ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA. literaturi, ovo su samo bitne natuknice

Transcript

1 BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice

2 TROFAZNI SUSTAV Potreba za izmjeničnim strujama proistječe iz distribucije električne energije, jer s udaljenošću u rastu i gubici na prijenosnim vodovima elektroenergetskog sustava. Vodič pruža otpor struji koja protječe kroz njega. Da bi se ti gubici smanjili koristi se vremenski promjenljivo magnetsko polje koje omogućava transformaciju električnog napona. Transformacijom na visoki električni napon, od npr. 400 [kv], smanjuju se gubici u vodovima, jer se razmjerno smanjuje jakost električne struje. Najjednostavniji je sustav s jednom fazom. Spajanjem dva jednofazna sustava, može se dobiti dvofazni sustav, s tri trofazni, itd. Ako se svi povratni vodiči svih faza spoje, nastaje višefazni sustav, za što je na ideju prvi došao Nikola Tesla.

3 Zvijezda-zvijezda spoj bez nul-vodiča Spoj izvora u trokut TROFAZNI SUSTAV Ako se kratko spoji Tri jednofazna sustava nastanak trofaznog Spoj izvora u zvijezdu Zvijezda-zvijezda spoj s nul-vodičem

4 TROFAZNI SUSTAVI 380/220 V

5 TROFAZNI SUSTAVI

6 TROFAZNI SUSTAVI Glavne prednosti trofaznog sustava nad jednofaznim su: omogućavanje ekonomičnijeg prijenosa električne energije, s manjim gubicima i uštedom materijala za vodove; generira se rotacijsko magnetsko polje, na kojem se temelji rad većine rotacijskih strojeva; trenutna snaga simetričnog trofaznog trošila je konstantna bez obzira na vrstu spoja; trofazni uređaji su robustni i ekonomični.

7 SIMETRIČNO TROŠILO U praksi se simetrična trošila rjeđe susreću i u pravilu su trofazna. Međutim, mnogi kućanski aparati (fen, mikrovalna pećnica, pegla, mikser, televizor, kompjutor, video, linija itd.) priključuju se na jednu fazu te nastaje nesimetrično opterećenje mreže. Može se reći da je simetrično trošilo ono koje u svakoj grani ima jednako opterećenje: Z Z = Z = 1 = 2 3 Z P uk I L 3 P = 3 U f I f cosϕ = 3 U L cosϕ = 3 U L I cosϕ 3 = L

8 OKRETNO MAGNETSKO POLJE Trofazna struja protječući kroz namote trofaznog motora stvara magnetski tok koji rotira jednolikom brzinom.

9 OKRETNO MAGNETSKO POLJE Ako se tri namotaja prostorno razmaknu, svaki će od namotaja stvarati svoje magnetsko polje, što znači da u svakoj točki prostora postoji rezultantno magnetsko polje dobiveno vektorskim zbrajanjem polja pojedinih namotaja. Os rezultantnog polja pomiče se duž namotaja tako da se uvijek nalazi iznad onog faznog namotaja u kojem je struja maksimalna. Kako su namotaji postavljeni u cilindričnu površinu rezultantno se polje okreče, pa se naziva okretnim ili rotacijskim magnetskim poljem. Dakle, s pomoću trofazne struje dobiva se u namotajima koji miruju magnetski tok koji rotira. Promjena smjera okretnog polja postiže se promjenom redosljeda faza trofaznog sustava. Okretno magnetsko polje je temelj rada električnih strojeva.

10 SINKRONI I ASIKRONI STROJEVI S OBZIROM NA OKRETNO MAGNETSKO POLJE Promjena smjera okretnog polja postiže se promjenom redosljeda faza trofaznog sustava. Rad električnih strojeva temelji se na okretnom magnetskom polju. Dva su načina na koji se okretno magnetsko polje može upotrijebiti za pokretanje rotora. Prvi je da se rotor izvede kao magnet (permanentni rjeđe ili elektromagnet češće). Kod većih motora na rotor se dovodi istosmjerna struja preko kliznih koluta i namoti rotora postaju elektromagnet. Da bi okretno polje stalno vuklo magnet za sobom, tj. da bi se rotor okretao zajedno s rotacijskim poljem, treba mu dati onu brzinu koju ima polje. Drugim riječima, njegovu vrtnju treba sinkronizirati (iz grčkog, istovremen) s vrtnjom magnetskog toka. Odatle naziv sinkroni motor (općenitije stroj motor ili generator). Ti motori ne polaze sami iz stanja mirovanja što pretstavlja glavnu manu. Prednost im je u tome što im se brzina vrtnje ne mjenja s opterećenjem, jer ječvrsto vezana za brzinu vrtnje okretnog polja. Drugi način je da se rotor izradi s namotom u obliku kaveza, npr. bakrenih štapova vodiča koji se umeću u utore željeznog rotora. Okretno magnetsko polje inducira u namotu kaveza struju. Kako magnetski tok djeluje silom na vodič kojim protječe struja, rotor se okreće, slijedeći pri tome vrtnju toka. Kako se rotor može pokrenuti iz položaja mirovanja, vrteći se sve brže i brže, no nikad ne može postići broj okretaja toka. U tom slučaju magnetske silnice ne bi sjekle vodiče rotora i u njima ne bi bilo inducirane struje, pa ni sile koja bi rotor pokretala. Broj okretaja rotora u takvih motora nije sinkron s magnetskim tokom i odatle im naziv asinkroni motori (strojevi).

11 TROFAZNI SINKRONI GENERATOR Trofazni sinkroni generator na statoru ima trofazni namot s p pari magnetskih polova raspoređenih simetrično u utorima na obodu rotora. Okretno magnetsko polje siječe vodiče namota i inducira napon e. Rotor se okreće, jer ga pokreće pogonski stroj. Magneti rotora su, u biti, elektromagneti i kod sinkronog generatora se uzbuđuju istosmjernom strujom. Pošto se rotor okreće za stator će nastalo polje izgledati kao promjenjivo te će se inducirati izmjenična sinusoidalna veličina. Struja na rotor dolazi preko koluta i četkica s izvora istosmjerne struje. Izvor može biti akumulator (rijetko zbog održavanja), generator istosmjerne struje (tzv. dinamo) ili se ispravlja struja s izlaznih stezaljki statora. Opterećenje alternatora se mijenja, pa se, zbog održavanja stalnog napona, mijenja struja uzbude. Tromost u tom procesu izaziva oscilacije napona. Sinkrona brzina vrtnje: n S = 60 f p

12 Asinkroni izmjenični motor Na brodovima je većina trošila asinkroni trofazni motor, jer su najjednostavniji i pogonski najsigurniji. Zovu se i indukcijskim, jer se energija iz statora prenosi elektormagnetskog indukcijom. Postoji nekoliko izvedbi asinkronog motora. Jedan od njih je s kaveznim (kratkospojnim) rotorom, a drugi s kolutnim (faznim) rotorom. Stator je sličan statoru sinkronog generatora. Motorima s kolutnim rotorom fazni namot i rotora i statora imaju jednak broj polova. Krajevi namota spojeni su u zvijezdu, dok su počeci izvedeni na tri koluta koji su na osovini. Po kolutima klize četkice koje vode struju na trofazni otpornik. Njegova uloga je postupno povećanje struje rotora, a time i statora. Nakon završenog upućivanja otporniku otpor pada na nulu. Kada se stator asinkronog motora priključi na napon mreže, namotima poteče struja koja stvara okretno magnetsko polje. Ono uzrokuje indukciju napona na rotoru. Kada bi motor bio zakočen, događala bi se transformacija te bi motor funkcionirao kao transformator, pa se često ovi motori nazivaju i indukcijskim motorima. Svi su štapovi međusobno spojeni, pa inducirani napon uzrokuje protok struje. Po pravilu lijeve ruke, Biot-Savartova mehanička sila pokušava zakrenuti rotor u smjeru vrtnje okretnog magnetskog polja. I okretno polje želi zakrenuti rotor. Da bi okretno polje induciralo napone u vodičima rotora, mora biti neka relativna brzina između okretnog polja i rotora. U sinkronom stroju su ove brzine jednake, ali u asinkronom bi pri sinkronoj brzini motor bio nesposoban za pretvorbu energije. Svojstvo asinkronog stroja da mu brzina mora biti različita od sinkrone dalo je ima ovoj vrsti strojeva. Zaostajanje rotora za okretanjem magnetskog polja statora zove se klizanje: s = n S n S n

13 ASINKRONI MOTOR M M P n=0 M M m Motor M m Momentna karakteristika trofaznog asinkronog motora pokazuje ovisnost momenta o n i s. U mirovanju je s=1, M n n=0 te je pokretni moment potreban za pokretanje rotora. U pogonskoj točki n=n s n motor prelazi iz područja zaleta i doseže maksimum na 70-90% sinkrone brzine. Kod većih brzina moment se naglo Kočnica smanjuje, a kad rotor postigne zadanu brzinu nastupa stacionarno stanje rada motora. Pri svakom pokretanju statorski M P namot povuče iz mreže struju KS, što uzrokuje pad napona mreže. Cilj s=1 s postupaka pokretanja motora je smanjiti struju pokretanja.

14 NAČELO RADA ISTOSMJERNOG STROJA Mehanički je izvor Istosmjerni stroj je, u biti, izmjenični s četkicama koje ispravljaju struju i istosmjernu.

15 ISTOSMJERNI STROJEVI Istosmjerni stroj se izvodi s uzbudom na statoru i armaturom na rotoru. Uzbuda je smještena na istaknutim polovima i u zračnom rasporu ispod polova stvara polje indukcije B. U tom polju se vrti armatura, pa se u njezinim vodičima induciraju naponi. Svaki vodič prolazi naizmjenice ispred N- i S- pola te se smjer napona induciranog u vodiču mijenja. Unatoč tome, na četkicama koje kližu po kolektoru (kao po vodičima armature), pojavljuje se uvijek napon istog smjera. Kolektor koji se vrti s četkicama koje miruju zapravo je mehanički ispravljač struje. Kolektor radi obostrano pa i mehanički pretvara istosmjernu u izmjeničnu struju. Kada se na četkice priključi trošilo, struja poteče i napaja trošilo. To je generatorski način rada. Uzbudnim dijelom stroja naziva se onaj dio koji nosi uzbudni namot ili permanentne magnete, bez obzira da li miruje ili se vrti. Armaturni dio nosi namot u kojem se inducira napon. I armatura može biti i na rotoru i na statoru. Istosmjerni motor ima istu Glavni polovi strukturu kao i generator. Izvedba lamela rotora STATOR ROTOR STATOR POSTOLJE Pomo ćni polovi Neutralna zona STATOR ROTOR Jezgra pomoćnog pola Namot glavnog pola Jezgra glavnog pola STATOR Namot pomo ćnog pola Ako se umjesto trošila na četkice stroja priključi vanjski izvor istosmjernog napona i ako je napon tog izvora malo veći od napona induciranog u stroju, poteći će iz vanjskog izvora u istosmjerni stroj struja obrnutog smjera od njegova inducirana napona. Promjenom smjera struje promijenio se smjer sila na vodiče, smjer momenta i smjer protoka energije: istosmjerni stroj sada troši energiju mreže te radi kao motor.

16 TRANSFORMATORI Transformatori mogu biti energetski, regulacijski, mjerni, laboratorijski, autotransformatori i specijalni. Energetski transformator statička je elektromagnetska naprava koji povišava ili snižava izmjenični napon prema načelu elektromagnetske indukcije. Ne mijenja frekvenciju. Energija je u idealnom slučaju očuvana, a snaga je nepromijenjena. Primjena transformatora je velika na kopnu i na brodovima. Transformator se sastoji od dvije zavojnice koje su električki izolirane, a povezane su magnetnim tokom. Transformatori mogu biti bez i sa željeznom jezgrom. Za transformatore bez željezne jezgre kaže se da su zračni transformatori i takvi se obično koriste u elektronici, a sa željeznom jezgrom u energetici. Zavojnice se nazivaju primarna i sekundarna. Na primarnu se narine napon koji se želi transformirati. Vrijede transformatorske jednadžbe: U 1 N1 I = 1 N2 W 1 = W2 P1 = P2 U1I1 = U 2I 2 = U N I 2 N transf. jednadžba 2. transf. jednadžba

17 UVJETI PARALELNOG RADA TRANSFORMATORA Da bi transformatori mogli raditi paralelno, moraju ispunjavati uvjete da: su im jednaki prijenosni omjeri, su građeni za približno iste nazivne napone, imaju isti satni broj i spojnu grupu, su im naponi kratkog spoja približno isti i omjeri nazivnih snaga nisu veći od trostruko (3:1).