Šifra predmeta:Energetika 2ОЕП3А01

Automatika 2ОЕУ5Ц02

ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU

ELEKTROMEHANIČKO PRETVARANJEENERGIJE

(2+2+1)

Predavanja 2020/21

MSc Bojan BankovićProf. dr. Nebojša Mitrović

KONSULTACIJE

Prostorija: 27 – u prizemlju

LITERATURA- Slobodan Vukosavić, Električne mašine, Akademska misao, Beograd, 2010.- Fitzgerald-Kingsley, Električne mašine ( u PDF formatu)- Miloš Petrović, Elektromehaničko pretvaranje energije, Naučna knjiga,

Beograd,1988 - Branko Mitraković, Transformatori, Naučna knjiga- -II- , Mašine jednosmerne struje, -II-- -II- , Asinhrone mašine, -II-- -II- , Sinhrone mašine, -II-- Radić Milan, Stajić Zoran, Vukić Đukan, Asinhrone mašine-zbirka zadataka,

Akademska misao, 2004- Čukarić Aleksandar, Milkić Žarko, Vukić Đukan, Sinhrone mašine-zbirka

zadataka, Akademska misao, 2007- Zoran Stajić, Vukić Đukan, Milkić Žarko, Transformatori-zbirka zadataka, - Materijal sa interneta: Transformatori, Mašine j.s., Asinhrone mašine, Sinhrone

mašine (sve u PDF-u)

CILJ :•Upoznati se sa osnovnom strukturom (komponentama) elektromehaničkog

sistema.

•Proučiti komponente, njihov način rada i način kako se sa njima može upravljati

sa ciljem pretvaranja električne energije u mehaničku i obrnuto.

•Pri formiranju EMS-a voditi računa o energetskoj efikasnosti (veliki faktor

iskorišćenja, minimalno „zagađenje“ napojne mreže, sigurnost rada sistema.

•Razmotrićemo elektromehaničke sisteme kod kojih se pretvaranje energije

ostvaruje da bi se postiglo kretanje (translatorno ili rotaciono)

•Sistematizacija tumačenja rada, konstrukcije i funkcionisanja.

PRETVARANJE ENERGIJE

ELEKTROMAGNETNO(transformator)

ELEKTRIČNO(elektro energetski 

pretvarači)

ELEKTROMEHANIČKO(el. generatori i motori)

• Svi navedeni načini za pretvaranje energije često su povezane u zajednički sistem zaproizvodnju ili potrošnju električne energije.

Transformatori:• Posredstvom magnetnog polja naizmeničnih struja menjaju se

parametri električne energije (naponi i struje). Nema promenefrekvencije ni oblika električne energije, nema mehaničkog kretanja.Snaga sekundara je manja od snage primara za gubitke pritransformaciji.

PelPel

U1, f U2, f

• Šta je elektromehanički sistem (EMS)? To je sistem koji se sastoji iz minimalnogjednog električnog i jednog mehaničkog sistema koji su vezani eletro‐magnetnim poljem putem koga se ostvaruje njihovo međusobno delovanje

Električnisistem

Mehaničkisistem

Poljesprege

U, I M, n

• Elektromagnetno delovanje je u polju sprege.• Kao rezultat međusobnog delovanja ostvaruje se prelaz energije iz električnog

u mehanički sistem i obrnuto.

POGONSKI SISTEM

ELEKTRIČNI GENERATOR

ELEKTRIČNI MOTOR RADNI SISTEM

Pretvaranje mehaničke energije u električnu

Pretvaranje električne energije u mehaničku

Pmeh PelElektrična mreža

Električna mreža

Tehnološki procesPmeh

Pel

• Načelo rada rotacionih i translacionih sistema.• Za pretvaranje energije neophodno je mehaničko kretanje. Menja se oblik

energije mehanička u električnu i električna u mehaničku.

Električni sistem AU1,I1,f1,P1

Energetski deo (energetski krug)

Informacioni deo

Električni sistem BU2,I2,f2,P2

Informacije o željenim izlaznim veličinama pretvarača

Struktura sistema za električno pretvaranje

• Pretvaranje u kome se menjaju parametri električne energije. Pretvara se frekvencija,naizmenični napon u jednosmerni i obrnuto, menja se broj faza, reguliše se visinanapona…. To je područje energetske elektronike.

ISPRAVLJAČ PRETVARAČPel PelPelMrežnonapajanje Potrošač

U1, f1 U2, f2f=0

ZNAČAJ: 60% ELEKTRIČNE ENERGIJE PRETVARA 

SE U MEHANIČKU  (u razvijenoj industrijskoj zemlji)

PREDNOSTI:• ŠIROK DIJAPAZON SNAGA (<<1 W ZA

SATOVE, >>100 MW za RHE)

• ŠIROK DIJAPAZON MOMENATA I BRZINA (>> milion Nm za valjaonice, >>100000 o/m za centrifuge)

• SKORO SVI RADNI USLOVI (prinudno hladjeni, zatvoreni, potopljeni, eksplozivna atmosfera)

• EKOLOŠKI POZITIVNI (nema goriva, gasova, vibracija, mala buka)

• SPREMNOST ZA RAD ODMAH NA PUN TERET

• SKROMNO ODRŽAVANJE

• MALI GUBICI • VISOK STEPEN KORISNOSTI • ZNATNA PREOPTERETLJIVOST • LAKO SE UPRAVLJA • SVA 4 KVADRANTA (REVERS PROST) • KOČENJE SA REKUPERACIJOM

ENERGIJE • DUG ŽIVOT • MOGUĆI RAZNI OBLICI

MANE (samo dve, ali ......):

• ZAVISNOST OD NAPAJANJA (olovna akubaterija 50 puta teža od goriva)

• MALI ODNOS SNAGA - TEŽINA

IZVOR ELEKTRIČNE

ENRGIJE

PRETVARAČ ELEKTRIČNE

ENRGIJE

Senzori i pretvarači

REGULATORZadata veličina(brzina, položaj)

Električna energijafiksni oblik

Električna energija(promenljiv oblik)

RADNI MEHANIZAM

(Tehnološki proces)

Mehanička energija

ELEKTROMEHANIČKI PRETVARAČ

(motor)

GLAVNI DELOVI POGONA IZVOR

ELEKTRIČNE ENRGIJE

ELEKTROMEHANIČKI PRETVARAČ

(motor)

RADNI MEHANIZAM

(Tehnološki proces)

Složen elektromehanički sistem

Jednostavan elektromehanički sistem

TOK

EN

ERG

IJE

TOK

INFO

RM

AC

IJA

ENERGIJA

TOK MATERIJALA - TEHNIČKI PROCES

SKLOPNE

KOMPONENTE

REGULATOR

PLC

MOTOR

MOTOR

PRETVARAČ

NADZORNO UPRAVLJACKAJEDINICA

Električne mašine (u širem smislu):• Transformatori• Obrtne mašine i elektromotorni pogoni

• Sinhrone mašine• Asinhrone mašine i pogoni• Jednosmerne mašine i pogoni

• Transformatori su naprave koje na principu elektromagnetne indukcije pretvarajunaizmenični sistem napona i struja jednih veličina u druge iste frekvencije.

• Nemaju pokretnih delova – to su statičke električne mašine.• Najčešće imaju dva odvojena namota, ponekad i tri, primarni i jedan ili dva

sekundarna. Primarni namot uzima električnu energiju iz sinhronog generatora ilielektrične mreže, induktivno je prenosi na sekundarne namote i predaje priključenimpotrošačima ili mreži.

Sinhrone mašine

• Obrtne mašine koje pretvaraju električnu energiju u mehaničku ili obratno radeći tako da se rotor u stacionarnom stanju vrti brzinom jednakom brzini obrtanja statorskog obrtnog magnetnog polja (sinhrona brzina).

• Rotor može biti izveden s istaknutim polovima ili može biti cilindrične izvedbe, dok je stator cilindričan.

• Za pretvaranje energije mora postojati jednosmerna pobuda ili permanentni magneti (kod manjih mašina).

Asinhrone mašine

• Obrtne mašine naizmenične struje koji pretvaraju električnu energiju u mehaničku ili obratno radeći tako da se rotor u stacionarnom stanju vrti različitom brzinom u odnosu na brzinu obrtanja obrtnog magnetnog polja u mašini.

• Rotor i stator su cilindrične izvedbe. Namot rotora je kratko spojen ili preko kliznih kolutova spojen na spoljašnje otpore.

• Struju pobude uzimaju iz mreže

Mašine jednosmerne struje

• Obrtne mašine koje pretvaraju električnu energiju u mehaničku ili obratnokorišćenjem jednosmernog napona.

• Stator je izveden sa istaknutim polovima na kojima je smešten pobudni namot.• Armaturni namot je smešten na rotoru, spojen na lamele kolektora i preko

četkica izveden na stezaljke.

PRIMER SISTEMA ZA ELEKTROMAGNETNO, ELEKTROMEHANIČKO I ELEKTRIČNO PRETVARANJE ENERGIJE

Bilans energije u elektromehaničkom sistemu

• Energija koju EMS razmeni sa električnim sistemom

We = Wel + Wae Wge+ (1)

Energijaelektričnog 

izora

Električnaenergijapredatapoljusprege

Električnaenergija u 

magnetnom poljukoja ne pripadapolju sprege(rasipanje)

Gubici uelektričnom 

sistemu(toplotni)

GUBICI

Pozitivna akoEMS prima  energiju

od električnog sistema

Bilans energije u elektromehaničkom sistemu

• Energija koju EMS razmeni sa mehaničkim sistemom

WM = Wmeh + Wam Wgm+ (2)

Energijamehaničkog

izora

EnergijaMeh. sistema

predatapoljusprege

Energija akumulirana u pokretnim ielastičnimdelovima

meh. sistema

Gubici umehaničkom 

sistemu(toplotni)

GUBICI

Pozitivna akoEMS prima  energiju

od mehaničkog sistema

Bilans energije u elektromehaničkom sistemu

WF = Wf + Wgf (3)

Ukupna energija kojase unosi u polje sprege

Energija akumulirana u polju sprege

Gubici u polju sprege:• vrtložne struje• histerezis• dielektrični  gubici  (za el‐ polje)

• Na osnovu Zakona o održanju energije sledi:

(4)

(5)

Bilans energije u elektromehaničkom sistemu

Slikovit prikaz zakona o održanju energije (prethodni slajd)

WE Wel Wmeh WM

Wgm

Wam

Wgf

Wf

Wge

Wae

Električni sistem Polje sprege Mehanički sistem

• Mehanička sila koja deluje na provodnik kroz koji protiče struja, kada seon nalazi u magnetnom polju:

i i

• Ako se provodnik optican strujom nalazi u magnetnom polju na njegadeluje elektromagnetna sila

• Smer elektromagnetne sile definisan je pravilom desnog zavrtnja.

Načini elektromehaničkog pretvaranja energije:•mehanička sila deluje na provodnike koji provode struju, posredstvom njihovihmagnetnih polja

(za iste smerove struja)

(za različite smerove struja)

‐U kolu koje se kreće kroz magnetno polje indukuje se elektromotorna sila:

‐ Mehanička sila deluje na feromagnetni materijal težeći da gadovede u pravac magnetnog polja.Feromagnetni materijal nastoji da u magnetnom polju zauzme položaj sa minimalnim magnetskim otporom. Npr. Komad gvožđa koji je postavljen ukoso prema linijama homogenog magnetskog polja teži da se pomakne tako da bude kolinearan sa poljem

Momenat koji se javlja u posmatranom kosom položaju naziva se reluktantni

‐ Mehanička sila deluje na feromagnetni materijal težeći da gaodvuče na mesto gde je magnetno polje najgušće

Reluktantni princip na primeru sa translatornim kretanjem:Kalem poseduje kružno namotane provodnike u kojima postoji jednosmerna struja.Ovakav sistem provodnika stvara magnetsko polje koje se prostire duž kalema, i ima najveću jačinu unutar kalema.Komad pokretnog feromagnetika (rotor) se može uneti u unutrašnjost kalema, ili izvući van kalema.Ukoliko je feromagnetik unutar kalema, magnetski otpor (reluktansa) na putu fluksa je mala. Kada je feromagnetikizvan kalema, reluktansa je velika.Imajući u vidu da komad pokretnog feromagnetika teži da zauzme položaj u kome je magnetski otpor minimalan, javiće se sila koja teži da pokretni feromagnetik (rotor) uvuče u unutrašnjost kalema.

‐ Mehanička sila deluje na ploče opterećenog kondenzatora ‐ dolazido promene električnog opterećenja ili napona između ploča:

U prethodnim primerima su analizirani sistemi u kojima postoji magnetsko polje. Mehanička sila, snaga i rad se mogudobiti i zahvaljujući delovanju električnog polja E.Posmatrajmo naelektrisane ploče kondenzatora. Među njima je električno polje. U slučaju da je rastojanje izmeđuploča značajno manje (za red veličine, 10x …100x) od njihovih dimenzija, možemo smatrati da je polje među pločamahomogeno.Na površini ploča je raspoređeno naelektrisanje. Polje između ploča deluje na površinsko naelektrisanje tako da težida ploče primakne jednu drugoj.Sila koja deluje na ploče F može biti uzrok njihovom kretanju. Ukoliko se jedna od ploča pomakne za Δx, dobija se mehanički rad F ΔxNa datom principu mogu raditi elektromehanički konvertori sa električnim poljem, tzv. elektrostatičke mašine.

‐ Mehanička sila deluje na dielektrik ‐ dolazi do promene električnogopterećenja ili napona između ploča:

‐ Kad se kristali deformišu, na njihovim krajevima stvara se električno opterećenje (piezoelektrični efekat):

Pritiskom na kristal silicijuma, na njegovim naspramnim površinama stvaraju se naelektrisanja, pa samim tim ipotencijalna razlika (napon). Ova pojava je poznata kao piezoelektrični efekat. Kod piezoelektričnog mikrofona, zvučni talas prouzrokuje varijaciju vazdušnog pritiska na površini kristala, što saposledicu ima promenljivu silu na sam kristal. Konačno, na krajevima kristala ima se napon koji predstavlja električnupredstavu zvuka, i kao takav može se dalje filtrirati, obrađivati, pojačavati. Primena piezoelektričnog efekta može biti i u stvaranju sile proporcionalne dovedenom naponu. Ukoliko na naspramnepovršine kristala ugradimo provodne ploče i na njih dovedemo promenljivi napon, pojaviće se sila koja pulsira u skladu sapromenama napona. Ukoliko dovedeni napon predstavlja elektronski zapis zvuka, melodije, tada će varijacije sileprouzrokovati vibracije površina kristala i varijaciju vazdušnog pritiska u skladu sa melodijom, tj., stvaraju se zvučni talasi. Na opisani način rade zvučnici.Micanje površina kristala pod uticajem promene dovedenog napona meri se mikrometrima. Motori zasnovani na ovojpojavi koriste se u aplikacijama gde treba vršiti veoma precizne male pomake, kakvi se traže u pozicioniranju čitačkihglava hard diska.

‐ Feromagnetski materijali se deformišu pod delovanjem magnetskog polja (magnetostrikcija):

Jedan od principa koji se može iskoristiti za elektromehaničku konverziju je osobina feromagnetika koja se zove magnetostrikcija. Uvećanje magnetskog polja dovodi do kontrakcije magnetskog materijala koja se naziva magnetostrikcija.Dužina štapa na slici smanjuje se kod uvećanja magnetskog polja. Efekat se može iskoristiti za razvijanje sile, koje će, pomnožena sa pomerajem, dati mehanički rad. Ipak, elektromehaničkih konvertora baziranih na efektu magnetistrikcije ima veoma malo.Električne mašine najčešće imaju magnetsko polje koje pulsira na mrežnoj učestanosti, 50 puta u sekundi. Magnetostrikcija prouzrokuje vibracije magnetskog kola. Vibracija površina dovodi do vazdušnog fronta promenljivog pritiska i zvuka, koji se subjektivno doživljava kao brujanje.

13

Za elektromehaničko pretvaranje energije neophodno je :

1. Magnetno polje

2. Da su provodnici smešteni u magnetnom polju

3. Mogućnost relativnog kretanja provodnika prema linijama mag. polja

4. Priključci provodnika na spoljni strujni krug da bi se mogla dovoditi i odvoditistruja

5. Mehanički uređaj za prenos sila i momenata od provodnika do mehaničke osovinei obrnuto

8

Princip pretvaranja energije u električnom generatoru

9

Princip pretvaranja energije u električnom generatoru

10

Princip pretvaranja energije u električnom motoru

‐ Jednostavan pretvarač sa magnetskim sprežnim poljem

14

Može se ostvariti elektromagnetima ili trajnim (permanentnim)magnetima.

Trajni magneti su vrlo ograničenih dimenzija i koriste se za električnemašine malih (ograničenih) dimenzija i snaga.

Ograničenja u izrazu E = B l v:

- veličina indukcije (B) ograničena je zasićenjem feromagnetnih

materijala, za korišćene materijale

Bz≈ (1,7 - 2) T- dužina provodnika (l) je ograničena mehaničkim razlozima (problemi

gradnje)

- brzina je ograničena čvrstoćom materijala, gubicima trenja i

zagrevanjima zbog trenja

Magnetno polje:

15

Princip dobijanja magnetnog polja trajnim(permanentnim) magnetom

16

17

18

19

21

Ne zaboravimo  znak “‐”

23

Elektromagnetna ili elektrostatička mašina za pretvaranjeenergije?

dW=Fdx

dW=M d

24

25

26

27

28

29

Magnetsko kolo električnih mašinaJedan od principa rada elektromehaničkih konvertora sa magnetskim poljem je stvaranje Lorencove sile na provodnik sa strujom koji se nalazi u magnetskom polju B. Magnetsko polje se može dobiti od permanentnog magneta, ili korišćenjem elektromagneta, tj. sistema provodnika‐kalemova u kojima postoji električna struja koja je uzrok pojavi magnetskog polja. Od koristi je naći rešenje u kome se potrebno polje postiže upotrebom što manje količine permanentnih magneta, odnosno, naći rešenje u kome je potrebna što manja jačina struje u elektromagnetu. Rečeno se postiže korišćenjem magnetskog kola, strukture načinjene od feromagnetskog materijala (gvožđe).

Posmatrajmo magnetsko kolo dato na slici. Načinjeno od gvožđa, kolo ima vazdušni zazor (procep) dimenzije δ. U tom prostoru se može smestiti provodnik sa kontrolisanom strujom, kako bi se ostvarila Lorencova sila i elektromehaničkakonverzija (na datom crtežu taj provodnik nije nacrtan). Polje se stvara zahvaljujući pobudnom namotaju sa N navojaka.

iNH Полазећи од Амперовог закона

Закључујемо да је струја потребна за добијање магнетског поља у зазору једнака:

0

NB

NHi

Дакле, потребна струја у побудном намотају прoппорционална је зазору

Закључијемо да је магнетско коло важан део електричних машина. Оно врши функцију усмеривања, концентрисања магнетског поља у зоне где се одвија конверзија.Присуство магнетског поља омогућује да се побуда оствари са значајно мањимвредностима струје.

Feromagnetik (gvožđe) koji predstavlja magnetsko kolo ima karakteristiku magnetizacije B(H) koja je prikazana na gornjemdijagramu između dve linearne karakteristike. Na apscisi je spolja dovedeno polje H, koje se može dobiti uspostavljanjemstruje u pobudnom namotaju, dok je na ordinati magnetska indukcija koja se ima u feromagnetkom materijalu. Materijal se može posmatrati kao skup magnetskih dipola. U odsustvu spolja dovedenog polja H, magnetski dipoli nisu uređeni, oniosciluju i menjaju pravac brzinom koja zavisi od temperature. U odsustvu spolja dovedenog polja, magnetska indukcija je jednaka nuli.

Kada se uspostavi pobudna struja i polje H, magnetska indukcija uzima vrednost B = μFeH koja je mnogo veća odmagnetske indukcije B = μ0H koja bi se imala u vakuumu. Na ovaj način feromagnetik pomaže da se postigne željeno poljeuz manju struju pobude.Kada magnetska indukcija postane bliska 2T, svi dipoli su već orijentisani u pravcu polja i doprinose magnetskoj indukciji. Dalje uvećanje polja H ne može uticati na dalje usmeravanje dipola, jer onih koji nisu orijentisani više nema. Takvo stanjenazivamo zasićenjem magnetskog kola. U zoni zasićenja, dalje uvećanje indukcije jednako je onome koje bi se imalo u vakuumu, ΔB = μ0 ΔH

Magnetsko kolo usmerava linije magnetskog sprežnog polja. Ono može imati više delova. Delovi magnetskog kola mogu biti načinjeni od feromagnetika, permanentnih magneta, nemagnetskih materijala, ili biti ispunjeni vazduhom (zazor, procep).Oznakom F = Ni obeležavamo magnetopobudnu silu, koja je jednaka integralu polja H kroz zatvorenu konturu koja obuhvata sve delove magnetskog kola. Magnetopobudnu silu F možemo smatrati magnetskim naponom.Površinski integral magnetske indukcije (tj. proizvod BS ukoliko je polje homogeno) označava se sa Φ i naziva fluksom u jednom navojku. Fluks namotaja jednak je Ψ = NΦ .Po analogiji sa električnim kolom, gde je i = U/R, u magnetskom kolu je Φ = F/Rμ, gde je Rμ otpornost magnetskog kola ili magnetski otpor. Dakle, fluks kroz jedan navojak može se dobiti kao količnik magnetopobudne sile Ni i magnetskog otpora.Veličine Φ, F, Rμ, magnetskog kola dualne su veličinama i, U, R ekvivalentnog električnog kola.

30

31