4.3 Istosmjerni Motor

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

4.3 Istosmjerni motor

Istosmjerni stroj kao pretvornik električne energije u mehaničku je istosmjerni motor. Energiju dobiva iz izvora istosmjernog napona u armaturnom krugu. Uvjet pretvorbe je postojanje magnatskog toka koji djeluje na vodiče armature u kojima teće struja. Temeljni princip prikazan je sl 4.2 i 4.4. Sile odn. moment (okretni moment) preko osovine i spojke preneosi se na radni mehanizam (pokretani stroj).

sl 4.14 Istosmjerni motor s prigrađenim tahogeneratorom i ventilatorom za hlađenje a) i shema spoja istosmjernog motora s nezavisnom uzbudom (G1 – izvor za armaturu, G2 – izvor za uzbudu)

Za rad istosmjernog motora potrebna su dva izvora i to za napajanje uzbudnog kruga i

za napajanje armaturnog kruga. Ovisno o mogućnostima izvora napon na uzbudi i armaturi mogu se neovisno podešavati. Takav spoj naziva se istosmjerni motor s nezavisnom uzbudom. U slučaju napajanja iz istog izvora kada je namot uzbude spojen paralelno s armaturnim radi se o poredno uzbuđenom istosmjernom motoru. Ukoliko je namot uzbude serijski spojen s armaturom kartki je naziv serijski istosmjerni motor. Ovisno o spoju uzbudnog i armaturnog namota razlikuju se pogonske karakteristike motora. Najčešće korišten i najjednostavniji za upravljanje je nezavisno uzbuđeni motor.

4.3.1 Dinamička svojstva istosmjernog motora – prijenosna funkcija

Dinamička svojstva istosmjernog motora kao elementa automatizacije opisuju se diferencijalnim jednadžbama uzbudnog kruga, armaturnog kruga te mehaničkog sustava. Za male promjene u okolini radne točke za jednu ulaznu veličinu promjenjivu i njezin utjecaj na promatranu izlaznu veličinu opis je odgovarajućom prijenosnom funkcijom.

sl. 4.15. Nadomjesna shema istosmjernog motora za analizu dinamičkih pojava(mm - moment motora, mt – moment tereta, protu-moment radnog mehanizma, ω- kutna brzina vrtnje

osovine, J – moment inercije rotirajućih masa Jr +JRm suma momenta inercije rotora i radnog mehanizma)

sažetak predavanjamr sc M. Puzak

Električki strojevi - istosmjerni motor


Iz temeljnih fizikalnih zakonitosti slijedi:Inducirani napon rotacije u rotoru – protuelektromotorna sila:E= ke× ω (4.17)gdje je: ke = K×f(iu) = k´×iu konstanta protuelektromotorna sile ovisna o struji u namotu uzbude

konstanta K – konstanta gradnje stroja - funkcija dimenzijaMomet motora stvoren strujom armature Ia u magnetskom polju Φu

Mm = r×Fu = r×l×B×Ia = K×Φu× Ia - a pri konstantnom magnatskom toku (konstantnoj struji uzbude) Mm = km × Ia (4.18)

Jednadžbe sustava:

(4.19)

(4.20)

(4.21)

(4.22)

Relacija 4.17 opisuje pojave u uzbudnom krugu pri promjeni napona uzbude. Pri analizi nezavisno uzbuđenog motora struja uzbude održava se konstantnom pa se struja uzbede ne mijenja a time su i konstante ke km nepromjenjive. Napon armature dijeli se na prouelektromotornu silu i padove napona na otporu armature i induktivitetu armaturnog kruga pri promjenama struje. Relacija 4.19 opisuje mehanički dio stroja. razvijeni momet motora troši se na savladavanje tereta i ubrzavanje rotirajućih masa. U koliko se razmatraju samo dinamičke promjene oko neke brzine uz momet tereta neovisan o brzini vrtnje ili zanemariv u odnosu na momet ubrzanja (prazni hod pogona) moguće je izpostaviti mt iz razmatranja promjena brzine vrtnje. Uz navedene uvjete: uzbuda konstantna, moment tereta nepromjenjiv ili zanamaren relacije u operatorskom obliku glase:

(4.23)

(4.24)

(4.25)

Ukliko se iz jednadžbe 4.23 korištenjem 4.25 eliminira struja dobije se ovisnost brzine vrtnje o promjenama napona armature odnosno prijenosna funkcija motora.

(4.26)

gdje su: Ta - električka vremenska konstanta armaturnog krugaTm – elektromehanička vremenska konstanta motora1/ke - brzina vrtnje rad/s po voltu

U 4.26 prepoznatljiv je opis člana 2. reda pa je moguć zapis oblika:




(4.27)

gdje su:

veličine opisa člana drugog reda: ς – relativni koeficijent prigušenja osciliranjaωn – kružna frekvencija osciliranja brzine vrtnje

Pažnja: iste oznake ω za brzinu vrtnje i ωn za frekvenciju osciliranja te veličine!! Jedna opisuje iznos brzine vrtnje a druga promjene te brzine u vremenu (oscilacije brzine)!

Vrijede sve analize ponašanja elementa automatizacije 2. reda iz poglavlja 2.3. pri promjenama ulazne upravljačke veličine koja je u ovom slučaju napon armature ua a izlazna veličina brzina vrtnje ω.

Pri skokovitoj promjeni napona armature uz relativni koeficijent prigušenja ς < 1 postoji nadvišenje brzine vrtnje preko stacionarnog iznosa, a za ς > 1 odziv je aperiodski. Dominantni utjecajni element na oblik prijelazna pojave je moment inercije rotirajućih masa koji se sastoji od momenta inercije rotora motora i priključenih rotirajućih dijelova radnog mehanizma. Tako sam motor može imati oscilatoran odziv a s radnim mehanizmom odziv može biti aperiodski. Prepoznatljiva su tri slučaja:

a) Tm > 4×Ta odziv je aperiodskib) Tm = 4×Ta odziv je granično aperiodskic) Tm < 4×Ta odziv je oscilatoran

Promjene u ponašanjz moguće su i pri uključivanju dodatnih elemenata u armaturni krug. Dodatna prigušnica (povećanje induktiviteta) povećava armaturnu vremensku konstantu a dodavanje otpornika je smanjuje.

4.3.2 Pogonska svojstva istosmjernog motora

Iz prethodnih analiza vidljiva je ovisnost izlazne veličine brzine vrtnje o naponu armature a također i o magnatskom toku (struji uzbude). Prijenosna funkcija izvedena je za konstantnu struju uzbude (tok). Pogonske karakteristike prikazuju svojstva opterećenog stroja dakle pri pretvorbi električne energije u mehaničku predanu radnom mehanizmu. U ustaljenom stanju napona uzbude i armature i završetku prijelazne pojave brzine vrtnje stanje u stroju ovisi o opterećenju (momentu tereta).

U statičkoj točki opterećenog motora iz jednadžbi (4.19 –4.22) nestaju vremenski ovisni članovi tako da jednadžbe postaju algebarske.

(4.28)

(4.29)Ustaljena brzina vrtnje tada je:

(4.30)

Pri promjenjivoj struji uzbude (magnetskom toku) mijenjaju se konstante km i ke

(4.31)

(4.32)




Iz 4.30 vidljiva je ovisnost brzine vrtnje o naponu armature te faktor sniženja brzine ovisnim o momentu (struji) opterećenja. Karakteristike za različite napone armature prikazane su na sl 4.16. Iz iste slike vidljiva je mogućnost promjene smjera brzine promjenom polariteta armaturnog napona. Brzine vrtnje neopterećenog stroja za struju blizu 0 naziva se i brzina praznog hoda. Kvadranti 2 (n /-M) i 4 (-n/ M) predstavljaju rad motora u generatorskom režimu ( energija iz mehaničkog sustava prenosi se u električki).

sl 4.16 Ovisnost brzine vrtnje o opterećenju M ili Ia pri različitim naponima armature i utjecaj promjene magnetskog toka (struje uzbude)

Regulacija brzine vrtnje u pogonima s istosmjernim motorom ostvaruje se varijacijom napona armature ili promjenama struje uzbude. Područja korištenja promjene napona na armaturi i struji uzbude prikazana je na sl 4.17. Od mirovanja (n=0) do nazivne brzine područje je regulacije naponom armature.

sl 4.19. Pogonska karta upravljanja istosmjernog motora u sva 4 kvadranta

U cijelom radnom području dopustivim zagrijavanjem motor (rotora) ograničana je struja armature. Trajno dopustiva struja je nazivna struja motora IN. Napon na armaturi ograničen je izolacijom namota i lamela kolektora. Postizanjem trajno dopustivog napona UN uz punu struju opterećenja dosegnuta je točka nazivne snage motora PN

(4.32)

gdje je: Mn =km×IaN – nazivni moment motora; nN – nazivna brzina vrtnjeU području iznad nN brzinu je moguće povećati sniženjem struje uzbude – područje

regulacije uzbudom (poljem, slabljenje polja). Sniženje uzbude tipično je ograničeno na




jednu trećinu nazivne struje uzbude što vodi trostrukoj brzini vrtnje. Budući da uz smanjeni tok i ograničenu struju armature razvijeni moment motora se snižava tako da je snaga približno konstantna. Ovaj režim rada naziva se i režim konstantne snage.



4.3 Istosmjerni Motor

Documents

Transcript of 4.3 Istosmjerni Motor