Komutatorske mašine jednosmerne struje

Transcript

1 ELEKTRIČNE MAŠINE Komutatorske mašine jednosmerne struje

2 Uvod Mašine jednosmerne struje su zbog svojih veoma dobrih funkcionalnih karakteristika nekada predstavljale često rešenje u električnim pogonima.

3 Osnovni delovi Osnovni elementi jednosmerne električne mašine su: 1. mirujući deo (stator) i 2. obrtni deo (rotor).

4 Osnovni delovi Uloga statora je stvaranje pobudnog fluksa. Pobudni fluks mogu stvoriti permanentni (stalni) magneti ili pak namotaj u kome postoji jednosmerna struja (elektromagnet), kakav se slučaj ovde razmatra. stalni magneti elektromagnet

5 Osnovni delovi Stator je oblika šupljeg valjka od masivnog gvožđa (ili složen od paketa limova), na čijoj su unutrašnjoj periferiji pričvršćeni polovi izrađeni od feromagnetskih limova. Na polovima statora je smešten pobudni namotaj. Kroz pobudni namotaj se propušta jednosmerna struja koja stvara statorsku magnetnopobudnu silu i statorski fluks. Kako je struja statora jednosmerna to je statorski fluks nepomičan.

6 Osnovni delovi natpisna pločica pobudni namotaj namotaj rotora komutator priključna kutija stator rotor stopala Dvopolna mašina jednosmerne struje

7 Osnovni delovi Rotor je cilindričnog oblika i sastavljen od tankih feromagnetskih limova i ravnomerno je ožljebljen po svom obimu. Nalazi se na vratilu mašine. U žlebove rotora je postavljen namotaj rotora. Počeci i krajevi namotaja rotora su izvedeni na tzv. komutator (kolektor). Komutator je sastavljen od bakarnih segmenata koji su izolovani međusobno i u odnosu na masu. Uloga komutatora je preusmeravanje smera struje kroz navoje rotora.

8 Osnovni delovi vratilo ventilator žleb komutator ležaj magnetno kolo rotora Rotor jednosmerne mašine namotaj rotora

9 Osnovni delovi četkice držači četkica Komutator

10 Princip rada Namotaj rotora se nalazi u magnetnom polju. Kada kroz njega protiče električna struja nastaje sila, F = I (l x B), koja deluje na provodnike rotora, a zbog kružnog oblika rotora nastaje elektromagnetni moment M = R x F = F R, gde je R prečnik rotora. Komutator (kolektor) i četkice služe za napajanje rotorskog namotaja potrebnim smerom struje.

11 Princip rada r F = I v l r B četkica komutator

12 Princip rada

13 Princip rada

14 Vrste komutatorskih mašina U praksi se koristi veliki broj navojaka namotaja rotora, a magnetno polje se proizvodi elektromagnetom (namotaj pobude), te je srednja vrednost elektromagnetnog momenta motora približno konstantna. Prema načinu spajanja namotaja pobude i namotaja rotora, razlikujemo sledeće osnovne vrste jednosmernih komutatorskih mašina: 1. sa nezavisnom pobudom, kod koje je namotaj pobude spojen na poseban spoljni izvor napona, koji je potpuno nezavisan od prilika u mašini. Namotaj rotora se napaja iz drugog izvora jednosmernog napona. Jednosmerni naponi se dobijaju iz naizmenične trofazne mreže, preko ispravljača,

15 Vrste komutatorskih mašina 2. sa paralelnom pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen paralelno na namotaj rotora i priključeni su na izvor jednosmernog napona, 3. sa rednom (serijskom) pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen na red sa namotajem rotora i priključeni su na izvor jednosmernog napona.

16 Vrste komutatorskih mašina

17 Momentna karakteristika Pri konstantnom naponu napajanja rotorskog namotaja i pobudnog (statorskog) namotaja, brzina obrtanja rotora zavisi od razvijenog elektromagnetnog momenta. Veza koja postoji između brzine obrtanja i momenta u stacionarnom stanju se zove momentna (mehanička) karakteristika: M=f(n). Ona prvenstveno zavisi od sistema pobude i može biti: 1. "tvrda, kod koje se brzina obrtanja vrlo malo menja sa promenom momenta opterećenja (nezavisna i paralelna pobuda), 2. "meka, kod koje se značajno menja brzina obrtanja sa promenom momenta opterećenja (redna pobuda).

18 Momentna karakteristika M [Nm] tvrda Jednosmerni motor sa rednom pobudom ne sme da radi neoptrećen jer je tada brzina obrtanja velika (razletanje motora). meka ω 0 - brzina neopterećenog motora (prazan hod) ω 0 ω [rad/s]

19 Napajanje mašine jednosmerne struje jednosmernih mašinama treba jednosmerni (DC) napon Ako hoćemo da menjamo brzinu, treba nam promenjivi DC napon Napajanje jednosmernih mašina se vrši pomoću AC/DC pretvarača. Pretvarač rešava problem pokretnja i regulacija brzine!

20 Model jednosmernog motora u a Napon pravi struju 1 1+ Ra pt - a emf ωψ f i a Struja sa fluxom pravi moment ψ f m e m - m Moment menja brzinu 1 pj + k f ω i a u a R a L a ψ a x i a Elektromagnetni momenat

21 Reg. brzine i položaja DC motora Regulacija brzine ω r e f - r e g ω r e f i a S tr u jn o r e g. n a p o n s k i iz v o r - r e g i r e f u a P W M u a - e J e d n o s m e r n i m o to r 1 R a 1 + p T a i a ψ fn o m m e m m 1 p J + k f ω ψ fn o m Regulacija položaja ψ fnom Jednosm erni m otor m m m i e 1 Ra a 1 ψ f 1 + pta pj + k f ω ref ref θ ω ref ref i a u a u ω reg ω a 1 θ reg θ reg i PWM p e

22 Izvor promenjivog jednosmernog napona

23 DC napajanje mrežno komutovani ispravljači Neregulisan izvor napona Regulisan izvor napona

24 DC napajanje - DC-DC konvertor (čoper) 1f 3f V DC V a V DC 0 V a Neregulisani ispravljač T ON T OFF T PWM t DC čoper t ON V sr = V DC = T PWM a faktor ispune av DC Manja talasnost struje, manja talasnost momenta

25 DC napajanje -Četvorokvadrantni DC-DC Sve kombinacije Napon + - Struja + - Smer brzine = znak napona Snaga = Napon * Struja Snaga + -

26 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Električna vuča (trolejbusi, tramvaji, metroi, lokomotive)

27 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Industrija

28 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Industrija Mašina za izradu papirnih džakova

29 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje U automobilima (pogon brisača, pogon bočnih stakala, anlaser) Jednosmerni motori za pogon brisača stakala na automobilu, 12 V, 40W

30 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Anlaser (elektropokretač) služi za pokretanje SUS motora. Najčešće je izveden kao motor sa rednom pobudom Anlaser tipa PG260M 1,7 kw, 12 V

31 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Mašina sa stalnim magnetima na statoru: ova konstrukcija se koristi za manje snage (tahogeneratori, motori za pogon bočnih stakala i brisača na automobilima, anlaser za SUS motore manjih snaga). Mali jednosmerni motor 1,3V, 70mA koji se koristi za stvaranja vibracija u mobilnim telefonima

32 Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje Mašina sa stalnim magnetima na statoru Motor jednosmerne struje sa stalnim magnetima

33 Univerzalni motor Univerzalni motor je kolektorski motor sa rednom pobudom koji se može priključiti i na jednosmerni i na naizmenični izvor napajanja. Princip rada je isti kao princip rada jednosmerne mašine, ali u pogledu konstrukciji se razlikuje od njih jer je dosta prostiji. Kompletno magnetno kolo (statora i rotora) je napravljeno od tankih limova.

34 Univerzalni motor Magnetno kolo univerzalnog motora (levo) i izgled univerzalnog motora (desno)

35 Univerzalni motor Prednosti: malih su dimenzija i mogu postići visok broj obrtaja. Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, mlinova za kafe, miksera, ventilatora. Izrađuju se za snage do oko 1 kw i za brzine obrtanja preko ob/min za ručne alate i druge ručne elektromotorne uređaje, oko ob/min i više za usisivače i miksere, te oko ob/min za mlinove za kafu.

36 Natpisna pločica 320 kw 900 o/min 500 V 690 A Pobuda: 220 V, 10 A Iz podataka prethodno navedene natpisne pločice obrazloženo odgovoriti o kojoj se vrsti mašine radi? Odrediti da li je mašina namenjena za generatorski ili motorski režim rada? Ukoliko je u pitanju motor, izračunati nazivni (nominalni) obrtni moment na vratilu. Izračunati stepen korisnog dejstva mašine za nazivni režim rada na osnovu datih podataka (ukoliko je to moguće).

37 Natpisna pločica u pitanju je mašina jednosmerne struje, što se može zaključiti iz činjenice da nema podatka o frekvenciji niti o faktoru snage (cosφ) 320 kw: nazivna (nominalna) snaga mašine (izlazna snaga mašine) 900 o/min: nazivna brzina obrtanja 500 V, 690 A: nazivni (nominalni) napon i struja rotorskog namotaja 220 V, 10 A: nazivni (nominalni) napon i struja statorskog (pobudnog) namotaja u pitanju je jednosmerna komutatorska mašina sa nezavisnom pobudom (stator i rotor se napajaju iz dva nezavisna izvora)

38 Natpisna pločica mašina je predviđena za motorski režim rada, a to se može ustanoviti izračunavanjem električne snage: Pe=U a I a = = W = 345 kw. Kako je električna snaga Pe veća od 320 kw (320 k W predstavlja izlaznu snagu), u pitanju je motor (razlika snaga potiče zbog postojanja gubitaka u mašini). Kod generatora su izlazna i električna snaga jednake (to ne znači da ne postoji snaga gubitaka, već je kod generatora izlazna snaga upravo električna). Kako je u pitanju motor, to izlazna snaga predstavlja mehaničku snagu.

39 Natpisna pločica Nazivni obrtni mometn je: M n = Pn ω n = P ω izlazna n = = π Nm Stepen iskorišćenja u nazivnom režimu: η = n P P izlazna ulazna = U a I a Pn + U f I f = = 0,92 = 92 %

40 Natpisna pločica Primer za samostalan rad: 270 kw 890 o/min 500 V 610 A Pobuda: 220 V, 10 A

41 I na kraju... Zbog veće cene, složenijeg i skupljeg održavanja, manje pouzdanosti i kraćeg veka trajanja, danas se mašine jednosmerne struje sve više potiskuje od strane jeftinijih, jednostavnih i robusnijih električnih mašina za naizmeničnu struju upravljanih mikroprocesorima i napajanih uređajima energetske elektronike. Generatori jednosmerne struje su praktično potisnuti iz upotrebe poluprovodničkim ispravljačima.