FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE ASINKRONI STROJEVI I POGONI Doc.dr.sc. Damir Žarko ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2009/2010 Zagreb,
Strojevi izmjenične struje Strojevi izmjenične struje se dijele na: Sinkrone, Asinkrone i Izmjenične kolektorske (komutatorske). Nikola Tesla je 1888. 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 asinkroni električni strojevi rade na principu okretnog magnetskog polja. 2
Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje(1) Dvofazni izmjenični napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatora koristeći 4 klizna koluta i četkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusne jezgre na koju su namotana dva fazna namota međusobno zakrenuta za 90 stupnjeva. Motor Generator 3
Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje (2) Dvofazni izmjenični napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatora koristeći 4 klizna koluta i četkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusne jezgre na koju su namotana dva fazna namota međusobno zakrenuta za 90 stupnjeva. Motor Generator 4
Dvofazni generator i dvofazni motor prema Teslinom patentu br. 381968 Dvofazni napon uzima se sa statora, a ne s kliznih koluta. Motor Generator 5
Dvofazni sustav generatora i motora prema Tesli Motor Generator 6
Okretno magnetsko polje 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 trebaju stvoriti okretno magnetsko polje. Tesla se na početku bavio dvofaznim asinkronim i sinkronim motorom jer mu je to bilo najjednostavnije za mogućnosti izrade u njegovom laboratoriju. 7
Osnovne podjele asinkronih strojeva Prema obliku gibanja: Rotirajući (engl. rotating machines), Linearni (engl. linear machines). Prema izvedbi rotora: Asinkroni strojevi s kaveznim rotorom ( engl. squirrel-cage rotor induction motors), Asinkrone 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 15000 V) i niskonaponski (do 1000V). Prema pretvorbi energije: Asinkroni motori, Asinkroni generatori. 8
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. 9
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 10
Rotorski lim asinkronog kaveznog motora a) aluminijski dvokavezni rotor b) bakreni kavez a) b) 11
Statorski paket (jezgra) trofaznog asinkronog motora pripremljen za ulaganje namota 12
Stator novog asinkronog motora za visoki napon (6-10 kv, 50 Hz) Pogled na glave namota i izvode do priključne kutije 13
Ulaganje namota u statorski paket trofaznog asinkronog motora (400 V, 50 Hz) 14
Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora u fazi završne izrade (motor za električnu vuču) 15
Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora opće namjene nakon završne obrade 16
Rotor trofaznog asinkronog motora s kliznim kolutima Klizni koluti 17
Neke tipične primjene asinkronih strojeva 18
Strojarnica u TE-TO Osijek Jednu fotografiju motora iz termoelektrane Napojna kotlovska pumpa Pogonski elektromotor 19
Motori naftovodnih pumpi u terminalu Omišalj, 6000 V, 50 Hz (Protueksplozijska zaštita oklapanjem) Naftovodni terminal Omišalj 20
Kavezni motori naftovodnih pumpi na terminalu Omišalj, 3300 kw, 6000 V, 50 Hz, 2p4 Terminal Omišalj 21
Asinkroni motori povećane sigurnosti, Terminal Sisak 1900 kw, 6000 V, 50 Hz, 2p2 Terminal Sisak 22
Elektromotorni pogon naftovodne pumpe sa zaletnom spojnicom Pumpa Hidraulična spojka Visokonaponski motor 23
Motori naftovodnih pumpi 3300 kw, 6000 V, 50 Hz, Melnice 24
Elektromotorni pogon asinkroni motor + pumpa amdea otopine, procesno postrojenje za obradu plina CPS Molve Frekvencijski regulirani motor, Exde II AT3 25
Elektromotorni pogon procesne pumpe, motor 1800 kw, 2p2, frekvencijski reguliran Pumpa Motor Spojka Turbina 26
Asinkroni motor 350 kw, 2p2, 400V, za pogon vijčanog kompresora na plinskoj bušotini 27
Vjetroagregat s asinkronim generatorom i turbinom konstantne brzine vrtnje Turbina Multiplikator Dvobrzinski asinkroni generator 28
Dvostrano napajani asinkroni generator (DFIG) vjetroagregata promjenljive brzine vrtnje Mreža Multiplikator Asinkroni generator Turbina Elektronički energetski pretvarač 29
Osnovna teorija - okretno magnetsko polje Okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanima izmjeničnim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje: n s 60 fs,o/min p 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 rotora koja zakreće rotor u smjeru vrtnje okretnog polja. 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 koje je s nečim ili nekim sinkrono, istovremeno 30
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: s n n n s s 31
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 32
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% ns Klizanje se obično kreće između 0.1 i 5 %. 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 2905 o/min. Klizanje je n -n 3000-2900 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 1500-1491 100 0,6% ns 1500 33
Rotorski napon Dok rotor miruje (s1) u njemu okretno polje inducira napon E r0. Nakon što se rotor počne vrtjeti, mijenja se relativna brzina okretnog polja statora prema rotoru, a napon E r se mijenja prema izrazu: E r E r0 s Pri relativnoj brzini 0, tj. za s0, nema napona u rotoru, 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. 34
Frekvencija rotorskih struja Inducirani napon i struja rotora imaju frekvenciju f r p ( ns n) 60 sf s Ovu frekvenciju nazivamo frekvencija klizanja. Teoretski ona može imati bilo koju vrijednost. f r f s 1 0 n s n 35
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 na rotoru 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 brzinom statorskog polja kada je klizanje jednako nuli. Asinkroni stroj je pri tome prirodno puno prihvatljiviji za primjenu od sinkronog jer su na raspolaganju velike mogućnosti promjena rotorske brzine vrtnje i frekvencije. 36
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 37
Osnovne jednadžbe asinkronog motora Naponska jednadžba statora uas Rs 0 0 ias ψ as d + ψ ubs 0 Rs 0 ibs bs dt u 0 0 ψ cs Rs ics cs Osnovni dvopolni prikaz asinkronog motora R otpor namota Ψ -ulančeni tok namota Naponska jednadžba rotora uar Rr 0 0 iar ψ ar d + ψ ubr 0 Rr 0 ibr br dt u 0 0 ψ cr Rr icr cr 38
Osnovne jednadžbe asinkronog motora Ulančeni tokovi statora ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ψ L + L L L i L α L α L α i as asas σ s asbs ascs as asar r asbr r ascr r ar ψ + σ + α α α bs Lbsas Lbsbs L s Lbscs ibs Lbsar r Lbsbr r Lbscr r ibr ψ + σ α α α cs Lcsas Lcsbs Lcscs L s ics Lcsar r Lcsbr r Lcscr r icr Ulančeni tokovi rotora ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ψar Laras αr Larbs αr Larcs αr ias Larar + Lσ r Larbr Larcr iar ψ α α α + + L L L i L L L L i br bras r brbs r brcs r bs brar brbr σ r brcr br ψ α α α + cr Lcras r Lcrbs r Lcrcs r ics Lcrar Lcrbr Lcrcr Lσ r icr L asbs međuinduktivitet (as namot koji ulančuje tok, bs namot koji pobuđuje tok) L σ - rasipni tok namota 39
Jednadžbe asinkronog motora u stacionarnom stanju Primjenom kompleksnih vektora šest naponskih jednadžbi statora i rotora reduciraju se na samo dvije jednadžbe. U stacionarnom stanju brzina vrtnje je konstantna pa se vektorske jednadžbe mogu zamijeniti fazorskima. U fazorskoj domeni naponske jednadžbe statora i rotora glase: ( ω ) ω ( ) U R + j L I + j L I + I s s s σ s s s m s r ( ω ω) ( ω ω) ( ) U R + j L σ I + j L I + I r r s r r s m s r ω električna kutna brzina vrtnje rotora (ω pω m ) ω m mehanička kutna brzine vrtnje rotora Rotorska jednadžba se množi s ωs ω ω 1 s s (s je klizanje). 3 Lm Lxsxs, x a, bili c 2 ωs 2π fs Nf s ns U r Ur Nf r nr mr Nrfnr I r Ir m N f s s ns m s Nsfns R r mr Nrfnr U r R 2 r + jω σ + ω ( + sl r Ir j slm Is Ir) m s Nsfns L s s σr σ L r m N f r r nr 2 R r 40
Nadomjesna električna shema asinkronog stroja ( ) ( ) U R jx I jx I I s s + σ s s + m s + r U r Rr + jx σ r Ir + jxm Is + Ir s s X m L m ω s X σs L σs ω s X' σr L' σr ω s ( ) R s i X σs X m R 0 R' r i X' σr E s E' r0 U' r /s statorski otpor i rasipna reaktancija reaktancija magnetiziranja (predstavlja ulančeni magnetski tok stator-rotor) otpor zbog gubitaka u željezu rotorski otpor i rasipna reaktancija preračunati na statorsku stranu inducirani fazni napon statora inducirani fazni napon rotora u mirovanju preračunat na statorsku stranu rotorski napon na kliznim kolutima u ovisnosti o klizanju preračunat na statorsku stranu 41
Nadomjesna električna shema asinkronog stroja Slično transformatoru, asinkroni motor možemo prikazati električnom nadomjesnom shemom (modelom). Na slici je shema za kavezni motor. Struje, snage i momente možemo računati primjenom nadomjesne sheme za bilo koje stacionarno pogonsko stanje. 42
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 r 0 N r f nr N 0 s f ns N E 0 s f ns N r f E E nr E E N f N f N f N f r r s s s s ns r nr r nr s ns E s napon faze statora E r0 napon faze rotora u mirovanju E' r0 napon faze rotora u mirovanju preračunat na statorsku stranu 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 je 1/2. 43
Rotorski strujni krug asinkronog stroja I r I r I r se r0 jsx r0 R r E r0 jx r0 R r s E r0 jx r0 R r R r 1 s s R r stvarni otpor rotora R r 1 s ekvivalent mehaničkog rada s X σr0 rasipna reaktancija rotora u mirovanju X σr0 L σr ω s 44
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 σr r σr r σr ms Nf s ns mr Nf r nr Nf r nr R r mr Nrfnr Rr m N f Rr N f 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' σr rasipna reaktancija rotora preračunata na statorsku stranu X' σr L' σr ω s 45
Rotorska struja Struju u rotoru određuju inducirani napon E r i impedancija rotora Z r I r ( s) U mirovanju je f r f S s 1 E r E r0 X σr0 2πf r L σr 2πf s L σr E se Z R X s r r0 r 2 + 2 r σ r () U vrtnji je E r se r0 X σr (s) 2πf s sl σr sx σr0 Stoga je ser0 Er0 Ir () s 2 2 2 Rr + ( sxσ r0) Rr + s X 2 σ r 0 Za s 0, struja I r (s)0. 46
Rotorska struja u ovisnosti o klizanju I kr struja uz zakočeni rotor I nr -nazivna struja 47
Energetska bilanca asinkronog stroja Prema nadomjesnoj shemi za stacionarno stanje: Iz mreže motor uzima P s P 1 m s U s I s cosϕ s m s i m r broj faza statora i rotora ϕ s fazni pomak struje i napona statora Na radnom otporu statora se troši snaga P Cus m s I s2 R s U željezu statora (na R 0 )se troši snaga P Fes m s E s 2 / R 0 m s I 0r 2 R 0 Snaga okretnog mag. polja P okr P s P Cus P Fes P okr m r I 2 r R r /s m r I 2 r R r + m r I 2 r R r (1-s)/s m s I 2 r R r /s m s I 2 r R r + m s I 2 r R r (1-s)/s 48
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 rel m r I 2 r R r m s I' 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 električkih gubitaka u rotoru i razvijene mehaničke snage je 2 2 Prel mr Ir Rr ms Ir Rr s Pmeh 2 1-s 2 1-s mi r r Rr mi s r Rr 1-s s s P rel sp okr P meh (1-s)P okr Električki gubitci u rotoru direktno su proporcionalni klizanju, stoga klizanje mora biti 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 % 49
Tok snage i gubitci asinkronog motora (bilanca snage) P P 2 je mehanička snaga na osovini motora, korisnost motora η 2 P1 50
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 sinϕ s Prividna snaga motora uzeta iz mreže je S P s +jq s m s (U s I s cosϕ s +ju s I s sinϕ 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), i tada mu je potrebna jalova snaga iz mreže ili kondenzatorske baterije. Primjer nazivnih podataka motora: Proizvođač: XXYY Asinkroni trofazni motor, snaga 1000 kw, napon 6000 V, 50 Hz, nazivna struja 115 A, cosϕ 0,88, brzina vrtnje 1485 o/min, godina proizvodnje 2005. 51
Momentna karakteristika asinkronog motora U nadomjesnoj shemi promatrajmo samo rotorski krug (zanemarena impedancija statora) 2 2 P2 + Ptr, v Pmeh (1 - s) Pokr Pokr mrir Rr msir Rr M ω ω (1 - s) ω ω ω s ω s ω 2 2 me r r0 R me r r0 R r r 2 2 R + 2 s r σ π Rr 2 + sm Xr 0 ns Xrσ 0 m sm sm sm sm 30 1 s s s 2 30mE s r 0 Rr 1 2,Nm π R 2 s r n + s Xr σ s 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: 52
Točnija momentna karakteristika - poprečna grana premještena na ulaz sheme Uvodi se pojednostavljenje. Struja I 0 i inducirani napon ne ovise o teretu, tj. magnetski tok je konstantan. Iz nadomjesne sheme računamo struju i moment: Us I r R r R + + ( s j Xσs+ Xσr) s Snaga okretnog polja: P okr m s I r 2 R r /s Gubici u rotoru: P rel m s I r 2 R r Električka snaga pretvorena u mehanički rad je P meh, a razvijeni elektromagnetski moment P mi R m U M ω ω ω s 2 pm s Us Rr 2 ωs R 2 s r R + + ( s Xσs + Xσr) s 2 2 meh s r r s s 2 m sm s sm R r Rs + + Xσs + Xσr ( ) 2 Rr' s 53
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 - nazivni moment s s max, n n max - maksimalni moment 54
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 55
Maksimalni ili prekretni moment Za primjene je važan maksimalni ili prekretni moment motora. Derivacijom izraza za moment na slajdu 53 i izjednačavanjem s nulom dobije se klizanje s max kod kojeg motor razvija najveći moment (maksimalni ili prekretni moment). dm ds 0 Iz slijedi s max ± R ( σ σ ) 2 R + X + X r s s r 2 i uvrštenjem u izraz za moment dobiva se M max 2ω mu s ± R + R + X + X ( ) 2 sm s s σs σr 2 s 2 Predznak (+) je za motorski rad, a (-) za generatorski rad. 56
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 + β smax + + β s β 2R s ( ) σ s σ r R + X + X 2 ' s 2 Za manje točna računanja može se primijeniti pojednostavljena Klossova formula dobivena zanemarenjem statorske impedancije u obliku M M max s s max 2 + s s max 57
Momentna karakteristika motora i tereta Primjer: Mehanička karakteristika asinkronog motora i centrifugalnog ventilatora, pogonska radna točka centrifugalni ventilator M n nazivni moment M k moment kratkog spoja M max maksimalni moment 58
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 I n 8 M M n 2 6 4 1 2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 n n s 59
Moment, struja i brzina vrtnje u zaletu asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamičko stanje) Elektromagnetski moment, Nm 16000 12000 8000 4000 0-4000 -8000-12000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Struja statora, A 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 -6000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Brzina vrtnje, o/min Vrijeme, ms Brzina vrtnje, o/min 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Vrijeme, ms 60
Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora 61
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. 62
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 pomoću računala. Detalji o kružnim dijagramima u knjizi R. Wolf: Osnove električnih strojeva, str. 186-196. 63
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 kratkog spoja I k vrlo velika (5 8 puta veća od nazivne) Opterećenje na osovini klizanje malo (1 5 %), struja iz mreže ovisna o opterećenju 64
Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u praznom hodu R s I s0 ji s0 X σs jx σs R s U S I S0 R 0 E s I 0 jx m E s U S I << I r I 0 s0 I 0r I μ ϕ 0 I S0 I 0r I μ Za računanje se može zanemariti rotorski dio nadomjesne sheme zbog I r << 65
Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u kratkom spoju jx σs R S jx σr R r I k U S U S j Ik (X σs +X σr ) U kratkom spoju možemo zanemariti poprečnu granu nadomjesne sheme i struju računati prema izrazu I k U s 2 2 s + r + σs + σr ( R R ) ( X X ) ϕ k I k (R s +R r ) I k 66
Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u stacionarnom stanju U S ji s X σs jx σs R s jx σs R r s R S I S -ji r X σr U S I S R 0 E s I 0 jx μ I r E s -I R s r r I 0 -I r I S I 0r I μ ϕ I 0 I μ I 0r 67
Radne karakteristike asinkronog motora s, % 10 cos I s I sn 1,0 I s I sn cos 5 0,5 s 0 0 0 0,5 1,0 P P n 68
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 ~ 69
Momentna karakteristika asinkronog motora u procesu reverziranja (promjene smjera vrtnje) 1 Motor kreće iz mirovanja (s1) 2 Motor se zalijeće do približno sinkrone brzine vrtnje (s<<) 3 Uz beznaponsku pauzu vrši se zamjena redoslijeda faza, motor prelazi u protustrujno kočenje (s2) 4 Motor koči do brzine 0 (s1) 5 Motor se zalijeće do približno sinkrone brzine vrtnje u suprotnom smjeru (s<<) 70
Moment, struja i brzina vrtnje tijekom reverziranja asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamičko stanje) Elektromagnetski moment, Nm 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000-2000 0-4000 -6000-8000 -10000-12000 -14000-16000 -18000-800 -600-400 -200 0 200 400 600 800 Brzina vrtnje, o/min Struja statora, A 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 -6000 0 500 1000 1500 2000 2500 Vrijeme, ms Brzina vrtnje, o/min 800 600 400 200 0-200 -400-600 -800 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Vrijeme, ms 71
Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora 72
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 tehnike su: Pokretanje direktnim priključkom na mrežu, Pokretanje zvijezda-trokut preklopkom, Pokretanje preko autotransformatora, Pokretanje soft-start uređajem, Pokretanje pomoću elektroničkog energetskog pretvarača, Pokretanje preko 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. 73
Pokretanje kaveznog asinkronog motora direktnim priključkom na mrežu M, Nm Moment motora i moment tereta I, A Statorska struja 800 400 600 400 200 200 Moment tereta 0 300 600 900 1200 1500 0 n, o/min 300 600 900 1200 1500 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 Direktni start start Pokretanje Pokretanje zvijezda zvijezda --trokut trokut Pokretanje Pokretanje autotransformatorom autotransformatorom Shema Shema Pokretanje Pokretanje soft-start soft-start uređajem uređajem Nastavi Nastavi prez. prez. 74
Spojna shema za pokretanje kaveznog asinkronog motora direktnim priključkom na mrežu osigurači sklopnik bimetal Povratak Povratak 75
Pokretanje kaveznog asinkronog motora preklopkom zvijezda - trokut M, Nm 800 I, A 400 600 Moment Δ Struja Δ 400 200 200 Moment Y Struja Y 0 300 600 900 1200 1500 0 n,o/min 300 600 900 1200 1500 n,o/min M M Direktni Direktni start start Y Δ 2 U SY USΔ 1 3 Pokretanje Pokretanje zvijezda zvijezda --trokut trokut U NAMOTU I I SY SΔ PREMA MREŽI 1 ISY 1 3 I 3 IΔ Pokretanje Pokretanje autotransformatorom autotransformatorom Shema Shema Pokretanje Pokretanje soft-start soft-start uređajem uređajem Nastavi Nastavi prez. prez. 76
Shema spoja za priključak kaveznog asinkronog motora na mrežu preklopkom zvijezda - trokut L1 U1 W2 L2 L3 U2 V1 W1 V2 Povratak Povratak 77
Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom M, Nm I, A 800 600 Pokretanje s punim naponom 400 Struja pokretanje s punim naponom 400 200 200 Pokretanje autotraf. Struja - autotraf. 0 300 600 900 1200 1500 0 n, o/min 300 600 900 1200 1500 n,o/min Direktni Direktni start start Pokretanje Pokretanje zvijezda zvijezda --trokut trokut Pokretanje Pokretanje autotransformatorom autotransformatorom Shema Shema Pokretanje Pokretanje soft-start soft-start uređajem uređajem Nastavi Nastavi prez. prez. 78
Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom Potrebna su tri prekidača i autotransformator. Struja pokretanja se prilagodi mogućnostima mreže. Pokretanje: zatvoreni prekidači (sklopke) A i B Normalni pogon: zatvoreni prekidači A i C. Povratak Povratak 79
Soft-start ili lagano pokretanje M, Nm 800 600 Direktni start I, A 400 Struja - direktni start 400 200 Struja - Soft-start 200 Soft-start Moment tereta I n 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min U/U n 1 0,5 Pokretanje Pokretanje soft-start soft-start uređajem uređajem U st t Shema Shema Direktni Direktni start start Pokretanje Pokretanje zvijezda zvijezda --trokut trokut Pokretanje Pokretanje autotransformatorom autotransformatorom Nastavi Nastavi prez. prez. 80
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. Povratak Povratak Soft-start uređaj s bajpas sklopnikom Priključak na mrežu sa soft-start uređajem 81
Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm 800 600 400 200 0 I, A 800 600 400 200 300 600 900 1200 1500 n, o/min R R d d 0 0 R R d d Rad1 Rad1 R R d d Rad1+Rad2 Rad1+Rad2 R R d d Rad1+Rad2+Rad3 Rad1+Rad2+Rad3 0 300 600 900 1200 1500 Nastavi prezentaciju Nastavi prezentaciju n, o/min 82
Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M,Nm 800 600 400 200 0 300 600 900 1200 1500 n, n,o/min I, A 800 600 400 200 R R d d 0 0 R R d d Rad1 Rad1 R R d d Rad1+Rad2 Rad1+Rad2 R R d d Rad1+Rad2+Rad3 Rad1+Rad2+Rad3 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min Nastavi prezentaciju Nastavi prezentaciju 83
Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm 800 600 400 200 0 300 600 900 1200 1500 n, o/min I, A 800 600 400 200 R R d d 0 0 R R d d Rad1 Rad1 R R d d Rad1+Rad2 Rad1+Rad2 R R d d Rad1+Rad2+Rad3 Rad1+Rad2+Rad3 0 300 600 900 1200 1500 n, o/min Nastavi prezentaciju Nastavi prezentaciju 84
Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug M, Nm 800 600 400 200 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min I [A] 800 600 400 200 R R d d 0 0 R R d d Rad1 Rad1 R R d d Rad1+Rad2 Rad1+Rad2 R R d d Rad1+Rad2+Rad3 Rad1+Rad2+Rad3 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min Nastavi prezentaciju Nastavi prezentaciju 85
Elektromotorni pogon- sustav za pretvorbe električne u elektromehaničku energiju 86
Regulacija brzine vrtnje asinkronog motora Brzina vrtnje motora je određena izrazom 60 fs n ns(1 s) (1 s) p i ona se može regulirati (namještati) promjenom frekvencije f s, broja pari polova p i promjenom klizanja s. Mijenjanje brzine promjenom broja pari polova je moguće samo u grubim iznosima. Npr. za f s 50 Hz vrijedi p 1, sinkrona brzina je 3000 o/min p 2, sinkrona brzina je 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, a drugi 2p 12 ili 14. Vrlo je jednostavno i, za primjenu u domaćinstvu, prihvatljivo tehničko rješenje. 87
Regulacije u elektromotornim pogonima Općenito može biti potrebno da se u nekom elektromotornom pogonu regulira: brzina vrtnje radnih mehanizama, moment, položaj (pozicija). Najčešće se regulira brzina vrtnje. Da li će se regulirati brzina zbog ušteda energije, ovisi o tehničkoekonomskim uvjetima (cijena energije, vremenski rok za povrat investicije). 88
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. 60 fs 60 fs ns ns p p Regulirati brzinu vrtnje znači mijenjati 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. 89
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 90
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 u vrlo širokim granicama. Energetski gledano, ovakva regulacija nije optimalna jer su gubici energije neizbježni. 91
Regulacija brzine promjenom napona i frekvencije Brzina vrtnje je direktno proporcionalna frekvenciji 60 f n s (1 s ), p ali se u motoru zbog promjene frekvencije događaju i promjene magnetskog toka (indukcija) što utječe na promjene razvijenog momenta. Us Es 4,44NfsBS 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. Zbog toga se regulira po zakonu Φ U f s s Es konst. f s 92
Principna shema spoja asinkronog motora i elektroničkog energetskog pretvarača na izmjeničnu mrežu 93
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 W Motor T4 T6 T2 U G Mjerenje struje 94
Skalarna regulacija Istovremeno treba mijenjati napon i frekvenciju. Pri takvoj promjeni, koja se zove skalarna regulacija, momentne karakteristike izgledaju prema slici. 95
Promjena napona i frekvencije pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora U S U n konstantan tok slabljenje polja 0 f n Frekvencija f max f 96
Momentne karakteristike pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora Frekvencija f 1 je osnovna frekvencija za koju je građen 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 po zakonu U/fkonst. jer je napon za određeni motor određen gornjom granicom UU 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. 97
Ovisnost momenta motora o frekvenciji i načinu hlađenja pri skalarnoj regulaciji 98
Dozvoljene veličine struje pri kratkotrajnom i trajnom pogonu reguliranog motora 99
Značaj elektromotornih pogona U razvijenim zemljama svijeta se 60-65% sve proizvedene električne energije pretvara u mehanički rad posredstvom elektromotornih pogona (industrija, transport, domaćinstvo,...). Elektromotorni pogoni mogu biti regulirani ili neregulirani. Smatra se da je 10-15 % reguliranih pogona. 100
Regulirani ili neregulirani elektromotorni pogon? Osnovna zadaća reguliranog EMP-a je upravljanje 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 potrošnje (ušteda) električne energije. 101
Regulacija pogona zbog ušteda energije Najveće uštede električne energije mogu se postići reguliranim pogonom centrifugalnih pumpi, 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. 102
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 103
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) 104
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 80 50 Hz U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 60 40 20 f f 50 50 Hz Hz f f 30 30 Hz Hz f f 10 10 Hz Hz 0 300 600 900 1200 1500 n, o/min Nastavi prezentaciju Nastavi prezentaciju M 40 Nm n 1383 o/min 105
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 80 30 Hz 50 Hz U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 60 f f 50 50 Hz Hz 40 f f 30 30 Hz Hz 20 f f 10 10 Hz Hz 0 300 600 900 1200 1500 n,o/min Nastavi Nastavi prezentaciju prezentaciju M 28,0 Nm n 820 o/min 106
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 80 30 Hz 50 Hz U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 60 f f 50 50 Hz Hz 40 20 10 Hz f f 30 30 Hz Hz f f 10 10 Hz Hz 0 300 600 900 1200 1500 n, o/min Nastavi Nastavi prezentaciju prezentaciju M 21 Nm n 395 min -1 107
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 160 U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 120 U 400 V, 50 Hz U U 400 400 V V 80 U U 300 300 V V 40 U U 200 200 V V 0 200 400 600 800 1000 n,o/min Nastavi Nastavi prezentaciju prezentaciju M 80 Nm n 923 o/min 108
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M, Nm 160 U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 120 80 40 U 400 V, 50 Hz U 300 V, 50 Hz U U 400 400 V V U U 300 300 V V U U 200 200 V V 0 200 400 600 800 1000 n,o/min Nastavi Nastavi prezentaciju prezentaciju M 50 Nm n 910 o/min 109
Regulacija (namještanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije M,Nm 160 U/f U/f const. const. U U var, var, f f const const 120 80 40 U 400 V, 50 Hz U 300 V, 50 Hz U 200 V, 50 Hz U U 400 400 V V U U 300 300 V V U U 200 200 V V 0 200 400 600 800 1000 n,o/min Nastavi Nastavi prezentaciju prezentaciju M 38 Nm n 780 o/min 110
JEDNOFAZNI ASINKRONI MOTOR 111
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 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. 112
Momentna karakteristika jednofaznog asinkronog motora Struje i momenti su jednaki za direktni i inverzni sistem dok rotor miruje (s1), 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. 113
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. Važno je postići što veći fazni pomak struja glavne I g i pomoćne I p faze. Fazorski dijagram kondenzatorskog motora 114
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 ψ ϕ gl + ϕ p. 115
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. Os namota glavne faze 116
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 glavna faza I p C rotor pomoćna faza 117