1 ELEKTROENERGETSKI PRETVARAČI

Transcript

1 ELEKTROENERGETSKI RETVARAČI Električnu energiju veoma retko srećemo kao korisni oblik energije, tj energiju u krajnjoj upotrebi, ali je zato veoma često srećemo kao transformisani vid energije, jer predstavlja izvanredno prilagodljivog posrednika od elektroenergetskim pretvaračima podrazumevamo naprave i uređaje kod kojih se energija jednog oblika pretvara u energiju drugog oblika, pri čemu je barem jedan od oblika električna energija Elektroenergetske pretvarače delimo na: elektromehaničke pretvarače (električne mašine); pretvarače električne energije: a) obrtne, b) statičke: transformatore i pretvarače energetske elektronike retvarači električne energije Obrtni pretvarači električne energije su, zapravo, elektro- mehaničko- elektro pretvarači, tj električne mašine čija je funkcija pretvaranje jednosmerne u naizmeničnu struju i obrnuto (grupa električni motor-generator ili tzv jednoarmaturni pretvarač) Danas su obrtni pretvarači gotovo potpuno potisnuti od odgovarajućih pretvarača energetske elektronike, tako da ih susrećemo samo kod starijih pogona velikih snaga Iako po definiciji ne spadaju u grupu električnih mašina, transformatori se, zbog sličnosti svoje konstrukcije (magnetnog kola i namotaja) i istog osnovnog principa rada (zakon elektro-magnetske indukcije), često proučavaju zajedno sa električnim mašinama retvarače energetske elektronike karakteriše primena elektronskih elemenata (poluprovodničke komponente) za relativno velike snage (u odnosu na klasične elektronske sklopove) Zadatak ovih uređaja je unutrašnje pretvaranje električne energije jednog oblika (karakterisanog naponom, strujom, frekvencijom i brojem faza) u drugi oblik Zbog svoje izuzetno široke primene, sve manje cene i brzog razvoja ovi uređaji danas zauzimaju značajno mesto u industriji, kao i u mnogim područjima ljudskog života Elektromehaničko pretvaranje energije retvaranje mehaničke energije u električnu i električne u mehaničku nazivamo elektromehaničkim pretvaranjem energije retvaranje mehaničke energije u električnu srećemo u fazi proizvodnje električne energije, dok obrnutu transformaciju realizujemo kada imamo potrebu za korisnom mehaničkom energijom Elektromehaničko pretvaranje energije se ostvaruje preko sprežnog magnetskog i električnog polja koje povezuje jedan mehanički i jedan električni sistem (Slika -) Sprežno polje predstavlja spremnik (rezervoar) energije u kome se energija može nagomilavati i menjati Nagomilana energija teži da se oslobodi i da izvrši rad, i to predstavlja osnovni pokretač elektromehaničkog pretvaranja energije roces je reverzibilan i nije savršen- praćen je izvesnim gubicima (energijom koja se javlja u obliku

2 koji nije željen) Gubici se obično javljaju u obliku toplotne energije, koja se predaje okolini S obzirom na smer toka energije, električne mašine delimo na električne generatore (generatore, simbol G ) u kojim se mehanička energija pretvara u električnu i električne motore (elektromotore, simbol M ) u kojima se električna energija pretvara u mehaničku energiju Danas srećemo elektromotore snaga i preko 5 MW, odnosno električne generatore snaga preko MW gubici Mehanički sistem G M Električni sistem gubici Slika - Elektromehaničko pretvaranje energije Najvažnije pojave koje se koriste za elektromehaničko pretvaranje energije su: a) Delovanje sile, F r, na provodnik sa strujom I, koji se nalazi u magnetskom polju indukcije B r (Slika -) b) Delovanje sile na feromagnetski materijal kojim teži da ga dovede u pravac magnetnog polja (Slika -3) c) Delovanje sile na ploče opterećenog kondenzatora i na dielektrični materijal u električnom polju d) iezoelektrični efekat Delovanjem električnih polja izvesni kristali se deformišu u određenim pravcima i obrnuto, kada se kristali deformišu, na njihovim krajevima se pojavljuje električno opterećenje e) Magnetostikcija Delovanjem magnetnog polja većina feromagnetskih materijala podleže veoma malim deformacijama i obrnuto, ako se feromagnetski materijal podvrgne mehaničkom naprezanju (deformaciji) menjaju se magnetske osobine materijala (magnetostrikcija) B r F r I F r I I F r F r I I F r B r B r B r Slika - Delovanje sile na provodnik sa strujom koji se nalazi u magnetskom polju

3 N Fe Fe F r S Slika -3 Delovanje sile na feromagnetski materijal Naprave i uređaji u kojima se ostvaruje elektromehaničko pretvaranje energije posredstvom mehaničkog kretanja nazivamo elektromehaničkim pretvaračima ili električnim mašinama Za pretvaranje većih količina energije najvažnija je primena obrtnih električnih mašina kod kojih je primenjeno obrtno kretanje i pojave a) i b) U drugu vrstu naprava za elektromehaničko pretvaranje energije spadaju one koje proizvode linearna ili vibraciona kretanja Dok se linearne naprave zasnivaju na primeni bilo koje od pet navedenih pojava (npr elektromagneti, relei i sl), naprave koje koriste vibraciona kretanja zasnivaju se na poslednje dve navedene pojave (npr uređaji za proizvodnju i detekciju mehaničkih i akustičnih vibracija: mikrofoni, sistemi za dobijanje ultrazvučnih vibracija i sl) oslednje tri pojave nisu od praktičnog značaja za energetsko pretvaranje Kod pojave c) ograničavajući faktor predstavlja nemogućnosti ostvarivanja dozvoljene gustine energije u elektrostatičkom polju dok je kod pojave d) u pitanju je visoka cena kristala 3 Električne mašine Osnovno delovanje svih električnih mašina svodi se na vezu između mehaničkog kretanja i sila, s jedne strane, i električnih napona i struja, s druge strane Sa mehaničkog gledišta, osnovni delovi obrtnih mašina su mirujući deo - stator i obrtni (rotirajući) deo - rotor Stator se nalazi u kućištu, koje je oslonjeno o podnožje i prenosi moment na čvrstu okolinu Rotor je pričvršćen na vratilo (osovinu) koja su obrće u ležajevima Sa električnog gledišta osnovni delovi su magnetno kolo, namotaji i izolacija Magnetno kolo se sastoji od magnetnog kola statora i rotora, koji mogu biti cilindričnog oblika ili imati istaknute magnetne polove, a osnovna mu je uloga vođenje magnetnog fluksa Magnetni fluks se zatvara kroz međugvožđe Osnovni element namotaja je navojak, koji se sastoji iz dva provodnika Više navojaka čine navojni deo (sekciju) Više sekcija poveznih na određeni način da se struje ili ems u namotaju sabiraju čine namotaj induktora (pobudni namotaj) odnosno indukta rimarna funkcija pobudnog namotaja je stvaranje magnetnog polja mašine Namotaj indukta je onaj u kojem se indukuje elektromotorna sila ili kontra elektromotorna sila rotacije; struje 3

4 u ovom namotaju tesno su povezane sa proizvedenim obrtnim momentom ili otpornim obrtnim momentom Konstruktivni obziri (i potreba komutacije kod mašina za jednosmernu struju) određuju smeštaj (lokaciju) namotaja za pojedine vrste mašina Izolacija služi sa izolovanje delova pod naponom od uzemljenih delova kao i pojedinih namotaja i delova namotaja međusobno Sa termičkog i mehaničkog stajališta, izolacija predstavlja najosetljiviji deo električne mašine rema vrsti struje razlikujemo: jednosmerne i naizmenične električne mašine rema načinu napajanja naizmenične mašine delimo na: jednofazne i višefazne, a prema principu rada i pogonskom ponašanju na: sinhrone, kod kojih je brzina obrtanja rotora čvrsto vezana za učestanost napajanja (mreže), asinhrone kod kojih je, da bi funkcionisali, potrebno odstupanje brzine obrtanja rotora u odnosu na sinhronu brzinu obrtnog magnetnog polja i kolektorske, koji se ređe susreću zbog svoje komplikovanije izvedbe i veće osetljivosti Mašine jednosmerne struje delimo prema načinu pobuđivanja, koji određuje i osnovne karakteristike u pogonu, na: nezavisne, otočne (paralelne) i redne (serijske) ri razmatranju električnih mašina, susrećemo se sa dva u osnovi različita pristupa jedanput se električna mašina posmatra kroz sliku električnih i magnetskih polja (fizička predstava), sa svim njihovim detaljima, a drugi put kroz sklop električnih i magnetskih povezanih strujnih kola sa koncentrisanim parametrima rvi pristup je prikladniji kada treba izraziti pravo stanje u električnoj mašini, dok je drugi prikladniji za posmatranje mašine kao sastavnog dela čitavog sistema u kojem radi Dakako da su oba pristupa potrebna, i ona se nadopunju 4

5 4 Energetski bilans elektromehaničkog pretvaranja energije roces elektromehaničkog pretvaranja energije obuhvata energiju u četiri oblika, a princip održanja energije dovodi do sledećeg odnosa između tih oblika: Energija iz električnog izvora riraštaj = energije + energija + polja Mehanička Energija pretvorena u toplotu Slika -4 Jednačina elektromehaničkog pretvaranja energije(motorski režim rada) Nepovratno pretvaranje energije u toplotu ima tri uzroka: deo električne energije pretvara se u toplotu neposredno u provodnicima struje (gubici u bakru ) deo mehaničke energije razvijene u mašini apsorbuje se trenjem i otporom vazduha i (mehanički gubici) deo energije apsorbovane u sprežnom polju pretvara se u toplotu u obliku gubitaka u magnetnom jezgru (gubici u gvožđu ) Gubici u bakru Gubici od polja Mehanički gubici R Električni sistem u -e i Sprežno polje Mehanički sistem Slika -5 Šematski prikaz uređaja za pretvaranje energije Gubitke u električnim mašinama i transformatorima možemo podeliti na tri osnovne grupe: gubici koji ovise o naponu, učestanosti i brzini obrtanja (gubici praznog hoda), gubici pobude kod mašina sa posebnim pobudnim namotom i gubici kojima je uzrok opterećenje mašine, u šta spadaju i razni dopunski gubici

6 4 Stepen iskorišćenja Korisnici električnih mašina su veoma zainteresovani za tehničko-ekonomske karakteristike električnih mašina i transformatora U razvijenim, tržišnim zemljama, u skladu sa konceptom racionalnog gazdovanja energijom, unazad nekoliko decenija se insistira na smanjenju gubitaka, odnosno povećanju stepena iskorišćenja električnih mašina Gubici u električnim mašinama određuju stepen iskorišćenja i osetno utiču na na pogonske troškove i određuju zagrevanje mašine a time i naznačenu ili korisnu snagu koja se može postići bez preteranog pogoršanja izolacije dejstvom toplote Stepen iskorišćenja (snage), η, predstavlja jednu od najbitnijih karakteristika mašine i definisan je kao odnos između korisne (odate, odvedene, izlazne) snage, i uložene (utrošene, primljene, dovedene, ulazne) snage, : η = Korisna snaga jednaka je razlici uložene snage i ukupnih gubitaka: = g Budući da se električna snaga, uz istu cenu merne opreme, obično jednostavnije i tačnije meri (određuje) u odnosu na mehaničku, za izračunavanje stepena iskorišćenja koristimo sledeće izraze za motore, η M, odnosno generatore, η G, bazirane na poznavanju električne snage i ukupnih gubitaka: g g ηm = =, ηg = + g Obrtne mašine imaju dobar stepen iskorišćenja izuzev kada su slabo opterećenje Stepen iskorišćenja pri punom opterećenju kreće se zavisno od njihove snage od 75% (,75kW) do 97% (4kW) ostoje brojne metode za određivanje stepena iskorišćenja S obzirom na način sprovođenja, osnovna podela ovih metoda je na neposredne (direktne, ulaz-izlaz) metode i posredne (indirektne) metode osredne metode su bazirane na određivanju gubitaka mašine

7 4 Gubici u gvožđu u praznom hodu Gubici u gvožđu se sastoje od gubitaka usled histereze i gubitaka usled vihornih struja Analizu gubitaka ćemo sprovesti za redovni slučaj iz prakse - napajanje iz izvora prostoperiodičnog napona Utrošena energija usled histereze po jedinici mase lima, [kg], u toku jedne periode proporcionalna je površini histerezisne petlje, odnosno zavisi o promeni amplitude n indukcije B max, gde se n najčešće kreće zavisno od vrste limova od,7 do,: H H n max [ J/kg] w = k B Obično se kod računanja uzima kao neka prosečna vrednost n = Utrošena snaga usled histereze po jedinici mase lima proporcionalna je broju perioda u sekundi, odnosno proporcionalna učestanosti: p B max [ W/kg] = f w k f H H = U masi limova H Fe H = H m Fe gubici usled histereze biće max Fe [ W] = m p k f B m H Gubitke usled vihornih struja ćemo kvalitativno izraziti preko uticajnih veličina, budući da je raspodelu i ukupni efekat ovih struja relativno teško tačno sračunati sa dovoljnom tačnošću Gubici usled vihornih struja proporcionalni su kvadratu indukovane ems u parazitnim kolima a obrnuto proporcionalni specifičnom otporu lima: e V ρ Indukovana ems u kolima vihornih struja po jedinici dužine lima proporcionalna je amplitudi indukcije B max, učestanosti f i debljini lima d, pa se gubici usled vihornih struja mogu prikazati prema poznatom obrascu iz Elektromagnetike: V = ( ωd Bmax ) VFe, 4ρ gde je V Fe zapremina magnetskih limova, ili k f B m V = V max Fe, gde je k V koeficijent koji zavisi od specifičnog otpora, specifične mase i kvadrata debljine limova Ukupni gubici u gvožđu se mogu predstaviti izrazom: ( k H f kv f ) Bmax mfe = + = Fe H V + Konstruktori transformatora obično snimaju karakteristike gubitaka magnećenja za svaku vrstu lima i oblik magnetskog kola koji se upotrebljava Kad je mašina opterećena, prostorna raspodela indukcije znatno se menja usled mps opterećenja Stvarni gubici u gvožđu se primetno povećavaju

8 43 Gubici u bakru U literaturi se često gubici usled opterećenja, uz zanemarenje dopunskih gubitaka u drugim kontrukcionim delovima, nazivaju gubicima u bakru, Gubici u bakru se, po dogovoru, određuju na osnovu otpora namota prema jednosmernoj struji na 75 o C ili5 o C (zavisno od klase izolacije) Sledeća jednačina prikazuje zavisnost otpora od temperature: R ( ϑ) = R ( + α ϑ), = R gde su R i α vrednost otpora i temperaturnog sačinioca pri temperaturi od bakar imamo α = 35 Odnos otpora pri temperaturama ϑ b i ϑ a je: R R b a + ϑb + α ϑb α = = = + α ϑ a + ϑa α 35 + ϑ b 35 + ϑ što ujedno predstavlja i odnos Džulovih gubitaka u namotajima a, o C Za Uz zanemarenje dopunskih gubitaka u namojima, gubici u bakru za pojedini namotaj su: = R I Izrazimo sada otpor preko proizvoda specifične otpornosti i dimenzija provodnika, a struju preko proizvoda gustine struje i preseka provodnika: l = ρ ( ) J S S Ako zapreminu (proizvod l S ) u gornjoj jednačini izrazimo preko odnosa mase i specifične mase, dobijamo sledeću jednačinu u kojoj su Džulovi gubici izraženi preko gustine struje i mase materijala: m ρ = ρ J = J m γ γ Za pojedini namotaj specifični Džulovi gubici po jedinici mase iznose: p [ W/kg] = k J, gde je k za bakar na o C, odnosno k, 44 za bakar na 75 o C 44 Dopunski gubici Dopunski gubici nastaju pri opterećenju usled vihornih struja i kao i usled skin-efekta (neravnomerne raspodele struje) u namotima mašina naizmenične struje, a ovde ubrajamo i gubitke u neaktivnom gvožđu usled rasipnog magnetskog polja nastalog usled struje opterećenja I proračun i merenje ovih gubitaka su dosta komplikovani pa se, po sporazumu, uzima da iznose od,5 do % naznačene snage mašine i zavise od kvadrata opterećenja

9 5 Zagrevanje i hlađenje Zagrevanje električnih mašina potiče od toplote koju stvaraju gubici Zagrevanje mašine jako zavisi od opterećenja i biće utoliko veće ukoliko su veći gubici Za analizu toplotnih prelaznih procesa poslužićemo se uprošćenim pristupom, koji tretira električnu mašinu kao jednostavno telo koje ima samo jednu vremensku konstantu Za postavljanje diferencijalne jednačine prostiranja toplote poći ćemo od sledećih pretpostavki: električna mašina je termički homogeno telo, što znači da sve tačke u svakom trenutku imaju istu temperaturu, toplotna snaga, tj gubici su stalni - ne zavise ni od temperature, ni od vremena, faktor prolaza toplote α je takođe stalan, tj ne zavisi od temperature, temperatura ambijenta, odnosno rashladnog sredstva je stalna od tim uslovima, jednakost oslobođene toplotne energije u kratkom intervalu vremena dt sa zbirom porasta akomulisane toplotne energije c mdθ energije predate ambijentu, odnosno rashladnom sredstvu u istom vremenskom intervalu α Sθ dt, može se izraziti sledećom diferencijalnom jednačinom: dt = mc dθ +α Sθ dt očetni uslov t =, porast temperature električne mašine u odnosu na okolinu je θ U ustaljenom stanju je promena temperature jednaka nuli, tj d θ =, pa za porast temperature u ustaljenom stanju θ st vredi: dt = α Sθ st dt θ st = α S Zgodno je uvesti oznaku za vremensku konstantu zagrevanja T : c m T = α S Rešenje po polazne diferencijalne jednačine po θ ima sledeći oblik: t t t θ = θ + θ = ( θ θ ) T T T st e e st e + θ osle 4 do 5 vremenskih konstanti uspostavlja se stacionarno stanje Za proces hlađenja imamo da je =, pa rešenje po θ ima sledeći oblik: T e t θ = θ U opštem slučaju vremenske konstante zagrevanja i hlađenja ne moraju da budu jednake

10 T θ T θ θ θ st θ θ st t Slika -6 roces zagrevanja i hlađenja električne mašine t Za kvalitativno tačniji pristup primenjuju se složeniji računski postupci koji uvažavaju nehomogenost električnih mašina, zavisnost gubitaka od temperature, zavisnost faktora α od porasta temperature, promenu temperature ambijenta i slično Danas se za određivanje porasta temperature, tj toplotnih naprezanja u električnim mašinama koriste složeni numerički postupci