Maturski Rad Elektricne Masine

Tehniĉka škola Zenica

Maturski rad iz predmeta Elektriĉne mašine

SINHRONI MOTORI

Mentor: Prof.Melisa Muhić, dipl.el.ing.

Zenica, juni 2014.

Uĉenik: Harun Ćostović IV-1

Sinhroni motori MATURSKI RAD

SADRŽAJ

SADRŢAJ................................................................................................................................................................. 1 UVOD – POSTAVKA ZADATKA ......................................................................................................................... 2 1.

SINHRONE MAŠINE ...................................................................................................................................... 3

1.1.

Fiziĉke osnove na kojima poĉiva rad sinhronih mašina ................................................................................... 4

1.1.1. Princip rada generatora ..................................................................................................................................... 4 1.1.2. Termoelektrame ................................................................................................................................................ 5 1.1.3. Hidroelektrane .................................................................................................................................................. 5 1.2.

Znaĉaj sinhronih mašina u elektroprivredi ....................................................................................................... 7

1.3.

Svrha sinhrone mašine ...................................................................................................................................... 8

2.

SINHRONI MOTORI ...................................................................................................................................... 9

2.1.

Opšte osobine i primjena sinhronih motora ...................................................................................................... 9

2.2.

Naĉin rada sinhronih motora .......................................................................................................................... 10

2.3.

Puštanje sinhronih motora u rad ..................................................................................................................... 11

2.4.

Mijenjanje brzine obrtaja sinhronog motora.................................................................................................. 12

2.5.

Sinhroni (fazni) kompenzatori ........................................................................................................................ 12

3.

SINHRONI MOTOR SA STALNIM MAGNETIMA ................................................................................... 15

4.

INDUKTIVNI MOTOR ................................................................................................................................. 16

5.

HISTEREZISNI MOTOR .............................................................................................................................. 21

6.

KORAĈNI MOTOR ...................................................................................................................................... 22

6.1.

Osnovne karakteristike koraĉnih motora ........................................................................................................ 22

6.2.

Permanentnomagnetski koraĉajni motor (P.M.) ............................................................................................. 23

6.3.

Varijabilnoreluktancijski koraĉajni motori (V.R.K.M.) ................................................................................ 23

7.

REAKTIVNI MOTOR (MLAZNI MOTOR) ................................................................................................ 24

8.

ZAKLJUĈAK................................................................................................................................................. 26

LITERATURA ....................................................................................................................................................... 27

1


UVOD – POSTAVKA ZADATKA Sinhrona mašina je vrsta elektriĉne mašine za naizmjeniĉnu struju. Ove mašine mogu da rade u generatorskom i motorskom reţimu. U odnosu na asinhrone mašine velikih snaga, bitne prednosti sinhronih motora su bolji stepen iskorištenja i to što ne troše reaktivnu energiju(postoji mogućnost i proizvodnje reaktivne energije), dok su nedostaci vezani za postojanje pobude i relativno teško puštanje u rad. Sinhrone mašine imaju široku primjenu i kao elektriĉni motori i pri snagama iznad 100 kW koriste se za pogon centrifugalnih i klipnih pumpi, ventilatora, kompresora i drugih mehanizama. U praksi imaju široku primjenu i sinhroni motori uproštene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravku snage mreţe koja napaja veći broj asinhronih motora. U ovom radu obraĊen je princip rada sinhronih mašina, vrste sinhronih mašina, njihova upotreba, svrha i znaĉaj, te najpoznatije vrste sinhronih motora.

2


1. SINHRONE MAŠINE Sinhrona mašina je vrsta elektriĉne mašine za naizmjeniĉnu struju. Sinhrone mašine mogu da rade u generatorskom i motorskom reţimu. Uglavnom se koriste kao generatori u elektranama, pošto se kao motori danas koriste jeftinije i prostije asinhrone mašine. Sinhroni mašine, tj. sinhroni generatori i motori, su elektriĉne rotacione mašine trofazne struje, ĉija je osnovna karakteristika da je mehaniĉka brzina obrtanja rotora jednaka sinhronoj brzini obrtanja okretnog magnetskog polja statora ns, koja je data izrazom: ns 

60 f . p

(1.1.)

gdje je: ns – brzina obrtanja okretnog magnetskog polja statora, p – broj pari polova, f – frekvencija napona statora.

Slika 1.1. Poprečni presjek sinhrone mašine

3


1.1. FIZIČKE OSNOVE NA KOJIMA POČIVA RAD SINHRONIH MAŠINA Sinhrone mašine se najviše koriste kao generatori. Praktiĉno sva elektriĉna energija termoelektrana, hidroelektrana i nuklearnih elektrana proizvodi se pomoću sinhronih generatora. Sinhroni generatori se grade za velike snage. Veliki sinhroni generatori predstavljaju najveće elektriĉne rotacione mašine. Sinhrone generatore prema pogonskoj mašini dijelimo na: 1) turbogeneratore – gdje je pogonska mašina parna ili gasna turbina 2) hidrogeneratore – gdje je pogonska mašina vodena (hidro) turbina 3) dizelgeneratore – gdje je pogonska mašina dizel motor

1.1.1. Princip rada generatora Osovina turbine je priĉvršćena za osovinu generatora. Generator ima veliki pomiĉni magnet (rotor) koji se nalazi unutar nepomiĉnog prstena (stator) na koji je namotana dugaĉka ţica. Pošto je osovina turbine spojena s osovinom rotora, rotor se vrti kada se vrti turbina. Zbog pomicanja (okretanja) rotora (koji je veliki magnet) u ţicama na prstenu (statoru) poĉinje teći struja kao posljedica elektromagnetne indukcije. Dakle, generator pretvara mehaniĉku energiju rotora u elektriĉnu energiju. Generator radi na principu elektromagnetne indukcije, što je otkrio britanski znanstvenik Michael Faraday 1831. godine. On je ustanovio da kroz vodiĉ, na primjer, bakrenu ţicu, ako ga pomiĉemo unutar magnetskog polja teĉe elektriĉne struja.Vrijedi i obratno. Pomiĉemo li magnetno polje (tako da pomjeramo magnet - rotor) u blizini vodiĉa, ţica na statoru, tada se u njima inducira elektriĉna struja. To je upravo princip rada generatora.

4


1.1.2. Termoelektrane Termoelektrane imaju velike kotlove u kojima izgara gorivo i pritom se oslobaĊa toplina (toplinska energija). Kotao se moţe zamisliti kao ĉajnik na pećnici. Kada voda zakipi tada para izlazi kroz malu rupicu na vrhu ĉajnika. Para se kreće i prolazi kroz rupicu te stvara piskutavi zvuk koji nam daje do znanja da je voda zakipjela. U elektrani voda zakipi u velikim kotlovima iz kojih se tada para odvodi do turbine pomoću cijevi koje imaju debele stjenke. Većina kotlova se zagrijava tako da se ispod njih nalazi loţište u kojem se pali drvo, ugljen, nafta ili prirodni plin i tako se dobiva toplina. Kroz loţište i iznad njega prolazi niz cijevi kroz koje teĉe voda. Toplinska energija dobivena u loţištu prenosi se na cijevi koje tada zagrijavaju vodu koja teĉe kroz njih sve do trenutka dok se ne dobije para. Temperatura na kojoj voda prelazi u paru jako je visoka i ovisi o pritisku pod kojim se voda nalazi u kotlu; što je viši pritisak, to je viša temperatura na kojoj voda zapoĉinje isparavati. Para visokog pritisaka dovodi se do turbine i turbina se tada vrti. Energija saĉuvana u pari pretvara se u mehaniĉku energiju osovine turbine. Kako je osovina turbine spojena s osovinom generatora, i on se vrti. Generator tada pretvara mehaniĉku energiju obrtanja u elektriĉnu energiju. Turbina ima na stotine lopatica koje su okrenute pod nekim uglom (kao propeler kod broda). Kada se para dovodi do turbine ona klizi duţ lopatica koje djeluju silom na paru skrećući je s poĉetnog smjera strujanja. Istom silom, ali suprotnog smjera, para djeluje na lopatice koje su pak priĉvršćene na osovinu; zbog djelovanja pare na lopatice silom osovina se vrti. Nakon što para proĊe kroz turbinu odvodimo je cijevima u ureĊaj za hlaĊenje (kondenzator) gdje joj se sniţava temperatura do trenutka kada se ponovno pretvara u vodu. Kada vruće cijevi doĊu u kontakt s hladnim zrakom dolazi do zagrijavanja ĉestica vode koje se nalaze u zraku te se pretvore u paru i tada izgleda kao da se ureĊaj za hlaĊenje dimi. To, dakle, nije dim nego vodena para. Valja naglasiti da to nije ona para koja pokreće turbinu. OhlaĊena voda se pumpom ponovno dovodi do kotla u kojem se grije, pa se cijeli proces neprestano ponavlja. Termoelektrane u Bosni i Hercegovini koriste se ugljenom, naftom i plinom za grijanje vode, a nuklearne elektrane nuklearnim gorivom pomoću kojeg grije vodu. Dakle, nuklearne elektrane su takoĊer termoelektrane, ali umjesto ugljena, nafte ili plina koriste drugu vrstu goriva (nuklearno gorivo) za zagrijavanje vode. Postoje i elektrane koje se koriste geotermalnim izvorima, te samim time ne trebaju nikakvo gorivo.

1.1.3. Hidroelektrane Hidroelektrane su postrojenja u kojima se pomoću vodene energije proizvodi elektriĉna struja. Grade se uz vodopade ili visoke brane. Voda protjeĉe cijevima i pokreće generatore, te oni proizvode struju. Struja nastala na ovaj naĉin ne razlikuje se od one proizvedene u drugim vrstama elektrana. Hidroelektrane mogu raditi samo na mjestima gdje voda ima veliki pad, jer samo tada ima dovoljnu snagu da pokrene generator. Zbog toga se nad hidroelektranama ĉesto grade velike brane iza kojih nastaje jezero. U hidroelektranama se nalaze turbine kroz koje protjeĉe vodena struja i okreće lopatice. Osovina povezana s lopaticama pokreće generator a mehaniĉka energija pokreće poluge koje okreću veliki broj magneta u generatoru. Kada magneti prolaze uz bakrene kolutove, stvara se magnetno polje koje potom stvara elektriĉnu struju. Pomoću posebnih ureĊaja, transformatora, jaĉina struje se postupno povećava 5


kako bi dosegla razinu potrebnu za opskrbu u elektriĉnoj mreţi koja struju dovodi do naših domova. Nakon tog procesa voda se, bez ikakvih dodataka ili zagaĊivanja, ponovno ispušta i vraća u jezera, potoke ili rijeke. Hidroelektrane nastavljaju raditi i noću, kad je potrošnja elektriĉne struje vrlo mala. Da bi se sprijeĉio gubitak energije, neke od turbina se napajaju elektriĉnom energijom, pa sluţe kao pumpe. One pune rezervoare iznad hidroelektrane vodom, te se ona danju opet koristi za proizvodnju struje. Dizelgeneratori se pokreću dizel motorima, a grade se za široki raspon brzina obrtanja, od p=2 naviše. Snaga dizel generatora ograniĉena je mogućnošću izrade motora, pa dostiţe najviše desetak MVA. Da bi se povećao naznaĉeni napon generatora i s tim u vezi, generator direktno prikljuĉio na mreţu, bez upotrebe blok-transformatora, neki proizvoĊaĉi umjesto klasiĉno izolovanih namotaja upotrebljavaju odgovarajuće kablove. Sinhrone mašine prema obliku rotora dijelimo na: 

mašine sa cilindričnim rotorom Grade se sa cilindriĉnim rotorom, za velike brzine obrtanja. Kod ove vrste generatora izraţeni su mehaniĉki problemi u pogledu konstrukcije rotora zbog velike periferne brzine izmeĊu leţišta. Oni se uvijek postavljaju horizontalno.



mašine sa rotorom sa istaknutim polovima Grade se sa istaknutim polovima na rotoru, od sasvim sporohodnih do brzohodnih. Što je manja brzina obrtanja dozvoljava se veći preĉnik rotora. Kod ove vrste generator izraţeni su mehaniĉki problemi u pogledu konstrukcije rotora zbog velike periferne brzine pri zalijetanju. Generatori većih snaga, ĉije su brzine relativno male, postavljaju se vertikalno, hlaĊenje je kombinovano voda i vazduh. Cilindar je od oţlijebljenog gvoţĊa, obiĉno masivnog, namotaj induktora je sastavljen od sekcija smeštenih u ţlijebove. Ova konstrukcija se skoro iskljuĉivo primjenjuje kod velikih dvopolnih ili ĉetvoropolnih turbogeneratora, iz mehaniĉkih razloga. Rotor je sa istaknutim polovima i sa meĊupolnim prostorom kod kojih je namotaj koncentrisan oko jezgra pola. Ova konstrukcija se upotrebljava kod mašina sa većim brojem polova hidrogeneratora. Ima osnovnu ulogu da prigušuje oscilovanje brzine obrtanja rotora oko sinhrone brzine u prijelaznim procesima, pri ĉemu se tada ponaša kao kavezni rotor asinhronih motora. Kroz provodnike pobudnog namotaja prolazi jednosmjerna struja uslijed koje nastaje stalno magnetno polje. Magnetnopobudna sila (mps) pobude miruje u odnosu na rotor, pa se naziva stojećom. Smjer jednosmjerne struje kroz provodnike rotora je takav da je jedan pol sjeverni, slijedeći juţni itd. Obrtanjem rotora stvara se obrtno magnetno polje. Ovo polje presijeca provodnike statora i u njima indukuje EMS.

6


Slika 1.2. Rotori sinhrone mašine ( cilindrični i sa istaknutim polovima)

1.2. ZNAČAJ SINHRONIH MAŠINA U ELEKTROPRIVREDI Elektriĉna energija predstavlja jedan od najĉišćih oblika energije. Mogućnosti dobivanja elektriĉne energije su raznovrsni. Najprihvatljiviji su naĉini dobivanja iz obnovljivih izvora energije, kao što su hidroelektrane, vjetroelektrane te solarne elektrane. Od obnovljivih izvora energije hidroelektrane su najraširenije. Njihov udio meĊu obnovljivim izvorima energije je oko 88% (podatak za 2005. godinu). To je posljedica više faktora. Za razliku od vjetra ili sunca, ĉiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen volumni protok, je puno stabilniji i stalniji tokom godine. To znaĉi da je i opskrba elektriĉnom energijom pouzdanija. TakoĊer, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva reţima rada, te kao takve su vrlo isplative i poţeljne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje elektriĉne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je pribliţno 816 GW. Kljuĉna prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i hidroelektrana, je smanjena ili u potpunosti eliminirana emisija stakleniĉkih plinova. Glavni razlog tomu je što ne koriste fosilna goriva kao pokretaĉ turbine, odnosno elektriĉnog generatora. Time elektriĉna energija nastala u hidroelektranama postaje rentabilnija, te neovisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na trţištu. Hidroelektrane takoĊer imaju predviĊen duţi ţivotni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Ono što je bitno, u razmatranju hidroelektrana s ekonomskog aspekta, jest da današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo malen broj osoblja, zbog velikog nivoa automatiziranosti. Nadalje, cijena investicije u izgradnju hidroelektrane se povrati u razdoblju do desetak godina. Emisija stakleniĉkih plinova je u potpunosti eliminirana, ako se iskljuĉivo promatra samo proces proizvodnje elektriĉne energije. Isto se ne moţe reći za cijelu hidroelektranu, kao sistem saĉinjen od brane, turbine i elektriĉnog generatora te hidro akumulacijskog jezera. MeĊutim, zanimljiva je studija koja je provedena u suradnji Paul Scherrer Institut-a i Sveuĉilišta u Stuttgartu. Ona je pokazala da su, meĊu svim izvorima energije, hidroelektrane najmanji proizvoĊaĉi stakleniĉkih plinova. Slijede redom vjetroelektrane, nuklearne elektrane, energija dobivena foto naponskim ćelijama. Vaţno je napomenuti da je ta studija raĊena za klimatske prilike u Europi te se moţe primijeniti i na podruĉja Sjeverne Amerike i Sjeverne Azije.

7


1.3. SVRHA SINHRONE MAŠINE Sinhrone mašine predstavljaju mašine naizmjeniĉne struje bez komutatora, kod kojih preobraţaj energije nastaje uslijed mehaniĉkog premještanja stalnog magnetnog fluksa polova u odnosu na nepokretan namotaj indukta. Sinhrone mašine koriste se uglavnom kao generatori elektriĉne energije naizmjeniĉne struje. U svakoj elektrani (hidro, termo i nuklearnoj) nalazi se po nekoliko sinhronih generatora velikih snaga spojenih na iste sabirnice. Sinhroni generatori manjih snaga reda nekoliko desetina ili stotina kVA koriste se u malim autonomnim elektranama. Sinhrone mašine imaju široku primjenu i kao elektriĉni motori i pri snagama iznad 100 kW koriste se za pogon centrifugalnih i klipnih pumpi, ventilatora, kompresora i drugih mehanizama. U praksi imaju široku primjenu i sinhroni motori uprošćene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravku snage mreţe koja napaja veći broj asinhronih motora.Radi uprošćenja konstrukcije sinhronih mašina male snage, one se grade bez budilice. U tom sluĉaju pobudni namotaj se napaja usmjerenom strujom statora. Radi obezbjeĊenja samopobuĊivanja generatora izmeĊu polova se postavljaju stalni magneti. Pri obrtanju rotora sinhrone mašine, sa njegovim polovima obrće se i magnetni fluks koji iz njih izbija. Ovdje je obrtni fluks proizveden mehaniĉkim putem. Ovaj obrtni fluks sijeĉe provodnike nepokretnog statora i u njima indukuje napone naizmjeniĉne prirode. Zaokretu indukta za jedan polni korak odgovara jedna perioda napona indukovanog u provodniku. Ako namotaj statora prikljuĉujemo na simetriĉan višefazni prijemnik, u namotaju statora poteći će višefazne struje. Te struje obrazuju magnetni napon statora, a ovaj magnetni fluks statora, koji se po njegovom obimu okreće u smjeru obrtanja rotora. Rotor se obrće istom brzinom kao i obrtni magnetni fluks statora. Iz ove ĉinjenice potiĉe i naziv sinhrona mašina.

8


2. SINHRONI MOTORI Sinhroni motori uobiĉajeno imaju: - nepomiĉni stator (ţeljezna jezgra, namot, prikljuĉci i kućište), - pomiĉni rotor (ţeljezna jezgra, namot, klizni kontakti, osovina i ventilator), - zraĉni raspor izmeĊu statora i rotora. Najĉešće se rotor nalazi unutar statora, iako ima i suprotnih izvedbi. Stator sinhronog motora se po svojoj funkciji i izvedbi ne razlikuje od statora asinhronog motora. Napravljen je od dinamolimova, a u utorima statora su uloţeni trofazni namoti. Rotor predstavlja elektromagnet, koji se pobuĊuje istosmjernom strujom. Broj polova rotora mora biti jednak broju polova statorskog trofaznog namota. Postoje dvije osnovne izvedbe rotora. Ako je motor višepolan, rotor se izvodi sa izraţenim polovima. Magnetski dio rotora je izveden tako da se protjecanjem istosmjerne struje kroz namote polova dobiju naizmjeniĉno sjeverni i juţni polovi. Kod dvopolnih sinhronih motora, koji imaju veliki broj okretaja (3000 obr/min) u nekim sluĉajevima i ĉetveropolnih (1500 obr/min) izvode se rotori bez izraţenih polova (tzv. turborotori) kod kojih je uzbudni namot uloţen u utore rotora. Tako izvedeni rotor je u stanju da savlada mnogo veće centrifugalne sile. Sinhroni generatori s izvedbom rotora bez izraţenih polova se pogone parnim turbinama na osnovu ĉega su dobili naziv "turbogeneratori". Napajanje uzbudnih namota rotora sinhronih motora istosmjernom strujom se izvodi pomoću dva klizna prstena smještena na osovini rotora. Osim pobudnog namotaja, na rotoru nekih sinhronih mašina postoji i dodatni, prigušni (amortizacioni) namotaj, koji ima osnovnu ulogu da prigušuje oscilovanje brzine obrtanja rotora oko sinhrone brzine u prelaznim procesima, pri ĉemu se tada ponaša kao kavezni rotor asinhronog motora. U ustaljenom stanju ovaj namotaj nema funkciju, jer se u njemu tada ne indukuje napon. On se ugraĊuje, po pravilu, u polne papuĉice mašina sa lameliranim istaknutim polovima, a sastoji od se od okruglih bakarnih štapova stavljenih u ţljebove u polnom stopalu (nastavku, papuĉici). Ovi štapovi su meĊusobno povezani (kratko spojeni) pomoću dva provodna prstena sa obe boĉne strane pola. U mašine sa cilindriĉnim rotorom ugraĊuje se takoĊe prigušni namotaj kada se oĉekuju velika nesimetriĉna opterećenja. Namotaj indukta je smješten u ţlijebovima statora, najĉešće je trofazni. Raspodijeljen je po cijelom obimu.

2.1. OPŠTE OSOBINE I PRIMJENA SINHRONIH MOTORA Prednosti sinhronog motora u odnosu na asinhroni motor su:  

Manje su osjetljivi na promjene napona mreţe u odnosu na asinhroni motor, pošto je njegov prekretni momenat srazmjeran prvom stepenu napona, a ne kvadratu napona kao kod asinhronog motora. Pošto sinhroni motor radi sa faktorom snage cosφ=1, njegova struja , pa prema tome i dimenzije, manje su od struje i dimenzija asinhronog motora iste snage.

9


   

Dobar stepen iskorištenja jer u rotoru sinhronog motora nema gubitaka u gvoţĊu, nema relativnog pomicanja polja u odnosu na rotor, a kod rotora sa permanentnim magnetima nema ni gubitaka u bakru. Budući da su gubici rotora sinhronog motora sa permanentnim magnetima zanemarivi, nestaje i problem odvoda toplote s rotora tj. pogonske osovine što je posebno vaţno kod primjene ovih motora u alatnim mašinama. Jednostavniji sistem upravljanja u odnosu na asinhroni motor što se moţe zahvaliti ĉinjenici da je poloţaj magnetnog polja ĉvrsto odreĊen poloţajem rotora. Ima stalnu brzinu obrtanja, bez obzira na mehaniĉko opterećenje na osovini. Jednostavan prelaz iz motornog u generatorski rad što omogućuje elektriĉno koĉenje.

Pored prednosti koje smo nabrojali, sinhroni motori imaju slijedeće nedostatke:     

Ne mogu se na prost naĉin puštati u rad, tj. pokreće se sam, samo ako ima poseban namotaj za pokretanje (startni kavez) na rotoru ili se koristi invertor. Za pobuĊivanje svog indukra (rotora) sinhroni motor sa elektriĉnom pobudom, zahtjeva poseban izvor jednosmjerne struje što još više komplikuje upotrebu ovog motora. Nedostatak koji je vezan za motor sa permanentnim magnetima na rotoru je opasnost mehaniĉkih udara, struja kratkog spoja kao i mogućnost pojave prije vremene demagnetizacije uslijed izuzetno niskih temperatura. Brzina obrtanja moţe im se podešavati samo promjenom uĉestanosti napajanja, jer se pri promjeni broja pari polova ista mora obaviti i na statoru i na rotoru a to bi izazvalo velike konstruktivne probleme. Kod preopterećenja ˝ispadne iz koraka˝ i stane pa ga je potrebno ponovo pokrenuti. Svakako meĊu nedostatke treba pomenuti i veću cijenu u odnosu na asinhroni motor.

Navedeni nedostaci sinhronih motora daju prednost primjeni asinhronih motora pri snagama do 100 KW. MeĊutim, pri većim snagama, kada je vaţno imati veliki cosφ i manje dimenzije mašine, sinhroni motori imaju prednost u odnosu na asinhrone. Sinhrone mašine koriste se uglavnom kao generatori elektriĉne energije naizmjeniĉne struje. U svakoj elektrani (hidro, termo i nuklearnoj) nalazi se po nekoliko sinhronih generatora velikih snaga spojenih na iste sabirnice. Sinhroni generatori manjih snaga reda nekoliko desetina ili stotina kVA koriste se u malim autonomnim elektranama. Sinhrone mašine imaju široku primjenu i kao elektriĉni motori i pri snagama iznad 100 kW koriste se za pogon centrifugalnih i klipnih pumpi, ventilatora, kompresora i drugih mehanizama. U praksi imaju široku primjenu i sinhroni motori uprošćene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravku snage mreţe koja napaja veći broj asinhronih motora.

2.2. NAČIN RADA SINHRONIH MOTORA Kada se rotor obrće brzinom n', pobudni magnetni fluks rotora sijeĉe provodnike višefaznog (najĉešće trofaznog ili dvofaznog) namotaja statora i indukuje u njegovim faznim navojima naizmjeniĉni napon E'. Kada se mašina optereti, u namotaju statora javiće se višefazne struje pod ĉijim uticajem nastaje obrtni magnetni fluks statora, koji se obrće u smjeru obrtanja rotora istom brzinom kao i rotor. Kod ovih mašina rezultantni magnetni fluks nastaje pod zajedniĉkim djelovanjem magnetnih napona statora i rotora i obrće se u prostoru istom brzinom kao i rotor. Kod sinhrone mašine namotaj, u kome se indukuju 10


višefazni naponi i kroz koji protiĉu višefazne struje opterećenja, naziva se namotaj indukta, a dio mašine, na kojem je smješten pobudni namotaj, naziva se induktor. S obzirom na naĉin rada i teoriju rada sinhrone mašine svejedno je da li se obrće indukt ili induktor. Kod savrijemenih sinhronih mašina induktor je redovno rotor, a indukt stator. Sinhrone mašine su reverzibilne, tj. svaka sinhrona mašina moţe da radi kao generator i kao motor. Da bi generator radio, mora ga goniti pogonski motor sa regulatorom, ĉiji je zadatak da odrţava sinhronu brzinu obrtanja rotora generatora. Kada radi kao generator, sinhrona mašina moţe da radi autonomno, i u tom sluĉaju napaja neki zaseban prijemnik elektriĉne energije, ili paralelno prikljuĉena na mreţu, na koju su prikljuĉeni i drugi sinhroni generatori. Kada radi paralelno sa mreţom, sinhrona mašina moţe da šalje ili da uzima elektriĉnu energiju iz mreţe, tj. da radi ili kao generator ili kao motor. Ako je namotaj statora prikljuĉen na mreţu napona U i uĉestalosti f, u njemu će se javiti višefazne struje, koje stvaraju, kao i u asinhronoj mašini, Teslino obrtno magnetno polje. Uslijed uzajamnog djelovanja ovog polja i struje J' koja teĉe u namotaju rotora, stvara se elektromagnetni momenat mašine M, koji je kretni kad mašina radi kao motor, a otporni kad mašina radi kao generator. U sinhronoj mašini, za razliku od asinhrone, pobudni fluks pri praznom hodu mašine stvara namotaj jednosmjerne struje, koji je smješten na rotoru. Znaĉi, u ustaljenom reţimu rada relativna brzina obrtanja rotora u odnosu na obrtno polje statora jednaka je nuli, tj. rotor se obrće zajedno sa obrtnim poljem statora brzinom n' = n, nezavisno od reţima rada mašine.

2.3. PUŠTANJE SINHRONIH MOTORA U RAD Sinhroni motor ne moţe sam da krene. Razlog za ovo je što je brzina obrtnog magnetnog polja statora velika tako da polovi magnetnog polja rotora, zbog inercije rotora i inercije optrećenja na osovini motora, ne mogu da krenu da prate obrtno magnetno polje statora, tj. rotor ne moţe da se „zakaĉi“ za stator. Jedini naĉin za puštanje sinhronog motora u rad je da se smanji brzina obrtnog polja statora, kako bi polovi rotora mogli da se „zakaĉe“ za obrtno magnetno polje statora. Smanjenje brzine obrtnog magnetnog polja statora se realizuje smanjenjem frekvencije napona napajanja statora, što se postiţe primjenom energetske elektronike. Kao što je već reĉeno, brzina sinhronog motora je konstatna i uslovljena brzinom obrtnog magnetnog polja statora. Iz toga razloga, brzina obrtanja motora se moţe promijeniti samo promjenom brzine obrtnog polja statora, što se postiţe promjenom frekvencije napajanja. Prostim prikljuĉivanjem na mreţu rotor mašine se neće pokrenuti samostalno, ili kako mi to obiĉno kaţemo, sinhroni motor nema polazni momenat. Dakle, neka posebna mjera mora biti izvedena bilo unutar ili van mašine koja će rotor dovesti do brzine okretanja koja je bliska sinhronoj. Zalijetanje rotora do brzine da on moţe ići u korak sa obrtnim poljem statora moguće je izvesti pomoću pomoćnog motora koji moţe biti motor sa unutrašnjim sagorijevanjem, asinhroni ili motor jednosmjerne struje. U ovom sluĉaju, kada brzina rotora doĊe blizu sinhrone, prvo se ukljuĉi pobudni namotaj, a zatim se namotaj statora prikljuĉuje na mreţu. Naravno posle ulaska sinhronog motora u sinhronizam, pomoćni motor više nije potreban i iskljuĉuje se. Ovakvo pokretanje nije praktiĉno jer zahtijeva mehaniĉko spajanje, a zatim, nakon obavljenog pokretanja, odspajanje osovine pomoćnog motora. Da bi se izbjegla upotreba posebne mašine – motora za dovoĊenje rotora u sinhronizam, grade se rotori sinhronih motora sa posebno dodatim namotajem u vidu kaveza kao kod rotora asinhronog motora. Prije puštanja u rad, u pobudni namotaj ukljuĉuju se odgovarajući radni otpornici ĉiji je otpor i do desetak puta veći od njegovog aktivnog otpora, ĉime se sprijeĉava indukovanje visokog napona u njemu (i do 2000V ) koji bi mogao da izazove proboj izolacije. Strujne udare u mreţi 11


koji nastaju prilikom puštanja sinhronog motora u rad smanjujemo na taj naĉin što se njegov stator preko prigušnica ili autotransformatora prikljuĉuje na smanjeni napon (0.3 Un ÷ 0.5Un). Mašina kreće kao asinhrona, pri ĉemu zaletni kavez ima ulogu rotora u kratkom spoju. Kada motor pod ovim naponom krene i ubrza se, prigušnice ili autotransformuju, a sinhroni motor prikljuĉuje na puni napon mreţe. Zatim se pobuĊivanjem ostvaruju uslovi za ulazak u sinhronizam. Za razliku od motora sa elektromagnetnom pobudom, sinhroni motori sa stalnim magnetima na rotoru se puštaju u rad u pobuĊenom stanju, zbog ĉega na rotor osim asinhronog obrtnog momenrta djeluje i koĉni momenat što donekle pogoršava njegova svojstva u pogledu puštanja u rad. Frekventno zalijetanje je takoĊer ĉesto korištena metoda puštanja sinhronog mora u rad. Upotrebom frekventnog pretvaraĉa, frekvencija napajanja motora podešava se na nisku vrijednost tako da se obrtno polje koje se stavara (oko rotora sa ukljuĉenom pobudom) obrće malom brzinom dovoljnom da rotor moţe lahko da ubrza i uĊe u korak sa njim. Postepenim povećavanjem frekvencije na izlazu frekventnog pretvaraĉa povećava se i brzina obrtanja rotora motora koja se zatim dovede do nazivne sinhrone brzine obrtanja. Ovaj metod se obiĉno slijedi u sluĉaju invertorskog napajanja sinhronog motora koji rade u pogonima sa promjenljivom brzinom.

2.4. MIJENJANJE BRZINE OBRTAJA SINHRONOG MOTORA Brzina obrtanja sinhronog motora (n') jednaka je brzini obrtnog magnetnog polja: n'=n=60f/t. Dakle, ona moţe da se mijenja na dva naĉina: promjenom frekvencije napona napajanja (f) ili promjenom broja polova (p). Promjena broja polova nije svrsishodna, pošto se broj parova polova mora mijenjati i na statoru i na rotoru, a to bi izazvalo velike konstrukcione probleme. Prema tome mijenjanje brzine obrtanja sinhronog motora ostvaruje se samo mijenjanjem frekvencije napona napajanja. Pri tome je ĉisto frekventno mijenjanje brzine moguće primjeniti samo u sluĉaju motora manjih snaga. U sluĉaju sinhronih mašina sa velikim momentom inercije, potrebno je pored ravnomjernog mijenjanja frekvencije ravnomjerno mijenjati i napon napajanja da motor ne bi ispao iz sinhronizma. Za napajanje sinhronih motora pri frekventnom mijenjanju njegove brzine danas se uglavnom koriste ekonomiĉni tiristorski pretvaraĉi frekvencije razliĉitih izvedbenih šema.

2.5. SINHRONI (FAZNI) KOMPENZATORI Sinhroni motor koji radi samo u reţimu praznog hoda pri promjenjivoj struji pobude naziva se sinhroni ili fazni kompenzator. Ako je sinhroni motor jako pobuĊen struja prethodi naponu mreţe, tj. ona je kapacitivna u odnosu na na taj napon,a ako je slabo pobuĊen struja zaostaje iza napona mreţe, tj. ona je induktivna. To jednostavno moţemo objasniti magnetnim djelovanjem reakcije statora. Induktivna komponenta struje statora magnetiše magnetno kolo motora i tada on vuĉe iz mreţe samo aktivnu snagu za pokriće gubitaka, dok kapacitivna komponenta struje statora djeluje obratno, razmagnećuje magnetno kolo motora i tada šalje reaktivnu (jalovu) snagu u mreţu. Dakle u praksi su široku primjenu našli upravo sinhroni kompenzatori (vrlo jednostavne izvedbe, rade bez opterećenja i jako su pobuĊeni) koji uzimaju iz mreţe struju koja prethodi naponu (praktiĉno kapacitivna struja) i tako sluţe za popravak faktora snage mreţe.

12


Obiĉno u mreţama napajanim sinhronim generatorima preovladava induktivno opterećenje, jer transformatori i široko rasprostranjeni asinhroni motori upotrebljavaju induktivne struje magnetiziranja. Rad generatora na dugaĉkom dalekovodu ili gustoj kablovskoj mreţi uzrokuju ponekad znatne kapacitivne efekte. Ako sa Ia oznaĉimo aktivnu komponentu struje u mreţi, a sa IL njenu reaktivnu (jalovu) komponentu onda ćemo ukupnu struju u mreţi dobiti formulom: (2.5.1.) Mreţa kao i svi njeni elementi (generatori, transformatori, itd.) proraĉunavaju se za struju I. Odatle slijedi da se povećanjem reaktivne (jalove) komponente struje i smanjenjem faktora snage cosφ smanjuje aktivna snaga generatora i propusna moć dalekovoda, transformatora i dr. Da bi se elektroenergetski sistem rasteretio suvišnih reaktivnih struja, na podesnom mjestu takve mreţe se postavlja fazni kompenzator koji u većini sluĉajeva radi u nepobuĊenom stanju i sluţi za kompenzaciju indukovanih struja u dalekovodima i generatorima u svrhu poboljšanja faktora snage cosφ.

Primjer 1. Sinhroni generator SG radi na induktivno opterećenje, pri ĉemu trošilo T koristi aktivnu komponentu struje Ia=1000 A i reaktivnu IL=1000 A. U tom sluĉaju potrebna struja je:

Da bi generator i dalekovod rasteretili jalovih struja, pri trošilima energije postavljamo sinhroni kompenzator SK, kako je prikazanao na gornjoj slici. Sinhroni kompenzator uz odreĊenu nadpobudu vuĉe iz mreţe kapacitivnu struju IC=600 A koja prethodi naponu za pribliţno 90°. U tom sluĉaju će u dalekovodu i generatoru jalova struja biti:

13


Prema tome struja u dalekovodu i generatoru biće:

U tom sluĉaju faktor snage generatora biće:

Treba istaći da sinhroni kompenzator poboljšava faktor snage cosφ u generatoru i onom dijelu dalekovoda koji se nalazi izmeĊu sinhronog generatora i kompenzatora. Iz primjera se vidi da se struja u generatoru i dalekovodu smanjila za 1414-1077=337 A, što je zahtijevalo upotrebu sinhronog kompenzatora od 600A.

Slika 2.1. Vektorski dijagram struja trošila i sinhronog kompenzatora

14


3. SINHRONI MOTOR SA STALNIM MAGNETIMA Sinhroni motori sa stalnim magnetima na rotoru nalaze široku primjenu u servopogonima visokih performansi, odnosno u sistemima upravljanja kretanjem. Šire shvaćeno, upravljanje kretanjem podrazumijeva korištenje sistema hardverskih i programskih instrumenata u cilju odrţanja alata, predmeta obrade, hvataljki industrijskog robota ili vozila na ţeljenoj trajektoriji, pri ĉemu se kao izvršni organ koriste motori jednosmjerne i naizmjeniĉne struje. U prethodnim decenijama, motori jednosmjerne struje su bili dominantno zastupljeni u servopogonima visokih performansi, elektriĉnoj vuĉi i većini primjena gdje se zahtijevala regulacija brzine obrtanja, zbog povoljnih statiĉkih i dinamiĉkih karakteristika i relativno jednostavnog upravljanja. Pored problema umanjene preopteretljivosti, potrebe za ĉestim zamjenama ĉetkica i odrţavanjem kolektora i nešto lošijim karakteristikama kod većih brzina obrtanja, motori za jednosmjernu struju se nisu mogli koristiti u pogonima velikih snaga, jer je snaga ovih motora ograniĉena takozvanim proizvodom i moţe se procijeniti kao: [

]

[

]

(3.1.)

U novije vrijeme ovi pogoni se zamjenjuju pogonima koji kao izvršni organ koriste asinhrone i sinhrone motore za naizmjeniĉnu struju. Asinhroni motori nalaze primjenu u pogonima opšte namjene i servopogonima većih snaga, dok se za potrebe pozicioniranja alata, predmeta obrade ili hvataljki industrijskog robota koriste trofazni sinhroni servomotori sa stalnim magnetima ugraĊenim na površinu magnetskog kola rotora. Magnetsko kolo statora kao i namotaji statora asinhronih i sinhronih motora su u svemu jednaki. U oba sluĉaja trofazni sistem naizmjeniĉnih struja statora stvara obrtno magnetsko polje ĉija je brzina odreĊena kruţnom uĉestanošću statorskih struja . Za razliku od asinhronog motora kod koga fluks rotora nastaje uslijed postojanja struja u rotorskim provodnicima koje su posljedica magnetizacione komponente statorske struje i razlike u brzini obrtanja rotora i obrtnog magnetskog polja statora, kod sinhronih motora sa stalnim magnetima na rotoru, situacija je drugaĉija. Tanki magneti suprotne magnetizacije montirani su naizmjeniĉno po površini rotora. Na ovaj naĉin oni predstavljaju izvor radijalnog i promjenljivog magnetskog polja koje je nepomiĉno u odnosu na rotor. Efekat koji stvara rotor koji se obrće ugaonom brzinom u odnosu na stator je identiĉan obrtnom magnetskom polju kruţne uĉestanosti , gdje predstavlja broj pari magnetskih polova rotora. Kada je brzina obrtanja rotora jednaka brzini obrtanja magnetskog polja statora, ispunjen je uslov sinhronizma koji omogućava da interakcija polja statora i rotora proizvodi jednosmjerni elektromagnetski momenat. Tokom rada motora, rotor se obrće u sinhronizmu sa obrtnim poljem statora, tako da u ustaljenom stanju nema promjene magnetske indukcije u magnetskom kolu rotora. U odsustvu gubitaka u namotajima rotora i gubitaka u magnetskom kolu rotora, nema ni oslobaĊanja toplote tokom rada. Kao posljedica, hlaĊenje rotora ne predstavlja problem, pa se moţe konstruisati rotor manjih dimenzija. Sve kvalitetniji magnetski materijali od kojih se izraĊuju stalni magneti imaju veoma malu otpornost uslijed ĉega su gubici u magnetskom kolu manji. 15


Ipak ovi gubici postaju znaĉajni kod statorskih struja povećane uĉestanosti koje su neophodne u primjenama koje zahtijevaju razvijanje veoma velikih brzina. Glavne prednosti sinhronih motora sa stalnim magnetima na rotoru su :  Jednostavna konstrukcija, u kojoj je rotor realizovan od gvoţĊa i stalnih magneta, pa nema gubitaka na rotoru, što omogućava znatno manju zapreminu i teţinu samog motora.  Najveći stepen korisnog dejstva u odnosu na ostale motore.  Veoma visoke vrijednosti specifiĉne snage (Nm/kg), odnosa momenat – inercija (Mem/J) i ubrzanja, što omogućava najbrţi dinamiĉki odziv na zadatu upravljaĉku komandu.  Mogućnost rada pri malim brzinama, kao i tokom odrţavanja malog elektromagnetskog momenta. Ispitivanja su pokazala da se pri faktoru opterećenja (duty factor) od 5% nominalnog momenta mogu postići ubrzanja od 100000 rad/s2 od strane motora sa vršnim momentom od 40 Nm [15]. Sinhroni motori sa stalnim magnetima na rotoru nalaze široku primjenu u servopogonima snage do 10 kW. Stalno pobuĊeni sinhroni motori snage veće od 10 kW se veoma rijetko susreću jer je za njihovu izradu potrebna veoma velika koliĉina stalnih magneta što se nepovoljno odraţava na cijenu i ĉini ove motore manje privlaĉnim. U oblasti velikih snaga primjenu nalaze uglavnom asinhroni motori. Stepen korisnog dejstva asinhronih motora se uvećava sa nazivnom snagom i za jedinice od 10 do 100 kW postaje uporediv sa stepenom korisnog dejstva sinhronih motora. Problem sinhronih motora sa stalnim magnetima na rotoru je u oteţanoj promeni fluksa, što stvara poteškoće pri radu u reţimu slabljenja polja.

4. INDUKTIVNI MOTOR

Induktivni motor (motor jednosmjerne struje) sastavljen je od tri glavna dijela. To su: stator, rotor i kolektor (komutator). Stator je nepokretni dio mašine. Sastoji se od kućišta (oklopa, jarma), magnetnih polova i namotaja postavljenih oko jezgra ovih polova. Kućište objedinjuje sve dijelove u jednu cjelinu i istovremeno sluţi kao dio magnetnog kola. Zbog toga se najĉešće gradi od livenog ĉelika sa malom primjesom ugljenika koji ima dobra magnetna i mehaniĉka svojstva. Po obimu oklopa, sa unutrašnje strane, montiraju se glavni i pomoćni polovi (tj. polna jezgra) izraĊeni ili od livenog ĉelika ili tankih meĊusobno izolovanih magnetnih limova, oko kojih se smestaju navoji pobude odnosno pomoćnih polova. Glavni polovi se završavaju širim dijelom pod nazivom polni nastavak, koji se sa obe boĉne strane produţava u dva polna roga. Polni nastavci ili polne papuĉice se uvijek grade od magnetnih – limova, jer u njima mogu nastati vrtloţne struje zbog blizine promjenljivog magnetnog fluksa rotora. Zadatak im je da što više i ravnomjernije obuhvate rotor, te da na taj naĉin što pravilnije raspodijele linije magnetnog polja na rotoru. Magnetni polovi su pomoću zavrtanja priĉvršćeni za stator, a isto tako i polni nastavci za jezgro pola.

16


Slika 4.1. Induktivni motor

Rotor nosi namotaje, prenosi naizmjeniĉni fluks, kao i obrtni momenat. Rotorski paket je izraĊen od izolovanih limova stegnutih na pogodan naĉin. Paket je za osovinu fiksiran pomoću klina. Ovako pogodno konstruisan i izraĊen rotor ima smanjene gubitke energije uslijed djelovanja vrtloţnih struja koje se javljaju pri obrtanju rotora u magnetnom polju. U paketu rotora se nalaze aksijalni kanali za strujanje rashladnog vazduha. MeĊutim, hlaĊenje je poseban problem koji se rješava ugradnjom ventilatora, ugradnjom izmjenjivaĉa voda – vazduh i na druge naĉine. Namotaji rotora smješteni su u ţljebovima i izvode se kao jednoslojni ili dvoslojni. IzraĊuju se od bakarnih provodnika, okruglog ili profilnog oblika, paţljivo izolovanih i spojenih kao petljasti ili talasasti, ĉiji su krajevi spojeni za kolektor. Svi namotaji su impregnisani u smislu ostvarivanja velike izolacijske otpornosti, visoke dielektriĉne ĉvrstoće i dobrih toplotnih svojstava, uz normalnu otpornost na uticaje okoline.

Slika 4.2. Rotor induktivnog motora

17


Kolektor ili komutator je vaţan dio motora jednosmjerne struje. Ima oblik punog valjka koji se nalazi na istoj osovini gdje i rotor. Sastoji se od velikog broja bakarnih segmenata, tzv. lamela, koje su meĊusobno i prema gvozdenom tijelu izolovane. Za izolaciju se najĉešće upotrebljava liskun i tinjac, tzv. kolektorski mikanit debljine 0.6 do 12 mm. Izolacija izmeĊu lamela je potpuno jednaka i mora biti niţa od samih lamela da ne bi došlo do stvaranja neravnina što bi izazvalo varniĉenje, a time i oštećenje kolektora. S unutrašnje strane lamele su izrezane u obliku lastinog repa. Uĉvršćivanje lamela na valjak koji je napravljen od livenog gvoţĊa vrši se pomoću steznih prstenova i metalnih vijaka. Spojna ţica ili traka od namotaja rotora veţu se za lamelu kolektora lemljenjem. Kod motora malih snaga kriške (tj.lamele) kolektora se ĉesto upresuju u plastiĉnu masu.Takva konstrukcija je prosta za izradu, ali se primjenjuje samo za brzine do 10 000 o/min. Uz kolektor dolaze ĉetkice koje se upotrebljavaju radi dobijanja elektriĉnog kontakta sa površinom kolektora u smislu odvoda i dovoda struje na kolektor. Smještaju se u drţaĉe ĉetkica tako da su normalne na kolektor ili eventualno malo nagnute u smjeru obrtanja rotora. Pritisak ĉetkice mora da je konstantan nezavisno od istrošenosti, pošto samo tako moţemo smanjiti varniĉenje. Ĉetkice su izraĊene od elektrografita, uglja, ugljenog grafita, metalno-ugljene smjese ili sl. Za normalne uslove rada primjenjuju se ugljeno-grafitne ĉetkice, meĊutim za posebne uslove komutacije primjenjuju se tehnološka rješenja koja optimizuju varniĉenje. Princip rada induktivnih motora zasniva se na dinamiĉkom dejstvu elektriĉne struje. Namotaj indukta koji je bez gvozdenog paketa i prikazan s nekoliko navojaka, preko kolektora s ĉetkicama spojen je na izvor jednosmjernog napona. Kolektor ĉine provodni bakarni segmenti (lamele) koji su meĊusobno izolovani, tako da je svaki provodnik jednog navojka spojen na jedan segment kolektora. Treba napomenuti da je namotaj indukta zajedno sa kolektorom rotirajući, a da ĉetkice sa nosaĉima miruju. Ako se prikljuĉi napon na motor, onda će struja indukta proteći kroz onaj navojak (navojke) namotaja ĉiji su krajevi spojeni na one lamele kolektora koje su u tom trenutku kratko spojene sa ĉetkicama. Uslijed uzajamnog djelovanja struja u provodnicima indukta i formiranog magnetnog polja pobudnog namotaja, javit će se kretni elektromagnetni momenat pod ĉijim djelovanjem indukt mašine poĉinje da se obrće. Ovaj elektromagnetni momenat srazmjeran je korisnom magnetnom fluksu po polu statora Φ i struji indukta I i moţe se napisati kao: i

M=pN/2m · ΦΙt=kmΦΙt

(4.1)

gdje konstanta proporcionalnosi k , zavisi od konstruktivnih podataka (broja pari polova p, broja m

paralelnih grana a, te broja provodnika N). Zahvaljujući djelovanju kolektora struja u namotaju indukta se mijenja, tako da u provodnicima koji prolaze ispod sjevernog (odnosno juţnog) pola statora smjer struje ostaje uvjek isti. Na taj naĉin se obezbjeĊuje konstantan smjer djelovanja elektromagnetnih sila, a samim tim i konstantan znak obrtnog momenta. Okrećući se namotaji indukta sjeku linije magnetnog polja, i u njima se indukuje elektromotorna sila. Smjer indukovane ems je takav da se suprostavlja dovedenom naponu mreţe pa se radi toga i naziva kontraelektromotorna sila. Vrijednost kontra ems zavisi od jaĉine magnetnog fluksa Φ i od broja obrtaja rotora, tj.: E=kenΦ (4.2.)

18


gdje je k konstrukciona konstanta, dakle veliĉina nepromjenljiva za datu mašinu,a ona iznosi: e

ke=pN/60a

(4.3.)

Kao što smo vidjeli, motor će se okretati kada mu dovedemo elektriĉnu struju iz mreţe, a da bismo izmjenili smjer obrtanja treba promjeniti smjer elektromagnetnog momenta koji djeluje na indukt. To se moţe ostvariti na dva naĉina: izmjenom smjera struje i u namotaju indukta ili izmjenom smjera magnetnog fluksa Φ, odnosno pobudne struje. Znaĉi, da bi promijenili smjer obrtanja motora potrebno je prevezati ili provodnike koji dovode struju do namotaja indukta, ili one koji dovode struju do pobudnog namotaja. Ako bi istovremeno prevezali i jedne i druge, motor bi nastavio da se okreće u istom smjeru. Magnetna reakcija indukta predstavlja magnetno djelovanje indukta na osnovno magnetno polje mašine. Pri nepobuĊenom induktu, tj kada kroz indukt ne teĉe struja, spektar magnetnog fluksa Φ΄, koji se javlja samo pod djelovanjem pobudne struje, simetriĉan je u odnosu na osu glavnih magnetnih polova. Kada bi induktor bio nepobuĊen i kada bi se desilo da kroz namotaj indukta teĉe struja, u mašini bi se javio magnetni fluks Φ΄΄, ĉiji spektar je simetriĉan u odnosu na geometrijsku neutralnu ravan. Djelujući zajedno, magnetna polja induktora i indukta obrazuju rezultantno polje. Kao rezultat djelovanja reakcije indukta simetriĉna raspodjela glavnog magnetnog polja se narušava, pri ĉemu se rezultantno polje pomjera prema izlaznim krajevima polnih nastavaka kada mašina radi kao generator, odnosno ka ulaznim kad radi kao motor. Sa pomjeranjem magnetnog polja dolazi i do pomjeranja neutralne ose n – n za izvjestan ugao β u smjeru suprotnom od smjera obrtanja rotora motora, pa će neutralna osa zauzeti novi poloţaj n΄ - n΄. Pošto ĉetkice dodiruju namotaje, koji su geometrijskoj neutralnoj ravni, bilo bi potrebno da se i one zakrenu za isti ugao i da zauzmu novi poloţaj koji odgovara stvarnoj (fiziĉkoj) neutralnoj osi. Kod starijih tipova motora to se i radilo, dok se danas djelovanje reakcije indukta otklanja upotrebom pomoćnih polova kojima se poboljšava i komutacija, kao i upotrebom kompenzacionih namotaja. Pomoćni polovi, uslijed proticanja struje indukta kroz njihove namotaje, stvaraju takav magnetni fluks da on poništava reakciju indukta i ujedno indukuje ems u namotaju indukta radi poboljšavanja komutacije. MeĊutim, njihovo djelovanje usmjereno je samo na dio polja indukta u relativno uskoj oblasti neutralne zone, pa se radi potpunije kompenzacije koriste tzv. kompenzacioni namotaji postavljeni u ţlijebove naĉinjene u polnim nastavcima glavnih polova i prikljuĉene na red sa namotajem indukta. Pri tome, smjer struje u kompenzacionom namotaju mora biti suprotan od smjera struje u dijelu namotaja rotora koji je naspram tog polnog nastavka. Djelovanjem ovih namotaja iskrivljenje linija magnetnog fluksa lokalizuje se samo oko provodnika, a fluks ravnomjerno rasporeĊuje duţ polnih nastavaka. Vaţno je pomenuti, da kompenzacioni namotaj znatno usloţava konstrukciju motora pa se primjenjuje samo kod vrlo velikih mašina koje rade sa jako promjenjljivim opterećenjem (npr. valjaoniĉkih motora itd.). Magnetna reakcija indukta takoĊe smanjuje rezultantni fluks mašine, a sa njim i indukovanu ems namotaja indukta, što se osim kompenzacionim namotajem moţe na jednostavan i jeftin naĉin riješiti upotrebom kompaudnog namotaja. Kompaudni namotaj ĉini par navojaka ţice većeg presjeka namotanih oko glavnih polova i spojenih izmeĊu ĉetkica i prikljuĉnih stezaljki, tako da kroz njega protiĉe struja indukta. Zadatak mu je da stvori magnetni fluks istog smjera kao i glavni pobudni namotaj, ĉime se pojaĉava polje pobudnih polova i to u takvoj mjeri da se pribliţno poništi gubitak uslijed reakcije indukta. Kompaudni namotaj, osim poništavanja uzduţne komponente fluksa indukta, nema nikakvog uticaja na ostale nepovoljnosti koje izaziva reakcija indukta (poloţaj neutralne ose, napon izmeĊu lamela itd.), ali ima svoj znaĉaj i ĉesto se izvodi kod motora svih snaga.

19


Pri polasku motora, tj. u momentu prikljuĉenja na mreţu, rotor motora još miruje pa je i njegov indukovani napon jednak nuli E=kenΦ=0. Vrijednost struje pokretanja I u tom momentu zavisi samo pol

od dovedenog napona mreţe U i aktivnog otpora namotaja indukta R (ukoliko se radi o serijskom motoru i

onda u obzir dolazi još i aktivni otpor pobudnog namotaja Rp), dakle polazna struja je . Ipol=U/Ri>>In

(4.4.)

Pošto je otpornost namotaja indukta (izuzev za sasvim male motore) veoma mala, jasno je da će vrijednost struje koju motor povlaĉi iz mreţe u momentu ukljuĉenja biti vrlo velika, ĉak 10 do 15 puta veća od nominalne. Ovako velika vrijednost polazne struje moţe biti veoma opasna po motor, jer, prvo, skoro redovno dovodi do pojave kruţne vatre na kolektoru, i drugo, pri ovakoj struji motor razvija veliki polazni momenat koji moţe da dovede do mehaniĉkog oštećenja. Osim toga, velika polazna struja ima za posljedicu nagli pad napona u napojnoj mreţi, što moţe nepovoljno da utiĉe na druge prijemnike prikljuĉene na tu mreţu. Da bi smo izbjegli svu ovu opasnost, tj. da bi smo pri pokretanju motora sprijeĉili nastanak struje vrlo visoke vrijednosti, u seriju sa namotajem indukta vezujemo otpornik za puštanje u rad (tj. pokretaĉ, upuštaĉ). Vrijednost otpora pokretaĉa odreĊuje se tako da stuja pri puštanju motora u rad ne bude mnogo veća, npr. najviše dva puta, od nominalne. U momentu polaska motora ukljuĉen je ĉitav otpor pokretaĉa, koji se zatim sa porastom brzine postepeno iskljuĉuje sve dok se ne postigne nominalna brzina, kada je otpor u potpunosti iskljuĉen. Otpornici za puštanje u rad mogu ponekad da sluţe i za regulisanje brzine obrtanja, ali tada moraju da trajno izdrţe punu struju opterećenja motora. Ako sluţe samo za pokretanje, onda su dimenzionisani za kratkotrajan rad i kao takvi su znatno jeftiniji. Kod motora manjih snaga (obiĉno do 1kW) relativne vrijednosti otpora indukta su veće, tako da nije potrebno koristiti otpornike za puštanje u rad jer je struja puštanja neznatno veća od naznaĉene. Osim otpornicima za puštanje u rad, induktivni motori mogu se pokretati i ravnomjernim povećavanjem napona upravljivim tiristorskim ispravljaĉem. Ovo je u investicionom pogledu nepovoljnije rješenje, meĊutim, ako takav sistem za upravljanje brzinom već postoji, treba ga svakako iskoristiti i za puštanje u rad. Poĉinje se sa malim naponom koji se postepeno, u skladu sa povećanjem brzine, diţe sve do vrijednosti potrebne za nominalan rad u stacionarnom stanju. Ovakvi regulacioni sistemi su ĉesto automatizovani, pa se ponekad radi i sa programiranim ubrzanjem. Lijep primjer za ovo je kvalitetniji pogon lifta, gdje je na osnovu fizioloških kriterijuma propisana vemenska promjena ubrzanja – usporenja, koja se ne uspostavlja naglo već postepeno.

20


5. HISTEREZISNI MOTOR

Sinhroni motor kod kojeg elektromagnetni obrtni moment nastaje uslijed pojave histerezisa pri magnećenju feromagnetnog materijala rotora, naziva se histerezisni motor. Stator ovog motora je cilindriĉan sa raspodijeljenim namotajem. Rotor je konstruisan pomoću histerezisnog cilindra od 36% kobaltnog ĉelika, koji je oslonjen na nemagnetni aluminijumski nosaĉ (posteljicu) nasaĊen na ĉeliĉnu osovinu. U ovom motoru pri sinhronoj brzini rotor se magnetiše pod djelovanjem obrtnog polja statora. Pri tom, zbog pojave histerezisa, osa polova rotora (osa magnećenja) zaostaje iza ose obrtnog magnetnog polja za ugao θh, uslijed ĉega se javljaju tangencijalne komponente sila koje djeluju izmeĊu polova rotora i fluksa statora. Pošto ugao θh zavisi samo od svojstva materijala od kojeg je naĉinjen rotor tangencijalne komponente sile Ft i obrtni moment Mh, koji one stvaraju, ne zavisi od brzine obrtanja. Što je šira histerezisna petlja magnetnog materijala, to je veći ugao θ , a sa njim i histerezisni moment M . h

h

Ako je otporni moment radne mašine veći od M , motor prelazi u asinhroni reţim rada. Rad h

histerezisnog motora u asihronom reţimu povezan je sa velikim gubicima u rotoru. Gubici nastaju uslijed magnetnog histerezisa i vrtloţnih struja. Da bi se povećala efikasnost ovog motora neophodna je primjena permanentnih magneta u njegovoj konstrukciji. Na ovaj naĉin se dobija histerezisni hibridni motor sa permanentnim magnetima Dobre osobine histerezisnih motora su: jednostavna konstrukcija, pouzdanost u radu, ravnomjeran ulazak u sinhronizam i relativno visok stepen iskorištenja. Nedostaci su mu nizak faktor snage cos φ i povećani gubici u rotoru i zagrijavanje.

Slika 5.1. Histerezisni motor

21


6. KORAČNI MOTOR Ovi motori prikladni su za digitalno upravljanje. Broj upravljaĉkih impulsa jednak je broju koraka (jedan korak odgovara odreĊenom fiksnom uglu zakretanja). Upravljanjem iznosom struje uzbude mijenja se rezolucija. Moguće je upravljanje poloţajem radne osovine u otvorenoj petlji (bez povratne veze).

Slika 6.1. Koračni motor

6.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE KORAČNIH MOTORA Osnovne karakteristike koraĉnih motora su: 1. Jednostavne su konstrukcije i ne zahtijevaju odrţavanje 2. U normalnim uvjetima rada ne akumulira se pogreška poloţaja 3. Razmjerno mala efikasnost, veliko nadvišenje i oscilatornost u odzivu od jednog koraka 4. Ograniĉene mogućnosti pokretanja tereta s velikim momentom inercije 5. Moment trenja i aktivni teret mogu povećati pogrešku poloţaja (moguć je gubitak koraka – posljedica je akumulirana pogreška poloţaja)

22


Od nekoliko razvijenih tipova samo neki udovoljavaju momentu brzine i pomaka tako da se danas na trţištu mogu naći: 1. 2. 3. 4.

permanentnomagnetski varijabilnoreluktancijski hibridnokoraĉajni koraĉajni motori sa rotirajućim magnetskim poljem

6.2. PERMANENTNOMAGNETSKI KORAČAJNI MOTOR (P.M.) Osnovna karakteristika rotacijskih permanentnomagnetskih koraĉajnih motora je u tome što imaju radijalno magnetiziran permanentnomagnetski rotor i multifazno izveden el.magnetski stator. Uzastopnim ukopĉavanjem i okretanjem smjera pojedinih statorskih faza ili njihovim kombinacijama po odreĊenom redoslijedu rezultantno magnetno polje statora skokovito se okreće u jednom ili drugom smjeru. Pri tome se permanetno magnetizirani rotor postavlja u smjeru rezultantnog statorskog polja te se na taj naĉin obavlja koraĉajni pomak. Najjednostavniji oblik P.M. motora je dvofazni P.M. koraĉanji motor u kojeg se zakretanje obavlja za 180° ili 90°. Trofaznim P.M. motorom postiţemo korake od 120°,60°i 30°.

6.3. VARIJABILNORELUKTANCIJSKI KORAČAJNI MOTORI (V.R.K.M.) Rotacijski V.R.K.M imaju nazubljeni multifazno namotani stator i nazubljeni rotor mehkog ţeljeza. Koraĉajni put im ovisi o broju zuba statora i rotora. Prema naĉinu namatanja statorskih faza i naĉinu njihove pobude najĉešće se izraĊuju u trofaznoj i ĉetverofaznoj verziji te kao višesekcijski (najĉešće trosekcijski), koji imaju do 12 statorskih i 8 rotorskih zuba, pa ugao kut kod statora iznosi 30° a kod rotora 15°. Ukljuĉivanjem jedne, pa istovremeno druge faze moţe se postići koraĉanji ugao od 7,5°.

23


7. REAKTIVNI MOTOR (MLAZNI MOTOR) Mlazni motor je motor koji ispušta plin koji se kreće velikom brzinom ostvarujući tako silu potiska. Stvorene sile akcije i reakcije djeluju prema trećem Njutnovom zakonu. Dijelimo ih na turbo-mlazne, turbo-ventilatorske, turbo-propelerne i turbo-osovinske motore. Svi oni su u stvari plinske turbine. Osim njih postoje još i nabojno-mlazni, te pulsno-mlazni motori, ali oni se koriste uglavnom za posebne primjene, jer mogu pokrenuti jedino pri većim brzinama leta. Svi ti motori proizvode mlaz plinova koji velikom brzinom izlazi iz ispušne cijevi. Osnovni naĉin rada svih mlaznih motora je da se zrak dovodi pod pritiskom u komore izgaranja, gdje se miješa sa gorivom, te se izgaranjem stvara još veći pritisak koji tjera plinove iz komore izgaranja velikom brzinom kroz mlaznicu stvarajući time potisak. Kod mlaznih motora sa turbinom, zrak ulazi u rotirajući kompresor kroz usisnik zraka. U kompresoru se zrak komprimira prije ulaska u komore izgaranja gdje se pod pritisakom miješa s gorivom. Proces izgaranja dovodi do velikog porasta temperature te vrući plinovi stvoreni gorenjem velikom brzinom prolaze kroz turbinu i okreću je, zatim kroz ispušnu cijev izlaze iz motora. Turbina pogoni kompresor s kojim je spojena preko osovine. Efikasnost mlaznog motora najviše ovisi o omjeru ulaznog pritiska u kompresor i komprimiranog zraka prije ulaska u komore izgaranja, te ulazne temperature na turbinu. Osnovni dijelovi sliĉni su kod svih tipova mlaznih motora, što ne znaĉi da svi sadrţe sve navedene dijelove. Osnovni dijelovi su: Usisnik zraka dio je konstrukcije aviona i motora koji omogućava dovod stabilne struje zraka do kompresora. Kod podzvuĉnih aviona usisnik je konstrukcijski nezahtjevan. Sastoji se od aerodinamiĉki oblikovanog otvora kako bi stvarao što manji otpor i kako bi što manje remetio strujanje zraka. Zrak koji dolazi do kompresora mora imati manju brzinu od brzine zvuka što kod nadzvuĉnih aviona zahtijeva kompleksnu konstrukciju usisnika koja će tu brzinu smanjiti na podzvuĉnu, tako da se usisnici dijele na podzvuĉne i nadzvuĉne usisnike. Kompresor je dio mlaznog motora koji sabija zrak. Kompresor moţe biti aksijalni, centrifugalni ili kombinacija obojega. Aksijalni kompresor koristi niz rotirajućih diskova na kojima su uĉvršćene lopatice aerodinamiĉkog oblika, profila sliĉnog profilu krila, koje progresivno sabijaju zrak. Nepokretne statorske lopatice, smještene iza svakog rotirajućeg diska, usmjeravaju strujanje zraka na slijedeći rotirajući disk. Prostor prolaska strujanja zraka se smanjuje prema izlazu iz kompresora, smanjuje se brzina i povećava pritisak. Brzina ni u kojem dijelu ne smije preći brzinu zvuka. Kompresor preko osovine pokreće turbina, a radi bolje iskoristivosti kompresor se obiĉno izvodi u dva ili više zasebna stupnja (kompresor niskog pritisaka i kompresor visokog pritisaka) Osovina prolazi skoro kroz cijelu duţinu motora i spaja turbinu s kompresorom. Broj osovina ovisi o broju turbina. Svaka turbina je sa zasebnom osovinom (jedna kroz drugu) spojena s dijelom koji pokreće i vrti se neovisno raznim brzinama. Komore izgaranja su glavni dio mlaznog motora, a nalaze se izmeĊu kompresora i turbine. U njima izgara smjesa zraka i goriva stvarajući visoki pritisak. Zbog izuzetno visoke temperature na izlaz iz komora izgaranja dovodi se zrak iz kompresora koji smanjuje temperaturu ispušnih plinova.

24


Protok zraka iz kompresora dijeli se na primarni, onaj koji se miješa s gorivom i sagorijeva u komorama izgaranja, i sekundarni koji struji oko komora (i jednim dijelom kroz otvore ulazi u komore i zadrţava plamen u sredini) spuštajući temperaturu na zadovoljavajuću vrijednost. Turbina je rotirajući disk na koji su uĉvršćene lopatice aerodinamiĉkog oblika. Vrući plin koji izlazi iz komora izgaranja usmjerava se preko statorskih lopatica na turbinske lopatice, te ih okreće. Turbina zatim preko osovine pokreće kompresor. Kod turboventilatorskih i turbo-prop motora turbina takoĊer pogoni ventlator ili propeler, a turbina se, kao i kompresor, radi bolje iskoristivosti izvodi u više nivoa pa tako visokotlaĉna turbina pogoni visokotlaĉni kompresor, a niskotlaĉna turbina pogoni ili niskotlaĉni kompresor, ili propeler odnosno ventilator. Relativno hladan zrak uzima se od kompresora i usmjerava na lopatice turbine kako bi se sprijeĉilo njihovo pregrijavanje. Mlaznica (eng. nozzles) dio je motora poslije turbine kojoj je osnovni zadatak dovoĊenje pritisaka ispušnih plinova na atmosferski pritisak ĉime se naglo povećava njihova brzina. Ako brzina ispušnih plinova prelazi brzinu leta stvoren je pozitivni potisak. Ispušna cijev dio je kroz koji vrući plinovi izlaze iz motora. U većini sluĉajeva konstantnog su promjera. Kod nadzvuĉnih aviona ispušna cijev na jednom se dijelu suţava povećavajući time brzinu plinova. Naknadno izgaranje je sistem koji proizvodi povećanje snage dodavanjem goriva u dio ispušne cijevi. Gorivo zbog temperatura koje na tom dijelu vladaju odmah izgara povećavajući dodatno temperaturu i brzinu ispušnih plinova. Koristi se uglavnom na vojnim avionima radi smanjenja uzletnosletne staze kao i u letu prilikom potrebe za naglim povećanjem brzine. Zbog velikih temperatura koje se stvaraju, naknadno izgaranje smije se koristiti ograniĉeno kratko vrijeme.

Slika 7.1. Mlazni motor

25


8. ZAKLJUČAK Sinhrona mašina je vrsta elektriĉne mašine za naizmjeniĉnu struju. Sinhrone mašine mogu da rade u generatorskom i motorskom reţimu. Uglavnom se koriste kao generatori u elektranama, pošto se kao motori danas koriste jeftinije i prostije asinhrone mašine. Praktiĉki sva elektriĉna energija termoelektrana, hidroelektrana i nuklearnih elektrana proizvodi se pomoću sinhronih generatora. Sinhroni generatori se grade za velike snage. Veliki sinhroni generatori predstavljaju najveće elektriĉne rotacione mašine. Sinhroni motori su veoma znaĉajni za elektroprivredu, jer se većina elektirĉne energije dobija pomoću generatora. Sinhrone mašine koriste se uglavnom kao generatori elektriĉne energije naizmjeniĉne struje. U svakoj elektrani (hidro, termo i nuklearnoj) nalazi se po nekoliko sinhronih generatora velikih snaga spojenih na iste sabirnice. Sinhroni generatori manjih snaga reda nekoliko desetina ili stotina kVA koriste se u malim autonomnim elektranama. Sinhrone mašine imaju široku primjenu i kao elektriĉni motori i pri snagama iznad 100 kW koriste se za pogon centrifugalnih i klipnih pumpi, ventilatora, kompresora i drugih mehanizama. U praksi imaju široku primjenu i sinhroni motori uproštene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravku snage mreţe koja napaja veći broj asinhronih motora. Sinhroni motor ne moţe sam da krene. Razlog za ovo je što je brzina obrtnog magnetnog polja statora velika tako da polovi magnetnog polja rotora, zbog inercije rotora i inercije optrećenja na osovini motora, ne mogu da krenu da prate obrtno magnetno polje statora, tj. rotor ne moţe da se „zakaĉi“ za stator. Jedini naĉin za puštanje sinhronog motora u rad je da se smanji brzina obrtnog polja statora, kako bi polovi rotora mogli da se „zakaĉe“ za obrtno magnetno polje statora. Princip rada sinhronog motora bazira se na principu magnetne sprege (veze) izmeĊu magnetnih polova suprotnog polariteta. Naime, poznato je da se magneti suprotnog polariteta meĊusobno privlaĉe. To omogućava da, kada su dva magneta suprotnih polariteta magnetno spregnuta, i kada se jedan od njih kreće, drugi nastoji da prati njegovu putanju.

26


LITERATURA B. Mitraković, ˝Sinhrone mašine˝, 7. izdanje, Nauĉna knjiga, Beograd, 1991. A. Dolenc: Sinhroni strojevi, Sveuĉilišna naklada Liber, Zagreb, 1976. B. Mitraković: Sinhrone mašine, Nauĉna knjiga, Beograd, 1986. B. Skalicki, J. Grilec. ˝Elektriĉni strojevi i pogoni˝, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2005 5. http://en.wikipedia.org 1. 2. 3. 4.

27

Maturski Rad Elektricne Masine

Recommend Documents