ASINKRONI STROJEVI I POGONI

Transcript

1 FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE ASINKRONI STROJEVI I POGONI Izv.prof.dr.sc. Damir Žarko ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2014/2015 Zagreb,

2 Strojevi izmjenične struje Strojevi izmjeničnestruje sedijele na: Sinkrone, Asinkrone i Izmjenične kolektorske (komutatorske). Nikola Tesla je god. patentirao i javnosti prikazao svoj novo izumljeni motor (patentno ime, Electro Magnetic Motor ) u kojemu prvi puta objašnjava stvaranje i primjenu okretnog magnetskog polja. Sinkroni i i asinkroni i električni i strojevi rade na principu i okretnog magnetskog polja. 2

3 Osnovne podjele asinkronih strojeva Prema obliku gibanja Rotirajući(engl. rotating machines), Linearni (engl. linearmachines). Prema izvedbi rotora Asinkroni strojevi s kaveznim rotorom ( engl. squirrel cage rotor induction motors), Asinkroni strojevi s kliznokolutnim (namotanim) rotorom ( engl. wound rotor induction motors or slipring induction motors), Asinkroni strojevi s masivnim rotorom (engl. massive rotor induction motors). Prema broju faza i priključku na izvor napona Trofazni, dvofazni i jednofazni (za male snage). Prema veličini nazivnog napona Visokonaponski (iznad 1000V do V) i niskonaponski (do 1000V). Prema pretvorbi energije Asinkroni motori, Asinkroni generatori. 3

4 Suvremene izvedbe asinkronih strojeva i pogona Današnji asinkroni strojevi se po konstrukciji i tehnologiji bitno razlikuju od strojeva iz vremena Nikole Tesle, Ferarisa i Dobrovoljskog. Princip rada je ostao isti. Neke suvremene industrijske izvedbe kompletnog asinkronog stroja ili njegovih dijelova su prikazani na sljedećim slajdovima. 4

5 Suvremeni asinkroni kavezni motor s aluminijskim kavezom na rotoru PRIKLJUČNA KUTIJA GLAVE NAMOTA VENTILATOR KRATKOSPOJNI PRSTEN OSOVINA (magnetski ili nemagnetski čelik) LEŽAJ STATORSKI PAKET KUĆIŠTE ROTORSKI PAKET 5

6 Rotorski lim asinkronog kaveznog motora a) aluminijski dvokavezni rotor b) bakreni kavez a) b) 6

7 Statorski paket (jezgra) trofaznog asinkronog motora pripremljen za ulaganje namota 7

8 Stator novog asinkronog motora za visoki napon (6 10 kv, 50 Hz) Pogled na glave namota i izvode do priključne kutije 8

9 Ulaganje namota u statorski paket trofaznog asinkronog motora (400 V, 50 Hz) 9

10 Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora u fazi završne izrade (motor za električnu vuču) 10

11 Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora opće namjene nakon završne obrade 11

12 Rotor trofaznog asinkronog motora s kliznim kolutima Klizni koluti 12

13 Neke tipične primjene asinkronih strojeva 13

14 Strojarnica u TE TO Osijek Jednu fotografiju motora iz termoelektrane Napojna kotlovska pumpa Pogonski elektromotor lk 14

15 Motori naftovodnih pumpi u terminalu Omišalj, 6000 V, 50 Hz (Protueksplozijska zaštita oklapanjem) Naftovodni terminal Omišalj 15

16 Asinkroni motori povećane sigurnosti, Terminal Sisak 1900 kw, 6000 V, 50 Hz, 2p=2 Terminal Sisak 16

17 Elektromotorni pogon procesne pumpe, motor 1800 kw, 2p=2, frekvencijski reguliran Pumpa Motor Spojka Turbina 17

18 Asinkroni motor 350 kw, 2p=2, 400V, za pogon vijčanog kompresora na plinskoj bušotini 18

19 Električna vuča pogon tramvaja TMK2200 Pogonski asinkroni motor Snaga: 85 kw Napon: 400 V Brzina vrtnje pri 400 V: 2125 min 1 Nazivna struja: 150 A Maksimalna struja: 300 A Maksimalna brzina: 4580 min 1 Klasa izolacije: 200 Mehanička zaštita: IP 20 Hlađenje: IC01 Masa: 350 kg Standard: IEC

20 Dvostrano napajani asinkroni generator (DFIG) vjetroagregata promjenljive brzine vrtnje Mreža Multiplikator Asinkroni generator Turbina Elektronički učinski pretvarač 20

21 Okretno magnetsko polje (1) Da bi se stvorilo bilo kakvo okretno magnetsko polje moraju postojati na statoru barem dva namota, pomaknuta međusobno prostorno za neki kut, a struje koje u njima teku moraju međusobno biti fazno pomaknute za neki kut. Ako su prostorni pomaci između potpuno simetričnih faznih namota jednaki vremenskim pomacima između potpuno simetričnih faznih struja koje kroz njih teku, stvarat će se simetrično (kružno) okretno magnetsko polje. Ako postoje prostorni pomaci između namota i vremenski pomaci između struja, stvarat će se okretna protjecanja koja nisu simetrična (kružna) nego su nesimetrična (eliptična). Da li će motor raditi kao sinkroni ili asinkroni zavisi o tome kako mu je izveden rotor. Statori sinkronog i asinkronog motora se ne razlikuje. U njemu struje trebajustvoriti t okretno magnetsko tk polje. 21

22 Okretno magnetsko polje (2) Okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanima izmjeničnim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje: n s 60 f p s,o/min gdje je f s frekvencija struja, a p broj pari polova motora. Okretno magnetsko polje inducira u vodičima rotora napone koji kroz namot rotora protjeraju struje. Interakcijom struja rotora i okretnog mag. polja stvara se sila na vodiče rotorakoja zakreće rotorusmjeru vrtnje okretnogpolja. Ako je moment svih sila na vodiče rotora veći od momenta otpora vrtnji, rotor će se vrtjeti brzinom koja je uvijek različita od brzine vrtnje okretnog polja, te se zbog toga motor zove asinkroni*. *asinkrono koje nije sinkrono, nije istovremeno sinkrono kojejesnečim ili nekim sinkrono, istovremeno 22

23 Pojam klizanja asinkronog stroja (1) Okretno polje se vrti u odnosu na stator sinkronom brzinom n s = 60f/p, o/min Rotor se vrti brzinom vrtnje n, o/min Razlika brzine vrtnje rotora (mehaničke brzine) i brzine vrtnje okretnog polja naziva se klizanje i računa se prema izrazu: n s n s n s 23

24 Pojam klizanja asinkronog stroja (2) Brzina vrtnje rotora je nakon definicije klizanja s: 60 f n n (1 s ) s (1 s ) s p Brzina vrtnje rotora može teoretski biti bilo koja vrijednost, pa odnosi između nje i klizanja s izgledaju kao na slici. rotor se vrti sinkronom brzinom s = 0 dok rotor stoji (zakočen) s = 1 brzina vrtnje rotora manja od sinkrone s >0 rotor se vrti brže od okretnog polja s < 0 rotor se vrti u suprotnom smjeru (n<0) od okretnog polja s > 1 24

25 Pojam klizanja asinkronog stroja (3) Klizanje u tehnički prihvatljivim iznosima mora biti sasvim mala veličina (zbog utjecaja na gubitke energije) te se zbog n toga n iskazuje u postocima. s s[%] 100% n s Klizanje se obično kreće između 0.1i5%.Veća vrijednost odnosi se na motore manjih snaga (do oko 1 kw). Primjer iz kataloga: Motor snage 180 W, 400 V, 50 HZ, 2p = 2 ima brzinu vrtnje pri nazivnom opterećenju 2900 o/min. Klizanje je n n s s 100 3,33% n s 3000 Motor snage 1 MW, 10 kv, 50 Hz, 2p = 4, nazivna brzina vrtnje n = 1491 o/min s n s n ,6% ns

26 Rotorski napon Dok rotor miruje (s=1) u njemu okretno polje inducira napon E r0. Nakon što se rotor počne vrtjeti, mijenja j se relativna brzina okretnog polja statora prema rotoru, a napon E r se mijenja prema izrazu: E r = E r0 s Pi Pri relativnoj lti jbrzini i 0, tj. zas=0, nemanapona urotoru, nema struje, sile ni momenta pa motor ne može raditi pri tom klizanju. Samo pri različitim brzinama vrtnje okretnog polja i rotora postoji inducirani napon, struje u rotoru i elektromagnetski moment. Zbog toga je naziv asinkroni motor. 26

27 Frekvencija rotorskih struja Inducirani napon i struja rotora imaju frekvenciju f r pn ( s n ) 60 s f s Ovu frekvenciju nazivamo frekvencija klizanja. Teoretski ona može imati i bilo koju vrijednost. f r f s 1 0 n s n 27

28 Elektromehanička pretvorba energije posredstvom okretnih magnetskih polja Za elektromehaničku pretvorbu energije posredstvom magnetskih polja neophodno je da se statorsko i rotorsko magnetsko polje vrte istom brzinom, odnosno da im relativna brzina bude jednaka nuli. Ukupna brzina vrtnje rotorskog polja u odnosu na jednu fiksnu točku statora je zbroj brzine okretnog polja rotora u odnosu na rotor n 0r i brzine rotora n u odnosu na jednu fiksnu točku statora n+n 0r = n s Kod sinkronog stroja narotoru je istosmjerna uzbudna struja ili su trajni magneti; nema okretnog polja rotorskih struja u odnosu na rotor koji se zbog toga mora vrtjeti sinkronom brzinom vrtnje statorskog polja. Kod asinkronog stroja pretvorba je uvijek moguća osim pri vrtnji rotora sinkronom brzinomstatorskogpoljakada jeklizanje jednakonuli. Asinkroni stroj je pri tome prirodno puno prihvatljiviji za primjenu od sinkronog jer su na raspolaganju velike mogućnosti promjena rotorske brzine vrtnje i frekvencije. 28

29 Odnosi brzina vrtnje u asinkronom stroju n s brzina vrtnje statorskog okretnog polja u odnosu na stator n brzina vrtnje rotora u odnosu na stator n 0r brzina vrtnje rotorskog okretnog polja u odnosu na rotor n + n 0r = n s 29

30 Osnovne jednadžbe asinkronog motora Naponska jednadžba statora uas Rs 0 0ias as d u 0 R 0 i bs s bs dt bs u 0 0 cs Rs ics cs Osnovni dvopolni prikaz asinkronog motora R otpor namota ulančeni č tok namota Naponska jednadžba rotora uar Rr 0 0iar ar d ubr 0 Rr 0 ibr br dt u 0 0 cr Rr icr cr 30

31 Osnovne jednadžbe asinkronog motora Ulančeni tokovi statora as Lasas L s Lasbs Lascs ias Lasar r Lasbr r Lascr r iar bs Lbsas Lbsbs L s Lbscs ibs Lbsar r Lbsbr r Lbscr r ibr cs Lcsas Lcsbs Lcscs L s ics Lcsar r Lcsbr r Lcscr r icr Ulančeni tokovi rotora ar Laras r Larbs r Larcs r ias Larar L r Larbr Larcr iar br Lbras r Lbrbs r Lbrcs r ibs Lbrar Lbrbr L r Lbrcr ibr L L L i L L L L i cr cras r crbs r crcs r cs crar crbr crcr r cr L asbs međuinduktivitet (as namot koji ulančuje tok, bs namot koji pobuđuje tok) L rasipni tok namota 31

32 Jednadžbe asinkronog motora u stacionarnom stanju Primjenom kompleksnih vektora šest naponskih jednadžbi statora i rotora reduciraju se na samo dvije jednadžbe. Ustacionarnomstanjubrzinavrtnjejekonstantnapasevektorskejednadžbe mogu zamijeniti fazorskima. U fazorskoj domeni naponske jednadžbe statora i rotora glase: U R j L I j L I I s s s s s s m s r U R j L I j L I I r r s r r s m s r ω električna lktič kutna brzina vrtnje rotora (ω = pω m ) ω m mehanička kutna brzine vrtnje rotora Rotorska jednadžba se množi s 1 s s s (s je klizanje). 3 Lm Lxsxs, xa, bili c 2 s 2 fs Nf s ns U r Ur Nf r nr mr Nrfnr I r Ir m N f s s ns m 2 s Nsfns R r R mr Nrfnr U r R 2 r L I L I I m N f j s r r j s m s r s s ns L s s r L r m N f r r nr r 32

33 Nadomjesna električna shema asinkronog stroja U R jx I jx I I s s s s m s r U r s R r jx r Ir jxm Is Ir s X m = L m ω s X σs = L σs ω s X' σr = L' σr ω s R s i X σs statorski otpor i rasipna reaktancija X m reaktancija magnetiziranja (predstavlja ulančeni magnetski tok stator rotor) R' r i X' σr rotorski otpor i rasipna reaktancija preračunati na statorsku stranu E s inducirani fazni napon statora E' r0 inducirani fazni napon rotora u mirovanju preračunat na statorsku stranu U' r /s rotorski napon na kliznimi kl kolutima u ovisnosti io klizanjupreračunat č na statorskustranu 33

34 Nadomjesna električna shema asinkronog stroja Slično transformatoru, asinkroni motor možemo prikazati električnom nadomjesnom shemom (modelom). Na slici je shema za kavezni motor. Da bi se uzeli u obzir gubici u željezu statora, u shemu se dodaje član R 0 koji predstavlja nadomjesni otpor zbog gubitaka u željezu. Referentni smjer struje I r se može odabrati proizvoljno. Kada je rotor kratko spojen, obično se uzima smjer struje rotora kao na slici. Struje, snage i momente možemo računati primjenom nadomjesne sheme za bilo koje stacionarno pogonsko stanje. 34

35 Inducirani napon u asinkronom stroju Asinkroni stroj u mirovanju (s = 1) možemo razmatrati i koristiti kao specijalnu izvedbu transformatora (zakretni transformator): E 0 N f f E N f f r r nr r s s ns s Zbog jednakosti frekvencija statora i rotora u mirovanju (f r = f s )vrijedi E N f N f N f N f E E E E N f N f N f N f r 0 r nr Er0 s ns r0 s ns s r nr s s s ns r nr r nr s ns E s napon faze statora E r0 napon faze rotora u mirovanju E' 0 napon faze rotora u mirovanju preračunat na statorsku stranu E r0 N r i N s brojevi zavoja po fazi statorskog i rotorskog namota f ns i f nr faktori namota statora i rotora Za kavezni rotor faktor namota je 1, a broj zavoja po fazi je1/2. 35

36 Rotorska struja Struju u rotoru određuju inducirani napon E r i impedancija rotora Z r U mirovanju je f r = f S s = 1 I r s Er se r0 Z R X s 2 r 2 r r() E r = E r0 X σr0 =2f rl σr =2f s L σr X r0 rasipna reaktancija rotora u mirovanju UvrtnjijeE r = se r0 X σr (s) = 2f s s L σr = s X σr0 Stoga je ser0 Er0 Ir () s Rr ( sx r0) Rr s X 2 r0 Za s =0,strujaI r (s)=0. 36

37 Rotorski strujni krug asinkronog stroja preračunat na statorsku stranu R r 1 s s 1 s Rr s Nf s E r0 Er0 Nf r ns nr IX I m N f X m N f IX N f r r nr s s ns s ns r r r r r r ms Nf s ns mr Nf r nr Nf r nr R r mr Nf r nr Rr m Nf Rr Nf I r Ir Ir s m N f s m N f s N f 2 2 s s ns s ns s s ns r r nr r nr R' r otpor rotora preračunat na statorsku stranu 1 s Rr s ekvivalent mehaničkog rada X' r rasipna reaktancija rotora preračunata na statorsku stranu X' r = L' r s 37

38 Rotorska struja u ovisnosti o klizanju I kr struja uz zakočeni rotor I nr nazivna struja 38

39 Energetska bilanca asinkronog stroja Prema nadomjesnoj shemi za stacionarno stanje: Iz mreže motor uzima P s = P 1 = m s U s I s cos s m s i m r broj faza statora i rotora s faznipomakstrujeinaponastatora Na radnom otporu statora se troši snaga P 2 sel = m s I s R s Uželjezustatora(naR 0 ) se troši snaga P sfe = m s E s2 / R 0 = m s I 0r2 R 0 Snaga okretnog mag. polja P okr = P s P sel P sfe P okr = m r I r2 R r /s = m r I r2 R r + m r I r2 R r (1 s)/s =m s I r2 R r /s = m s I r2 R r + m s I r2 R r (1 s)/s 39

40 Energetska bilanca asinkronog stroja Gubici u željezu rotora se mogu zanemariti zbog male frekvencije u rotoru f r <<. Stoga je P okr = P rel + P meh snaga okretnog polja P I' rel = m r I 2 r R r = m s 2 r R' r gubici u namotu rotora P meh = m r I 2 r R r (1 s)/s = m s I' 2 r R' r (1 s)/s razvijena mehanička snaga Odnos električnih lktič ih gubitaka u rotoru i razvijene mehaničke snage je 2 2 Prel mr Ir Rr ms Ir Rr s = = P 2 1 s 2 1 s meh mi 1 s r r Rr mi s r Rr s s P rel = sp okr P meh = (1 s)p okr Električnigubici u rotoru su izravnoproporcionalni klizanju, stoga klizanjemorabiti što manje za prihvatljivu korisnost pretvorbe energije. Klizanje je obično (0,5 5 %). Na primjer mali motori < 20 kw s =3 5% srednji motori < 500 kw s = 1 1,5% veliki motori > 1000 kw s = 0,5 1% 40

41 Tok snage i gubici asinkronog motora (bilanca snage) P 2 jemehanička snaga na osovini motora, korisnost motora 2 P1 P 2 41

42 Radna, jalova i prividna snaga Za stvaranje okretnog mag. polja asinkroni stroj uzima iz mreže jalovu (reaktivnu) snagu Q s = m s U s I s sin s Prividna snaga motora uzeta iz mreže je S = P s +jq s = m s (U s I s cos s +ju s I s sin s ) Motor je uvijek definiran radnom snagom na osovini. To je njegova nazivna snaga P 2. Ako stroj radi u generatorskom režimu rada (s<0), itadamuje potrebna jalova snaga iz mreže ili kondenzatorske baterije. Primjer nazivnih podataka motora: Proizvođač: đ č XXYY Asinkroni trofazni motor, snaga 1000 kw, napon 6000 V, 50 Hz, nazivna struja 115 A, cos = 0,88, brzina vrtnje 1485 o/min, godina proizvodnje

43 Momentna karakteristika asinkronog motora U nadomjesnoj shemi promatrajmo samo rotorski krug (zanemarena impedancija statora) 2 2 P2 Ptr, v Pmeh (1 s ) Pokr Pokr mir rr r ms Ir Rr M (1 s) s s sm m m sm sm sm sm 2 r r0 Rr 2 r 2 X r0 2 m 30 rer0 R me r 1 2 R s r 2 R s X r0 ns s s 2 30mE s r0 Rr 1,Nm 2 R s r 2 n s X r s m mehanička kutna brzina vrtnje rotora sm mehanička kutna brzina vrtnje okretnog polja Zanemarili smo u nadomjesnoj shemi statorsku impedanciju Z s = R s +jx σs. Razvijeni moment je ovisan samo o klizanju uz ostale parametre sheme pretpostavljene nepromjenljivima. Ako se uzme potpuna nadomjesna shema, dobiju se točniji izrazi za moment, kako slijedi: 43

44 Točniji izraz za elektromagnetski moment Struja rotora preračunata na statorsku stranu Us I r 2 R r R 1 X 1X s X s 1 1 s s r X m faktor rasipanja Električna snaga pretvorena u mehanički rad je P meh, a razvijeni elektromagnetski moment 2 2 P meh ms Ir Rr ms Us Rr' M 2 m sm s sm R 2 s r R s 1 X s 1Xr s 2 pm s U s R r 2 s R 2 s r R s 1 X s 1Xr s s električna kutna brzina vrtnje okretnog polja 2 44

45 Momentna karakteristika Grafički, momentna karakteristika najčešće se crta samo za motorski rad i označava prema slici. Na momentnoj karakteristici ključne su 3 točke: s = 1, n = 0 potezni moment ili moment kratkog spoja (pokretanja) s = s n n,, n = n n nazivni moment s = s max, n = n max maksimalni moment 45

46 Momentna karakteristika pri svim brzinama vrtnje Bitno je istaknuti da je moment pri svakoj brzini ovisan o kvadratu narinutog napona: M = f (U 2 ) Općenito momentna karakteristika izgleda prema slici. Na njoj su karakteristična područja: od s = 1 do s = 0 motorsko područje rada, energija se uzima iz mreže, za s 0 generatorski rad, energija se vraća u mrežu za s 1 protustrujno kočenje, energija se uzima iz mreže i kinetička energija radnih mehanizama koči rotor i predaje mu energiju 46

47 Maksimalni ili prekretni moment Za primjene je važan maksimalni ili prekretni moment motora. Derivacijomizrazazamomentnaslajdu52iizjednačavanjem s nulom dobije se klizanje s max kodkojeg motor razvijanajveći j moment (maksimalni iiliili prekretni moment). dm ds 0 Iz slijedi s max 2 R X 1 X 1R r s s r 2 i uvrštenjem u izraz za moment dobiva se M max mu 2 1 R R X 1X 2 sm s s s r s 2 s 2 Predznak (+) je za motorski rad, a ( ) za generatorski rad. 47

48 Klossove formule U praksi koristimo analitičke izraze za momentnu karakteristiku poznate kao Klossove formule. Dobijemo ih ako se izraz za moment podijeli s izrazom za maksimalni moment u obliku M M max s s max 2 smax s 2R s R X X 2 s s 1 r 2 Zamanje točnač računanjač može seprimijeniti ij itipojednostavljena jd Klossova formula dobivena zanemarenjem statorske impedancije u obliku M M max s s max 2 s s max 48

49 Momentna karakteristika motora i tereta Primjer: Mehanička karakteristika asinkronog motora i centrifugalnog ventilatora, pogonska radna točka centrifuga galni ventilator M n nazivni moment M k moment kratkog spoja M max maksimalni moment 49

50 Moment i struja u zaletu asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stacionarno stanje) Kod asinkronog motora problem su velike struje pri pokretanju motora. I M I n M n ,2 0,4 0,6 0,8 1 n n s 0 50

51 Moment, struja i brzina vrtnje u zaletu asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamičko stanje) romagnetski mom ment, Nm Elekt Brzina vrtnje, o/min A Struja statora, Vrijeme, ms Brz zina vrtnje, o/m min Vij Vrijeme, ms 51

52 Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora 52

53 Različiti oblici momentne karakteristike trofaznih asinkronih motora Oblik momentne karakteristike ovisi o odnosima induktivnih i radnih otpora. Konstrukcijom rotorskog utora se utječe na oblik momentne karakteristike. 53

54 Kružni dijagram asinkronog stroja Crtanjem kružnog dijagrama na osnovi nadomjesne sheme motora se grafički dobivaju podaci o radnim karakteristikama stroja. Primjena kružnih dijagrama nije aktualna nakon što su se pojavile mogućnosti brzog analitičkog računanja svih karakteristika motora prema nadomjesnoj shemi pomoćuračunala. Detalji o kružnim dijagramima u knjizi R. Wolf: Osnove električnih strojeva, str

55 Pogonska stanja asinkronog stroja Prazni hod motora na osovini nema opterećenja, klizanje s<<, R r /s >>, struja praznog hoda I 0 mala (10 25 % nazivne) Kratki spoj motora rotor zakočen (miruje), klizanje s =1,Z k prema shemi, struja kratkogk spoja I k vrlo velika (5 8 puta većaodnazivne) Opterećenje na osovini klizanje malo (1 5 %), struja iz mreže ovisna o opterećenju ć 55

56 Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u praznom hodu R s I s0 ji s0 X s jx s R s U S I s0 R 0 E s I s0 jx m E s U S I r I I s 0 0 I 0r I 0 I s0 I 0r I Za računanje se može zanemariti rotorski dio nadomjesne sheme zbog I r << 56

57 Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u kratkom spoju jx s R jx S r R r I k U S U S U kratkom spoju možemo zanemariti poprečnu granu nadomjesne sheme i struju računati prema izrazu I k U s 2 2 s r s r ( R R ) ( X X ) k I k 57

58 Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u stacionarnom stanju U S ji s X s jxσs R s jx σs R r s R S I S ji r X r U S I S R 0 E s I 0 jx μ I r E s R r I r s I r I S I 0r I I 0 I 0 I I 0r 58

59 Radne karakteristike asinkronog motora s, % 10 cos I s I sn 1,0 I s I sn cos 5 0,5 s ,5 1,0 P P n 59

60 Promjena smjera vrtnje asinkronog motora (reverziranje) K1 K2 L1 L2 L3 Smjer vrtnje okretnog polja određen je redoslijedom faza. Želimo li ga promijeniti, dovoljno je međusobno zamijeniti priključke 2 od 3 fazna namota trofaznog motora. To se obično radi primjenom kontaktora (sklopnika) i tipkala. U V W U, V i W oznake stezaljki motora L1, L2 i L3 oznake faza mreže K1 i K2 kontaktori (sklopnici) M ~ 60

61 Momentna karakteristika asinkronog motora u procesu reverziranja (promjene smjera vrtnje) 1 Motor kreće iz mirovanja (s=1) 2 Motor se zalijeće do približno sinkrone brzine vrtnje (s<<) 3 Uz beznaponsku pauzu vrši se zamjena redoslijeda faza, motor prelazi u protustrujno kočenje (s=2) 4 Motor koči do brzine 0 (s=1) 5 Motor se zalijeće do približno sinkrone brzine vrtnje u suprotnom smjeru (s<<) 61

62 Moment, struja i brzina vrtnje tijekom reverziranja asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamičko stanje) ment, Nm romagnetski mo Elekt Brzina vrtnje, o/min A Struja statora, Vrijeme, ms Brz zina vrtnje, o/ /min Vrijeme, ms 62

63 Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora 63

64 Problemi i tehnike pokretanja asinkronih motora 1. Problemi kod pokretanja asinkronih motora Velike struje pokretanja, obično 5 8 puta veće od nazivnih, Preveliki ili nedovoljno veliki momenti pokretanja ( nedovoljno veliki momenti ubrzavanja), Predugo trajanje zaleta motora i pogona 2. Tehnike pokretanja Najčešće primjenjivane j etehnike esu: Pokretanje direktnim priključkom na mrežu, Pokretanje zvijezda trokut preklopkom, Pokretanjepreko autotransformatora, Pokretanje soft start uređajem, Pokretanje pomoću elektroničkog energetskog pretvarača, Pokretanjepreko hidrauličnih zaletnih spojnica. Sve se tehnike svode na to da se izvrši uspješan zalet motora i pogona uz što manje struje zaleta i što kraće trajanje zaleta. Utjecaj na mrežu mora biti u prihvatljivim granicama. 64

65 Pokretanje kaveznog asinkronog motora direktnim priključkom na mrežu M, Nm Moment motora i moment tereta I, A Statorska struja Moment tereta n, o/min n, o/min Zbog velikih struja pokretanja koje prave probleme u električnoj mreži (padovi napona i preopterećenja sklopnih aparata) koriste se različite tehnike pokretanja. Direktni start Pokretanje zvijezda trokut Pokretanje autotransformatorom Pokretanje soft start uređajem Shema Nastavi prez. 65

66 Spojna shema za pokretanje kaveznog asinkronog motora direktnim priključkom na mrežu osigurači sklopnik bimetal Povratak 66

67 Pokretanje kaveznog asinkronog motora preklopkom zvijezda trokut M, Nm I, A Moment Δ Struja Δ Moment Y Struja Y n,, o/min n,, o/min 2 U NAMOTU PREMA MREŽI M Y U SY 1 I SY 1 ISY 1 M U S 3 I 3 I 3 Direktni start Pokretanje zvijezda trokut Pokretanje autotransformatorom S I Shema Pokretanje soft start uređajem Nastavi prez. 67

68 Shema spoja za priključak kaveznog asinkronog motora na mrežu preklopkom zvijezda trokut L1 U1 W2 L2 L3 U2 V1 W1 V2 Povratak 68

69 Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom M, Nm I, A n, o/min n, o/min Direktni i start Pokretanje zvijezda trokut Pokretanje autotransformatorom Pokretanje soft start uređajem Shema Nastavi prez. 69

70 Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom Potrebna su tri prekidača i autotransformator. Struja pokretanja se prilagodi mogućnostima mreže. Pokretanje: zatvoreni prekidači(sklopke) Ai B Normalni pogon: zatvoreni prekidači A i C. L1 L2 L3 A C Povratak B AM 70

71 Soft start ili lagano pokretanje M, Nm 800 I, A I n n, o/min n, o/min U/U n 1 Pokretanje soft start uređajem 0,5 U U st t Shema Direktni start Pokretanje zvijezda trokut Pokretanje autotransformatorom Nastavi prez. 71

72 Pokretanje kaveznog asinkronog motora preko soft start uređaja Soft starter je elektronički uređaj kojim se može regulirati napon statora motora da se smanji struja pokretanja na neki dozvoljeni iznos iznos. Povratak Priključak na mrežu sa soft start uređajem Soft start uređaj s bajpas sklopnikom Valni oblici napona i struje statora 72

73 Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm I, A n, o/min R d = 0 R d = Rad1 R d = Rad1+Rad2 R d = Rad1+Rad2+Rad n, o/min Nastavi prezentaciju 73

74 Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm n, n, o/min I, A R d = 0 R d = Rad1 R d = Rad1+Rad2 R d = Rad1+Rad2+Rad n, o/min Nastavi prezentaciju 74

75 Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm n, o/min I, A R d = 0 R d = Rad1 R d = Rad1+Rad2 R d = Rad1+Rad2+Rad n, o/min Nastavi prezentaciju 75

76 Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm n, o/min I [A] R d = 0 R d = Rad1 R d = Rad1+Rad2 R d = Rad1+Rad2+Rad n, o/min Nastavi prezentaciju 76

77 Elektromotorni pogon sustav za pretvorbe električne u mehaničku energiju 77

78 Regulacija brzine vrtnje asinkronog motora Brzina vrtnje motora je određena izrazom 60 f s n ns(1 s) (1 s ) p i ona se može regulirati (namještati) promjenom frekvencije f s,brojaparipolova p i promjenom klizanja s. Mijenjanje brzine promjenom broja pari polova je moguće samo u grubim iznosima. Npr. za f s =50Hzvrijedi p = 1, sinkrona brzina je 3000 o/min p =2, sinkrona abrzinaje 1500 o/min p = 3, sinkrona brzina je 1000 o/min Često se koristi u praksi i to najčešće u stroju za pranje rublja. Motor sadrži dva namota, npr. jedan ima 2p =2,adrugi 2p =12ili 14. Vrlo jejednostavno i, za primjenuudomaćinstvu, prihvatljivo tehničko rješenje. 78

79 Regulacije u elektromotornim pogonima Općenito može biti potrebno da se u nekom elektromotornom pogonu regulira: brzina vrtnje radnih mehanizama, moment, položaj j(pozicija). Najčešće se regulira brzina vrtnje. Da li će se regulirati brzina zbog ušteda energije, ovisi o tehničkoekonomskim uvjetima (cijena energije, gj vremenski rok za povrat investicije). 79

80 Što znači regulirati brzinu vrtnje motora? Prema slici, radna točka EMP pogona u stacionarnom stanju je određena sjecištem karakteristike momenta motora i karakteristike momenta opterećenja M m = M t. Regulirati brzinu vrtnje znači mijenjati j momentnu karakteristiku M m u M' m tako da njeno sjecište s karakteristikom tereta bude pri željenoj brzini vrtnje n'. Prema slici momentnu karakteristiku M m smo promijenili tako da smo promijenili sinkronu brzinu vrtnje motora n s u n' s mijenjajući frekvenciju struja koje teku kroz namote statora. n s 60 fs 60 fs n s p p 80

81 Regulacija brzine vrtnje preklapanjem polova Preklapanje polova se može ostvariti sa dva ili više galvanski odvojenih namota u motoru ili jednim namotom izvedenim iz dva jednaka dijela koji se prespajaju prema Dahlanderovom principu. Prespajanjem prema Dahlanderu može se dobiti omjer brzina 1:2. M 2p = 2 2p = 4 M t 0 n 2 n s2 n s1 n 1 n 81

82 Regulacija brzine vrtnje promjenom narinutog napona Promjenom napona uz fiksnu frekvenciju momentna karakteristika motora se mijenja prema M m = f(u 2 ). Svakom naponu odgovara druga karakteristika, a budući da je karakteristika momenta tereta jedna i zadana vrstom tereta, radna točka će biti određena karakteristikom motora. Suvremena tehnologija (poluvodička energetska elektronika) omogućava regulaciju napona uvrloširokim granicama. Energetski gledano, ovakva regulacija nije optimalna jer su gubici energije neizbježni. 82

83 Regulacija brzine promjenom napona i frekvencije Brzina vrtnje je direktno proporcionalna frekvenciji n 60 f s (1 s ), p ali se u motoru zbog promjene frekvencije događaju i promjene magnetskog toka (indukcija) što utječe na promjene razvijenog momenta. U E 444 4,44 Nf BS s s s Promjenimo li frekvenciju f s ne mijenjajući napon, doći će do promjene indukcije B odnosno magnetskog toka Φ. Povećanje B nije dozvoljeno zbog zasićenja magnetskog kruga, a smanjenjem Φ (pri povećanju f s ) smanjuje se moment motora što opet nije dozvoljeno. Zbogtoga se regulira po zakonu U f s s Es konst. f s 83

84 Principna shema spoja asinkronog motora i elektroničkog energetskog pretvarača na izmjeničnu mrežu 84

85 Tipična struktura pretvarača za asinkroni motor Diodni Ispravljač Istosmjerni međukrug Izmjenjivač Mrežni priključak L1 L2 L3 U G+ U DC R C DC T1 T3 T5 Priključak motora U V Motor W T4 T6 T2 U G- Mjerenje struje 85

86 Skalarna regulacija Istovremeno treba mijenjati napon i frekvenciju. Pri takvoj promjeni, koja se zove skalarna regulacija, momentne karakteristike izgledaju prema slici. 86

87 Promjena napona i frekvencije pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora U S U n konstantan tok slabljenje polja 0 f n Frekvencija f max f 87

88 Momentne karakteristike pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora Frekvencija f 1 jeosnovnafrekvencijazakojujegrađen motor. Smanjivanje frekvencije f 1 daje karakteristiku U 21 /f 21 =konst., tj. smanjeni su napon i frekvencija u odnosu na U 1 /f 1 =konst. Povećanje frekvencije f 1 na f 2 nije moguće pozakonuu/f=konst. jer je napon za određeni motor određen gornjom granicom U=U n. Zbog povećanja frekvencije f 1 na f 2, a nepromijenjenog napona, smanjen je magnetski tok u motoru i razvijeni moment. To je tzv. područje slabljenja magnetskog toka. 88

89 Ovisnost momenta motora o frekvenciji i načinu hlađenja pri skalarnoj regulaciji 89

90 Dozvoljene veličine struje pri kratkotrajnom i trajnom pogonu reguliranog motora 90

91 Regulirani ili neregulirani elektromotorni pogon? Osnovna zadaća ć reguliranog EMP a je upravljanje j tokom energije koja ide iz mreže (izvora) u proces i obratno. Regulirati se može brzina, moment ili pozicija. Zašto odabrati regulirani pogon ili zamijeniti postojeći neregulirani reguliranim? Zbog zahtjeva tehnološkog procesa (automatizacija,..), Zbog zaštite mreže, motora i radnih mehanizama, Zbog smanjenja j potrošnje (ušteda) električne lktič energije. 91

92 Regulacija pogona zbog ušteda energije Najveće uštede električne energije mogu se postići reguliranim pogonom centrifugalnih pumpi, p, ventilatora i kompresora koji su podopterećeni u normalnom pogonskom stanju i koji su godišnje relativno dugo vremena u pogonu. U tehnički razvijenom svijetu prevladava tendencija primjene novih reguliranih pogona i zamjena postojećih nereguliranih reguliranima. 92

93 Regulacija protoka nekog medija U nereguliranim elektromotornim pogonima protok medija Q (m 3 /s) se može regulirati nekim od načina prigušenja prema sl. 1, a u reguliranim prema sl. 2 tako da se brzinom vrtnje motora regulira brzina vrtnje pumpe, o kojoj ovisi veličina protoka i korisnosti pumpe. n konst. Sl.1. EMP bez mogućnosti regulacije brzine vrtnje elektromotora, protok se regulira prigušenjem na ulazu u spremnik medija 93

94 Regulacija protoka medija promjenom brzine vrtnje elektromotora i pumpe Mreža, U 1, f 1 U 1, f 1 ~ U 2, f 2 pretvarač y ~ Regulator w x M n regulirana izlaz El. motor pumpa spremnik ulaz Sl. 2. Regulirani elektromotorni pogon,,protok se regulira brzinom vrtnje motora odnosno pumpe (zbog ušteda energije) 94

95 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm Hz U/f = const. U = var, f = const 60 f = 50 Hz 40 f = 30 Hz 20 f = 15 Hz n, o/min Nastavi prezentaciju M = 40 Nm n = 1383 o/min 95

96 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm Hz 50 Hz U/f = const. U = var, f = const 60 f = 50 Hz 40 f = 30 Hz 20 f = 15 Hz n, o/min Nastavi prezentaciju M = 28,0 Nm n = 820 o/min 96

97 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm Hz 50 Hz U/f = const. U = var, f = const 60 f = 50 Hz Hz f = 30 Hz f = 15 Hz n, o/min Nastavi prezentaciju M = 21 Nm n = 395 min 1 97

98 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 160 U/f = const. U = var, f = const 120 U = 400 V 80 U = 300 V 40 U = 200 V n, o/min Nastavi prezentaciju M = 80 Nm n = 923 o/min 98

99 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 160 U/f = const. U = var, f = const 120 U = 400 V 80 U = 300 V 40 U = 200 V n, o/min Nastavi prezentaciju M = 50 Nm n = 910 o/min 99

100 Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M,Nm 160 U/f = const. U = var, f = const 120 U = 400 V 80 U = 300 V 40 U = 200 V n,o/min Nastavi prezentaciju M = 38 Nm n = 780 o/min 100

101 JEDNOFAZNI ASINKRONI MOTOR 101

102 Jednofazni asinkroni motor To je obično kavezni motor koji ima samo jedan namot na statoru te se priključuje na jednofazni izmjenični namot. U I Dok rotor miruje, njegovo je klizanje prema direktnom i inverznom protjecanju j stvorenima strujom namota statora jednako s d = s i =1. Okretna protjecanja Θ d i Θ i imaju jednake amplitude i brzine vrtnje, ali se vrte u suprotnom smjeru. 102

103 Momentna karakteristika jednofaznog asinkronog motora Strujeimomentisujednakizadirektniiinverznisistemdokrotormiruje(s=1), iz čega slijedi da je ukupni moment jednak nuli. Motor ne može krenuti iz mirovanja! M M d M d + M i n si M i 0 n sd n M d moment direktnog protjecanja M i moment inverznog protjecanja M d + M i ukupni moment jednofaznog motora Čim se motor pokrene iz mirovanja prevladava jedno okretno polje i motor razvija moment kojim može savladati teret i nastaviti vrtnju. 103

104 Jednofazni motor s pomoćnom fazom za zalet Problem poteznog momenta jednofaznog motora rješava se ugradnjom pomoćne faze za zalet koja je prostorno pomaknuta prema tzv. glavnoj fazi za neki kut, a fazni pomaci struja kroz fazne namote ostvaruju se dodavanjem kondenzatora, otpornika ili prigušnice (induktiviteta) u pomoćnu fazu. Tako se dobije jednofazni motor s pomoćnom fazom za zalet simbolički prikazan na slici. L 1 N I p I g C g I m p rotor Važno je postići što veći fazni pomak struja glavne I g i pomoćne I p faze. Fazorski dijagram kondenzatorskog motora 104

105 Reverziranje (promjena smjera vrtnje) motora s pomoćnom fazom Struja u namotu svake faze stvara svoje pulsirajuće protjecanje koje možemo prikazati s dva okretna protjecanja Θ d i Θ i. Kako znamo iz teorije okretnog polja, os okretnog protjecanja se nalazi u osi namota određene faze u trenutku kada struja tog namota prolazi kroz maksimum, a iznos tog protjecanja je Θ d = Θ i = Θ 1 /2. Struja u fazi u kojoj je kondenzator je prošla svoj maksimum prije faze u kojoj nije kondenzator za kut = gl + p. 105

106 Smjer vrtnje i reverziranje motora s pomoćnom fazom Direktno protjecanje je veće od inverznog pa se rotor vrti u smjeru toga rezultirajućeg protjecanja Θ d. Rezultantno okretno magnetsko polje vrti se uvijek u smjeru od faze u kojoj struja prethodi naponu prema fazi u kojoj struja zaostaje. Iz toga se može zaključiti i na koji se način može reverzirati kondenzatorski motor. ota glavne faze d Os nam gd f gd gi I g g i pd I p p gi Os namota pomoćne faze pi 106

107 Spojna shema za reverziranje (promjenu smjera vrtnje) kondenzatorskog motora zamjenom priključaka namota pomoćne faze (l lijevo, d desno) L 1 N I g l d l d glav na faza I p C rotor pomoćna faza 107