Tehničko veleučilište u Zagrebu Stručni studij elektrotehnike Smjer AiPRElektrotehnički odjel Elementi automatizacije

4. Električki strojevi - strojni pretvarači energije

Električki strojevi su pretvarači energije iz mehaničke u električnu i obrnuto. Pretvarači mehaničke energije u električnu su generatori, a pretvarači električne energije u mehaničku su motori. U smislu položaja u krugu regulacije strojevi su najčešće regulirani objekti a nešto rjeđe izvršni elementi odn. energetska pojačala. Upravljane, regulirane veličine kod generatora su svojstvene veličine izlaznog napona (srednja ili efektivna vrijednost, frekvencija) a upravljačke, ulazne, veličine su brzina vrtnje i napon ili struja uzbude. Kod motora upravljane veličine su moment na osovini i brzina vrtnje a upravljačke ovise o vrsti motora (napon, frekvencija, struja, magnetski tok ..).

Rad generatora i motora a time i mogućnosti upravljanja temelje se na fizikalnim principima induciranja napona u vodiču i sili na vodič u magnetskom polju.

Sl 4.1 ilustrira induciranje napona na vodiču koji se giba u magnetskom polju. Poznati Faradeyev zakon indukcije kaže da promjenjivi magnatski tok inducira u vodiču napon proporcionalana brzini promjene magnetskog toka.

; što se pri konstantnoj brzini gibanja može pisati (4.1)

gdje su: B – magnetska indukcija, l – duljina vodiča, v – brzina gibanja

sl 4.1 Induciranje napona na vodiču sl4.2 Sila na vodič u magnetskom polju

Sl 4.2 ilustrira princip opisan Lentzovim zakonom tvorbe sile na vodič kroz koji teće struja kada se nalazi u magnetskom polju.

gdje je F – sila, B – indukcija, I - jakost struje, l – duljina vodiča (4.2)

Ovisno o vrsti i funkciji stroja različiti su načini generiranja magnetskog toka potrebnog za generiranje napona u vodiču ili sile na vidič. Magnetsko polje može biti konstantno korištenenjem premanentnih magneta ili stvoreno strujom kroz uzbudni namot postavljen oko magnetskih polova. Vodiči u kojima se generira napon ili stvara sila formiraju se u svitke koji se smještaju tako da je istovremeno jedan vodič pod N a drugi pod S magnetskim polom sl 4.3 i sl 4.4. Ako je moguća vrtnja svitka oko osi koja je u središnjici magnetskog prostora formiran je rotor električnog stroja. Rotacijskim gibanjem vodiča bolje se koristi magnetsko polje u ograničenom prostoru stroja. Svici na rotoru uloženi u utore formirane u magnetskom materijalu tvore namot rotora. Priključak na taj namot moguće je ostvariti slogom rotirajućih kliznih površina (klizni prsteni, kolektor) i mirujućih kontaktnih elementa (četkica).

mr sc M. Puzak Električki strojevi sažetak predavanja

Tehničko veleučilište u Zagrebu Stručni studij elektrotehnike Smjer AiPRElektrotehnički odjel Elementi automatizacije

sl 4.3 Svitak u magnetskom polju Sl 4.4. Par sila (okretni moment) na svitak protjecan strujom

4.1 Istosmjerni generator

Istosmjerni generator je električni stroj skicom je prikazan u poprečnom presjeku na sl 4.5. Osnovni su dijelovi stator i rotor. Staror se sastoji od kućišta koje je istovremeno i magnetski dio, jaram statorskog magnetskog kruga. Istaknuti dijelovi prema unutrašnjosti su magnatski polovi. Na glavnim je polovima montiran uzbudni namot u kojem struja uzbude generira magnetsko polje. Osim glavnih polova većina istosmjernih stojeva ima i pomoćne polove s namotom te kompenzacijski namot u glavnim polovima. Ovi pomoćni elektromagnetski dijelovi služe za poboljšanje rada protudjelovanjem magnetskom polju koji stvaraju struje u rotorskom krugu, pomoćni polovi za poboljšanje komutacije a kompenzacijski namot za smanjenje reakcija armature. Rotor se sastoji od magnetskog dijela (paketa rotora), rotorskog namota (namota armature), te kolektora i osovine. Armaturni namot smješten je u utorima na obodu rotora i spojen na međusobno izolirane lamele kolektora. Tok struje u armaturnom krugu omogućuju četkice koje klizanjem po kolektoru ostvaruju električnu vezu.

a bSl 4.5 Skica poprečnog presjeka istosmjernog stroja a) stroj s 4 pola b) pojednostavljena skica

dvopolnog generatora sa samo dvije lamele kolektora

Na skici genaratora silnicama je prikazano magnatsko polje uzbude stvoreno strujama u namotu uzbude. Zbog vrtnje rotora u prikazanom smjeru u svitku se inducira napon. Spojem lamela i četkicama ostvareno je da je polaritet napona na priključku armature isti bez obzira na trenutni položaj svitaka u magnetskom polju. Kolektor i četkice su jedna vrsta mehaničkig ispravljača. Na rotor se ugrađuje više svitaka s više vodiča spojenih na više lamela. Ukupni napon dobije se njihovom sumom. Svi konstrukcijski faktori ( veličina stroja) daju jednu konstrukcijsku konstantu induciranog napona kE pa

mr sc M. Puzak Električki strojevi sažetak predavanja

Tehničko veleučilište u Zagrebu Stručni studij elektrotehnike Smjer AiPRElektrotehnički odjel Elementi automatizacije

ukupni inducirani napon pri nekoj gustoći magnetskog toka B i nekoj brzini vrtnje n odn. kutnoj brzini ω iznosi:

E = kE1×B×n = kE×B× ω (4.3)Iz 4.3 je vidljivo da se pri konstantnoj brzini vrtnje ostvarenoj pogonskim strojem

inducirani napon može mijenjati promjenom magnatskog toka tj. stujom uzbude koja ga tvori. Budući da se radi o feromagnetskom krugu kojem je svojstveno zasićenje samo u početnom djelu porast indukcije proporcionalan je prirastu struje uzbude. Karakteristika ovisnosti induciranog napona o struji uzbude je krivulja praznog hoda genaratora. Prema usvojenom postupku analize elemenata automatizacije može se odrediti dinamičko pojačanje kd u okolini zadane radne točke induciranog napona pri danoj brzini vrtnje. Vidljivo je da je najveće dinamičko pojačanje u linearnom dijelu a najmanje u području zasićanja. Na isti se način mijenja i induktivitet uzbudnog namota sl 4.6b.

Sl 4.6 Karakteristika a) praznog hoda istosmjernog genaratora i b) ovisnost induktiviteta uzbudnog namota i dinamičkog pojačanja

Promatra li se istosmjerni genarator kao element automatizacije pretvarbu dovedene mehaničke energije moguće je upravljati promjenom struje uzbude. Napon uzbude je upravljačka velčina a napon armature izlazna upravljana veličina. Badući da je uzbudni namot induktivno radnog karaktera struja uzbude se pri skokovitoj promjeni napona uzbude eksponecijalno mijenja stoga i dinamička ovisnost izlaznog napona o ulaznom naponu izražena prijenosnom funkcijom ima oblik člana 1. reda s prigušenjem (PT1 član).

(4.4)

gdje je: kg – pojačanje generatora u radnoj točki i iznosi kg = kd/Ru

kd – dinamičko pojačanje napona po struji uzbude

Tg = Lu/Ru – vremanska konstanta uzbudnog kruga Sukladno sl 4.5b treba uvažiti promjenjivost dinamičkog pojačanja kd kao i induktiviteta Lu zbog

zasićenja, te je i pojačanje i vremenska konstanta promjenjiva ovisno o radnoj točki na krivulji magnatizianja.

Odziv napona armature na skokovitu promjenu napona uzbude je eksponencijalni s vremenskom konstantom porasta Tg sl 4.7.

Sl 4.7a Odziv napona generatora na step napona na uzbudi 4.7.b Vanjska karateristika generatora

mr sc M. Puzak Električki strojevi sažetak predavanja

Tehničko veleučilište u Zagrebu Stručni studij elektrotehnike Smjer AiPRElektrotehnički odjel Elementi automatizacije

U sustavima regulacije genarator je tipično objekt kojemu je potrebno održavati izlazni napon na zadanom iznosu. Utjecajne veličine koje djeluju kao smetnja u takovom stabilizacijskom regulacijskom krugu su opterećenje genaratora trošilima koje stvaraju pad napona na unutarnjem otporu generatora (otporu armaturnog napona) te unutarnji utjecaji magnatskog toka armature (reakcija armature). Karakteristika ovisnosti napona armature pri konstantnoj struji uzbude a promjenjivoj struji opterećenja naziva se karakteristika opterećanja ili vanjska karakteristika generatora.

Izlazni napona opterećenog generatora je

(4.5)gdje je : Ia – struja opterećenja armature

Ra- otpor armaturnog namota Uč – pad napona na četkicama koji je nalinearan te neovisno o stuji iznosi približno oko 2V

mr sc M. Puzak Električki strojevi sažetak predavanja