Pada li napon, pada i struja, a s njezinom radnom komponentom pada i okretni moment motora. Motor će se prema tome ubrzavati tako dugo dok se pri određenom klizanju ne izjednače moment motora moment tereta , i time sc uspostavi ravnoteža.

2E

M 1M

Kad nema tereta, motor se vrti u praznom hodu. On tada nema korisnog momenta, ali još

uvijek mora svladavali moment trenja u vlastitim ležajima, moment trenja rotora o zrak i moment ventilacije. Za svladavanje tih momenata potrebna je neka vrlo mala struja , a s tim i vrlo mali napon i vrlo malo klizanje s koje ipak nije nula, iako je jako maleno. Zato asinkroni motor bez vanjske pomoći ne može postići sinkronu brzinu vrtnje.

2I

2E

U sinkronizmu ( s = 0 ) ne inducira sc uopće nikakav napon, pa u rotoru nema ni struja koje bi u magnetskom polju stvarale moment. Motor očito ne može raditi pri sinkronoj brzini vrtnje.

Kad se mijenja frekvencija rotora, mijenja se i induktivni otpor rotora prema

izrazu: 2σX

221222 22 σσσσ ππ XsLfsLfX ⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅=

gdje je induktivitet, a induktivni otpor rotora kad se on ne vrti. Prema prijašnjim

izrazima dobiva se rotorska struja: 2σL 2σX

22

22

202

)( σXsR

EI

⋅+=

Ako se izraz podijeli sa s dobiva se :

22

22

202

σXs

R

EI

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

koji pokazuje da se može, mijenjajući veličinu djelatnog otpora s na 2R sR2 , dobiti u

mirujućem stanju rotora ista vrijednost struje , kakva bi se dobila u Stvarnom pogonskom slanju kod klizianja s.

2I

Ako se usporede zaostajanja fazora struje ., za naponom , dobit će se za rotor u

vrtnji: 2I 2E

2

2

RXs

tg σϕ⋅

=

za mirujući rotor :

2

2

2

2

RXs

sR

Xtg σσϕ

⋅==

tj. kutna zaostajanja se ne razlikuju u oba slučaja. Frekvencije rotorske struje sc svakako razlikuju, ali ta razlika ne utječe na snagu, a niti na moment vrtnje.

Već jc rečeno da je asinkroni motor u biti transformator, pa za njega vrijedi nadomjesna shema koja je definirana na slici (naravno, uz uvjet da se rotor ne vrti). Izraz omogućuje da nadomjesna shema posluži i za asinkroni motor tako da se za djelatni otpor rotorskog namota

unese vrijednost sR2 . Budući da je stvarni otpor rotorskog namota , to je u shemi na slici

unesen odvojeno fiktivni djelatni otpor: 2R

ss

RRs

RR f

−⋅=−=1

222

2

Nadomjesna shema asinkronog motora

Analogno kao u transformatora, u nadomjesnoj shemi asinkronog motora sve vrijednosti u rotorskom (sekundarnom) krugu preračunate su na statorsku (primarnu) stranu. Te vrijednosti označene su crticom do simbola.

Momentna karakteristika

Momentna karakteristika ili vanjska karakteristika trofaznog asinkronog motora pokazuje kako se mijenja okretni moment motora u ovisnosti o brzini vrtnje )( nfM =

)( s

, odnosno klizanju motora fM = . Te karakteristike mogu se, osobito u području zaleta, međusobno znatno razlikovati, ovisno o izvedbi rotora, odnosno ovisno o djelovanju utjecajnih faktora na karakteristiku momenta. Na slici predočene su momentne karakteristike trofaznog asinkronog motora. One su nacrtane nakon analitičkog proračuna na osnovi nadomjesne sheme motora , ili s pomoću njegova kružnog dijagrama .

Momentne karakteristike trofaznog asinkronog motora

Prema slici dade se uočiti da motor priključen na napon razvija u mirovanju (n = 0, s = 1) potezni (ili pokretni) moment koji pokrene rotor. Taj moment u mirovanju također se zove moment kratkog spoja. Vrtnjom rotora iz stanja mirovanja počinje zalet motora. Moment raste s porastom brzine i najčešće pri 70 do 90 % sinkrone brzine vrtnje postiže maksimalnu vrijednost. Taj moment zove se maksimalni (ili prekretni) moment , a pripadno klizanje maksimalno (ili prekretno) klizanje . U toj točki pogona motor prelazi iz područja zaleta u područje stacionarnog pogona, gdje ima asinkroni motor tvrdu karakteristiku, tj. brzina vrtnje neznatno se mijenja s promjenom opterećenja. Kod još većih brzina rotora ( ) naglo se smanjuje moment, a kad njegov rotor postigne zadanu ili nazivnu brzinu vrtnje , pokretanje je završeno i nastupa vrijeme normalnog (stacionarnog) rada motora.

pM

npM

ms

mss <

nn

Nazivni moment motora ,računa se iz podataka s natpisne pločice s pomoću izraza: nM

n

nnn n

PPM

⋅⋅

==πω 2

60

gdje je - nazivna snaga motora u (W), a - nazivna brzina vrtnje u ( ). nP nn 1−minr

Vrlo često karakteristika momenta nema minimalni moment u trenutku pokretanja, nego

pri nekoj brzini vrtnje tijekom zaleta. Taj minimalni moment u zaletu zove se moment sedla. Od motora se zahtijeva da ima dovoljno veliki potezni moment Mp kako bi mogao pokrenuti opterećeni motor, da ima propisani maksimalni moment da može svladavati kratkotrajno mehaničko preopterećenje i da moment sedla ne sprečava motor da postigne punu brzinu vrtnje.

).( nmm MMM 61>

U trenutku pokretanja motora (s = 1) struja koju motor uzima iz mreže je maksimalna

struja kratkog spoja i ona se smanjuje s porastom brzine vrtnje, a u praznom hodu (s = 0) jednaka je struji praznog hoda . Struja kratkog spoja obično se izražava kao višekratnik nazivne struje, a ovisna je o broju pari polova, o izvedbi rotora i veličini motora. Pri nazivnom naponu je obično

kI

0I

083 II k )( ÷=

Pokretanje motora

Pri svakom pokretanju motora statorski namot povuče iz mreže struju kratkog spoja (što povećano zagrijava motor) i uzrokuje pad napona u mreži. To može izazvati nepoželjne posljedice na druga trošila priključena na brodsku mrežu. Da bi se taj negativan utjecaj smanjio, potrebno je primijeniti razne postupke pokretanja motora, ovisno o veličini motora, vrsti zaleta i kvaliteti same brodske mreže. Pri lome valja znati da ni jedan mogući način pokretanja trofaznog asinkronog kaveznog motora (osim priključka motora na izvor promjenjive frekvencije) ne može povećati potezni moment, već samo smanjuje struju pokretanja. Upravo snižavanjem napona na stezaljkama motora za vrijeme pokretanja smanjuje se proporcionalno i struja, a istodobno smanjuje se i potezni moment (smanjuje se s kvadratom napona).

Propisi za električne strojeve određuju da se motor opterećen nazivnom snagom ne smije

pregrijati pri promjeni napona mreže za ± 5%. Ako se motor građen za nazivni napon priključi na neki drugi napon , mijenja se struja proporcionalno naponu. Magnetski tok motora mijenja se također proporcionalno naponu (zanemareno zasićenje), pa je:

nU'U

II

UU

nn

'''==

ΦΦ

Budući da je potezni moment proporcionalan umnošku magnetskog toka i struje,

odnosno mijenja se s kvadratom promjene napona, bit će: pM

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

npp U

UMM '

Pri konstantnoj brzini vrtnje, ne uzimajući u obzir krivulju protumomenta, nova snaga

iznosi:

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

nUUPP '

Budući da se motor može opteretiti nazivnom strujom, moguće ie povećati snagu u obrnutom omjeru promjene napona, tako da motor nakon zaleta daje snagu:

nUUPP ⋅=''

Pri promjeni napona mijenja sc potezni moment, prekretni moment i moment sedla s

kvadratom napona.

Zahtjeva li se pri manjem naponu mreže od motora isti pokretni moment tereta kao i pri punom naponu, raste struja rotora, jer motor daje traženi moment sve dok se ne prekorači njegov prekretni moment. Veća rotorska struja uzrokuje povećano zagrijavanje. Zbog toga se motor kod prevelikih padova napona pregrijava.

Napon U proporcionalan je magnetskom toku Φ , broju zavoja statorskog namota , i frekvenciji mreže f, odnosno:

1N

Φ⋅⋅⋅= fNkU 1

Vidi se da pri porastu frekvencije pada magnetski tok, jer se ni napon ni broj zavoja ne mijenjaju. Obrnuto, rad sa smanjenom frekvencijom uvjetuje povećanje magnetskog toka, što općenito nije dopušteno. Ako se zanemari utjecaj zasićenja, mijenja se i struja praznog hoda obrnuto proporcionalno s promjenom frekvencije.

Potezni moment M mijenja se obrnuto proporcionalno s kvadratom promjene frekvencije,

odnosno:

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

''

ffMM pp

Brzina vrtnje u praznom hodu, a približno i brzina vrtnje pod opterećenjem, mijenjaju se proporcionalno frekvenciji, pa snaga P iznosi:

''

ffPP ⋅=

Ako se ne uzmu u obzir moguće promjene opterećenja do kojih dolazi zbog promijenjene snage ventilacije pri novoj brzini vrtnje, može se motor opteretiti nazivnom strujom i stoga raditi s nazivnom snagom.

Asinkroni motor može se opteretiti nazivnom snagom ako je mrežna frekvencija viša od

nazivne frekvencije. Pri znatnijem smanjenju mrežne frekvencije nastupa opasnost da se motor pregrijava zbog lošijeg hlađenja.

Prematanjem motora od 50 Hz na 60 Hz i priključivanjem na mrežu frekvencije od 60 Hz

dobiva se rast nazivne snage od oko 15%, a ne 20 %, koliko iznosi povećanje frekvencije. To je zbog toga što s porastom frekvencije rastu i gubici u željezu, pa je za taj iznos potrebno smanjiti dobivenu snagu.

Ako se promijene napon i frekvencija u istom omjeru, ne mijenjaju se magnetski tok Φ i

struja praznog hoda , tj. vrijedi daje: 0I

000 IUU

ffII

n=⋅⋅=

''

odnosno:

Φ=⋅Φ=Φ0

0

II '

'

Ostale vrijednosti struje I ostaju također konstantne, tj. struja kao funkcija postotne

vrijednosti brzine vrtnje ostaje nepromijenjena. Na taj način i krivulja momenta kao funkcija promjene brzine vrtnje je konstantna, tj, vrijedi da je:

MIIMM =⋅

ΦΦ⋅=

'''

Nasuprot ovim konstantnim iznosima mijenja sc apsolutna brzina vrtnje proporcionalno frekvenciji. Pri određivanju brzine vrtnje pod teretom, u slučaju promjene napona i frekvencije, treba uzeti u obzir krivulju protumomenta tereta

Ako se trofazni asinkroni kavezni motor vrti potpuno neopterećen, tj. u praznom hodu, struja ni u kojem slučaju ne pada na nulu. Tada motor uzima struju praznog hoda koja u malih motora može iznositi od 40 do 60%, a srednjih i velikih motora od 20 do 30% nazivne struje.

0I

Struja praznog hoda sastoji se od dvije komponente: jedne, djelatne komponente, koja

služi za pokrivanje gubitaka praznog hoda, i druge, struje magnetiziranja, koja služi za stvaranje uzbude okretnog magnetskog polja i ne obavlja rad. Ta je druga komponenta struja praznog hoda u svakom od tri voda brodske mreže.

Ako je motor opterećen nazivnim teretom, tad on uzima iz mreže struju jednaku nazivnoj struji motora ( ). I ta struja može se rastaviti u dvije komponente: djelatnu, koja je ovisna uglavnom o opterećenju i povećava se s porastom opterećenja, i jalovu, koja raste s porastom rasipnog polja namota. Svaka od tih komponenata utječe na djelatnu, odnosno jalovu snagu motora.

nII =

Odnos djelatne snage (djelatne struje) motora prema prividnoj snazi (struji brodske mreže) označava se kao faktor snage ϕcos . Faktor snage pri nazivnom opterećenju ovisi o veličini i naponu motora i iznosi približno 0,75 do 0,90. Veći motori s istim brojem polova imaju bolje faktore snage. Jednako tako, brzohodni imaju bolje faktore snage nego sporohodni.

S padom opterećenja smanjuje se faktor snage i osobito je nepovoljan uz opterećenja manja od polovice nazivnoga.

Omjer predane i primljene djelatne snage predstavlja korisnost motora \\. Predana snaga

jednaka je primljenoj djelatnoj snazi, smanjenoj za ukupne gubitke motora. Korisnost je u širokom području konstantna, tako da je i pri polovici nazivnog tereta zadržan njezin puni iznos. U srednjih trofaznih asinkronih kaveznih motora korisnost iznosi od 0,80 do 0,90, dok kod velikih raste i do 0,95, a kod malih pada do 0,70.

Poznavajući faktor snage cos (p i korisnost f, može se izračunati struja koju motor uzima

iz mreže primjenom izraza:

U

PI

⋅⋅⋅=

ϕη cos32

gdje je djelatna snaga na osovini motora. 2P

Tipične krivulje opterećenja jednog trofaznog asinkronog kaveznog motora (zatvorene

izvedbe, 5 kW, 380 V i 950 ) predočene su na slici . 1−minr

Krivulje opterećenja trofaznog asinkronog kaveznog motora

Pokretanje trofaznog sinkronog kaveznog motora ostvaruje se izravno i neizravno.

Izravno pokretanje ostvaruje se izravnim priključkom statorskog namota na puni napon brodske mreže. Taj način pokretanja (koji je popraćen relativno velikom strujom i mehaničkim trzajem zbog velikog poteznog momenta) na brodu se upotrebljava samo ako odgovara Pravilu o gradnji pomorskih brodova (ograničava ga pad napona u mreži za vrijeme zaleta, snaga i struja pri pokretanju). Budući da je za svaki elektromotor snage od 0,5 kW i više potrebna odgovarajuća naprava za pokretanje i regulaciju, na brodu se i ne rabi izravan način pokretanja.

Neizravno pokretanje ostvaruje se različitim napravama koje su ugrađene između statorskog namota i brodske mreže. Sve one imaju zadaću da smanje struje pokretanja gotovih motora (ne mogu sc poduzeti više nikakvi konstrukcijski zahvati), tj. da se motoru dovede smanjeni napon za vrijeme zaleta.

S obzirom na brodsku mrežu i uklopne uređaje, struju kratkog spoja pri pokretanju

motora moguće je smanjili samo u određenim granicama, jer premala struja kratkog spoja djeluje nepovoljno na ostale karakteristike motora. To se u prvom redu odnosi na potezni i maksimalni (prekretni) moment i nazivni faktor snage, dok je neznatan utjecaj na korisnost.

kI

Na slici . predočen je u pojednostavnjenom kružnom dijagramu, uz zanemarenje gubitaka,

utjecaj struje kratkog spoja na maksimalni moment motora. Nazivni i maksimalni moment predočeni su dužinama AB i CD, dok struja praznog hoda i struja kratkog spoja ,. odgovaraju dužinama OE i OF. Omjer maksimalnog i nazivnog momenta tada je:

kI

0I kI

ϕcos⋅⋅−

=n

k

n

m

III

MM

20

Pojednostavljeni kružni dijagram trofaznog asinkronog kaveznog motora

S obzirom na svojstva motora u trajnom radu nije preporučljivo pri projektiranju motora smanjivati struju ispod 4,5 do 5 . jcr bi se znatno smanjio potezni moment. Ako prilike u mreži zahtijevaju još manju struju kratkog spoja , tada sc valja poslužiti pokretanjem s pomoću sklopke zvijezda - trokut ili pokretanje obaviti s pomoću transformatora ako to dopušta protumoment radno stroja.. Potezni moment smanjuje se naime s kvadratom smanjenja struje kratkog spoja . Označe li se struja kratkog spoja i potezni moment motora u jednom slučaju s , a u drugom s , uz nepromjenjene ostale uvjete, vrijedi :

nI

kI''pk MiI ''''

pk MiI

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

'

''

'

''

k

k

p

p

II

M

M

Pokretanje preklopkom zvijezda-trokut može se upotrijebiti samo za pokretanje motora

namijenjenih za trajni rad u spoju trokut. Osniva se na činjenici da statorski namot spojen u zvijezda-spoj dobiva za 3 puta manji napon nego spojen u trokut-spoj. Proporcionalno naponu smanjuje se i struja, no istodobno smanjuje se i potezni moment, i to proporcionalno naponu na kvadrat. Na slici . shema je spoja preklopke zvijezda-trokut.

Shema spoja preklopke zvijezda-trokut

U trenutku pokretanja motora, prema slici , prebacuje se preklopka iz položaja 0 u položaj Y i zbog toga se statorski namot motora preko kontakata preklopke spaja u spoj zvijezda. Svaka faza tada dobiva za 3 puta manji napon u odnosu prema trokut-spoju. Istodobno je struja pokretanja u spoju zvijezda 3 puta manja u usporedbi sa strujom kod izravnog priključka na mrežu (spoj trokut). To je osnovni razlog zbog čega se veći trofazni asinkroni kavezni motori često pokreću preklopkom zvijezda-trokut.

Međutim, budući da je moment proporcionalan kvadratu napona, smanjuje se tim

načinom pokretanja također i potezni moment tri puta. Na taj način postignut je lakši zalet (bez trzaja) u neopterećenih ili neznatno opterećenih motora u trenutku pokretanja, ali zbog velikog smanjenja poteznog momenta pri pokretanju, preklopka zvijezda-trokut ne može poslužiti u elektromotornim pogonima gdje je potreban veliki potezni moment.

Nakon što je završen zalet motora, prebacuje se preklopka u položaj , čime se namot

motora spaja preko kontakata preklopke u spoj trokut i motor dobiva puni napon. ∆

Na natpisnoj pločici motora naznačeni su podaci o nazivnom naponu (to je napon

brodske mrerže na koji se motor priključuje) i spoju ( zvijezida ili trokut). Motor namijenjen za rad pri nazivnom naponu u zvijezda spoju ne smije se pnkljnčiti na isti napon spojen u trokut. U tom bi slučaju napon po svakom faznom namotu bio 3 puta veći, što bi izazvalo nedopustivo visoka zasićenja u željezu i pregrijavanje motora. Obratno, motor određen za rad u spoju u trokut smije se priključiti na mrežu istog napona spojenog u zvijezdu. Napon je po fazi pri tome za 3 puta manji. pa motor nije zasićen. Snaga koju motor može tada dati je manja. pa je takav priključak dopušten samo privremeno.

Pokretanje preklopkom zvijezda-trokut ispunjava svoju svrhu samo onda kad se motor zavrti u zvijezda spoju do blizu nazivne brzine vrtnje, odnosno kad se radni stroj može rasteretiti. Ako se to ne može postići, motor se nastavi vrtjeti malom brzinom i pri preklapanju nastaje kratkotrajan udarac struje, približno jednak udarcu struje izravnog pokretanja, tako da se ne postiže djelovanje preklopke zvijezda-trokut.

Na slici . predočene su karakteristike momenta i struje pri pokretanju preklopkom zvijezda-trokut.

. Karakteristike momenta i struje pri pokretanju preklopkom zvijezda-trokut

Na slici . karakteristike momenta i struje su one kad je preklopka u spoju zvijezda, a karakteristike momenta i struje

YM YI

∆M ∆I kad je preklopka u spoju trokut. Preklapanje na spoj u trokut izvršeno je nakon zaleta do u blizinu nazivne brzine vrtnje u spoju zvijezda. Struja preklapanja približno odgovara 1,5-strukoj nazivnoj struji. , je karakteristika jednog centrifugalnog kompresora na brodu, koji pokreće trofazni asinkroni kavezni motor.

tM

Veći potezni moment pri pokretanju i veći broj stupnjeva pokretanja omogućuje pojačani

spoj zvijezda-trokut. U tom se spoju namot motora odvoji u sredini svake faze. Motor ima devet stezaljka za priključak. Moguće je izvesti i više odvojaka, tako da se postigne finija zaletna momentna karakteristika nego kod odvojka samo u sredini namota.

Pokretanje s dijelom namota moguće je samo ako je statorski namot za vrijeme nazivnog

pogona spojen u dvije ili više paralelnih grana. Pri uključivanju na brodsku mrežu najprije se priključi dio statorskog namota (zaletni namot). Odgovarajućim dimenzioniranjem loga dijela namota smanjuje se struja pokretanja na vrijednost dopuštenu u brodskoj mreži. Nakon pokretanja priključuje se, preko dodatne sklopke paralelno sa zaletnim namotom, preostali dio namota.

Treba li potezni moment motora smanjili s obzirom na radni stroj može se uključiti.

jcdnofazni otpor (posebno sc dimenzionira) u bilo koji od tri mrežna dovoda. Nakon završenog zaleta otpor sc kratko spaja. Spomenuli spoj često se zove kusa-spoj.

Ostali načini pokretanja u kojima sc smanjuje struja dovođenjem manjeg napona

statorskom namotu (npr. pokretanje autotransformatorom, s pomoću prigušnice s pomoću statorskog predotpora) također imaju nedostatak, jer se smanjuje potezni moment. Novorazvijeni elektrnički uređaji za "mekano pokretanje" zovu se "soft - start" uređaji i sve više su u uporabi za pokretanje.

Regulacija brzine vrtnje

Brzina vrtnje svakom asinkronom kaveznom motoru može se regulirati mijenjanjem jedne od veličina o kojoj ona ovisi, odnosno mijenjanjem jedne od veličina o kojoj ovisi oblik njegove vanjske karaketristike. Iz izraza može se napisali da je brzina vrtnje asinkronog motora:

)()( spfsnn s −⋅=−⋅= 11

tj. brzina vrtnje može se mijenjati promjenom sinkrone brzine, a ona se mijenja promjenom frekvencije i promjenom broja pari' polova, te promjenom klizanja koje kod određenog momenta tereta ovisi o priključenom naponu.

Promjenom frekvencije brodske mreže mijenja se sinkrona brzina vrtnje okretnog polja, a s tim i brzina vrtnje rotora. Budući daje frekvencija brodske mreže konstantna, takav način regulacije brzine vrtnje dolazi u obzir samo onda ako se između brodske mreže i asinkronog motora uključi pretvornik frekvencije (tiristorski sklop) koji će davati napon promjenjive frekvencije ( konstf

U = .). Takva regulacija frekvencijom i naponom omogućuje kontinuiranu

promjenu brzine vrtnje u granicama od nule do trostruke nazivne brzine vrtnje, sigurnost regulacije je velika, ali .sklop ima vrlo visoku cijenu, što mu je jedina mana zbog koje se na brodu i ne rabi. Na slici . predočene su momentne karakteristike pri regulaciji frekvencijom i naponom jednog trofaznog asinkronog kaveznog motora, dobivene uz zanemarenje statorskog otpora i rasipne reaktancije. Također se vidi da je maksimalni moment konstantan (s promjenom frekvencije mijenjao se i napon), daje pri manjim frekvencijama potezni moment veći i da je praktički moguće postići potezni moment jednak maksimalnom (prekretnom).

Momentne karakteristike trofaznog asinkronog kaveznog motora

pri promjeni frekvencije i napona

Regulacija brzine vrtnje ostvaruje se i promjenom broja pari polova na statoru motora. To se Izvodi na dva načina: s dva neovisna statorsaka namota različitog broja pari polova ili s jednim statorskim namotom koji se prespaja na različite brojeve pari polova. Također je uobičajena može i kombinacija ta dva načina.

Ima više mogućnosti spajanja namota kojim se dobiva različiti broj pari polova.

Najpoznatiji je Dahlaaderov spoj, koji daje promjenu broja pari polova u odnosu 1 : 2. Kod tog odnosa broja pari polova, statorski se namot spaja u razne spojeve, čime se postiže npr. ili konstantna snaga, ili konstantni moment kod obje brzine vrtnje, ili obje različito. Preklapanje broja pari polova izvodi se specijalnim preklopkama. Preklopka za Dahlanderov spoj vidi se na slici :

Preklopka za Dahlanderov spoj

Motori kojima se mijenja brzina vrtnje promjenom broja pari polova zovu se polno-preklopivi. Njihove izvedbe mogu biti s:

- j ednim namotom u Dahlanderovom spoju za dobivanje dviju brzina vrtnje u odnosu

1:2; - dva odvojena namota za dvije po volji uzete brzine vrtnje; - jednim namotom u Dahlanderovu spoju ijednim odvojenim namotom za tri brzine

vrtnje od kojih su dvije u odnosu 1:2; - dva namota u Dahlanderovu spoju za četiri brzine vrtnje od kojih su dva para brzina

u odnosu 1 : 2. Pogodno je da se polno-preklopivi motori pokreću s uključenim većim brojem pari

polova (manjom brzinom), a nakon toga prespajaju na manji broj polova (veću brzinu vrtnje). Na taj način smanjuju se gubici pri, pokretanju. Također, pri zaustavljanju s veće brzine vrtnje, prvo sc uključi namot na manju brzinu vrtnje, a tek nakon njezina postizanja isključuje sc motor s mreže. U području između veće i manje brzine vrtnje elektromotorni pogon generatorski koči.

Na slici . predočene su snimljene momentne i strujne karakteristike dvobrzinskog motora

koji je čest na brodu. Uočava se da se s promjenom brzine vrtnje mijenja potezni moment i maksimalni (prekretni) moment. Ako broj pari polova raste, odnosno brzina vrtnje pada, raste potezni i maksimalni moment motora. lako je brzina vrtnje skokovita, regulacija brzine vrtnje je ekonomična i vrlo jednostavna

Karakteristike dvobrzinskog motora

Regulacija brzine vrtnje trofaznog asinkronog kaveznog motora dade se postići

promjenom klizanja, odnosno promjenom priključenog napona. U tom slučaju momentna karakteristika motora ima oblik kako se vidi na slici . Promjena napona , na 1U 12 2

1 UU = pri

istom teretu uvjetovala je promjenu klizanja od .. Također se može zaključiti da će se klizanje na laj način moći mijenjati samo u granicama od

pM 21 snas

mn ssdoss == jer bi kod tog posljednjeg klizanja maksimalni moment bio jednak momentu tereta. Pri daljnjem snižavanju napona moment tereta bio bi veći od maksimalnog momenta, pa bi motor stao.

Regulacija brzine vrtnje trofaznog asinkronog motora promjenom napona, uz spomenuto ograničenje područja regulacije, skupo je, ali ima prednost u tome što se može brzina vrtnje regulirati kontinuirano, za razliku od regulacije preklapanjem broja pari polova.

Momentna karakteristika trofaznog asinkronog motora pri promjeni napona

Normalni smjer vrtnje motora je udesno, gledano s pogonske strane. Postiže se priključivanjem stezaljka motora WVU ,, u priključinoj kutiji na faze mreže . Smjer vrtnje može se promijeniti zamjenom dvaju mrežnih priključaka (npr. . Motori koji imaju pločicu sa strelicom za smjer vrtnje na ležajnom štitu ili oplati motora smiju se vrtjeti samo u označenom smjeru.

321 LLL ,,

21 LiL

U motora gdje je potrebno reverziranje, tj. promjena smjera vrtnje, dugo se rabila

dvopolna ili tropolna preklopka za reverziranje. U suvremenim elektromotornim pogonima to se danas obavlja ugradnjom sklopnika za reverziranje .

. Trofazni asinkroni kolutni motor

Kolutni asinkroni motor (ili motor s namotanim rotorom) uglavnom se gradi kao trofazni. Rotorski namot takva motora izveden je po istim načelima kao što je izveden i njegov statorski namot, a broj faza i broj pari polova statorskog i rotorskog namota je jednak.

Fazni namoti rotora spajaju se u spoj zvijezda ili u spoj trokut. U spoju zvijezda počeci namota spojeni su na tri klizna prstena, a krajevi su namota kratko spojeni. U spoju trokut svršetak namota jedne faze spojen ie s početkom namota sljedeće faze itd.. a spojna mjesta vezana su na klizne prstene (kolute). Po prstenima klize četkice smještene u držačima tako da četkice i klizni prsteni zatvaraju strujni krug rotorskog namota preko tzv. rotorskog pokretača koji se postavlja izvan motora. Da bi se smanjili električni i mehanički gubici, a četkice se ne bi nepotrebno trošile, u nekim izvedbama kolutnih motora izvodi sc uređaj za kratko spajanje namota na kliznim prstenima i za podizanje četkica nakon što pri pokretanju motor dostigne nazivnu brzinu vrtnje.

Tipični trofazni asinkroni kolutni motor za napon od 380 V, frekvencije od 50 Hz koji se

ugrađuje u brod prikazan je fotografijom na slici .

Trofazni asinkroni kolutni motor

Pojednostavljeni montažni crtež takva trofaznog asinkronog kolutnog motora predočen je na slici

:

Montažni crtež trofaznog asinkronog kolutnog motora

Trofazni asinkroni kolutni motori prikladni su ondje gdje nisu dopušteni veliki udarci

struje pokretanja, gdje su teški uvjeti pokretanja koji zahtijevaju veliki potezni moment motora i gdje je potrebna kontinuirana regulacija brzine vrtnje u uskom području bez posebnih izvora promjenjive frekvencije.

Da bi sc smanjio strujni udarac u brodskoj mreži pri pokretanju kolutnog motora,

potrebno je povećati otpor u njegovu rotorskom krugu. To se obavlja tako da se u seriju sa svakim faznim namotom rotora uključi po jedan vanjski otpornik. Ako je otpor faznog namota

pa se u seriju doda vanjski dodatni otpor bit će ukupna vrijednost otpora po fazi koja određuje karakteristike motora:

20R dR2 2R

dRRR 2202 +=

Veličina struje u rotoru , linearno je ovisna o naponu na koji je motor priključen

(a njemu je proporcionalan napon u fazi rotora ), ali je ovisna i o omskom otporu i reaktanciji . Promijeni li se otpor u rotorskom krugu, budući da sc nije promijenila vrijednost reaktancije

2I

20E 20R

2σX

2σX dobit će se jednake vrijednosti struje kod drugih vrijednosti klizanja, tj. uvijek onda kad omjer s

R bude isti:

sR

sR 2

0

20 =

Ista struja koja se dobila bez dodatnog otpora. samo uz otpor namota , i uz klizanje , dobit će se i pri otporu povećanom na vrijednost s klizanjem koje je povećano u istom omjeru:

20R 0s

2R s

2020 RRss :: =

Karakteristika koja prikazuje struju ovisno o klizanju prema slici . predočuje kako povećanje otpora u rotorskom krugu s , na smanjuje strujni udarac pri uključivanju zaustavljenog motora na mrežu. Ako se želi da taj udarac struje uz klizanje ne prijeđe vrijednost npr. koja bi se normalno pojavila uz neko klizanje s", treba ukupni otpor u rotorskom krugu povećati na takvu vrijednost da bude:

2I

20R 2R

1=s

kI

2R

2021 RRs :: =

Ovisnost rotorske struje o otporu i klizanju kolutnog motora

Uključivanjem otpora u rotorski krug mijenja se i njegova momentna karakteristika, kako

je predočeno na slici . Uz poznatu momentnu karakteristiku pri otporu koji ima sam namot

rotora, dobit će se karakteristika za bilo koji drugi ukupni otpor u krugu rotora, tako da će

se za svaku vrijednost momenta rasti klizanje u omjeru povećanja otpora:

dR2

20R

2R

20

20 R

Rss ⋅=

Utjecaj otpora na momentnu karakteristiku kolutnog motora

Prema slici . očito je da se dodavanjem otpora u rotorski krug povećava potezni moment sve do vrijednosti maksimalnog (prekretnog) momenta koji uz. otpor nastupa pri

maksimalnom (prekretnom) klizanju . Želi li se da maksimalni moment nastupi pri klizanju , valja povećati rotorski otpor do vrijednosti:

pM mpM 20R

ms1=s

msRR 1

202 ⋅=

Veličina potrebnog dodatnog otpora za traženi potezni moment željeno klizanje s

dade se odrediti s pomoću klizanja (normalno ili nazivno pogonsko klizanje motora pri poteznom momentu) i otpora rotorskog namota :

dR2 pM

ns

2R

n

nd s

ssRR

−⋅= 22

Pri pokretanju je , pa je : 1=s

n

nd s

sRR

−⋅=1

22

Treba li npr. trofazni asinkroni kolutni motor s nazivnim klizanjem 5% pokretati s nazivnim momentom, dobiva se :

2220 19050

0501RRR =

−⋅=

..

Ako se ne može očitati s natpisne pločice motora rotorska struja ona se približno izračunava iz predane djelatne snage , rotorskog napona u stanju mirovanja (mjereno između dva klizna prstena) i korisnosti

2I)(WP2 20Uη :

η+⋅

⋅=

12

3 20

22

U

PI

Pojava da se uključivanjem otpora u rotorski krug smanjuje struja pokretanja i povećava

potezni moment, iskorištena je za pokretanje trofaznih asinkronih kolutnih motora. S pomoću tzv. pokretača (uputnika, upuštača) namješta se otpor rotorskom krugu, i to obično u stupnjevima, a rjeđe kontinuirano. Načelna shema spoja trofaznog asinkronog kolutnog motora s ručnim pokretačem prikazana je na slici .

Spoj trofaznog kolutnog asinkrog motora s ručnim pokretaćem

Da bi sc ispravno pokrenuo trofazni asinkroni kolutni motor. važno je da poluga pokretača

bude u nultom položaju (otpor je maksimalan). Jer tada četkice prilježu na klizne prstene, a uređaj za kratko spajanje je isključen. Nakon što se sklopkom spoji statorski namot na mrežu, postupno se isključuju otpori pokretača. Zbog čega se rotor pokrene i ubrzava, što se kontrolira ampermetrom ili pak sluhom. Kad je rotor postigao nazivnu brzinu vrtnje okreće se poluga uređaja za kratko spajanje (kratko se spoji namot rotora) i podizače se četkice podignu iznad kliznih prstena da sc ne troše trenjem. Nakon toga se rotorski pokretač vrača u početni položaj. Budući da je pokretač dimenzioniran za kratkotrajan rad, tj. za vrijeme pokretanja, ne smije se ni jedan stupanj otpora ostaviti spojen duže vremena u rotorskom krugu jer bi izgorio.

2R

Trofazni asinkroni kolutni motor zaustavlja se na laj način da se sklopkom isključi s

mreže, a zatim okrene poluga podizača četkica, kako bi četkice ponovnu prilegle na klizne prstene, a rotorski namot i slobodno se odspoji iz kratkog spoja.

Uz pravilno dimenzionirane dodatne otpore u rotorskom krugu kreće motor npr. s nazivnim momentom i istodobno uzima iz mreže samo nazivnu struju. Najčešće se pokretači ugađaju lako da motor razvija potezni moment jednak 50%, 100% ili kod teških zaleta 200% nazivnog momenta. Pri pokretanju motora pokretač sc obično postavlja lako da se održi srednji potezni moment i odgovarajuća srednja struja.

Pri puštanju u pogon trofaznog asinkronog kolutnog motora treba paziti da se odmah

nakon uključenja statorske sklopke rotorski pokretač dovede u stupnjevima u pogonski položaj. Pri zaustavljanju motora moraju sc statorska sklopka i rotorski pokretač isklopiti neposredno jedan iza drugoga. Da bi se spriječile pogreške u pogonu, preporuča se mehanički ili električki (npr. zaštitom) povezati sklopku i rotorski pokretač.

Brzina vrtnje opterećenog trofaznog asinkronog kolutnog motora dade sc smanjiti uključivanjem otpornika u rotorski strujni krug, i to samo za one kojima su četkice i rotorski otpornik dimenzionirani za trajan rad. Brzina vrtnje može se regulirati samo u području ispod nazivne brzine vrtnje, a finoća regulacije ovisi o broju stupnjeva otpornika i o odgovarajućem opterećenju.

Da bi se pravilno dimenzionirali otpornici za pokretanje mora biti poznata momentna karakteristika radnog stroja. Iznos otpora toga otpornika izračunava se primjenom izraza:

dR2

nm

n

s

smsd M

Mn

nn

U

UR ⋅

−⋅=

2

202

3

gdje je napon rotora između kliznih prstena u stanju mirovanja (V), smanjena brzina vrtnje (r min-

20U smn1), a moment pri smanjenoj brzini vrtnje (Nm). smM

U motora s vlastitom ventilacijom pogoršava sc hlađenje ako se smanjuje brzina vrtnje. Planiranu regulaciju brzine vrtnje treba uzeti u obzir pri dimenzioniranju motora ili se mora smanjiti njegova nazivna snaga.

Pri regulaciji brzine vrtnje motora od prirodne brzine vrtnje pod opterećenjem na smanjenu brzinu vrtnje smanjuje se korisnost na iznos koji se približno računa prema izrazu:

n

smn

nnsm

sm ⋅=ηη

gdje je η korisnost bez dodatnih otpora u rotorskom krugu.

Gubici i korisnost trofaznog asinkronog motora Nadomjesna shema na slici mora zadovoljavati i energetske odnose u trofaznom asinkronom motoru. Umnožak izražava gubitke Joulove topline u

rotorskom namotu. tj. električnu snagu . Budući da je otpor

'2

2'222

222 )( RImRIm ⋅⋅=⋅⋅

ePs

sR

−⋅1

2 u nadomjesnoj shemi

fiktivan i u pogonskom stanju asinkronog motora ne postoji, može se zaključiti da su gubici Joulove topline u tom fiktivnom otporu

ss

RIm−

⋅⋅⋅1

2222 ekvivalent za mehaničku snagu

koju motor razvija. Može se napisati da je : mP

ss

ssRIm

RImPP

m

e

−=

−⋅⋅⋅

⋅⋅=

112

222

2222

Temeljem gornjeg izraza dolazi se do zaključka da se kod asinkronog motora snaga preko okretnog magnetskog polja prenosi iz statora u rotor preko zračnog raspora, dijeli se na električnu i mehaničku u omjeru s: (1-s). Rastom klizanja (s) raste udio električne energije u rotorskom krugu i sve je manja pogonska snaga pa je:

ssPPPPP eemeokr

−⋅+=+=1

Iz ove relacje slijedi:

okre PsP ⋅=

okrm PsP ⋅−= )1(

Osim otpora rotorskih namota mogu se u rotorski krug preko kliznih koluta uključioti dodatni djlatni otpor R2d.

Električna snaga utrošena u rotorskom namotu predstavlja gubitak i uvjetuje zagrijavanje rotora. Nasuprot tome el. snaga utrošena u dodatnom otporu može se korisno upotrijebiti i ona ne grije motor ( el. grijanje).

Ukupni gubici asinkronog mpotora su:

vtdCuFeCu PPPPPPg +++++= 221

Gdjeje: PCu – gubici u bakru statora;

PFe – gubici u željezu statora;

PCu2 – gubici u bakru rotora;

P2d - snaga koja se uzima preko kilznih koluta;

Pt+v – snaga pretvorena u gubitke trenja i ventilacije.

Mehanička snaga na osovini asinkronog motora je:

gPPP −= 12

a korisnost se računa prema izrazu:

11

1 1PP

PPP gg −=

−=η