ASINHRONIM MOTOROM. Proučavamo samo pogone sa trofaznim motorom.

Transcript

1 ELEKTROMOTORNI POGONI SA ASINHRONIM MOTOROM Proučavamo amo pogone a trofaznim motorom. Najčešće korišćeni motor u elektromotornim pogonima. Ainhroni motor: - jednotavna kontrukcija; - mala cena; - vioka energetka efikanot.

2 METALNI PRSTEN LAMINIRANO JEZGRO BAKARNE ŠIPKE KAVEZNI ROTOR NAMOTAJI LAMINIRANO JEZGRO NAMOTANI ROTOR

3 Motor a kaveznim rotorom Stator Rotor

4 ROTOR ASINHRONOG MOTORA NAJČEŠĆE IMA ZAKOŠENE ŽLEBOVE DA BI SE MINIMIZIRALE PULSACIJE MOMENTA

5 POPREČNI PRESEK ASINHRONOG MOTORA

6 PRINCIP RADA ASINHRONOG MOTORA Obrtno polje trofaznog namotaja: Oa namotaja faze a tatora Oa namotaja faze a r rotora ia = Imco( ωt) 2π ib = Im co ω t 3 (1) 2π ic = Imcoωt+ 3 U trenutku t=0, i = I, i = I /2, i = I /2 a m b m b m Rapodela mp u trofaznom namotaju tatora. U funkciji ugla θ, protorna rapodela trentne vrednoti mp po obimu tatora je: F θ = Ni co θ F F a b c ( ) ( ) ( θ) ( θ) a 2π = Nibcoθ 3 (2) 2π = Niccoθ + 3 a oa b oa c oa

7 Zamenom (2) u (1), dobija e: 2π 2π 2π 2π F( θ, t) = NImcoωt coθ + coωt coθ + coωt+ co θ +, odnono: 3 F( θ, t) = NImco( ωt θ) (3) 2 Jednačina (3) pokazuje da e makimalna vrednot inuidalno rapodeljene mp (magnetopobudne ile) 3/2 NI m obrće u vazdušnom zazoru inhronom brzinom ω. U lučaju dvopolne mašine F(ϴ, t) napravi jedan obrtaj (krug) u periodi promene truje. To znači da mašina a P pari polova ima inhronu brzinu obrtanja od 60 f n =, P gde je n inhrona brzina (mehanička), f učetanot u [Hz], a P broj pari polova.

8 Proizvodnja momenta interakcijom ij između fluka u zazoru i mp rotora Tala gutine fluka u vazdušnom zazoru Indukovani napon u rotorkim provodnicima ω ω ω ω r ω Tala mp u rotoru Ugao rotora (električni) Rotor e kreće brzinom ω ω ω r a) )Indukcija napona u rotoru ω Indukovani tala truje u provodnicima rotora c) Indukcija talaa mp u rotoru m P = π lrb F in δ 2 e p p b) Indukcija truje u rotoru m 3P = Ψ I 2 e m r inδ Gde je l-akijalna dužina mašine, r- poluprečnik,bb p makimalna vrednot gutine fluka u zazoru, F p makimalna vrednot mp rotora, π δ = + θ r - ugao momenta 2

9 Ainhroni motor a većim brojem pari polova: Namotaj 1 Namotaj 2 Namotaj 3 Motor a jednim parom polova P=1 Obrtno polje tatora Motor a dva para polova P=2 Rapored namotaja za različit broj pari polova Sinhrona brzina za različit broj pari polova n [o/min]

10 Način povezivanja namotaja tatora AM-a Priključna kutija Veza u zvezdu Veza u trougao Povezivanje namotaja tatora u zvezdu i trougao Nazivni (nominalni) podaci na natpinoj pločici Nazivna naga Nazivna brzina Nazivna frekvencija Nazivni napon Nazivna truja 1450 o/min Priključna kutija

11 STATIKA POGONA Ekvivalentna šema motora (po fazi). R λ λ R r r I I r U E R m 1 R r I m Rotorke veličine u vedene na tator.

12 FAZORSKI DIJAGRAM I ωλ l U E IR I I r ϕ θ Statorka trana δ I 0 I m I Fe Ψ m I r I r R r θ r I rωλ lr E Rotorka trana

13 Otale karakteritične veličine: f f r [ Hz] [ Hz] - tatorka učetanot; - rotorka učetanot; ω ω r [ ] = 2π f rad.el./ [ ] = 2 π f r rad.el./ l/ [ ] - kružna učetanot tatora; - kružna učetanot rotora; ω = ω ω rad.el./ r -ugaona brzina; ω m P [ ] = ω/ P rad.meh./ = rad/ - broj pari polova; - mehanička ugaona brzina; ( ) = ω / ω = ω ω / ω - klizanje. r

14 BAZNE VREDNOSTI U b = U n nominalna efektivna vrednot faznog napona I b = I n nominalna efektivna vrednot tfazne truje ω b =2πf n nominalna kružna učetanot Z b = U b / I b P b = qu b I b =3U b I b q - broj faza = 3 M b = P b / (ω b /P)

15 TOKOVI SNAGE P = 3 U I coϕ - naga tatora, naga uzeta iz izvora; 2 Cu 3 P = R I - naga gubitaka u bakru tatora; 2 PFe = 3 E R m - naga gubitaka u gvožđu lim PFe 0 R m ( ) ( ) 2 P = 3 R I - naga obrtnog bt magnetnog polja; o r r ( ) 2 P = 3 R I = P -naga gubitaka u bakru rotora; rcu r r o 1 2 Pr = Po Pr Cu = 3 Rr ( Ir ) = ( 1 ) Po - mehanička naga; Ptr r tr - naga gubitaka na trenje i ventilaciju; P = P P - korina mehanička naga.

16 P r Cu P tr P P o P r P P Cu P Fe Napomena: Snaga P tr prenoi e u opterećenje!

17 Elektromagnetni moment: Pr M e = = 3 R r ( I r ) = ωm ωm P r 1 3 ( ) 2 ω P = Rr Ir = ω ω 2 2 r r P Rr ωr ( I ) ( I ) R 3 r = P = 3 ω

18 MEHANIČKA KARAKTERISTIKA (tatička karakteritika momenta) U PREDSTOJEĆOJ ANALIZI PRETPOSTAVIMO DA JE E = cont. Me = Me ( ω ) Ir () = E ( R ) 2 + ( ω λ ) 2 r r 2 e () 3 E Rr M = P ω R 2 + ω λ M e ( ) ( ) 2 r r E ω ( ) 3 r R ω P r = r r r r ω ( R ) + ( ω λ )

19 Funkcija M e () ima ektremum koji e može naći iz: ( ) dme = 0 d Momenat u tački ektremuma naziva e PREVALNI MOMENAT (M p ), a odgovarajuće klizanje PREVALNO KLIZANJE ( p ). p Rr 3 P E 1 =± ; M p =± ω λr 2 ω λr 2 KLOSS - ova FORMULA M e M p 2 2 = = p ω ω + r + ω ω rp p rp r Važno: ω R ω r = =± = λ λ r rp p cont.

20 Statička karakteritika momenta, pri E=cont. 6 M e () G 4 G M ASK kočnica ω ω=0 ω ω=ω

21 ELEKTROMOTORNI POGONI SA SINHRONIM MOTOROM Sinhrona mašina e okreće inhronom brzinom, koja je određena učetanošću napajanja. Predtavlja ozbiljnu konkurenciju ainhronom motoru u pogonima a promenljivom brzinom. Podela inhronih mašina: 1) SM a namotanim rotorom 2) SM a permanentnim magnetima na rotoru

22 SINHRONI MOTOR SA NAMOTANIM ROTOROM - Sinhroni motori pobudnim namotajem (tandardni inhroni motori) najčešće e korite u elektromotornim pogonima u opegu naga od 1 MW do 100 MW i zahtevaju kontantnu brzinu obrtanja. Motor e napaja direktno iz trofazne mreže kontantnog napona i frekvencije. Područja primene tandardnih inhronih motora u elektromotornim pogonima, obzirom na nagu i brzine obrtanja. Brzina obrtanja

23 - Prednoti tandardnih inhronihmotora napajanih direktno iz mreže u odnou na ainhrone motore u: bolji faktor ikorišćenja (92%- 98%) brzina obrtanja ne zavii od opterećenja mogućnot kompenzacije reaktivne energije veća tabilnot u radu (kod naglog niženja napona mreže inhroni motor otaje duže u pogonu). -Nedotaci tandardnih inhronih motora u: viša cena teškoće kod pokretanja potreba za izvorom jednomernog napona za pobudu nemogućnot podešavanja brzine obrtanja kod direktnog priključenja na električnu mrežu.

24 KONSTRUKCIJA Namotaj tatora Kavez za pokretanje Pobudni namotaj rotora Magnetno kolo inhrone mašine: a) cilindrični rotor, b) rotor a itaknutim polovima -Standardni inhroni motor ima tator atavljen od paketa gvozdenih limova a uečenim žlebovima u koje e potavlja rapodeljeni trofazni namotaj. - Gvozdeno jezgro rotora može biti a žlebovima ili itaknutim polovima. - U žlebove na cilindričnom rotoru e potavlja jedan rapodeljeni namotaj, a na jezgru rotora itaknutim polovima potavlja e koncentriani namotaj pobudni namotaj.

25 -Sinhroni motor koji je direktno pojen na trofaznu mrežu ne može e amotalno pokrenuti! - Za pokretanje tandardnih inhronih motora u rotor e ugrađuje poeban kavez za pokretanje, pomoću koga e motor pokreće kao kavezni ainhroni motor. Nakon što rotor potigne brzinu obrtanja koja e makimalno može potići pri ainhronom zaletanju, pobudni namotaj na rotoru e paja na izvor jednomernog napona, tako da će pobudna truja rotora tvoriti kontantni magnetni fluk koji će e vrtiti mehaničkom brzinom rotora. -Za pokretanje inhronog motora koji je napaja iz energetkog pretvarača nije potreban kavez na rotoru! - Broj polova na rotoru mora da bude jednak broju polova na tatoru!

26 Izgled tatora inhrone mašine Izgled rotora a iturenim polovima Izgled cilindričnog rotora

27 EKVIVALENTNA ŠEMA I FAZORSKI DIJAGRAMI - Stacionarna radna tanja inhronog motora, analiziraju e pomoću ekvivalentnih šema, fazorkih dijagrama i mehaničkih karakteritika. U I E I 1 1 f f Ekvivalentna šema inhronog motora: a) a cilindrčnim rotorom, b) a itaknutim tim polovima fazor napona mreže fazor truje mreže elektromotorna ila u tatorkom namotaju indukovana flukom rotora truja pobude R1 radna otpornot tatorkog namotaja X inhrona reaktana

28 EKVIVALENTNA ŠEMA SINHRONOG MOTORA - Oznake u ekvivalentnoj šemi inhronog motora a itaknutim polovima u: I I 1d 1d X X d q fazor truje u oi d fazor truje u oi q d oa rotora d komponenta inhrone reaktane qkomponenta inhrone reaktane Oa tatorkog namotaja a - Prema ekvivalentnim šemama mogu e napiati naponke jednačine: q oa rotora U1 = Ef + jx I Motor a cilindričnim 1 rotorom U = E + jx I + jx I 1 f d 1d q 1q Motor a itaknutim polovima

29 FAZORSKI DIJAGRAMI - Ilutracija rada inhrone mašine: a) generatorki rad, b) prazan hod, c) motorni rad - Ugao δ između oa magnetnih polja tatora i rotora ili fazora napona U 1 i E f je ugao nage inhrone mašine, koji zavii od veličine momenta na oovini. - U motornom režimu rada, u kome e naga koju mašina uzima iz mreže označava a pozitivnim predznakom, ugao nage (opterećenja) inhronog motora ima negativan, a inhronog generatora pozitivan predznak.

30 FAZORSKI DIJAGRAMI -U lučaju da je E f =U 1 i da e preko oovine ne razmenjuje mehanička energija, inhrona mašina e nalazi u tanju idealnog praznog hoda. U tome tanju mašina a mrežom ne razmenjuje energiju. - Ako E f U 1, tandardna d inhrona mašina napajana iz mreže kontantnog t napona i frekvencije i a opterećenjem na oovini može raditi u podpobuđenom i nadpobuđenom tanju. - Podpobuđeno tanje inhronog motora: E f < U 1, motor iz mreže uzima aktivnu i reaktivnu energiju. - Nadpobuđeno tanje inhronog motora: E f >U 1, motor iz mreže uzima aktivnu, a u nju predaje reaktivnu energiju. - Poebne vrte inhronih mašina koji rade u nadpobuđenom tanju bez opterećenja na oovini nazivaju e inhroni kompenzatori.

31 Podpobuđeni motor Nadpobuđeni motor Podpobuđeni motor Nadpobuđeni motor p Zanemarena otpornot tatora R!

32 MEHANIČKE KARAKTERISTIKE -Ako e zanemare vi gubici u tatoru i mehanički gubici uled trenja i ventilacije na rotoru, mehanički moment koji razvija inhrona mašina jednak je elektromagnetnom momentu i može e odrediti iz relacije: P1 m= me = ω - Aktivna naga inhrone mašine a cilindričnim rotorom P 1 je: P = U I ϕ = UE f co 1 3 in X - Sa fazorkog dijagrama pod a) vidi e da je: E f I1coϕ1 = inδ X - Elektromagnetni moment inhrone mašine a cilindričnim rotorom m e je: 3 UE 1 f me = inδ ω X δ

33 m m max m m m m max -m max Mehaničke karakteritike inhrone mašine a cilindričnim rotorom: a) )Karakteritika tik n=f(m), b) karakteritika kt tik m=f(δ)

34 MEHANIČKE KARAKTERISTIKE -Za mašinu a itaknutim polovima, uz zanemarenje momenta trenja i ventilacije, moment na oovini jednak je elektromagnetnom momentu i računa e na onovu ledećeg izraza: 2 3 UE 1 f U m= me inδ + in 2δ ω Xd 2 Xq X d Moment mašine a cilindričnim rotorom m m max -m max Mehanička karakteritika inhrone mašine a itaknutim polovima na rotoru

35 Izvođenje izraza za elektromagnetni moment e može izvršiti na onovu fazorkog dijagrama: I co ϕ = I co δ I in δ q d P = 3 V ( I coδ I in δ) i q d I d I d V coδ = X d V inδ = X d P i VE ( ) f X 2 d Xq = 3 inδ + 3V in 2δ X 2X X d d q m e P 1 VE ( X X ) f 2 d q = 3 inδ + V in2δ 2 ω Xd 2XdX q

36 Sinhroni motori a permanentnim magnetima na rotoru (PMSM) -U elektromotornim pogonima manjih naga (do nekoliko deetina kw) e umeto tandardnih inhronih motora a pobudnim namotajem korite inhroni motori kod kojih u na rotor ugrađeni permanentni magneti. - Ugradnja permanentnih magneta u rotor čini kontrukciju mašine jednotavnijom, a mašina je pouzdanija jer nema problema a napajanjem rotorkog namotaja iz jednomernog izvora. - Motori, koji e napajaju direktno iz trofazne mreže kontantnog napona i frekvencije, za pokretanje korite kavez za pokretanje (za razliku od motora koji e napajaju iz frekventnog pretvarača, koji nemaju kavez za pokretanje). - S obzirom da je magnetni fluk rotora kontantan, indukovana em E f u tatorkom namotaju je takođe kontantna, pa ne potoji mogućnot upravljanja reaktivnom energijom kao kod tandardnog d inhronog motora a pobudnim namotajem na rotoru. - Način ugradnje permanentnih magneta na rotor određuje induktivnoti i reaktane rotora, što utiče na glavne karakteritike motora: talani oblik magnetne indukcije u vazdušnom zazoru mašine, mehanički moment i brzinu obrtanja.

37 Sinhroni motori a iturenim i ukupanim permanentnim magnetima na rotoru - Permanentni magneti e mogu potaviti: na telo rotora a poljašnje trane (like a i c) na telo rotora unutrašnje trane (like b i d) u unutrašnjot tela rotora (lika e) akijalno, odnono duž oe koja prolazi kroz oovinu mašine (lika f). Rotor inhronog motora a permanentnim magnetima

38 - Za izradu talnih magneta potrebno je korititi materijale koji tvaraju veliku remanentnu indukciju i veliko koercitivno polje. Pored toga bitna je i pecifična akumuliana magnetka energija gj kao i Kirijeva temperatura pri kojoj j e gube oobine talnog magneta. -Magnetni materijali e mogu podeliti na klaične i moderne. U klaične padaju anlico (aluminijum nikl kobalt AlNiCo) i feriti, dok e u moderne vrtavaju i materijali poznati pod nazivom retke zemlje: amarijum kobalt (SmCo) i neodijum- gvožđe bor (NdFeB). -PMSM a površinki potavljenim magnetima (Surface PMSM, SPMSM) imaju izotropan rotor, što znači da u induktivnoti po podužnoj (d) i poprečnoj (q) oi približno jednake (Ld Lq). Induktivnot tatora SPMSM je mala, pa je moguća brza promena tatorke truje, a amim tim i momenta. - Pored ove kontrukcije k potoje i inhroni i motori a magnetima utinutim u rotor, čiji rotor uled komplekne geometrije ima magnetnu anizotropiju koja donoi određene prednoti. Ovakvom kontrukcijom značajno e umanjuje količina gvožđa u d oi što čini da je induktivnot Ld mnogo manja od induktivnoti Lq (Ld<Lq). Takođe, potoji značajna zavinot induktivnoti tatora od ugla rotora koja dovodi do pojave reluktantnog momenta. Dodatna prednot IPMSM je da e mogu korititi na velikim brzinama koriteći tehniku labljenja polja.

39 Stator Sao a trofaznim oa Rotor oo ape permanentnim e namotajem magnetima Princip rada Namotaj 1 Namotaj 2 Namotaj 3 Magnetno polje tatora Smer obrtanja tatorkog t polja Smer obrtanja tatorkog t polja - Nedotaci pogona a PMSM: 1) PMSM u dizajnirani za rad pri promenljivim brzinama obrtanja, ali e moraju napajati pomoću invertora ili regulatora pecijalno razvijenih kako bi PMSM mogao da e tartuje i radi u inhronizmu. 2) Nedotatak tačne informacije o poziciji rotora može negativno uticati na otvarenje efikanog rada pogona. Najčešće e koriti inkrementalni enkoder, što povećava ukupnu cenu pogona. 3) Potoji rizik od demagnetizacije rotora, tj. labljenja magneta uled velikih truja ili viokih temperatura. t Za održavanje motora u potrebni pecijalni i alati, jer izvlačenje rotora nije jednotavno zbog potajana jakih magnetnih ila, koje tvaraju talni magneti.

40 - Karakteritike B =f(h) najčešće korišćenih permanentnih magneta: gvožđe Karakteritike B =f(h) permanentnih magneta Kod ove vrte motora permanentni magneti e najčešće potavljaju tako da važi: Xd =Xq =X

41 - Sinhroni motor koji e napaja iz invertora napona U 1 i frekvencije f 1 i kod koga je X d =X q, razvija elektromagnetni moment koji e može napiati u obliku: 3 UE 1 f U 1 M inδ = k inδ ω X f1 gde je: ω ω 1 2π f 1 = =, X = 1 L 2 f1 L P P ω = π E = 4,44 k Φ f = k f f f 1 f 1 -Kontantan moment opterećenja za različite brzine obrtanja e može održavati itovremenim podešavanjem amplitude i frekvencije napona invertora do dotizanja nominalnih vrednoti (područje kontantnog momenta). - U području kontantnog momenta ovakav motor može razvijati kontantan makimalni elektromagnetni moment.

42 -Poznato da e elektromagnetni moment može napiati kao vektorki proizvod protornih vektora tatorkog i rotorkog magnetnog fluka: ( ) m = K ϕ ϕ = K ϕ ϕ in ϕ, ϕ e gdje je K kontruktivna kontanta mašine. - Ako je poznat položaj rotora, odnono oa delovanja permanentnih magneta na rotoru, moguće je odgovarajućim uključenjem prekidačkih elemenata invertora potići da magnetno polje tvoreno trujama koje teku kroz namotaje tatora bude uvek pomaknuto za 90 električnih u odnou na ou delovanja magnetnog polja permanentnih magneta, čime da inhroni motor uvek razvija kontantan makimalni elektromagnetni moment. - Motor kod koga kroz namotaj na tatoru teku truje približno inunog talanog oblika naziva e inhroni motor a permanentnim magnetima (PMSM). - Da bi e otvario kontantan mehanički moment potrebno je da e invertorom a širinko impulnom modulacijom ignala proizvede napon koji će uzrokovati da truje kroz namotaje tatora imaju približno inuni talani oblik. Upravljanje prekidačkim elementima (tranzitorima) invertora mora e ukladiti a položajem rotora u vakom trenutku. Struje uvek teku kroz tri faze i proizvode imetrično trofazno obrtno polje čija je rezultantna oa delovanja uvek pomerena za 90 električnih u odnou na ou delovanja permanentnih magneta na rotoru. - Invertor mora imati prekidačke elemente viokom frekvencijom prekidanja, a za dobijanje j informacije o položaju rotora korite e precizni i enzori za merenje položaja, tj. brzine.

43 Sinhroni motori malih naga