Promjena brzine asinhronog motora

ELEKTROMOTORNI POGONIPredavanje 8.

Elektromotorni pogoni s asinhronim strojevima

V. prof. dr. S. Masic

Elektrotehnicki fakultet Sarajevo

03. Maj 2011.

V. prof. dr. S. Masic (ETF) ELEKTROMOTORNI POGONI 03. Maj 2011. 1 / 1

Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje

Brzina vrtnje asinhrone masine data je relacijom:

ωmeh = ωs (1 − s) =2πf1

p(1 − s)

Podesenje brzine vrtnje asinhrone moguce je provesti na jedan od slijedecihnacina:

1 promjenom broja pari polova statorskog namota p

2 promjenom nekog od parametara stroja koji utjece na klizanje s

3 promjenom frekvencije napona mreze f1

Kod vecine modernih elektromotornih pogona s asinhronim masinamapodesenje brzine provodi se promjenom frekvencije f1 (i visine naponanapajanja U1) u statorskom krugu odgovarajucim uredajima energetskeelektronike.

V. prof. dr. S. Masic (ETF) ELEKTROMOTORNI POGONI 2 / 38

Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - promjenom broja pari polova

Promjena broja pari polova ostvaruje se s dva odvojena namota u statoruili s jednim namotom u kojem se prekapcanjem dijelova namota dobiva p1

ili p2 polova (tkz. Dahlanderov spoj).

Shema i mehanicke karakteristike s dva namota u statorskom krugu


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - promjenom broja pari polova

Shema i mehanicke karakteristike polno-preklopivog motora s

Dahlanderovim spojem namota


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - promjenom otpora u rotorskom krugu

Klizanje asinhrone masine (brzina vrtnje) moze se promijeniti dodavanjemotpornosti u rotorski krug. To je moguce samo kod klizno-kolutnih motora.

Podesenje brzine vrtnje promjenom otpornosti u krugu rotora moze serealizirati:

dodavanjem otpornosti u svaku fazu rotorskog namota. Otpornosti seprikljucuju preko kliznih koluta, obicno u spoju zvijezda.

primjenom ispravljaca, elektronicke sklopke i otpornosti Rdd.

Glavni nedostatak podesenja brzine vrtnje motora s dodatim otpornostimaje povecanje gubitaka snage u dodatim otpornostima sto smanjuje faktorakorisnosti motora i EMP-a.


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - promjenom otpora u rotorskom krugu

Shema spajanja i mehanicke karakteristike


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - promjenom napona na prikljucnim stezaljkama

Promjenom efektivne vrijednosti napona u statorskom krugu motoramijenaju se mehanicke karakteristike motora (prekretni moment), odnosnobrzina vrtnje stroja. To se moze postici:

podesenjem napona preko autotransformatora

tiristorima u antiparalelnom spoju (tkz. TRIAC) postavljenim u svakufazu statora motora

Ovakav nacin podesenja brzine vrtnje pogodan je za pumpe i ventilatorekoji imaju tkz. centrifugalnu mehanicku karakteristiku (M = ctn

2). Ako jeefektivna vrijednost napona mala moze doci do problema kod pokretanjaradnih strojeva s konstantnim momentom opterecenja.

Rjesenje s autotransformatorom je skupo, a spoj s tiristorima uzrokuje viseharmonike i smetnje u mrezi.



Shema i mehanicke karakteristike motora spojenog na mrezu preko

autotransformatora i tiristora u antiparalenom spoju - ”TRIAC”



Napon i struja u fazi motora upravljanog tiristorima u antiparalelnom

spoju



Napon i struja u fazi motora upravljanog tiristorima u antiparalelnom

spoju - oscilografski snimci



Primjena postupaka promjene napona u statorskom krugu motora u EMPs radnim mehanizmima kod kojih se moment mijenja s kvadratom brzinevrtnje (pumpe i ventilatori) povoljna je s obzirom na to da se smanjujutoplinski gubici snage u namotima stroja PCu2.

Gubici u ”bakru” pri klizanjima s i sN su (uz zanemaren moment trenja):

PCu2 = s Pe = s Me ωs = s M ωs

PCu2N = sN Pe = sN MeN ωs = sN MN ωs

ili:PCu2

PCu2N

=s

sN

M

MN

=M

MN

1

sN

(

1 −n

ns

)



1 Ako je moment opterecenja konstantan Mt=const, tada ce i momentmotora biti konstantan u cijelom radnom podrucju M = MN = Mt

pa su gubici:PCu2

PCu2N

=1

sN

(

1 −n

ns

)

Najveci gubici su kod brzine n = 0, odnosno:

PCu2max = PCu2N

1

sN

2 Ako se moment opterecenja mijenja s kvadratom brzine vrtnje vrijedi:

Mt

MtN

=M

MN

=

(

n

nN

)

2

=

(

n

ns

)

2 1

(1 − sN)2



Gubici PCu2 u ovom slucaju racunaju se iz relacije:

PCu2

PCu2N

=

(

n

ns

)2 1

(1 − sN )2·

1

sN

(

1 −n

ns

)

Najveci gubici su kod brzine n = 2/3ns (dPCu2/dn = 0), odnosno:

PCu2max =4PCu2N

27 sN (1 − sN )2

Na primjer za nominalno klizanje sN = 0, 1 maksimalni gubici su:

PCu2max = 10PCu2N za Mt=const

PCu2max = 1, 83PCu2N za Mt=ct n2


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje klizno-kolutnih asinhronih motora - ”kaskadni spojovi”

Podesavanje brzine vrtnje klizno-kolutnih asinhronih motora moze seostvariti i primjenom tkz. ”kaskadnih spojeva”.

Naziv ”kaskadni spoj” koristi se za spoj klizno-kolutnog asinhronog motorakoji u rotorskom krugu imaju uredaje energetske elektronike (ispravljac iinvertor) ili, u starijim verzijama, istosmjerni i asinhroni stroj.

Ovi spojevi nazivaju se: podsinhrona kaskada, Kramerova ili Serbijusova(Sherbius) kaskada.


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje klizno-kolutnih asinhronih motora - ”kaskadni spojevi”

Elektromagnetna snaga privedena u zracni raspor dijeli se na mehanickusnagu predatu na osovinu i elektricnu snagu koja se pretvara u gubitke urotoru stroja:

Pe = (1 − s)Pe + sPe

n = ns(1 − s)

Ako se podesavanje brzine vrsi dodavanjem otpora u rotorskom krugumijenja se (povecava) klizanje (smanjuje brzina vrtnje) pri cemu sepojavljuju i dodatni gubici na dodatim otpornostima.

Pe = (1 − s⋆)Pe + s⋆Pe

n⋆ = ns(1 − s⋆)


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje klizno-kolutnih asinhronih motora

Bilans snaga rotorskog kruga sa i bez dodate otpornosti


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje - ”kaskadni spojevi”

Elektricna snaga koja se pretvara u toplinske gubitke na dodatimotponostima PCu2d moze se iskoristiti na dva nacina:

1 vratiti na osovinu motora

2 vratiti u elektricnu mrezu

U oba slucaja se dobiva i mogucnost podesavanja brzine vrtnjeklizno-kolutnog asinhronog motora.

Iznos snage koja se moze iskoristiti odreduje izraz:

PCu2d = s⋆Pe − PCu2


Elektromotorni pogoni s asinhronim masinamaPodesenje brzine vrtnje vracanjem snage na osovinu motora

Podsinhrona kaskada s istosmjernim motorom



U rotorski krug asinhronog stroja ukljucen je neupravljivi ispravljac iistosmjerni motor s neovisnom uzbudom.

u stacionarnom stanju pri konstantnoj brzini vrtnje n zajednickeosovine, struja uzbude motora jednaka je nuli (nema magnetnogtoka), istosmjerni motor ne razvija moment (M = km Φ n = 0) i naosovinu ne predaje mehanicku snagu. Namoti rotora asinhronogmotora su kratko spojeni na istosmjernoj strani preko armatureistosmjernog motora. Asinhroni motor predaje radnom mehanizmumehanicku snagu P2

brzina vrtnje asinhronog motora podesava se promjenom strujeuzbude istosmjernog motora. Povecanjem uzbude istosmjernogmotora uslijed pojave magnetnog toka u motoru se inducira napon(E = ke Φ n). Struja u istosmjernom krugu pocinje se smanjivati, jerje sada uzrokovana razlikom napona Ud i E. Takoder, pocinje sesmanjivati i struja u rotoru I2 sto ima za poslijedicu smanjivanjemomenta M2 na osovini asinhronog motora.



ako je moment tereta na osovini konstantan, doci ce do smanjenjabrzine vrtnje (povecanja klizanja) zajednicke osovine.

povecanjem klizanja povecava se frekvencija (f2 = sf1) i naponrotora U2 = sU20, sto ima za poslijedicu povecanje vrijednosti struje uistosmjernom krugu.

povecanje struje uzrokuje povecanje momenta DC motoraM = km Φ I pa DC motor pocinje na zajednicku osovinu isporucivatisnagu PK .

proces se nastavlja sve dok se na izjednaci moment opterecenjaradnog mehanizma s momentom koji razvijaju sada oba motora (AC iDC), pri cemu brzina vrtnje n⋆ osovine ima nizu vrijednost odprethodne brzine vrtnje n.



izmjenicna snaga ili snaga klizanja s⋆Pe, koja se pri podesavanjubrzine vrtnje pojavi u rotoru AC motora, pretvara se (umjesto ugubitke) u istosmjernu snagu i predaje DC motoru odnosno nazajednicku osovinu koja povezuje oba motora i radni mehanizam.

kaskada se naziva podsinhrona jer se podesenje brzine vrtnje vrsi upodrucju ispod sinhronih brzina vrtnje.



podesavanje brzine vrtnje je ekonomicno jer se prema opsegupodesavanja mogu dimenzionirati ispravljac i istosmjerni motor.Ispravljac i motor se dimenzioniraju na snagu s⋆Pe i napon s⋆U20 pricemu klizanje odgovara najnizoj brzini vrtnje koja se zeli postici.Naprimjer, za opseg podesavanja brzine vrtnje od 80-100 % ispravljaci motor se dimenzioniraju na 20 % snage motora(U20 je napon na kliznim prstenovima rotora u stanju mirovanja ACmotora.)

upotreba razmatrane kaskade pogodna je za radne mehanizme kojizahtjevaju konstantnu snagu PRM = M · ωmeh = const u podrucjupodesavanja brzine vrtnje. Zbog toga se razmatrana kaskada naziva ikaskada konstantne snage.



za radne mehanizme koji zahtijevaju konstantan moment(MRM = const) podsinhrona kaskada konstantne snage u podrucjubrzina vrtnje manjim od sinhrone brzine nije ekonomicna jer bi u tompodrcju kod vecih opsega podesavanja bio potreban ispravljac i DCmotor vece snage sto nebi bilo isplativo.

Naprimjer, za konstantan moment opterecenja radnog mehanizmasam AC motor moze savladati taj zahtjev kod snizenja brzine vrtnjepa nije potrebno dodavati ”snagu klizanja” na osovinu motora.

iz navedenih razloga umjesto ”kaskade konstantne snage” za radnemehanizme koji zahtjevaju konstatan moment koristi se kaskada”konstantnog momenta”. Snaga iz rotora (”snaga klizanja”) nepredaje se na osovinu motora nego vraca u elektricnu mrezu na kojuje prikljucen asinhroni motor.



Podsinhrona kaskada ”konstantnog momenta”



na osovinu istosmjernog motora prikljucen je pomocni AC stroj kojiradi u generatorskom rezimu i vrti se brzinom vecom od (njegove)sinhrone brzine pri cemu se ”snaga klizanja” predaje mrezi.

brzina vrtnje se podesava na isti nacin kao i kod kaskade ”konstantnesnage” - podesavanjem struje u uzbudnom krugu DC motora.

motor moze razvijati konstantan moment koji zahtjeva radnimehanizam u cijelom opsegu podesavanja, zbog cega se ovaj spojnaziva ”kaskada konstantnog momenta ”.

Zakljucak1. o nacinu na koji ce se iskoristiti ”snaga klizanja” odlucuje

samo karakter radnog mehanizma.2. kaskade se koriste za podesavanje brzine vrtnje za vece

snage od nekoliko stotina kW do nekoliko MW i za opsegpodesenja brzine vrtnje od 50-100 % (valjonicki stanovi,veliki ventilatori i motori za brodske propulzije)



Umjesto DC motora i pomocnog AC motora moze se koristiti invertor itransformator kojim se napon na izlazu invertora prilagodava naponumreze.



Podsinhrona kaskada s invertorom - shema za jednu fazu



podesenje brzine vrtnje se vrsi uglom paljenja α invertora

prednost kaskade s invertorom je veci stepen korisnosti u usporedbi skaskadom kod koje se koriste rotacioni strojevi (DC i AC)

nedostatak je pojava visih harmonicnih komponenti u rotorskoj strujisto uzrokuje povecane gubitke i dodatno opterecenje mrezereaktivnom strujom jer se i reaktivna energija mora privoditi rotoruasinhronog motora.



Podsinhrona kaskada s invertorom - podesavanje napona invertora

uglom paljenja α



Uprosteni bilans snage: s dodatim otpornostima i podsinhrona

kaskada s invertorom i transformatorom



U rezimu praznog hoda struja rotora I2, odnosno struja u DC krugu Id sumale (I2 ∼ Id → 0). Naponi ispravljaca i invertora u rezimu praznog hodasu jednaki, odnosno moze se pisati:

Ud1 = −Ud2

Napon ispravljaca je:

Ud1 =3√

6

π· U2F =

3√

6

π· s0 · U20

Napon invertora je:

Ud2 =3√

6

π· UT · cos α

Za klizanje u praznom hodu se dobiva:

s0 = −UT

U20

· cos α



Brzina vrtnje praznoga hoda u kaskadnom spoju racuna se iz relacije:

n0α = ns · (1 − s0) = ns · (1 +UT

U20

· cos α)

U prakticnom radu uglovi paljenja invertora su 90◦ ≤ α ≤ 150◦ pa seklizanja praznoga hoda, odnosno brzine vrtnje podesavaju u opsegu:

za α = 90◦ s0 = 0, n0=ns

za α = 150◦ s0 =

√3

2·

UT

U20

n0 = ns ·(

1 +

√3

2·

UT

U20

)

Brzine vrtnje u radu pri opterecenju racunaju se iz relacije:

n = n0 · (1 − s)



Podsinhrona kaskada s invertorom - mehanicke karakteristike



Primjer

Za podesenje brzine vrtnje trofaznog klizno-kolutnog asinhronog motora koristi sepodsinhrona kaskada konstantnog momenta. Podaci za motor su: PN=200 KW,UN=380 V, U20=300 V (linijski napon), ηM=0,948. Faktor korisnosti ispravljacainvertora i transformatora je ηK=0,92. Odrediti:

1 bilans snaga podsinhrone kaskade za radnu tacku M = MN i n = 0, 5 · ns

2 prijenosni odnos transformatora UN/UT za brzinu u praznom hodun0 = 0, 5 · ns (n0 je minimalna brzina praznog hoda koja s postize ukaskadnom spoju pri maksimalnom uglu paljenja invertora α = 150◦)

3 istosmjernu struju Id kod nazivnog momenta MN



1. Snaga koju asinhroni motor uzima iz mreze:

P1 =PN

ηM

=200

0, 948= 211 kW

Snaga pretvorena u gubitke je:

Pgub = P1 − PN = 211 − 200 = 11 kW

Snaga predata na osovinu kod brzine vrtnje n1 = 0, 5 · nN :

P2 = 0, 5 · PN = 100 kW

Snaga predata kaskadi:

P2K = P1 − Pgub − P2 = 100 kW



Gubici snage u kaskadi::

PgubK = P2K(1 − ηK) = 100 · (1 − 0, 92) = 8 kW

Snaga koja se moze vratiti u mrezu

P1K = P2K − PgubK = 100 − 8 = 92 kW

Snaga koju je potrebno uzeti iz mreze:

PD = P1 − P1K = 211 − 92 = 119 kW



2. Iz uvjeta zadatka slijedi:

n0 = ns · (1 − s0) = 0, 5 · ns =⇒ s0 = 0, 5

S obzirom na to da je klizanje s0 = 0, 5 maksimalno granicno klizanje praznoghoda koje nastupa za ugao paljenja α = 150◦, napon na transformatoru racuna seiz relacije:

s0 =

√3

2·

UT

U20

= 0, 5

odnosno

UT = 0, 5 · U20 ·2√

3= 0, 5 · 300 ·

2√

3= 173 V

Prijenosni odnos transformatora je:

a =UT

UN

=173

380



3. Struja u istosmjernom medukrugu racuna se iz relacije

P2K = UdId =3√

2

π· s · U20 · Id

odnosno

Id =π

3√

2·

P2gub

s · U20

=π

3√

2·100 · 103

0, 5 · 300= 494 A


Documents

Promjena brzine asinhronog motora