Predavanja Rotstrojevi s1 Elez

Tehniko Veleuilite Zagreb

ROTACIJSKI STROJEVI

Dr. sc. Ante Elez04.2013.

KONTAKT

Dr. sc. Ante Elez, dipl. ing.Voditelj projektaKONAR- Institut za elektrotehniku d.d.Zavod za rotacijske strojevetel :: +385 (0)1 365 6290gsm :: +385 (0)99 241 46 59email :: [email protected] :: www.koncar-institut.hr

ISTOSMJERNI STROJEVI Istosmjerni generatori Istosmjerni motori Izmjenini kolektorski strojevi

SINKRONI STROJEVI

Podjela sinkronih strojeva Karakteristike Uzbudni sustavi

ASINKRONI STROJEVI

Kolutni asinkroni motori Kavezni asinkroni motori

SADRAJ PREDAVANJA (rotacijski elektrini strojevi)

GENERATORI Najei izvori elektrine energije u industrijskim postrojenjima su

sinkroni generatori, a rjee asinkroni generatori. U starijim postrojenjima koriste i istosmjerni kolektorski generatori,

koji se sve vie nadomjetaju ispravljakim pretvaraima napajanimiz izmjenine mree.

Izmjenini generatori rade:- paralelno s mreom- otono, na vlastita troila.

Asinkroni generatori rade samo u paralelnom radu s krutom mreomili eventualno u otonom radu, ali tada moraju imati kondenzatorske

baterije (za svoje magnetiziranje). Generatori vjetroelektrana su sinkroni obino bez multiplikatora, ili

asinkroni s multiplikatorima.

OSNOVNA PODJELA STROJEVA

MOTORI Danas su u industrijskim postrojenjima motori najee asinkroni, sve

ee regulirani frekvencijskim pretvaraima, a vrlo rijetko sinkroni. U pogonima za velike snage i male brzine vrtnje prednost ima sinkroni

motor pred asinkronim. Asinkroni motori se rade samo brzohodni (2p 8), jer bi sporohodni iz

mree vukli veliku struju magnetiziranja (zbog velikog broja polovaodnosno zranih raspora), tj. radili bi s loim faktorom snage.

Istosmjerni kolektorski motori se sve rjee koriste zbog iskrenja nakolektora i skupljeg odravanja, pa se jo nalaze u starijim pogonima inekim novijim pogonima u eljezarama, te u vui. Prednostistosmjernih strojeva je u njihovom radu s maksimalnim kutomoptereenja u svim radnim reimima. Podeavanje brzine ostvarujese podeavanjem napona ili uzbude. Elektrino koenje ostvaruje seotporom, protustrujno i generatorsko.

OSNOVNA PODJELA STROJEVA

ISTOSMJERNI STROJEVI

uzbuda

armatura

kolektor

etkice

Stator s uzbudnim namotom koji stvara uzbudno magnetsko polje.(Kod malih strojeva uglavnom se koriste permanentni magneti).

Rotor s armaturnim namotom koji je preko mehanikog komutatora(kolektor i etkice) prikljuen na vanjski izvor napajanja.

ISTOSMJERNI STROJ (osnovni dijelovi)

1 leaj, 2 osovina, 3 ventilator, 4 leajni tit, 5 namot armature, 6 kuite,7 statorski jaram s uzbudnim namotom, 8 kolektor, 9 etkice, 10 uzbudni namot

11

2

3

4

4

5 6789 10



StatorNepokretni dio, uglavnom je masivna eljezna jezgra (jaram statora) kojane mora biti lamelirana. Glavni magnetski polovi (ili elektromagneti) suprivreni za stator i osiguravaju nezavisnu uzbudu (magnetski tok). Tajtok se moe mijenjati (ako se koristi elektromagnetska uzbuda), a moebiti stalan (permanentni magnet)


Rotor (Armatura)Pokretni dio, izraen od lameliranog eljeza (zbog izmjenine struje urotoru istosmjernog stroja) u kojem se nalaze utori za smjetaj vodiarotora. Rotorski namot se sastoji iz jednog ili vie svitaka od kojih je svakispojen na segment kolektora.


KolektorSegment kolektora je spojen s rotorskim zavojem. Struja dolazi izvanjskog izvora preko nosaa etkica koji je prikljuen na kuite motorai preko spoja etkica i lamele kolektora ulazi u namot (na mjestuneutralne zone, nema induciranog napona u tom zavoju)!

PREDNOSTI: jednostavnost u upravljako regulacijskom smislu iroki opseg upravljivosti brzine vrtnje gotovo idealna vanjska karakteristika motora mogunost jednostavnog dobivanja promjenljivog istosmjernog

napona napajanja,

NEDOSTATCI: mehaniki komutator koji ograniava snagu i brzinu motora komutator poveava zamanu masu zbog etkica zahtjeva ee periodiko odravanje

ISTOSMJERNI STROJ (osnovne karakteristike)

ISTOSMJERNI STROJ (sila na vodi)

ISTOSMJERNI STROJ (sila na vodi)

Ako se prikljui napon na motor, onda e struja armature potei kroz onajzavoj (zavoje) namota iji su krajevi spojeni na one lamele kolektora koje suu tom trenutku kratko spojene etkicama.

Meudjelovanje magnetskog polja stvorenog strujom kroz te zavojearmaturnog namota i formiranog magnetskog polja uzbudnog namota,rezultira rotacijom stroja (motorski rad).

Ako se pak rotor vrti pod djelovanjem vanjske sile (turbina), onda se uzavojima armature, uz prisutno uzbudno polje, na jednom kraju zavojainducira pozitivan napon (+ etkica), a na drugom kraju negativan napon(- etkica) prema zakonu o induciranju napona (generatorski rad). Obaova zakona su dva temeljna zakona elektrotehnike na kojima je zasnovanrad istosmjernog motora.= ( ) =

Uzbudno polje predstavlja permanentni magnet. Namot armature (bez eljeznog paketa) prikazan s nekoliko zavoja, preko

kolektora s etkicama spojen je na istosmjerni izvor napona. Kolektor ine vodljivi bakreni segmenti (lamele) koji su meusobno izolirani,

tako da je svaki vodi jednog zavoja vodljivo spojen na jedan segmentkolektora.

Namot armature zajedno s kolektorom rotira, a etkice s nosaem miruju. Ako se prikljui napon na motor, onda e struja armature potei kroz zavoj/e

namota iji su krajevi spojeni na one lamele kolektora koje su u tom trenutkukratko spojene etkicama.

Meudjelovanje magnetskog polja stvorenog strujom kroz te zavojearmaturnog namota i formiranog magnetskog polja uzbudnog namota, rezultirarotacijom stroja (motorski rad).

Ako se pak rotor vrti pod djelovanjem vanjske sile (turbina, dizel-motor), ondase u zavojima armature, uz prisutno uzbudno polje, na jednom kraju zavojainducira pozitivan napon (+etkica), a na drugom kraju negativan napon (-etkica) prema zakonu o induciranju napona (generatorski rad).

ISTOSMJERNI STROJ (pojednostavljeni princip rada)

ISTOSMJERNI STROJ (pojednostavljeni princip rada)

ISTOSMJERNI STROJ (osnovne jednabe)

ISTOSMJERNI STROJ (komutacija)

Kad se N pol rotorapriblii S poluuzbude, kolektor setkicama promjenismjer magnetskogpolja armature.

Kad se armaturni namotprikljui na napajanje,stvori se magnetsko polje.Interakcija polja armature iuzbude uzrokuje rotacijustroja jer se istoimenapolja odbijaju


Komutacija je promjena smjera induciranog napona istruje u svitku armature stroja.

U jednom trenutku etkica kratko spaja svitak. Strane tog svitka se nalaze u podruju gdje je

indukcija jednaka nuli, pa je i inducirani napon usvitku jednak nuli,

Za vrijeme dok je svitak kratko spojen kroz njegatee struja ik,

U vremenu trajanja komutacije, dok etkica kratkospaja svitak ,struja u svitku mijenja predznak,

Promjena smjera struje u svitku prilikom komutacijeje kontinuirana, od struje +I/2 do struje I/2.


Meutim, inducirani napon u svitku koji komutira nijenikada jednak nuli. Struja koja se u svitku mijenjastvorit e napon samoindukcije.

Zato etkica uvijek gubi kontakt s lamelom u trenutkukad kroz nju tee neka (makar mala) struja naetkicu, a u svitku se takoer inducira neki (makarmali) napon.

Pri prekidu te struje dolazi do stvaranja iskre koja jezapravo elektrini luk.

Danas se rijetko koriste, ali se jo susreu kao: uzbudnici u klasinim sustavima uzbude sinkronih strojeva, u postrojenjima koji zahtijevaju vee istosmjerne izvore (valjaonice,

eljezare, ...), u Leonardovom spoju (izmjenini motor pogoni istosmjerni

generator koji napaja istosmjerni motor pogonski stroj nekog radnogmehanizma koji zahtjeva iroko podruje regulacije brzine vrtnje),

mali strojevi sa permanentnim magnetima

ISTOSMJERNI STROJ (generator)

Danas ih susreemo u:

valjaonikim pogonima, u vui, u Leonardovom spoju za velike elektromotorne pogone, mali motori.

ISTOSMJERNI STROJ (motor)

jednak smjer struje uzbude (magnetskog polja uzbude)

suprotni smjerovi struja armatura

jednaksmjervrtnje

ISTOSMJERNI STROJ (motor/generator)

ISTOSMJERNI STROJ (generator/motor - nadomjesna shema)

Protjecanje armaturnog namota ima svoj maksimum u poprenoj osi uodnosu na polove stroja. Utjecaj ovog protjecanja naziva se reakcijomarmature.

Polje vie nije homogeno po povrini pola, niti u zranom rasporu. Na jednoj strani pola i pod polom indukcija se povea, a na drugoj

strani se smanji.

ISTOSMJERNI STROJ (reakcija armature)

uzbudni mag. tok(prazni hod) armaturni tok

ukupni mag. tok(optereeno stanje)

etkica izvan neutralne zone jae iskrenje, bre troenje

uz isti smjer vrtnjesuprotan smjer pomaka


REAKCIJA ARMATURE u istosmjernom stroju uzrokuje: smanjenje induciranog napona, poveanje gubitaka u eljezu, pomak neutralne zone, porast napona meu lamelama.

Kod veih istosmjernih strojeva koristi se kompaundni namot koji: Jedna od mjera, koja se poduzima za smanjenje reakcije armature, je

ugradnja kompaundnog namota. Kompaundni namot je dodatni namot na glavnim polovima kroz koji

tee struja armature. Smjer struje u kompaundnom namotu je takav da pojaava glavno

magnetsko polje.


Ako je dobro dimenzioniran,moe se njime:

kompenzirati gubitaknapona zbog reakcijearmature.

Naalost, kompaundninamot ne rjeavapoveane gubitke ueljezu niti poveaninapon izmeu lamela.

Ipak, ukupno je njegovefekt pozitivan i esto seugrauje.


kompaudni namot

uzbudni namot

pomonipolovi


Pomoni polovi koriste se za rjeavanje problema komutacije ireakcije armature

Kompenzacijskim namotom sepokuava u potpunosti ponititireakcija armature.

Takav namot treba ugraditi toblie namotu armature.

Zato se u polnoj papui glavnihpolova izrauju utor u koje seugrauje kompenzacijski namot.


Kompenzacijski namot se spaja u seriju s namotom armature, ali takoda njegovo protjecanje djeluje suprotno protjecanju armature.

Stoga se s njim mogu gotovo potpuno kompenzirati svi nepoeljni efektireakcije armature:

snienje napona, pomak neutralne osi, gubici i poveani napon izmeu lamela.

Vanjske karakteristike motora i generatora bitno ovise o nainuuzbuivanja istosmjernog stroja. Postoje razne izvedbe istosmjernihstrojeva upravo prema vrsti uzbude.

Osnovne vrste uzbude su: nezavisna uzbuda - ima uzbudni namot napajan iz posebnog izvora

istosmjernog napona, tako da se uzbudna struja moe podeavatireguliranjem napona ili promjenljivog otpora u uzbudnom krugu,

poredna uzbuda - ima uzbudni namot spojen paralelno s armaturnimnamotom, tj samouzbudni spoj,

serijska uzbuda - ima uzbudni namot serijski spojen s armaturnimnamotom, tako da uzbudom tee armaturna struja,

kompaundna uzbuda - je sloena uzbuda poredne ili nezavisne iserijske uzbude.

ISTOSMJERNI STROJ (osnovne karakteristike i podjela)

Prilikom optereenja generatora strujom I e se napon U nastezaljkama mijenjati.

Ovisnost napona o struji nazivamo vanjskom karakteristikomgeneratora U=f(I) za n=konst.

Slino e se pri promjeni momenta tereta M na osovini promijenitimoment motora M i brzina vrtnje n.

Ovisnost brzine vrtnje o momentu n=f(M) uz U=konst. nazivamovanjskom karakteristikom motora.

Priroda vanjskih karakteristika istosmjernih strojeva jako ovisi onainu uzbuivanja, odnosno o nainu spajanja uzbude.

Uzbudni krug istosmjernog stroja moe biti spojen na razliite naine. Svojstva (vanjske karakteristike) se pritom toliko razlikuju da se

istosmjerni strojevi dijele na grupe upravo prema vrstama uzbude.

ISTOSMJERNI STROJ (vanjska karakteristika)

Razlikujemo etiri osnovna spoja uzbude: nezavisna uzbuda, poredna uzbuda, serijska uzbuda, sloena uzbuda.

Kod nezavisne uzbude je uzbudni namot spojen na nezavisni vanjskiizvor napona.

Iznos uzbudne struje se moe podeavati.Svojstva (vanjskekarakteristike) se pritom toliko razlikuju da se istosmjerni strojevi dijelena grupe upravo prema vrstama uzbude.

ISTOSMJERNI STROJ (vrste uzbude istosmjernih strojeva)

ISTOSMJERNI STROJ (nezavisni motor)

+

-

Ia

Uf

Rf

If +-

U

Ra+

-

n

M

kompezirani

utjecaj reakcije armature veiod ukupnog pada napona

utjecaj reakcije armature manjiod ukupnog pada napona

ISTOSMJERNI STROJ (nezavisni motor)

Idealno kompenzirani motor ne moemo realizirati. U realnom sluaju kompenzacija nee nikada biti idealna, i magnetski tok e

zbog reakcije armature neto padati. S druge strane e i pad napona na otporima u armaturnom krugu i na etkicama

rezultirati time da se potrebna elektromotorna sila E smanjuje. Meutim, s poveanjem struje magnetski tok opada zbog reakcije armature,

(zasienje) pa je stvarna karakteristika neto svinuta.

M

I

konstantanmagnetski tok

izraen utjecaj reakcijearmature zbog zasienja

ISTOSMJERNI STROJ (nezavisni generator)

Uzbudni strujni krug je neovisan o strujnom krugu armature (potroaa). Kod generatora nas zanima ovisnost = ( )

+

-

Ia

Uf

Rf

If +-

U

Ra+

-

U

I

ISTOSMJERNI STROJ (poredni motor)

+

-

IaRf

If

U

Ra+

-

n

M

kompenziran

nekompenziran

potpuno kompenziran

I

ISTOSMJERNI STROJ (poredni generator)

+

-

IaRf

If

U

Ra+

-

U

I

nezavisna

I

poredna

ISTOSMJERNI STROJ (serijski motor)

Serijska uzbuda podrazumijeva serijski spoj uzbudnog i armaturnog namota. Kod ove vrste istosmjernog stroja ukupna struja predstavlja i struju armature i

struju uzbude. Magnetski tok nije konstantan jer ovisi o uzbudnoj struji I=Ia koja se mijenja

s teretom. Uz pretpostavku linearnog magnetskog kruga, moment motora jeproporcionalan kvadratu struje.

+

-

IaRf

Ia

U

Ra

+

-

n

MMk

za male iznose struje

za velike iznose struje

ISTOSMJERNI STROJ (serijski motor)

Zbog nelinearne karakteristike magnetiziranja e i nezasien stroj kod veihstruja prijei u zasienje

Brzina serijskog motora pri smanjenju momenta raste, i to teoretski ubeskonanost (pobjeg motora).

Pobjeg serijskog motora pri rastereenju je njegova prirodna karakteristika. Pobjeg je mogu i kod poredne i nezavisne uzbude ako je prekinemo. Motor uslijed niske vrijednosti magnetskog toka nastoji poveati brzinu da razvije

elektromotornu silu koju uvjetuje narinuti napon.

M

I

nezasien stroj

utjecaj zasienja

ISTOSMJERNI STROJ (serijski generator)

Serijska uzbuda podrazumijeva serijski spoj uzbudnog i armaturnog namota. Kod ove vrste istosmjernog stroja ukupna struja predstavlja i struju armature i

struju uzbude. U poetnom dijelu krivulje napon je proporcionalan struji jer nema zasienja.

+

-

IaRf

Ia

U

Ra

+

-

U

I

prazni hod

optereenje

ISTOSMJERNI STROJ (upravljanje i regulacija)

Bez obzira na vrstu istosmjernog motora brzina vrtnje n je odreena s:

Priblino moemo rei da je brzina vrtnje n proporcionalna naponu nastezaljkama, a obrnuto proporcionalna glavnom magnetskom toku.

Regulacija brzine vrtnje se moe postii na dva naina: promjenom napona armaturnog kruga, promjenom struje u uzbudnom krugu.

Uobiajeno je da se to naziva: regulacija brzine naponom, regulacija brzine poljem.

Ovako jednostavan nain podeavanja brzine je jedan od glavnih razloga dasu se istosmjerni motori zadrali u upotrebi u konkurenciji s jednostavnim ijeftinijim izmjeninim motorima.


Podeavanje naponom moemo provesti od napona U=0, emu odgovarabrzina n=0, pa sve do nazivnog napona i tome odgovarajue brzine vrtnje.

Pri tome moemo zadrati konstantnu struju armature. Moment e biti proporcionalan struji, dakle motor zadrava konstantan

moment. Snaga na osovini je tada proporcionalna brzini vrtnje.


Kod regulacije poljem imamo vie ogranienja. Napon na armaturi je konstantan, pa za poveanje brzine vrtnje treba

smanjivati magnetski tok. To znai da moramo smanjivati uzbudnu struju.Struja armature

moe zadrati nazivnu vrijednost. Moment e se smanjivati, a mehanika e snaga biti konstantna. Odnos podeavanja brzine poljem obino nije vei od 1:2 do 1:3.

Ukratko moemo rei da se pri regulaciji brzine vrtnje: konstantan moment motora postie podeavanjem naponom konstantna snaga motora postie podeavanjem poljem.

Elektromotorni pogon moemo izvesti i tako da brzinu vrtnje moemopodeavati i poljem i naponom.

ISTOSMJERNI STROJ (karakteristika praznog hoda)

Pogonski stroj

+

-

Iam

Um

+

-+

-

Iag

Ufg

Rfg

IfgA

n

Ufm

Rf

Ifm+-

Ug

R

pogonski stroj

ispitivani stroj

Uzbudni krug ispitivanog stroja se spoji tako da sestruja u njemu moe reverzirati (promjena smjeravrtnje).

Uz konstantnu brzinu vrtnje i promjenu uzbudnestruje snima se napon na stezaljkama armatureispitivanog stroja.

ISTOSMJERNI STROJ (karakteristika praznog hoda)

Mjereni napon je u praznom hodujednak induciranom naponu, stogamjereni napon predstavlja karakteristikupraznog hoda.

Ispitivanje se pone s maksimalnomstrujom uzbude, pa se postepeno strujauzbude smanjuje uz mjerenje napona nastezaljkama.

Najprije se snimi gornji dio krivulje, od toke M do toke Er. U toki Er strujauzbude je Im=0. Inducirani napon je napon remanencije.

Struja se zatim reverzira, pa se snimi donji dio krivulje. Uobiajeno je da seprikazuje samo dio u prvom kvadrantu.

ISTOSMJERNI STROJ (namoti)

PRSTENASTI NAMOT

struja grane

struja armature


PRSTENASTI NAMOT

Napon armature jednak je naponu grane, a struja armaturejednaka je sumi struja svih grana.

Zbog toga to je namot kolektorskog stroja zatvoren u sebe, onnuno ima najmanje dvije paralelene grane.

Svojstvo da kolektorski namot ima najmanje dvije paralelnegrane, zadrava se kod svih kolektorskih namota.

Kako se rotor vrti, inducirani napon u vodiima mijenja smjer, tena rotoru imamo zaista izmjenini inducirani napon koji seispravlja pomou sklopa kolektor-etkice.


CILINDRINI NAMOT


CILINDRINI NAMOT

Cilindrini namot dobije se od prstenastog namota tako da seunutarnji vodii prstenastog namota, koji se ne nalaze umagnetskom polju premjeste na vanjski obod rotora, i todijametralno suprotno.

Rotor pri tome ne izvodimo kao prsten, nego kao cilindar (bubanj).Tako su ovakvi namoti dobili naziv cilindrini ili bubnjasti namoti.

Namot je i dalje zatvoren u sebe, ali su sada svi vodii aktivni.Cilindrini namot je prirodno dvoslojan.

Na lamele kolektora se spajaju poeci i krajevi svitaka. Na pojedinulamelu se uvijek spajaju kraj jednog svitka i poetak sljedeeg.

Cilindrini namot moe biti izveden kao: petljasti i valoviti.


PETLJASTI NAMOT Kod petljastog namota se kraj

jednog svitka vee s poetkomsusjednog svitka koji je smjeten uutor pod istim polom, a pomaknut jeza jedan ili vie utora udesno iliulijevo.


VALOVITI NAMOT Kod valovitog namota

spajamo kraj jednogsvitka s poetkomsljedeeg svitka podsljedeim parom polova.

Valoviti namot moemoimati samo kodviepolnog stroja.

ISTOSMJERNI STROJ (korisnost i gubici)

Neovisno od uvjeta u kojem stroj radi (motor/generator), prisutni su: gubici u bakru namota(prisutani u namotu rotora, uzbude, pomonih polova,kompenzacijskom namotu) gubici u kontaktu etkica(neovisan o iznosu struje ali ovisi o materijalunpr. za ugljene i grafitne etkice iznosi 1V) gubici u eljezu(sastoje se od gubitaka histereze ph i gubitakavrtlonih struja pv) mehaniki gubici(sastoje se od gubitaka u leajevima Pm, gubitakatrenja i gubitaka ventilacije) dodatni gubici(gubici utora, skin efekta u vodiima, komutacije...)

= = 2 ===2% 4%. 1%

ISTOSMJERNI STROJ (korisnost i gubici)

generator mehanika snaga na osovini

=

mehaniki gubici gubici u eljezuelektromagnetska snaga

gubici uzbudnog namota

+ gubici u bakru rotora gubici etkica

elektrina snaga generatora

=

IZMJENINI KOLEKTORSKI STROJ

Izmjenini kolektorski strojevi su najee motori (zbog mogunostipodeavanja brzine vrtnje u irokom opsegu.

Danas: mali univerzalni motori u irokoj uporabi, veih snaga samo u starim pogonima, a u novim pogonima

zamijenili su ih regulirani izmjenini strojevi napajani iz statikihpretvaraa frekvencije.

Osnovni nedostaci: kompliciranost izvedbe, visoka cijena i skupoodravanje.

IZMJENINI KOLEKTORSKI STROJ (motori)

Jednofazni kolektorski motori redovno se izvode u serijskom spojuarmature i uzbude.

Jednofazni kolektorski motoriredovno se izvode u serijskom spojuarmature i uzbude.

Ugraivali su se u lokomotive kaovuni motori snage i do 1 MW.

Obavezno su imali kompenzacijskinamot i pomone polove.

U vui su se napajali u vie zemaljafrekvencijom 162/3 Hz, a rjee 50Hz.

IZMJENINI KOLEKTORSKI STROJ (motori)

Kolektorski motori mogu se napajati s istosmjernim i izmjeninimnaponom.

Predavanja Rotstrojevi s1 Elez

Documents

Transcript of Predavanja Rotstrojevi s1 Elez