Električni strojevi

190

1133 ELEKTRIČNI STROJEVI

Model električnog stroja Sinkroni strojevi Asinkroni strojevi Strojevi istosmjerne struje Posebne vrste motora

13.1 Načelni model električnog stroja Električni strojevi pretvaraju jedan oblik energije u drugi na temelju zakona elektromagnetske

indukcije e Blv= ili dtde φ

−= , sile na strujom protjecani vodič u magnetskom polju

( )dF I dl B= ×uuur uur ur

i zakona protjecanja l

H dl I=∑∫uur uur

. Prema zakonu elektromagnetske

indukcije napon se inducira giba li se vodič u magnetskom polju (generatori i motori) ili je izložen samo vremenskim promjenama magnetskog toka (transformatori). U motorima se pretvara električna u mehaničku energiju pomoću sila na strujom protjecane vodiče u magnetskom polju. Budući je magnetsko polje neophodno, zakon protjecanja opisuje kako je moguće postići magnetsko polje protjecanjem struje kroz namot (uzbuda), što se koristi u većini strojeva. Primjenu prvospomenutih zakona ilustrira sljedeći zadatak: U načelnom modelu električnog stroja (prema slici) ravni vodič dužine l=0,5 m može se klizati translatorno po vodljivom okviru u homogenom magnetskom polju indukcije B=0,8 T okomitom na ravninu okvira. Otpor vodiča neka je 0,5 Ω, trenje i otpor okvira se zanemaruju, a stalan napon izvora iznosi vS=12 V. Treba naći:

Električni strojevi

191

a) brzinu i smjer gibanja vodiča u stacionarnom stanju kad na njega ne djeluje opteretna sila Ft (prazni hod),

b) struju izvora pri pokretanju vodiča iz mirovanja, c) struju koju daje izvor ako na vodič djeluje opteretna sila 3 N, d) inducirani napon u vodiču u slučaju c), e) brzinu gibanja vodiča u slučaju c), f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakočio i

struju koju pritom daje izvor, g) brzinu u smjeru gibanja pri kojoj bi struja bila jednaka nuli, h) rad koji u jedinici vremena ostvaruje vodič u slučaju c) i

potrebnu snagu izvora, i) prikažite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i

snaga te korisnosti za opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te veličine za stanja praznog hoda i zakočenja (kratkog spoja).

Pitanja i rješenje a) brzinu i smjer gibanja vodiča u stacionarnom stanju kad na njega ne djeluje opteretna sila

Ft (prazni hod), Stacionarno stanje moguće je pri brzini nula ili pri nekoj konstantnoj brzini. Brzina nula održiva je samo ako je vodič zakočen, ali tada na njega djeluje sila, što je suprotno pretpostavkama iz a). Slijedi da se stacionarno stanje za dane uvjete ostvaruje pri konstantnoj brzini. Ako na vodič ne djeluje nikakva sila, za gibanje ne treba ulagati energiju, ostvaruje se idealni prazni hod. Iako je strujni krug zatvoren preko pokretnog vodiča, iz F B I l= i Ft=0 slijedi

0i = Struja može biti nula samo ako priključenom naponu izvora vS prema 2. KZ ravnotežu drži inducirani napon e Blv= nastao gibanjem vodiča

S 12 Ve v= = Strujni krug prikazuje shema.

Inducirani napon pri brzini vo iznosi ( vr i Br

su okomiti) oe Bv l=

a brzina praznog hoda o12 m30

0,8 0,5 sevBl

= = =⋅

Jednakost napona Se v= znači da gornja točka pomičnog vodiča na slici mora biti pozitivna.

Vektor v B×rr usmjeren je gore pri gibanju udesno, dakle vodič se mora gibati udesno.

Električni strojevi

192

b) struju izvora pri pokretanju vodiča iz mirovanja, Vodič miruje i ne inducira se protunapon 0, 0v e= = te se napon izvora troši sav na otporu vodiča Sv I R= ⋅

a struja pokretanja (struja kratkog spoja) iznosi S 12 24 A0,5

vIR

= = =

c) struju koju daje izvor ako na vodič djeluje opteretna sila 3 N, Sila na vodič kojim teče struja i sila tereta jednake su m t 3 NF F= = Sila na vodič iznosi mF BIl=

iz čega se dobiva struja pri opterećenju m 3 7,5 A0,8 0,5

FIBl

= = =⋅

d) inducirani napon u vodiču u slučaju c), Primjena 2. KZ na strujni krug Sv e IR= + iz čega inducirani napon mora iznositi S 12 7,5 0,5 8,25 Ve v IR= − = − ⋅ = e) brzinu gibanja vodiča u slučaju c), Inducirani napon nastaje gibanjem vodiča e Blv=

iz čega je brzina vodiča 8,25 m20,6250,8 0,5 s

evBl

= = =⋅

f) opteretnu silu (protusilu) pri kojoj bi se motor zakočio i struju koju pritom daje izvor, Zakočeni vodič miruje i ne inducira se protunapon 0, 0v e= = , a struju određuju napon izvora i otpor vodiča (struja kratkog spoja jednaka struji pokretanja)

S 12 24 A0,5

vIR

= = =

Sila na vodič iznosi m 0,8 24 0,5 9,6 NF BIl= = ⋅ ⋅ = g) brzinu u smjeru gibanja pri kojoj bi struja bila jednaka nuli Struja iz izvora bit će nula kad se u vodiču inducira Se v=

što se događa pri brzini S 12 0 m300,8 0,5 s

e IRvBl− −

= = =⋅

Zbog struje iznosa nula, sila na vodič kao i opteretna sila jednake su nuli, dakle ostvaruje se slučaj a). h) rad koji u jedinici vremena ostvaruje vodič u slučaju c) i potrebnu snagu izvora, Koristan rad vodiča u jedinici vremena je snaga P=F·v

P=3·20,625=61,875 W

Na otporu vodiča postoji snaga PR=I2·R PR=7,52·0,5=28,125 W Izvor mora pokriti i koristan rad i gubitke u otporu Piz= P+PR=90 W

Električni strojevi

193

Za gibanje vodiča nasuprot opteretnoj sili 3 N izvor mora u svakoj sekundi pružati energiju od 90 J. i) prikažite tablicom iznose induciranih napona, struja, brzina i snaga te korisnosti za

opteretne sile 0, 3 i 6 N, i te veličine za stanja praznog hoda i zakočenja (kratkog spoja). sila N

brzina v m/s

ind. napon e V

struja iA

korisna snaga P

W

snaga izvora Piz

W

korisnost η

izPP

naziv stanja

0 30 12 0 0 0 1 prazni hod 3 20,625 8,25 7,5 61,875 90 0,6875 opterećenje6 11,25 4,5 15 67,5 180 0,375 opterećenje

9,6 0 0 24 0 288 0 kratki spoj Kako doći do maksimalno mogućeg iznosa korisne snage? (Uputa: treba izraziti korisnu snagu pomoću struje i naći ekstrem). Maksimalna korisna snaga postiže se na polovici maksimalne struje i polovici maksimalne brzine i iznosi 72 W (tada vrijedi η=0,5). Slijede zaključci iz ovog primjera koji uglavnom vrijede i za realne slučajeve:

1. Priključi li se na vodič u magnetskom polju napon, poteći će struja i nastat će sila zbog koje se vodič može početi gibati ako je nastala sila veća od opteretne. Na tom načelu rade motori. Kod rotacijskih motora (u praksi prevladavaju) umjesto brzine i sile promatraju se kutne brzine i momenti.

2. Struja je u pokretanju najveća, pa je tada i sila na vodič najveća. 3. Razlika sile na vodič i opteretne sile ubrzava vodič. 4. Stacionarna brzina ostvaruje se kad se izjednače opteretna sila i sila na vodič. 5. U vodiču koji se giba u magnetskom polju inducira se napon razmjeran brzini. 6. Napon izvora jednak je zbroju induciranog napona i pada napona na otporu. 7. Pri većoj protusili (opterećenju, teretu) struja je veća, a brzina manja.

Nije teško zamisliti primjer različit od gornjega po tomu što na mjestu izvora stoji otpor trošila RT. Pri ulaganju energije u gibanje vodiča inducirat će se napon (načelo generatora), krugom će poteći struja ovisna o otporu trošila i na trošilu će se električna energija pretvarati u neku drugu korisnu energiju. Načelno se prema takvom modelu ostvaruje električni sustav: proizvodnja (generatori) – mreža (prijenos) – potrošnja (trošila).

Električni strojevi

194

13.2 Osnove električnih strojeva

Prema namjeni dijele se na generatore, motore i transformatore. Generatori proizvode električnu energiju iz mehaničke, a motori pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Transformatori se ubrajaju uvjetno među električne strojeve, jer, iako nemaju pokretnih dijelova, koriste iste zakone i ostvaruju pretvorbu energije, doduše samo oblika, ne i vrste. Pri pretvorbi energije u električnom stroju dolazi do gubitaka energije:

- u bakru (zbog prolaza struje kroz omske otpore namota i kontakata), - u željezu (zbog pojave histereze i vrtložnih struja), - dielektričnih gubitaka (nastaju u izolaciji, zamjetni su tek kod vrlo visokih napona), - mehaničkih gubitaka (trenja i ventilacije uslijed gibanja dijelova stroja).

Životnu dob električnog stroja uglavnom određuje slabljenje izolacijskih svojstava uzrokovano zagrijavanjem.

13.2.1 Princip izvedbe električnih strojeva

Električni stroj sadrži magnetski dio (jezgru od feromagnetskog materijala) i električni dio (jedan ili više namota). Rotacijski električni strojevi uobičajeno imaju:

- nepomični stator (željezna jezgra, namot, priključci i kućište), - pomični rotor (željezna jezgra, namot, klizni kontakti, osovina i ventilator), - zračni raspor između statora i rotora.

Najčešće se rotor nalazi unutar statora, iako ima i suprotnih izvedbi. Kod nerotacijskih izvedbi pomični dio stroja ostvaruje translacijsko gibanje (npr. linearni motori).

13.2.2 Magnetski krug električnih strojeva

Magnetski krug električnog stroja čine feromagnetski dijelovi statora i rotora i zračni raspor. Kroz magnetski krug zatvara se glavni magnetski tok Φ (korisni magnetski tok) kojeg zajednički uzbuđuju svi namoti i obuhvaća namot i statora i rotora. Rasipni magnetski tok Φs obuhvaća ili samo statorski ili samo rotorski namot i prolazi tek dijelom magnetskog kruga. Inducira rasipne padove napona (padove napona u induktivnim otporima) koji ne sudjeluju aktivno u pretvorbi energije.

a) b)

Sl. 13.1Primjeri magnetskih krugova

četveropolnog strojaa) s istaknutim polovima statorab) s istaknutim polovima rotora

Električni strojevi

195

13.2.3 Namot električnih strojeva

Namot električnih strojeva je skup svih vodiča međusobno spojenih po nekom pravilu i smještenih u (ili na) željeznu jezgru. Prema smještaju namot je statorski i rotorski, prema namjeni uzbudni (stvara magnetski tok) i radni ili armaturni (direktno sudjeluje u pretvorbi energije), prema izvedbi koncentrirani (obično uzbudni) i raspodijeljeni (obično radni, ali može biti i uzbudni). Koncentrirani namot čine svici oko istaknutih polova. Raspodijeljeni se namot realizira svicima uloženima u uzdužne statorske i/ili rotorske utore različitih oblika.

Sl. 13.2Razni oblici utora za

smještaj namota

13.2.4 Pogonska stanja električnih strojeva

Električni stroj u primjeni može biti u trajnom, kratkotrajnom ili isprekidanom (intermitiranom) pogonu. Osnovno pogonsko stanje je opterećenje, a njegove krajnosti su pogonska stanja praznog hoda i kratkog spoja. Počevši od mirovanja prema stacionarnoj brzini stroj prolazi fazu zaleta. U praznom hodu opterećenje stroja je nula, brzina nazivna, a gubici i zagrijavanje su najmanji. Gubici su praktično jednaki gubicima u željezu:

o Fe0, P Pη = ≅

U kratkom spoju opterećenje stroja je najveće, gubici se svode na gubitke u bakru:

2k Cu0, P P I Rη = ≅ = ,

a zagrijavanje je najveće i postoji opasnost od toplinskog preopterećenja.

Svojstva električnih strojeva određuju odnosi među električnim, magnetskim i mehaničkim veličinama koji su često nelinearni. Osim matematičkim modelima ponašanje strojeva rado se prikazuje grafički, različitim karakteristikama. Poznatije su ovisnosti momentna (ili vanjska) karakteristika M=f(n) ili njen obrat n=f(M), te među električnim veličinama vanjska karakteristika V=f(I) i unutrašnja karakteristika E=f(I). Karakteristika pri nazivnim vrijednostima parametara naziva se prirodna.

13.3 Sinkroni strojevi

13.3.1 Osnovni podaci

Sinkroni strojevi su strojevi izmjenične struje s brzinom vrtnje ns određenom brojem pari polova p i frekvencijom f priključenog napona prema:

Električni strojevi

196

-1s sfn

p⎡ ⎤= ⎣ ⎦

Pretežno se koriste kao generatori, te su generatori za napajanje većih elektroenergetskih sustava redovito sinkroni. Rotori sinkronih strojeva izvode se:

- s neistaknutim polovima (turbogeneratori, obično brzohodni s ns>1000 min-1) ili - s istaknutim polovima (hidrogeneratori, obično sporohodni s 60<ns<200 min-1).

a) b)

Sl. 13.3Presjek sinkronog stroja

a) turbogenerator (p=1)b) hidrogenerator (p=3)

Armaturni (radni) namot sinkronog stroja nalazi se na statoru i spaja se s mrežom, a uzbudnom namotu na rotoru privodi se iz nekog vanjskog istosmjernog izvora preko bakrenih četkica i kliznih kolutova uzbudna (primarna) struja koja pobuđuje uzbudni magnetski tok. Nekad se u uzbudi koriste i trajni magneti.

13.3.2 Princip rada sinkronog generatora

Vodiči statorskog namota sinkronog generatora izloženi su vremenskoj promjeni magnetskog toka kad rotor rotira pogonjen pogonskim strojem (tako rotira i uzbudni magnetski tok), te se u njima se inducira izmjenični (približno sinusni) napon. Frekvencija induciranog napona ovisi o broju okretaja rotora n (min-1) i broju pari polova p prema:

60

n pf ⋅=

Da bi se u trofaznom sinkronom generatoru inducirala tri fazna napona međusobno pomaknuta za 120°, moraju u utorima statora biti smještena tri fazna armaturna namota čiji su

počeci prostorno međusobno pomaknuti za kut 120p

α °= .

Električni strojevi

197

Sl. 13.4Raspored dvopolnog trofaznog namota

Polazeći od izraza za inducirani napon u jednom vodiču:

e B l v= ⋅ ⋅

efektivna vrijednost ukupnog induciranog napona jedne faze iznosi:

4, 44E f NΦ= ⋅ ⋅ ⋅

13.3.3 Sinkroni motor

Armaturni (radni, statorski) namot priključuje se na izmjeničnu mrežu, a uzbudni (rotorski) namot na izvor istosmjerne struje. Brzina vrtnje ns (ili ωs) je sinkrona i ovisi o frekvenciji mreže i broju pari polova prema:

s60 fn

p= [min-1]

Mehanička karakteristika n=f(M) za sinkroni je motor apsolutno kruta ili sinkrona. Brzina vrtnje je konstantna i unutar sinkronizma ne ovisi o opterećenju.

Sl. 13.5Shema spoja i mehanička karakteristika

sinkronog motora

Iz stanja mirovanja sinkroni se motor može pokretati

- samostalno i asinkrono ako ima kavezni prigušni namot. Tek pri brzini blizu nazivne uključuje se uzbuda i rotor uskače u sinkronizam.

- uz stalno održavani sinkronizam pomoću izvora promjenljive frekvencije s početnom frekvencijom nula.

- s posebnim zaletnim motorom. Pri brzini blizu nazivne uključuje se uzbuda i rotor uskače u sinkronizam.

Električni strojevi

198

Promjena smjera vrtnje motora izvodi se promjenom redoslijeda faza, tj. međusobnom zamjenom bilo koja dva priključka motora na trofaznu mrežu. Glavne su značajke sinkronog motora:

- konstantna brzina vrtnje, - veća specifična težina i specifična cijena od asinkronog motora, - ako se preuzbudi može popravljati faktor snage cos φ mreže na koju je priključen, - brzina vrtnje može se mijenjati promjenom frekvencije ili brojem pari polova, - kod velikih opterećenja ispada iz sinkronizma.

Sinkronim motorima pripadaju i motori s rotorskim trajnim magnetima napajani iz statičkih pretvarača s promjenljivom frekvencijom.

13.4 Asinkroni strojevi

Asinkronim strojevima brzina vrtnje različita je od brzine vrtnje okretnog polja i mijenja se s promjenom opterećenja. Asinkroni se strojevi uglavnom koriste kao trofazni motori, a za male snage i kao jednofazni.

13.4.1 Princip izvedbe i vrste asinkronih motora

Stator je načelno šuplji valjak sastavljen od tankih (0,5 mm) međusobno izoliranih “dinamo“ limova i smješten u kućištu motora. Po unutrašnjim uzdužnim utorima raspodijeljeni su svici trofaznog armaturnog namota. Tri početka i tri kraja faznog namota izvode se na priključnu kutiju na kućištu. Namot se može spajati u spoj zvijezda ili spoj trokut.

a) b)

Sl. 13.6

Spoj statorskog

namotaa) zvijezda

b) trokut

Rotor čini valjak paketa limova navučen na osovinu, a rotorski namot smješten je u uzdužnim utorima plašta. Prema izvedbi rotorskog namota asinkroni motori mogu biti kliznokolutni (s rotorskim svicima) ili kavezni (s rotorskim vodičima u obliku kaveza). Kliznokolutni asinkroni motor ima rotorski namot izveden po istim načelima kao i statorski. Može biti spojen u spoj zvijezda ili trokut. Početak namota svake faze spojen je s kliznim kolutom (bakrenim prstenom). Tri klizna koluta smještena na osovinu međusobno su i prema osovini izolirana. Po kolutima klize četkice (klizni kontakt) na koje se spaja izvan motora postavljen otpornik (rotorski uputnik) u trofaznom spoju. Otporima rotorskog uputnika može se mijenjati momentna karakteristika. Kolutni asinkroni motori koriste se za teške uvjete pokretanja, gdje je potreban veliki potezni moment. Teži su, skuplji i osjetljiviji u pogonu od kaveznih asinkronih motora.

Električni strojevi

199

Sl. 13.7Shema kolutnog asinkronog

motoraa) detaljnab) tropolna

c) jednopolna

Kavezni asinkroni motor ima za rotorski namot u utore uložene bakrene ili mesingane štapove bočno kratko spojene prstenima od istog materijala. Motori malih i srednjih snaga često imaju kavez od legure aluminija izrađen tlačnim ili vibracijskim lijevom. Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specifično najlakši i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najčešće korišteni elektromotor. Broj faza i broj pari polova kaveznog rotora prilagođuju se broju faza i broju pari polova statorskog namota.

Sl. 13.8Rotor kaveznog

asinkronog motoraa) izgled

b) vodljivi kavez

13.4.2 Princip rada asinkronog motora

Statorski namot priključi se na trofaznu mrežu, pri čemu trofazna izmjenična struja stvori okretno magnetsko polje koje rotira sinkronom brzinom ns. Okretno magnetsko polje presjeca vodiče statorskog i rotorskog namota, pa se induciraju naponi E1 i E2. Napon E1 drži ravnotežu s naponom mreže, a napon E2 u rotorskom namotu prouzroči struju I2 :

2 22 2 2

2 2 2

E EIZ R X

= =+

Na svaki vodič protjecan strujom u magnetskom polju postoji sila i nastaje okretni moment razmjeran toku Φ i radnoj komponenti rotorske struje: 2 2K cosM IΦ ϕ= Smjer djelovanja momenta u smjeru je vrtnje okretnog polja. Brzina vrtnje rotora nešto je manja od sinkrone brzine vrtnje okretnog polja. Rotor se uvijek okreće asinkrono, po čemu je

Električni strojevi

200

ovaj motor i dobio ime. Ako rotorski strujni krug nije zatvoren, ili ako bi brzina vrtnje rotora bila jednaka brzini okretnog polja, struja I2 i moment jednaki su nuli.

13.4.3 Klizanje asinkronog motora

Različitost brzina rotora n i okretnog polja ns navodi na klizanje:

s

s s

n n nsn n− Δ

= =

Brzina vrtnje rotora iznosi:

( ) ( )s 1 60 1fn n s sp

= − = −

Vrijednosti nazivnog klizanja (klizanja kod nazivnog opterećenja) iznose u praksi 2 do 8 %. Motorsko područje rada (uključujući zalet) ograničeno je s dva pogonska stanja: mirovanjem (n=0, s=1) i sinkronizmom (n=ns, s=0). U stanju sinkronizma vodiči rotora ne sijeku silnice okretnog polja, u njima se ne inducira napon E2, kroz njih ne teku struje I2 i nema zakretnog momenta na rotor, te stanje sinkronizma nije moguće održati. Za postojanje momenta potrebno je neko klizanje, tj. zaostajanje rotorske brzine n za brzinom okretnog polja ns. Frekvencija rotorske struje f2 i statorske struje f1 odnose se prema:

s22 1

1 s

n nf s f f sf n

−= = → = ⋅

13.4.4 Momentna karakteristika asinkronih motora

Momentna (vanjska ili mehanička) karakteristika M=f(n) ili M=f(ω) može se izraziti i pomoću klizanja: M=f(s). Graf na slici 13.9 obuhvaća moguća područja rada asinkronog stroja. Klizanje pri maksimalnom momentu naziva se prekretno klizanje spr, a pripadni moment je prekretni moment Mpr. Potezni moment je moment pri n=0 (ili s=1). Protustrujno kočenje nastaje pri rotaciji rotora suprotnoj rotaciji okretnog polja (n<0, s>1). Generatorsko kočenje nastaje pri rotaciji rotora bržoj od rotacije okretnog polja (n> ns, s<0), što je posljedica uloženog, a ne dobivenog momenta.

Električni strojevi

201

Sl. 13.9Vanjska karakteristika

asinkronog stroja M=f(s)

Vanjska karakteristika u oblicima M=f(n) i n=f(M) za asinkroni motor je tvrda, jer se u području stacionarnog rada brzina vrtnje malo mijenja s momentom opterećenja.

Sl. 13.10Vanjska

karakteristika asinkronog motora u

oblicima M=f(n) i n=f(M)

Da bi motor krenuo iz mirovanja potezni moment Mp mora biti veći od momenta opterećenja Mt. Dok postoji moment ubrzanja u tM M M= − raste brzina rotora i traje zalet. Stacionarna brzina vrtnje dobije se u sjecištu momentne karakteristike motora i momentne karakteristike radnog mehanizma pokretanog motorom. Kod sedlastih karakteristika motora i konstantnog momenta tereta to bi se moglo neželjeno dogoditi na malim brzinama, što treba spriječiti.

Sl. 13.11Karakteristika momenta motora i

konstantnog momenta opterećenja

Snaga, moment i brzina vrtnje povezani su prema:

Električni strojevi

202

meh okr

s

P PMω ω

= =

gdje je Pmeh mehanička snaga, a Pokr snaga okretnog polja.

13.4.5 Pokretanje asinkronih motora

U trenutku pokretanja asinkronog motora (n=0, s=1) maksimalni je inducirani rotorski napon i maksimalna struja pokretanja Ik (struja kratkog spoja). Ovisno o izvedbi (broju pari polova) i veličini motora, struja kratkog spoja kreće se približno u granicama: ( )k N3 ÷ 8I I= Povećanjem brzine vrtnje tijekom zaleta smanjuje se klizanje, inducirani napon i struja pokretanja. Kod pokretanja jednostavnim priključkom na napon struja pokretanja je velika, a potezni moment relativno mali. Kolutni motori mogu se pokretati uključivanjem otpora (tzv. uputnika) u rotorski krug. Otpor djeluje na struju pokretanja (uz veći otpor struja je manja) i momentnu karakteristiku (potezni moment i prekretno klizanje se mijenjaju, a prekretni moment ostaje konstantan).

Sl. 13.12Karakteristike momenta i

struje kod pokretanja kolutnog motora

Odgovarajućim otporom uputnika može se u trenutku pokretanja (n=0, s=1) postići potezni moment jednak prekretnom Mp=Mpr; tada je spr=1. Kod kaveznih motora ne može se uključivati otpor u rotorski krug, no postoje izvedbe kaveznog rotora s efektom potiskivanja struje (skin efekt) sa sličnim djelovanjem pri pokretanju kao što je uključivanje otpora u rotorski krug. Time se može znatno povećati potezni moment i smanjiti struja pokretanja. Obična izvedba kaveznih motora može se pokretati na različite načine, a glavni su:

- direktno priključivanjem na mrežu, - pri smanjenom naponu pomoću transformatora, statorskog predotpora ili prigušnice, - preko statičkog pretvarača napona i frekvencije, - pomoću preklopke zvijezda-trokut (Y/Δ).

Električni strojevi

203

13.4.6 Namještanje brzine vrtnje asinkronih motora

Brzina vrtnje asinkronih motora može se mijenjati: a) Promjenom sinkrone brzine:

- promjenom frekvencije - promjenom broja pari polova

b) Promjenom klizanja - promjenom priključnog napona - promjenom otpora rotorskog kruga

c) Kaskadnim spojevima.

13.4.7 Jednofazni asinkroni motor

Kod jednofaznog priključka stvara se pulzirajuće magnetsko polje koje se može prikazati s dva suprotno rotirajuća magnetska polja. Svako rotirajuće polje stvara s rotorskim strujama okretne momente u smjeru rotacije polja što prikazuje slika. Prema karakteristici mirujući jednofazni motor ne bi razvijao potezni moment: za n=0 → M=0. U praksi se pokreće ili dovođenjem momenta ili specijalnim konstrukcijama (kratkospojeni zavoj ili pomoćna faza).

Sl. 13.13Vanjska karakteristika

jednofaznog asinkronog motora

Kod motora s pomoćnom fazom da bi se postiglo okretno magnetsko polje (dvofazni sustav), mora postojati fazni pomak između struje Ir u glavnoj (radnoj) i struje Ip u pomoćnoj fazi. To se postiže izvedbom pomoćne faze s:

a) omskim otporom b) induktivnim otporom c) kapacitivnim otporom

Sl. 13.14Sheme spajanja

asinkronog motora s raznim

otporima pomoćne faze

Električni strojevi

204

Samo uz uključeni kondenzator moguće je između Ir i Ip dobiti pomak od 90°. Pomoćna faza obično se automatski isključi nakon zaleta.

13.5 Strojevi istosmjerne struje Strojevi istosmjerne struje (istosmjerni strojevi) električni su rotacijski strojevi s istosmjernom strujom u strujnom krugu priključaka.

13.5.1 Građa istosmjernog stroja

Istosmjerni stroj stoji se od tri osnovna dijela: - statora s uzbudnim namotom (ili kod manjih snaga s trajnim magnetom), - rotora s armaturnim namotom, - kolektora (ili komutatora) na rotoru. -

Sl. 13.15Načelna izvedba i

pojednostavljeni presjek

istosmjernog stroja

Na bakreni kolektor izvedeni su rotorski svici, a izvana po kolektoru kližu vodljive četkice spojene sa stezaljkama u priključnoj kutiji.

13.5.2 Princip rada

Istosmjerna uzbudna struja (ili permanentni magnet) uzbuđuje magnetski tok indukcije B. Ako se rotor pomoću vanjske sile održava u rotaciji, u vodiču dužine l (dio armaturnog namota spojen s dvodjelnim kolektorom) koji rotira obodnom brzinom v inducira se napon: e B l v= Prolazeći pokraj magnetskih polova vodič (iz slike 13.15) se izlaže promjeni indukcije prema slici 13.16. Inducirani napon mijenja se kao indukcija, tj. izmjeničan je.

Električni strojevi

205

Sl. 13.16Raspored magnetske indukcije u zračnom

rasporu i oblik induciranog napona

u vodiču

Napon na četkicama koje miruju je istosmjeran jer se u neutralnoj zoni NZ na dvodjelnom kolektoru (kolektor s dvije lamele) u trenutku promjene smjera ostvari zamjena priključaka. Jedan svitak daje pulzirajući napon prema slici 13.17. Više svitaka (raspoređenih u utorima po obodu rotora) s izvodima na veći broj kolektorskih lamela daju napon sa znatno manjim pulzacijama. Na opisanom principu djeluje istosmjerni generator.

Sl. 13.17Dobivanje

pulzirajućeg istosmjernog

napona na četkicama

Ako se na “+” i “−” stezaljke spojene s četkicama izvana priključi istosmjerni napon, poteći će struja I suprotnog smjera od one kod generatora. Na vodiče djeluje sila: F B I l= i nastaje zakretni moment, te stroj radi kao motor. Zakretni moment pokrene rotor u istom smjeru u kojem se okretao generator, ali uz suprotan smjer struje. Kad vodič napusti područje ispod jednog pola i prijeđe u područje drugog, mijenja se smjer magnetske indukcije B kojoj je izložen, ali se istovremeno promijenio i smjer struje u vodiču (djelovanje komutatora s četkicama) i smjer momenta ostaje isti. Veći broj svitaka daje ravnomjerniji moment. Dva naziva – kolektor i komutator koriste se zbog dvije uloge: kolektor “skuplja” napon ili struju, dok komutator “komutira” struju (preklapa joj smjer).

13.5.3 Iznos induciranog napona i momenta

Ukupni inducirani napon iznosi: EE K nΦ= Pri opterećenju istosmjernog stroja u generatorskom radu napon stezaljki V iznosi: A A ČV E I R V= − −Δ

Električni strojevi

206

a u motorskom se priključeni napon V troši na padove napona na četkicama ΔVČ, pad napona na armaturnom otporu IARA, te na inducirani napon E razmjeran brzini: A A ČV E I R V= + + Δ Ukupni moment razmjeran je struji armature i uzbudnom toku prema: M AM K IΦ=

13.5.4 Vrste uzbude istosmjernih strojeva

Nezavisna (strana) uzbuda ostvaruje se priključkom uzbudnog namota na nezavisni izvor. Zavisna (vlastita) uzbuda ostvaruje se kad su uzbudni i armaturni namot u galvanskoj vezi, a osnovni su oblici serijska, poredna i složena (mješovita, kompaundna) uzbuda. Vrsta uzbude ima odlučujući utjecaj na momentnu karakteristiku istosmjernog stroja. Nezavisna i poredna uzbuda slično djeluju na svojstva stroja.

13.5.5 Motori istosmjerne struje

Smjer vrtnje istosmjernih motora može se promijeniti promjenom smjera uzbudne struje (smjer magnetskog polja) ili promjenom smjera armaturne struje. Rad istosmjernog motora opisuje se modelom u kojem se potvrđuju osnovni zakoni elektromagnetizma: sila na vodič protjecan strujom M AM K IΦ= , II Kirchhoffov zakon A AV E I R= + , zakon elektromagnetske indukcije EE K nΦ= .

a) b) c)

Sl. 13.18 a) nezavisni motor b) poredni motor c) karakteristike n – zanemarena reakcija armature 1 – izjednačen je utjecaj armaturnog pada napona i reakcije

armature 2 – prejak utjecaj reakcije armature

Električni strojevi

207

Istosmjernom nezavisnom i porednom motoru brzina vrtnje može se mijenjati promjenom predotpora, promjenom napona i smanjivanjem uzbude (za brzine iznad nazivne), pa se taj motor susreće u pogonima sa potrebnim čestim promjenama brzine vrtnje. Kod serijskog motora uzbuda je spojena serijski s armaturom, pa su struja opterećenja, armaturna i uzbudna struja jednake: I=IA=IM. Smjer vrtnje mijenja se ako se zamijene priključci ili samo armature ili samo uzbude. Promjena polariteta na priključcima motora ne mijenja smjer vrtnje.

13.6 POSEBNE VRSTE MOTORA Osnovne vrste električnih motora najšire korištene u elektromotornim pogonima su sinkroni, asinkroni i istosmjerni motori. U preko 150 godina razvoja za razne posebne namjene pojavilo se mnogo inačica osnovnih vrsta s posebnim nazivima. Osobito su raznovrsne u području malih i sitnih motora, te one povezane s elektroničkim upravljačkim sklopovima. Ovdje se prikazuju najvažnije među njima.

13.6.1 Beskolektorski (brushless DC) motori

Unatoč svom imenu, beskolektorski ili bezčetkasti istosmjerni motori (BrushLess Direct Current - BLDC) nisu istosmjerni motori, nego sinkroni strojevi s rotorskim permanentnim magnetom i statorskim armaturnim namotom. Ime su dobili po radnim značajkama, koje najbliže odgovaraju istosmjernom (DC) motoru s nezavisnom uzbudom. Armaturni namot, najčešće trofazni, napaja se iz izvora s frekvencijom povezanom s frekvencijom rotacije rotora. Izvor promjenljive frekvencije sadrži DC/AC pretvornik (invertor, s elektroničkim sklopkama) koji istosmjerni napon pretvara u izmjenični. Kako bi kroz svitke armaturnog namota protjecale struje potrebnog iznosa i smjera, elektroničke sklopke invertora upravljaju se pomoću podataka o položaju rotora.

a) b)

Sl. 13.19 Načelna građa DC motora

a) kolektorskog b) beskolektorskog

Istosmjerni motor uobičajene građe imao je statorsku uzbudu i rotorski armaturni namot izveden na kolektorske lamele. Simbolički je to prikazano za trodjelni armaturni namot u zvijezda spoju na slici 13.19 a). Istosmjerni napon priključen je na četkice, a kolektorom se preklapaju rotorski svici tako da struja protječe kroz dva svitka i stvara rotacijski moment uvijek istoga smjera. Odgovarajući beskolektorski motor (slika 13.19 b) građen je obrnuto: u

Električni strojevi

208

rotoru je trajni magnet, a statorske armaturne svitke u spoju zvijezda ne preklapa kolektor, već za stvaranje momenta rotacije potreban smjer struje dobivaju preko elektroničkih sklopki. Način ostvarenja potrebnog napajanja statorskih svitaka pomoću sklopki i vremenski tijek napona na fazama prikazuje slika 13.20.

Sl. 13.20Djelovanje invertora i

pripadni naponi na

fazama Realizacija invertora ostvaruje se pomoću bipolarnih tranzistora na mjestu sklopki.

13.6.2 Koračni (step) motori

Koračni motori (KM) u biti su sinkroni motori. Rotor koračnog motora sinkrono prati kretanje statorskog polja zbog sila nastalih međudjelovanjem s poljem rotorskih magneta ili reluktantnih sila tako, da se magnetske osi rotora nastoje podudarati s osima statorskog polja. Pozicija rotora mijenja se u koracima jer statorsko polje stvaraju svici napajani strujnim impulsima potrebnog rasporeda i polariteta upravljanima s pomoću binarnih signala. Postoje tri glavne vrste koračnih motora: s promjenljivom reluktancijom (magnetskim otporom), s trajnim magnetom i hibridni (sa svojstvima prethodnih). Smjer vrtnje može se mijenjati promjenom impulsnog slijeda, brzina rotacije promjenom frekvencije impulsa, a prijeđeni broj koraka (kut) ovisi o ukupno pristiglom broju impulsa. Rotor se može i držati u željenoj kutnoj poziciji. Kut pogreške po koraku vrlo je malen i ne akumulira se. Statorski namot je višefazni, a jednu fazu čine svi vodiči namota spojeni u cjelinu.

Slika 13.21 Načelni prikaz osnovnih vrsta

koračnih motoraa) reluktantni

b) s trajnim magnetomc) hibridni

Reluktantni koračni motor ima rotor iz mekog željeza s brojem polova (zubi) različitim od broja polova statora. Općenito broj polova (zubi) rotora treba biti takav da jednom polu statora ne pripada cijeli broj zubi rotora. U suprotnom slučaju došlo bi u mirovanju do "lijepljenja" rotora i motor se ne bi mogao okretati.

Električni strojevi

209

Slika 13.21 a) prikazuje četverofazni reluktantni koračni motor s jednim parom polova po fazi na statoru (pS=4) i tri para polova na rotoru (pR=3). Polni koraci iznose:

o o o o

o opS pR

S R

360 360 360 36045 602 8 2 6p p

τ τ= = = = = =

Rotor teži položaju minimalnog magnetskog otpora (reluktancije), a postiže ga poklapanjem simetrale uzbuđenog para statorskih polova i simetrale samo jednog para rotorskih polova. Na slici je prikazan položaj pri uzbuđenoj fazi B-B'. Prespajanjem uzbude na fazu A-A' rotor se pomiče u smjeru suprotnom od satne kazaljke za kut:

o o opR pS 60 45 15ϕ τ τΔ = − = − =

Koračni motori s trajnim magnetima postižu veće snage i momente od reluktantnih. Nizanje polariteta na svicima u koracima 1-2-3-4-1-... prema slici 13.22 prouzročit će pri svakoj promjeni pomak rotora ulijevo za pola polnog koraka. Niz 4-3-2-1-4-... dao bi korake suprotnog smjera. Redoslijed kojim će se uzbuđivati faze određuje program upravljanja elektroničkim generatorom impulsa. Prema izboru programa postiže se željeni smjer i određena brzina vrtnje, ili samo određeni zakret rotora i njegovo držanje u dovedenoj kutnoj poziciji.

a)

korak A B 1 + + 2 + − 3 − − 4 − +

1 + + 2 + − 3 − − 4 − +

b)

Slika 13.22Uzbuda za koračni motor

a) oblici napajanjab) tablični prikaz

polariteta napajanja faza za dva ciklusa

13.6.2.1 Napajanje koračnih motora

Koračni se motori izvode najčešće kao dvofazni, no susreću se i izvedbe s tri, četiri, pa i pet faza. Istovremeno se može uzbuđivati ili samo jedna ili više faza. Istovremenom uzbudom dviju faza postiže se veći moment, a kombiniranje jednofazne i dvofazne uzbude omogućuje i polukorak, čime se ukupni broj koraka po okretu udvostručuje.

13.6.2.2 Svojstva i primjena koračnog motora

Glavna su povoljna svojstva koračnih motora niska cijena, robusnost, jednostavnost, visoka pouzdanost, lako održavanje. Pri pozicioniranju, za razliku od servomotora, ne zahtijevaju povratnu vezu (senzore brzine i položaja, regulator).

Električni strojevi

210

Među nedostatke mogu se ubrojiti relativna sporost (u usporedbi sa servomotorima), preciznost ograničena iznosom koraka, utitravanje u poziciju, visoki gubici, pri nekim brzinama pojava rezonancije te mogućnost preskoka koraka (npr. kod udarnih opterećenja). Koračni motori koriste se za precizno i brzo pozicioniranje mehaničkih sustava koji zahtijevaju pomake u određenim koracima, npr. automatska kontrola filma pri njegovom automatskom razvijanju, fokusiranje kamera, usmjeravanje antena, pogon pisača, satni pogon. Široko se koriste u brodskim uređajima, u medicinskim uređajima, u računalskoj tehnici, u numerički upravljanim alatnim strojevima, za neke od pogona robota i sl. Motori se proizvode u velikim serijama, pa im je cijena relativno niska i danas su među najčešće korištenim malim motorima.

13.6.3 Reluktantni motori

Reluktantni motori su najjednostavniji i najjeftiniji električni strojevi koji omogućuju rad s promjenljivom brzinom i mogu se promatrati kao beskolektorski motori bez trajnog magneta. Načelo djelovanja ovog motora prikazuje slika 13.23 a). Magnetski otpor (reluktancija) magnetskog kruga koji se sastoji samo od željeza i zračnog raspora mijenja se ovisno o kutnom položaju rotora. Kad se strujom zavojnice pobudi statorsko polje, na rotor djeluje moment tražeći položaj najmanje reluktancije. Nalazi ga kad je kut magnetskih osi statora i rotora θ jednak nuli. Tada moment postaje jednak nuli i rotor staje u ravnotežnom položaju. Tom položaju s najmanjom reluktancijom pripada i minimum pohranjene energije u sustavu. Ako se pretpostavi harmonička uzbudna struja I=Im sin(ωt), srednji moment na rotor različit od nule razvit će se samo ako je mω ω= gdje je ωm kutna brzina rotora. Srednji moment je razmjeran 2

sr M ok sin (2 )M I Θ= gdje je Θo kut rotora pri t=0 i najveći je pri Θo=45°.

Sl. 13.23Reluktantni motor

a) načelo djelovanjab) načelna izvedba

a) b) Tipična izvedba prema slici 13.23 b) s nacrtanim svicima za samo jedan par polova slična je koračnom reluktantnom motoru. Razlika je u tomu što je ovaj motor predviđen za

Električni strojevi

211

kontinuiranogibanje i zahtijeva povratnu vezu položaja rotora (položaj rotora određuje koja će faza biti uzbuđena), dok se faze koračnog motora napajaju iz nezavisnog izvora impulsa te upravljaju koračnim gibanjem rotora (ne postoji povratna veza). Reluktantni motori pojavljuju se pod nazivima VR (variable reluctance) i SR (switched reluctance). Prvi je naziv primjereniji kad se reluktantni motor uzbuđuje kontinuiranim strujama, a drugi kad se uzbuđuje strujnim impulsima prikladno raspoređenim po fazama i vremenski točno određenima ovisno o međusobnom položaju rotorskih i statorskih polova. Brzinu rotora pritom određuje frekvencija struja statorskih zavojnica, a reluktantni moment je pulzirajući. Reluktantni se motori izrađuju za dvije, tri (često) ili više faza. Veći broj faza daje jednoličniji moment i olakšava pokretanje. Osim pulzacija momenta problem je i razmjerno visoka razina emitiranog zvuka. U usporedbi s BLDC motorima prednost je u izostanku magneta, te jednostavnijem upravljanju, jer ne treba voditi računa o smjeru struja po fazama.

13.6.4 Univerzalni motor

Smjer momenta u istosmjernom motoru sa serijskom uzbudom ne mijenja se ako se promijeni polaritet priključenog napona, jer se pritom promijeni i smjer uzbudnog polja i smjer struje u armaturnim vodičima. To upućuje na mogućnost da se kolektorski motor sa serijskom uzbudom napaja izmjeničnim naponom i razvija moment stalnoga smjera u oba poluvala. Motori koji se grade na tom načelu nazivaju se univerzalni motori. Kako se i stator izmjenično magnetizira, potrebno ga je lamelirati kao i rotor da se izbjegnu prekomjerni gubici uslijed vrtložnih struja. Izrađuju se za manje snage (do 2 kW), a brzine im mogu dosezati i do 40000 min-1. Kako pri većim brzinama mogu biti razmjerno malih dimenzija za određenu snagu, prikladni su za primjenu u ručnim alatima, domaćinskim aparatima i sličnim uređajima za povremeno korištenje kojima treba veća brzina. Uz iste okolnosti moment je pri istosmjernom napajanju veći nego kod izmjeničnog.

Sl. 13.24Momentne karakteristike

univerzalnog motoraa) pri AC i DC napajanju

b) pri raznim naponima

a) b) Brzina se obično mijenja promjenom priključenog izmjeničnog napona, što se danas lako izvodi kontinuirano pomoću trijaka i diskontinuirano serijskim spajanjem diode. Diskontinuirano se brzina može mijenjati i promjenom broja zavoja uzbudnog namota npr. preklapanjem izvoda. Nedostaci su uglavnom povezani s kontaktom četkice-kolektor: potreba održavanja, elektromagnetske smetnje, visoka razina buke i vibracija. Moment je znatno pulzirajući, što u predviđenim primjenama posebno ne smeta. Kako se izvode u velikom broju, razmjerno su jeftini.