ELEKTRIČNE MAŠINE Asinhrone mašine

Transcript

1 ELEKTRIČNE MAŠINE Asinhrone mašine

2 Uvod Asinhrona mašina je tipičnan predstavnik električne mašine male i srednje snage koja se obično pravi u velikim serijama. Prednosti asinhrone mašine u odnosu na ostale vrste električnih mašina su: niža cena, jednostavnost konstrukcije, manji momenat inercije, robusnost, pouzdanost, sigurnost u radu i lako održavanje. Nedostaci su vezani za uslove pokretanja i mogućnost regulisanja brzine obrtanja u širokim granicama.

3 Uvod Razvoj pretvarača energetske elektronike i primena mikroprocesora ih je učinila konkurentnim i u području pogona sa promenljivom brzinom obrtanja, gde su se ranije isključivo koristile mašine jednosmerne struje.

4 Osnovni delovi Osnovni elementi asinhrone mašine su: 1. mirujući deo (stator) i 2. obrtni deo (rotor). Stator se sastoji iz magnetnog kola i namotaja. Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih limova, koji su po unutrašnjoj strani ožlebljeni. U žlebovima statora je smešten pobudni namotaj. Namotaj je trofazni, spregnut u zvezdu ili trougao. Počeci i krajevi namotaja pobude (statorski namotaji) su izvedeni u priključnu kutiju mašine.

5 Osnovni delovi Žleb Magnetno kolo Feromagnetni lim statora Postavljanje pobudnog namotaja Izgled statora asinhrone mašine

6 Osnovni delovi

7 Osnovni delovi Priključna kutija asinhrone mašine

8 Osnovni delovi Čitav stator se stavlja u kućište mašine, koje je kod manjih mašina obično izliveno od aluminijuma ili livenog gvožđa. Spolja su postavljena rebra radi povećanja površine hlađenja. Ventilator je ugrađen na vratilu i odnosi toplotu sa površine kućišta. Na donjem delu kućišta asinhrone mašine nalaze se stopala za pričvršćenje mašine za podlogu.

9 Osnovni delovi Rotor se sastoji iz magnetnog kola i namotaja. Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih limova, koji su po spoljašnjoj strani ožlebljeni. U žlebovima rotora je smešten namotaj rotora. Žleb Feromagnetni lim rotora

10 Osnovni delovi Namotaj rotora se izvodi na dva načina i to kao kavezni (kratkospojeni) i namotani (sa prstenovima). U tom smislu se i asinhrone mašine dele na dve grupe i to na: asinhrone mašine sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima) i asinhrone mašine sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom.

11 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa namotanim rotorom U žlebove rotora je postavljen trofazni namotaj. Ako je namotaj spregnut u zvezdu onda se tri kraja spoje u neutralnu tačku, preostala tri kraja se izvode do tri klizna prstena, izolovana međusobno i od vratila. Na klizne prstenove naležu četkice koje su u vezi sa trofaznim rotorskim otpornikom koji se često naziva otpornik za puštanje u rad. Pošto je rotorski otpornik potreban samo za puštanje u rad, nakon toga se četkice se podižu i namotaj rotora se kratko spaja preko odgovarajućeg uređaja.

12 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa namotanim rotorom

13 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa namotanim rotorom Magnetno kolo Klizni prstenovi Žlebovi

14 Ručka za kratko spajanje namotaja rotora

15 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom Namotaj rotora je značajno različit podseća na kavez (otuda potiče i naziv). Kod motora manjih i srednjih snaga je izliven od aluminijuma i kratko spojen, a kod motora većih snaga je izrađen od neizolovanih bakrenih štapnih provodnika, koji se na bočnim stranama kratko spajaju sa po jednim prstenom. U oba slučaja, kratkospojeni rotor nema mogućnost spoljnjeg električnog pristupa.

16 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom Provodnici rotora Prsten za kratko spajanje

17

18 Osnovni delovi Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom Ova konstrukcija rotora je neuporedivo prostija u odnosu na konstrukciju namotanog rotora i jeftinija je. Sigurnost u radu je mnogo veća i ne zahtevaju rotorske otpornike. Nedostatak asinhronih mašina sa kaveznim rotorom je loša karakteristika prilikom puštanja u rad (polazna karakteristika). Ista se ogleda u prevelikoj polaznoj struji (5-8 puta je veća od nominalne struje). To ograničava njihovu upotrebu na manje i srednje snage.

19 Bočne veze pobudnog namotaja Ventilator Magnetno kolo rotora Žlebovi rotora u kojima je uliven namotaj rotora Magnetno kolo statora Poklopac kućišta Ležaj Vratilo Stopala

20 Osnovni princip rada Rad asinhrone mašine je zasnovan na obrtnom elektromagnetnom polju, koga je otkrio Nikola Tesla. Ako se kroz namotaj na statoru, koji je sačinjen od više navojaka, propusti naizmenična struja koja se menja po sinusnom zakonu, po obodu zazora će se javiti sinusno raspodeljena magnetnopobudna sila (elektromagnetno polje). Ovakva magnetnopobudna sila je nepokretna u prostoru, a promenljiva je u vremenu i naziva se pulzirajuća magnetnopobudna sila.

21 Osnovni princip rada

22 Osnovni princip rada Ako sada na isti ovaj stator dodamo još jedan namotaj, koji je takođe sastavljen od više navojaka, i pomeren je za 90 u odnosu na prvi namotaj i kroz njega protiče struja koja je fazno pomerena u odnosu na struju prvog namotaja za 90, stvoriće se druga magnetno pobudna sila, koja je takođe pulzirajuća, ali deluje po osi drugog namotaja. Ove dve, u prostoru nepokretne i vremenski promenljive magnetnopobudne sile, kao rezultat daju obrtnu magnetnopobudnu silu, čiji se položaj u prostoru menja, a amplituda je konstantna u vremenu.

23 Osnovni princip rada Obrtno polje nastalo na ovaj način naziva se i Teslino obrtno elektromagnetno polje!

24 Osnovni princip rada Patent prve asinhrone mašine (Nikola Tesla)

25 Osnovni princip rada To isto možemo uraditi i sa trofaznim namotajem. Postavljanjem tri namota, prostorno pomerena za po 120 električnih, i puštanjem kroz njih tri struje fazno pomerene za po 120, dobijamo od svakog namota pulzirajuću magnetnopobudnu silu. Ukupno dejstvo pojedinačnih magnetopobudnih sila određeno je njihovim zbirom.

26 Osnovni princip rada

27 Osnovni princip rada Tri pulzaciona polja u slučaju prostorno pomerenih namota sa vremenski pomerenim strujama daju rezultantno polje koje nije pulzaciono, već ima konstantnu amplitudu i rotira u prostoru sinhronom brzinom ω s (jednakom učestanosti struja u namotaju statora).

28 Osnovni princip rada

29 Osnovni princip rada Ako se u oblast gde deluje Teslino obrtno polje ubaci rotor (npr. kavezni), pod uticajem tog polja u namotaju rotora će se indukovati elektromotorna sila (EMS), koja će proterati struju kroz namotaj rotora (jer je rotor kratkospojen). Rezultat dejstva struje u namotaju rotora i obrtnog polja sa statora je elektromagnetni moment koji deluje na namotaj rotora i rotor počinje da se obrće u smeru obrtnog elektromagnetnog polja.

30 Osnovni princip rada

31 Osnovni princip rada Rotor nikada ne dostiže sinhronu brzinu obrtanja (brzina obrtnog elektromagnetnog polja), jer i kada bi se to desilo, ne bi se indukovala EMS u rotoru, a time ni struja u provodnicima rotora, pa bi elektromagnetni moment bio 0, usled čega bi rotor usporio. Prema tome, rotor i obrtno polje se ne obrću istom brzinom (sinhrono), već različitom (asinhrono), pa se zbog toga ovakve mašine i nazivaju ASINHRONE MAŠINE.

32 Osnovni princip rada OBTNO POLJE Ilustracija klizanja

33 Osnovni princip rada Razlika između brzine obrtnog polja i brzine rotora naziva se klizanje: s n n s s = s [%] = 100 s n n brzina obrtanja rotora, n n s brzina obrtnog polja (sinhrona brzina), n s 60 f = p s [o / min] f s frekvencija struja statora (50 Hz) n s n

34 Osnovni princip rada p broj pari polova p n s [o/min] Vrednost klizanja s pri nazivnom opterećenju kreće se kod motora manjih snaga od 3 do 8 %, a kod motora većih snaga od 1 do 3 %.

35 Radni režimi asinhrone mašine Najčešći radni režimi asinhrone mašine su: 1. Motorski režim rada (mašina uzima električnu i daje mehaničku energiju), 2. Generatorski režim rada (mašina pretvara mehaničku energiju u električnu). U svim prethodno navedenim radnim režimima, asinhrona mašina troši reaktivnu energiju!!!

36 Radni režimi asinhrone mašine Asinhrona mašina se najčešće koristi kao motor. Asinhrona mašina se retko koristi kao generator za proizvodnju električne energije, pošto tada zahteva postojanje izvora reaktivne energije.

37 Moment konverzije Moment konverzije asinhrone mašine je srazmeran kvadratu napona napajanja! M ~ U f 2 Karakteristike momenta (mehaničke karakteristike) predstavljaju zavisnost momenta konverzije asinhrone mašine od brzine obrtanja: M=f(n) (kod asinhrone mašine često se predstavljaju i kao M=g(s)).

38 Momentna karakteristika M Polazni moment Prevalni moment M p M pol Stacionarna radna tačka M n Katakteristika opterećenja (radne mašine) n p n n n s n

39 Momentna karakteristika Karakteristične tačke gledano preko momenata su: polazni momenat, M pol, koji motor razvija pri pokretanju (n=0), i koji, da bi se mašina mogla pokrenuti, mora biti veći od otpornog momenta radne mašine prevalni (maksimalni) momenat, M p, je najveća vrednost momenta, naznačeni (nominalni) momenat, M n, odgovara naznačenom režimu rada.

40 Regulacija brzine obrtanja Veličine pomoću kojih se može regulisati brzina obrtanja najlakše se vide iz osnovne jednačine koja opisuje brzinu obrtanja asinhrone mašine: 60 f n = ns ( 1 s) = (1 s) p Regulisanje brzine obrtanja se može izvršiti: 1. promenom klizanja, 2. promenom broja pari polova i 3. promenom frekvencije mreže (izvora).

41 Regulacija brzine obrtanja Regulacija brzine promenom klizanja i broja pari polova se danas ne koristi. Regulacija brzine promenom frekvencije izvora je, sa razvojem energetske elektronike, postala najznačajnija, pri čemu se, kako se ne bi promenilo magnetno zasićenje mašine, često izvodi sa istovremenom promenom napona napajanja (tzv. U/f regulacija, U/f=const).

42 Regulacija brzine obrtanja Prednosti ovog načina regulisanja brzine su u veoma dobrim tehničkim osobinama: zadržava se vrednost maksimalnog momenta, promena brzine je kontinualna i u širokom opsegu, koristi se standardni motor sa kratkospojenim rotorom. Međutim, potreban je dodatni uređaj za obezbeđenje promenljive učestanosti i napona napajanja (pretvarač).

43 Regulacija brzine obrtanja A.C. AM Ispravljač D.C. Invertor A.C. Uobičajena konfiguracija pretvarača

44 Regulacija brzine obrtanja

45 Regulacija brzine obrtanja Pretvarači serije ACS 350 firme ABB

46 Regulacija brzine obrtanja Upotrebom frekventnih pretvarača (AC/AC pretvarača) rešava se i problem prevelikih struja vezan za pokretanja asinhronog motora kao i jednostavna promena smera obrtanja rotora (Svodi se na promenu smera obrtnog polja u statoru. U praksi se promena smera obrtanja rotora postiže i zamenom mesta dva priključna fazna voda).

47 Natpisna pločica 15 kw 2910 o/min Y/ 400/230 V 27,5/48,7 A 50 Hz cosφ=0,9 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).

48 Natpisna pločica U pitanju je mašina naizmenične struje, što se može zaključiti iz činjenice da postoje podaci o frekvenciji (50 Hz) i faktoru snage (cosφ). 15 kw: nazivna (nominalna) snaga mašine (izlazna snaga mašine) 2910 o/min: nazivna brzina obrtanja (na osnovu brzine se može zaključiti da je u pitanju asinhrona mašina jer je brzina obrtanja manja od sinhrone, koja u ovom slučaju iznosi 3000 o/min; mašina ima 1 par polova). Y/ : oznaka sprege (zvezda, trougao); na osnovu toga se može zaključiti da je mašina trofazna, a ne monofazna.

49 Natpisna pločica 400/230 V: napon napajanja (400 V za spregu Y, 230 V za spregu ) 27,5/48,7 A: nazivn struja (27,5 A za spregu Y, 48,7 A za spregu ); u svakom slučaju to je struja kroz dovodne priključke mašine. Ova asinhrona mašina je predviđena za motorski režim rada, (jer je brzina obrtanja manja od sinhrone, a kod generatora mora biti veća od sinhrone) a to se može zaključiti i izračunavanjem električne snage: P el = 3 U I cosϕ = ,5 0,9 = W = 17,127 kw 17,127 kw > 15 kw motorski režim rada

50 Natpisna pločica Stepen iskorišćenja u nazivnom režimu: η n = P P izlazna ulazna = P P Nazivni moment motora: M n = P n ω n n el 15 = 17,127 = 0,88 = 88 % = = 49,2 Nm 2π

51 Natpisna pločica Nazivno klizanje: s n = ns n = 100 = n 3000 s 3 %

52 Primena asinhronih motora Industrija (pumpe, kompresori, mlinovi, mešalice). Transportni sistemi (pokretne trake, dizalice, žičare i ski liftovi, električna vozila). Različite vrste kućnih aparata (veš mašine, kompresori za frižidere, kompresori u klima uređajima).

53 Primena asinhronih motora Električna vozila

54 Primena asinhronih motora Žičare

55 Primena asinhronih motora Pumpe Centrifugalna pumpa

56 Primena asinhronih motora Ventilatori Centrifugalni ventilator

57 Primena asinhronih motora Pokretne trake

58 Primena asinhronih motora Mašine za štampu

59 Primena asinhronih motora Mašine za štampu

60 Primena asinhronih motora Mašina za sečenje papira Električna mašina za sečenje papira, model ZL 1300, snaga motora 5,5 kw

61 Primena asinhronih motora Mašina za sečenje papira Hidraulična mašina za sečenje papira, snaga elektro motora 7 HP

62 Primena asinhronih motora Veš mašina

63 Primena asinhronih motora Kompresori u klima uređajima