Asinkroni Motori Fer

15.11.2010

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

ASINKRONI STROJEVI I POGONI

Doc.dr.sc. Damir arko

ELEKTROMEHANIKE I ELEKTRINE PRETVORBE ENERGIJE

Ak. god. 2009/2010 Zagreb,

215.11.2010

Strojevi izmjenine struje

Strojevi izmjenine struje se dijele na:Sinkrone, Asinkrone iIzmjenine kolektorske (komutatorske).

Nikola Tesla je 1888. god. patentirao i javnosti prikazao svoj novo izumljeni motor (patentno ime, Electro-Magnetic Motor) u kojemu prvi puta objanjava stvaranje i primjenu okretnog magnetskog polja.

Sinkroni i asinkroni elektrini strojevi rade na principu okretnog magnetskog polja.

315.11.2010

Dvofazni izmjenini napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatora koristei 4 klizna koluta i etkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusne jezgre na koju su namotana dva fazna namota meusobno zakrenuta za 90 stupnjeva.

MotorGenerator

Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje(1)

415.11.2010

Motor Generator

Teslin dvofazni generator i motor, sustav za okretno magnetsko polje (2)

Dvofazni izmjenini napon Tesla dobiva iz armature istosmjernog generatora koristei 4 klizna koluta i etkice, a dvofazno okretno polje u provrtu torusne jezgre na koju su namotana dva fazna namota meusobno zakrenuta za 90 stupnjeva.

515.11.2010

MotorGenerator

Dvofazni napon uzima se sa statora, a ne s kliznih koluta.

Dvofazni generator i dvofazni motor prema Teslinom patentu br. 381968

615.11.2010

Motor Generator

Dvofazni sustav generatora i motora prema Tesli

715.11.2010

Da bi se stvorilo bilo kakvo okretno magnetsko polje moraju postojati na statoru barem dva namota, pomaknuta meusobno prostorno za neki kut, a struje koje u njima teku moraju meusobno biti fazno pomaknute za neki kut.Ako su prostorni pomaci izmeu potpuno simetrinih faznih namota jednaki vremenskim pomacima izmeu potpuno simetrinih faznih struja koje kroz njih teku, stvarat e se simetrino (kruno) okretno magnetsko polje.Ako postoje prostorni pomaci izmeu namota i vremenski pomaci izmeu struja, stvarat e se okretna protjecanja koja nisu simetrina (kruna) nego su nesimetrina (eliptina).Da li e motor raditi kao sinkroni ili asinkroni zavisi o tome kako mu je izveden rotor. Statori sinkronog i asinkronog motora se ne razlikuje. U njemu struje trebaju stvoriti okretno magnetsko polje.

Tesla se na poetku bavio dvofaznim asinkronim i sinkronim motorom jer mu je tobilo najjednostavnije za mogunosti izrade u njegovom laboratoriju.

Okretno magnetsko polje

815.11.2010

Prema obliku gibanja:Rotirajui (engl. rotating machines), Linearni (engl. linear machines).

Prema izvedbi rotora:Asinkroni strojevi s kaveznim rotorom ( engl. squirrel-cage rotor induction motors) ,

Asinkrone strojevi s kliznokolutnim (namotanim) rotorom ( engl. wound rotor inductionmotors or slipring induction motors),

Asinkroni strojevi s masivnim rotorom (engl. massive rotor induction motors).

Prema broju faza i prikljuku na izvor napona:Trofazni, dvofazni i jednofazni (za male snage).

Prema veliini nazivnog napona:Visokonaponski (iznad 1000V do 15000 V) i niskonaponski (do 1000V).

Prema pretvorbi energije:Asinkroni motori,

Asinkroni generatori.

Osnovne podjele asinkronih strojeva

915.11.2010

Suvremene izvedbe asinkronih strojeva i pogona

Dananji asinkroni strojevi se po konstrukciji i tehnologiji bitno razlikuju od strojeva iz vremena Nikole Tesle, Ferarisa i Dobrovoljskog. Princip rada je ostao isti.

Neke suvremene industrijske izvedbe kompletnog asinkronog stroja ili njegovih dijelova su prikazani na sljedeim slajdovima.

1015.11.2010

Suvremeni asinkroni kavezni motor s aluminijskim kavezom na rotoru

OSOVINA (magnetski ili nemagnetski elik)

KRATKOSPOJNI PRSTEN

GLAVE NAMOTAPRIKLJUNA KUTIJA

KUITE

VENTILATOR

LEAJSTATORSKI PAKET

ROTORSKI PAKET

1115.11.2010

Rotorski lim asinkronog kaveznog motora

a) b)

a) aluminijski dvokavezni rotor b) bakreni kavez

1215.11.2010

Statorski paket (jezgra) trofaznog asinkronog motora pripremljenza ulaganje namota

1315.11.2010

Pogled na glave namota i izvode do prikljune kutije

Stator novog asinkronog motora za visoki napon (6 -10 kV, 50 Hz)

1415.11.2010

Ulaganje namota u statorski paket trofaznog asinkronog motora (400 V, 50 Hz)

1515.11.2010

Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora u fazi zavrne izrade(motor za elektrinu vuu)

1615.11.2010

Kavezni rotor trofaznog asinkronog motora ope namjene nakon zavrne obrade

1715.11.2010

Klizni koluti

Rotor trofaznog asinkronog motora s kliznim kolutima

1815.11.2010

Neke tipine primjene asinkronih strojeva

1915.11.2010

Jednu fotografiju motora iz termoelektrane

Napojna kotlovska pumpaPogonski elektromotor

Strojarnica u TE-TO Osijek

2015.11.2010

Naftovodni terminal Omialj

Motori naftovodnih pumpi u terminalu Omialj, 6000 V, 50 Hz(Protueksplozijska zatita oklapanjem)

2115.11.2010

Terminal Omialj

Kavezni motori naftovodnih pumpi na terminalu Omialj, 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=4

2215.11.2010

Terminal Sisak

Asinkroni motori poveane sigurnosti, Terminal Sisak1900 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=2

2315.11.2010

Hidraulina spojka

Visokonaponski motorPumpa

Elektromotorni pogon naftovodne pumpe sa zaletnom spojnicom

2415.11.2010

Motori naftovodnih pumpi 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, Melnice

2515.11.2010

Frekvencijski regulirani motor, Exde II AT3

Elektromotorni pogon asinkroni motor + pumpa aMDEA otopine, procesno postrojenje za obradu plina CPS Molve

2615.11.2010

MotorPumpaTurbinaSpojka

Elektromotorni pogon procesne pumpe, motor 1800 kW, 2p=2, frekvencijski reguliran

2715.11.2010

Asinkroni motor 350 kW, 2p=2, 400V, za pogon vijanog kompresora na plinskoj buotini

2815.11.2010

Vjetroagregat s asinkronim generatorom i turbinom konstantne brzine vrtnje

Turbina

Dvobrzinskiasinkroni generator

Multiplikator

2915.11.2010

Dvostrano napajani asinkroni generator (DFIG) vjetroagregatapromjenljive brzine vrtnje

Turbina

Asinkroni generator

Multiplikator

Elektroniki energetski pretvara

M

r

e

a

3015.11.2010

Okretno magnetsko polje stvoreno u statorskim namotima protjecanimaizmjeninim fazno pomaknutim strujama vrti se sinkronom brzinom vrtnje:

= 60 , o/minss fn pgdje je fs frekvencija struja, a p broj pari polova motora.

Okretno magnetsko polje inducira u vodiima rotora napone koji kroz namotrotora protjeraju struje. Interakcijom struja rotora i okretnog mag. polja stvara se sila na vodie rotora koja zakree rotor u smjeru vrtnje okretnog polja.

Ako je moment svih sila na vodie rotora vei od momenta otpora vrtnji, rotor e se vrtjeti brzinom koja je uvijek razliita od brzine vrtnje okretnog polja, te se zbog toga motor zove asinkroni*.

*asinkrono koje nije sinkrono, nije istovremenosinkrono koje je s neim ili nekim sinkrono, istovremeno

Osnovna teorija - okretno magnetsko polje

3115.11.2010

Okretno polje se vrti u odnosu na stator sinkronom brzinom

ns = 60f/p, o/min Rotor se vrti brzinom vrtnje n, o/min Razlika brzine vrtnje rotora (mehanike brzine) i brzine vrtnje okretnog polja

naziva se klizanje i rauna se prema izrazu:= ss

n ns

n

Pojam klizanja asinkronog stroja (1)

3215.11.2010

Brzina vrtnje rotora je nakon definicije klizanja s:

Brzina vrtnje rotora moe teoretski biti bilo koja vrijednost, pa odnosi izmeu nje i klizanja s izgledaju kao na slici.

{ rotor se vrti sinkronom brzinom s = 0{ dok rotor stoji (zakoen) s = 1{ brzina vrtnje rotora manja od sinkrone s > 0{ rotor se vrti bre od okretnog polja s < 0{ rotor se vrti u suprotnom smjeru (n 1

= = 60(1 ) (1 )fsn n s ss p


3315.11.2010

s

s

n ns [%] 100 %n=

= = = 1500-1491- 100 0,6%1500

n nssns

Klizanje u tehniki prihvatljivim iznosima mora biti sasvim mala veliina (zbog utjecaja na gubitke energije) te se zbog toga iskazuje u postocima.

Klizanje se obino kree izmeu 0.1 i 5 %. Vea vrijednost odnosi se na motore manjih snaga (do oko 1 kW).

Primjer iz kataloga:Motor snage 180 W, 400 V, 50 HZ, 2p = 2 ima brzinu vrtnje pri nazivnom optereenju 2905 o/min.Klizanje je

Motor snage 1 MW, 10 kV, 50 Hz, 2p = 4 , nazivna brzina vrtnje n = 1491 o/min

= = =3000-2900- 100 3,33%3000

n nssns


3415.11.2010

Dok rotor miruje (s=1) u njemu okretno polje inducira napon Er0. Nakon to se rotor pone vrtjeti, mijenja se relativna brzina okretnog polja

statora prema rotoru, a napon Er se mijenja prema izrazu:

Pri relativnoj brzini 0, tj. za s=0, nema napona u rotoru, nema struje, sile ni momenta pa motor ne moe raditi pri tom klizanju. Samo pri razliitim brzinama vrtnje okretnog polja i rotora postoji inducirani napon, struje u rotoru i elektromagnetski moment. Zbog toga je naziv asinkroni motor.

Er = Er0 s

Rotorski napon

3515.11.2010

= =( )60s

r sp n n

f s f

n

1

0 ns

fsfr

Ovu frekvenciju nazivamo frekvencija klizanja. Teoretski ona moe imati bilo koju vrijednost.

Frekvencija rotorskih struja

Inducirani napon i struja rotora imaju frekvenciju

3615.11.2010

Za elektromehaniku pretvorbu energije posredstvom magnetskih polja neophodno je da se statorsko i rotorsko magnetsko polje vrte istom brzinom, odnosno da im relativna brzina bude jednaka nuli. Ukupna brzina vrtnje rotorskog polja u odnosu na jednu fiksnu toku statora je zbroj brzine okretnog polja rotora u odnosu na rotor n0r i brzine rotora n u odnosu na jednu fiksnu toku statora

n + n0r = nsKod sinkronog stroja na rotoru je istosmjerna uzbudna struja ili su trajni magneti; nema okretnog polja rotorskih struja u odnosu na rotor koji se zbog toga mora vrtjeti sinkronom brzinom vrtnje statorskog polja.

Kod asinkronog stroja pretvorba je uvijek mogua osim pri vrtnji rotora sinkronom brzinom statorskog polja kada je klizanje jednako nuli.

Asinkroni stroj je pri tome prirodno puno prihvatljiviji za primjenu od sinkronog jer su na raspolaganju velike mogunosti promjena rotorske brzine vrtnje i frekvencije.

Elektromehanika pretvorba energije posredstvom okretnih magnetskih polja

3715.11.2010

ns - brzina vrtnje statorskog okretnog polja u odnosu na stator n - brzina vrtnje rotora u odnosu na statorn0r - brzina vrtnje rotorskog okretnog polja u odnosu na rotor

Odnosi brzina vrtnje u asinkronom stroju

n + n0r = ns

3815.11.2010

Osnovne jednadbe asinkronog motora

Osnovni dvopolni prikaz asinkronog motora

= +

0 0

0 0

0 0

as s as as

bs s bs bs

cs s cs cs

u R id

u R idt

u R i

Naponska jednadba statora

= +

0 0

0 0

0 0

ar r ar ar

br r br br

cr r cr cr

u R id

u R idt

u R i

Naponska jednadba rotora

R otpor namota - ulaneni tok namota

3915.11.2010

Osnovne jednadbe asinkronog motora

Ulaneni tokovi statora( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

+ = + + +

as asas s asbs ascs as asar r asbr r ascr r ar

bs bsas bsbs s bscs bs bsar r bsbr r bscr r br

cs csas csbs cscs s cs csar r csbr r cscr r cr

L L L L i L L L i

L L L L i L L L i

L L L L i L L L i

Ulaneni tokovi rotora

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

+ = + + +

ar aras r arbs r arcs r as arar r arbr arcr ar

br bras r brbs r brcs r bs brar brbr r brcr br

cr cras r crbs r crcs r cs crar crbr crcr r cr

L L L i L L L L i

L L L i L L L L i

L L L i L L L L i

Lasbs meuinduktivitet (as namot koji ulanuje tok, bs namot koji pobuuje tok)L - rasipni tok namota

4015.11.2010

Primjenom kompleksnih vektora est naponskih jednadbi statora i rotora reduciraju se na samo dvije jednadbe.

U stacionarnom stanju brzina vrtnje je konstantna pa se vektorske jednadbe mogu zamijeniti fazorskima.

U fazorskoj domeni naponske jednadbe statora i rotora glase:

( ) ( ) = + + +s s s s s s m s rU R j L I j L I I( ) ( ) ( ) = + + + r r s r r s m s rU R j L I j L I I

Rotorska jednadba se mnoi s

=1s

s s(s je klizanje).

Jednadbe asinkronog motora u stacionarnom stanju

( ) = + + + r r s r r s m s rU R

j L I j L I Is s

= == =

=

= =

2

2

3, , ili

22

m xsxs

s s

s nsr r

r nr

r r nrr r

s s ns

s s nsr r

r r nr

s s nsr r

r r nr

L L x a b c

f

N fU U

N f

m N fI I

m N f

m N fR R

m N f

m N fL L

m N f

elektrina kutna brzina vrtnje rotora ( = pm)m mehanika kutna brzine vrtnje rotora

4115.11.2010

Nadomjesna elektrina shema asinkronog stroja

( ) ( ) = + + +s s s s m s rU R jX I jX I I( ) = + + + r r r r m s r

U RjX I jX I I

s s

Rs i Xs statorski otpor i rasipna reaktancijaXm reaktancija magnetiziranja (predstavlja ulaneni magnetski tok stator-rotor)R0 otpor zbog gubitaka u eljezuR'r i X'r rotorski otpor i rasipna reaktancija preraunati na statorsku stranuEs inducirani fazni napon statoraE'r0 inducirani fazni napon rotora u mirovanju preraunat na statorsku stranuU'r/s rotorski napon na kliznim kolutima u ovisnosti o klizanju preraunat na statorsku stranu

Xm = LmsXs = Ls sX'r = L'r s

4215.11.2010

Slino transformatoru, asinkroni motor moemo prikazati elektrinom nadomjesnom shemom (modelom). Na slici je shema za kavezni motor.

Nadomjesna elektrina shema asinkronog stroja

Struje, snage i momente moemo raunati primjenom nadomjesne sheme za bilo koje stacionarno pogonsko stanje.

4315.11.2010

Asinkroni stroj u mirovanju (s = 1) moemo razmatrati i koristiti kao specijalnu izvedbu transformatora (zakretni transformator):

= = = =0 0 0r r nr s ns s ns r nrr r s ss s ns r nr r nr s ns

EE N f N f N f N f

E E EE N f N f N f N f

Zbog jednakosti frekvencija statora i rotora u mirovanju (fr = fs) vrijedi

=0r r nr rs s ns s

E N f fE N f f

Es napon faze statoraEr0 napon faze rotora u mirovanjuE'r0 napon faze rotora u mirovanju preraunat na statorsku stranuNr i Ns brojevi zavoja po fazi statorskog i rotorskog namotafns i fnr faktori namota statora i rotoraZa kavezni rotor faktor namota je 1, a broj zavoja po fazi je 1/2.

Inducirani napon u asinkronom stroju

4415.11.2010

Rr stvarni otpor rotora1

rs

Rs

ekvivalent mehanikog rada

Rotorski strujni krug asinkronog stroja

Ir

sEr0Rr

Ir

Er0

Ir

1r

sR

sEr0

rRs

RrjX r0jX r0jsX r0

Xr0 rasipna reaktancija rotora u mirovanjuXr0=Lrs

4515.11.2010

R'r otpor rotora preraunat na statorsku stranu

1r sR s ekvivalent mehanikog rada

Rotorski strujni krug asinkronog stroja preraunat na statorsku stranu

X'r rasipna reaktancija rotora preraunata na statorsku stranuX'r = L'rs

1r

sR

s

1r sR s

=

= = = =

0 0

2

2

s nsr r

r nr

s s ns s nsr r nrr r r r r r

s s ns r r nr r nr

s s ns s nsr r r nr r rr r r

s s ns r r nr r nr

N fE E

N f

m N f N fm N fI X I X I X

m N f m N f N f

m N f N fR m N f R RI I I

s m N f s m N f s N f

4615.11.2010

Struju u rotoru odreuju inducirani napon Er i impedancija rotora Zr

( )

= =+

02 2 ( )

r rr

r r r

E sEI s

Z R X s

U mirovanju je fr= fS s = 1Er = Er0Xr0 = 2frLr = 2fs Lr

U vrtnji je Er = sEr0Xr(s) = 2fss Lr = s Xr0

Stoga je

= =+ +

0 02 2 2

200

( )( )

r rr

r r rr

sE EI s

R sX RX

s

Za s = 0, struja Ir(s)=0.

Rotorska struja

4715.11.2010

Ikr struja uz zakoeni rotorInr - nazivna struja

Rotorska struja u ovisnosti o klizanju

4815.11.2010

Prema nadomjesnoj shemi za stacionarno stanje:

Iz mree motor uzima

Ps = P 1 = ms Us Is cossms i mr broj faza statora i rotoras fazni pomak struje i napona statora

Na radnom otporu statora se troi snagaPCus = ms Is2 Rs

U eljezu statora (na R0) se troi snagaPFes = ms Es2 / R0 = ms I0r2 R0

Snaga okretnog mag. poljaPokr = Ps PCus PFesPokr = mr Ir2 Rr/s = mr Ir2 Rr + mr Ir2 Rr (1-s)/s

= ms Ir2 Rr/s = ms Ir2 Rr + ms Ir2 Rr (1-s)/s

Energetska bilanca asinkronog stroja

4915.11.2010

Elektriki gubitci u rotoru direktno su proporcionalni klizanju, stoga klizanje mora biti to manje za prihvatljivu korisnost pretvorbe energije. Klizanje je obino (0,5-5 %). Na primjer

- mali motori < 20 kW s = 3 - 5 %- srednji motori < 500 kW s = 1 - 1,5 %- veliki motori > 1000 kW s = 0,5 - 1 %

Gubici u eljezu rotora se mogu zanemariti zbog male frekvencije u rotoru fr

5015.11.2010

P2 je mehanika snaga na osovini motora , korisnost motora = 21

PP

Tok snage i gubitci asinkronog motora (bilanca snage)

5115.11.2010

Za stvaranje okretnog mag. polja asinkroni stroj uzima iz mree jalovu (reaktivnu)snagu

Qs = msUs IssinsPrividna snaga motora uzeta iz mree je

S = Ps + jQs = ms(UsIscoss + jUsIssins )Motor je uvijek definiran radnom snagom na osovini. To je njegova nazivnasnaga P2.

Ako stroj radi u generatorskom reimu rada (s

5215.11.2010

+

+

+ = = = = = =

= = + =

2 22 ,

2200

2222

00

20

22

(1- )(1- )

30 1

30 1, Nm

tr v meh okr okr r r r s r r

m sm sm sm sm

r r rr r r

rrs rsm r

s r r

rs r

P P P s P P m I R m I RM

s s s

m E Rm E Rs sRR

n XXss

m E R

sRn X

s

Zanemarili smo u nadomjesnoj shemi statorsku impedanciju Zs = Rs+ jXs. Razvijeni moment je ovisan samo o klizanju uz ostale parametre sheme pretpostavljene nepromjenljivima. Ako se uzme potpuna nadomjesna shema, dobiju se toniji izrazi za moment, kako slijedi:

Momentna karakteristika asinkronog motora

U nadomjesnoj shemi promatrajmo samo rotorski krug (zanemarena impedancija statora)

5315.11.2010

Uvodi se pojednostavljenje. Struja I0 i inducirani napon ne ovise o teretu, tj. magnetski tok je konstantan.Iz nadomjesne sheme raunamo struju i moment:

( ) = + + +

sr

rs s r

UI

RR j X X

s

Snaga okretnog polja: Pokr = ms Ir2 Rr/s

Gubici u rotoru: Prel = ms Ir2 Rr

Elektrika snaga pretvorena u mehaniki rad je Pmeh, a razvijeni elektromagnetski moment

( )

( )

= = = + + + = + + +

2 2

22

2

22

's rmeh s sr rm sm sm r

s s r

s s r

s rs s r

m IP m UR RM

s sRR X X

s

pm U RsR

R X Xs

Tonija momentna karakteristika - poprena grana premjetena na ulaz sheme

5415.11.2010

Grafiki, momentna karakteristika najee se crta samo za motorski rad i oznaava prema slici.

Na momentnoj karakteristici kljune su 3 toke: s = 1, n = 0 - potezni moment ili moment kratkog spoja (pokretanja) s = sn, n = nn - nazivni moment s = smax, n = nmax - maksimalni moment

Momentna karakteristika

5515.11.2010

Bitno je istaknuti da je moment pri svakoj brzini ovisan o kvadratu narinutog napona:M = f (U2)

Openito momentna karakteristika izgleda prema slici. Na njoj su karakteristina podruja: od s = 1 do s = 0 - motorsko podruje rada, energija se uzima iz mree,za s 0 - generatorski rad, energija se vraa u mreuza s 1 - protustrujno koenje, energija se uzima iz mree i kinetika

energija radnih mehanizama koi rotor i predaje mu energiju

Momentna karakteristika pri svim brzinama vrtnje

5615.11.2010

Za primjene je vaan maksimalni ili prekretni moment motora.

Derivacijom izraza za moment na slajdu 53 i izjednaavanjem s nulom dobije se klizanje smax kod kojeg motor razvija najvei moment (maksimalni ili prekretni moment).

( ) = + +max 22r

s s r

Rs

R X X

( ) = + + +

2

max222

s s

sm s s s r

m UM

R R X X

= 0dMds

Maksimalni ili prekretni moment

i uvrtenjem u izraz za moment dobiva se

Iz slijedi

Predznak (+) je za motorski rad, a (-) za generatorski rad.

5715.11.2010

( ) = + + 22 '2 s

rs s

R

R X X

U praksi koristimo analitike izraze za momentnu karakteristiku poznate kao Klossoveformule. Dobijemo ih ako se izraz za moment podijeli s izrazom za maksimalni moment u obliku

+=+ +maxmax

max

2MssM

s s

=+2

maxmax

max

MssM

s s

Klossove formule

Za manje tona raunanja moe se primijeniti pojednostavljena Klossova formula dobivena zanemarenjem statorske impedancije u obliku

5815.11.2010

Mn nazivni momentMk moment kratkog spojaMmax maksimalni moment

Momentna karakteristika motora i tereta

Primjer: Mehanika karakteristika asinkronog motora i centrifugalnog ventilatora, pogonska radna toka

cent

rifug

alni

vent

ilato

r

5915.11.2010

Kod asinkronog motora problem su velike struje pri pokretanju motora.

Moment i struja u zaletu asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stacionarno stanje)

4

8

2

0,2 0,4 0,6 0,8 1

6

M

n0

IIn

1

2

ns

0

Mn

6015.11.2010

Moment, struja i brzina vrtnje u zaletu asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamiko stanje)

-6000-5000-4000-3000-2000-1000

010002000300040005000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Vrijeme, ms

S

t

r

u

j

a

s

t

a

t

o

r

a

,

A

-12000

-8000

-4000

0

4000

8000

12000

16000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Brzina vrtnje, o/min

E

l

e

k

t

r

o

m

a

g

n

e

t

s

k

i

m

o

m

e

n

t

,

N

m

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Vrijeme, ms

B

r

z

i

n

a

v

r

t

n

j

e

,

o

/

m

i

n

6115.11.2010

Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora

6215.11.2010

Oblik momentne karakteristike ovisi o odnosima induktivnih i radnih otpora.Konstrukcijom rotorskog utora se utjee na oblik momentne karakteristike.

Razliiti oblici momentne karakteristike trofaznih asinkronih motora

6315.11.2010

Crtanjem krunog dijagrama na osnovi nadomjesne sheme motora se grafiki dobivaju podaci o radnim karakteristikama stroja. Primjena krunih dijagrama nije aktualna nakon to su se pojavile mogunosti brzog analitikog raunanja svih karakteristika motora prema nadomjesnojshemi pomou raunala.Detalji o krunim dijagramima u knjizi R. Wolf: Osnove elektrinih strojeva, str. 186-196.

Kruni dijagram asinkronog stroja

6415.11.2010

Prazni hod motora na osovini nema optereenja, klizanje s, struja praznog hoda I0 mala (10 25 % nazivne)

Kratki spoj motora rotor zakoen (miruje), klizanje s = 1, Zkprema shemi, struja kratkog spoja Ik vrlo velika (5 8 puta vea od nazivne)

Optereenje na osovini klizanje malo (1 5 %), struja iz mree ovisna o optereenju

Pogonska stanja asinkronog stroja

6515.11.2010

USEs

I0

II0r

IS0

I

USEs

I0r

IS0

6615.11.2010

US

Ik

US

I k(R s+R r

)

j Ik (X

s +Xr )

IkU kratkom spoju moemo zanemariti poprenu granu nadomjesne sheme i struju raunati prema izrazu

= + + +2 2( ) ( )

sk

s r s r

UI

R R X X

RS RrjXs jXr

k

Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u kratkom spoju

6715.11.2010

Ir

rRssR

0R

sjX sjX

USjXEs

I0

II0r

IS

-Ir IS

I0

I0rI0

I

US

Es

RSIS

rr R-I s

-jIrXr

jIsXs

Nadomjesna shema i fazorski dijagram asinkronog stroja u stacionarnom stanju

6815.11.2010

Radne karakteristike asinkronog motora

00

0,5 1,0 PPn

s

cos

IsIsn

0,5

1,0

cos

IsIsn

10

5

0

s, %

6915.11.2010

Smjer vrtnje okretnog polja odreen je redoslijedom faza. elimo li ga promijeniti, dovoljno je meusobno zamijeniti prikljuke 2 od 3 fazna namota trofaznog motora. To se obino radi primjenom kontaktora (sklopnika) i tipkala.

U, V i W oznake stezaljki motoraL1, L2 i L3 oznake faza mreeK1 i K2 kontaktori (sklopnici)

Promjena smjera vrtnje asinkronog motora (reverziranje)

M~

K1 K2

L1

L3L2

U WV

7015.11.2010

1 Motor kree iz mirovanja (s=1)2 Motor se zalijee do priblino sinkrone brzine vrtnje (s

7115.11.2010

Moment, struja i brzina vrtnje tijekom reverziranja asinkronog motora (prikaz dobiven iz modela za stvarno dinamiko stanje)

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Vrijeme, ms

B

r

z

i

n

a

v

r

t

n

j

e

,

o

/

m

i

n

-18000-16000-14000-12000-10000

-8000-6000-4000-2000

02000400060008000

100001200014000

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

Brzina vrtnje, o/min

E

l

e

k

t

r

o

m

a

g

n

e

t

s

k

i

m

o

m

e

n

t

,

N

m

-6000-5000-4000-3000-2000-1000

0100020003000400050006000

0 500 1000 1500 2000 2500

Vrijeme, ms

S

t

r

u

j

a

s

t

a

t

o

r

a

,

A

7215.11.2010

Magnetsko polje tijekom zaleta asinkronog motora

7315.11.2010

1. Problemi kod pokretanja asinkronih motora Velike struje pokretanja, obino 5-8 puta vee od nazivnih, Preveliki ili nedovoljno veliki momenti pokretanja ( nedovoljno veliki

momenti ubrzavanja), Predugo trajanje zaleta motora i pogona

2. Tehnike pokretanjaNajee primjenjivane tehnike su: Pokretanje direktnim prikljukom na mreu, Pokretanje zvijezda-trokut preklopkom, Pokretanje preko autotransformatora, Pokretanje soft-start ureajem, Pokretanje pomou elektronikog energetskog pretvaraa, Pokretanje preko hidraulinih zaletnih spojnica.

Sve se tehnike svode na to da se izvri uspjean zalet motora i pogona uz to manje struje zaleta i to krae trajanje zaleta. Utjecaj na mreu mora biti u prihvatljivim granicama.

Problemi i tehnike pokretanja asinkronih motora

7415.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

200

400

300 600 900 1200 1500

M, Nm

n, o/min

I, A

n, o/min

Direktni startDirektni start Pokretanje zvijezda - trokutPokretanje zvijezda - trokut Pokretanje autotransformatoromPokretanje autotransformatorom

Nastavi prez.Nastavi prez.

0 0

ShemaShema

Moment tereta

Statorska strujaMoment motora i moment tereta

Pokretanje soft-start ureajemPokretanje soft-start ureajem

Pokretanje kaveznog asinkronog motora direktnim prikljukom na mreu

Zbog velikih struja pokretanja koje prave probleme u elektrinoj mrei (padovi napona i preopte-reenja sklopnih aparata) koriste se razliite tehnike pokretanja.

7515.11.2010

PovratakPovratak

osigurai

sklopnik

bimetal

Spojna shema za pokretanje kaveznog asinkronog motoradirektnim prikljukom na mreu

7615.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

200

400

300 600 900 1200 1500

M, Nm

n, o/min

I, A

n, o/min

213

SYY

S

UMM U

= = 1 1

33SY SY

S I

I II I

= =U NAMOTU PREMA MREI

0 0

Moment

Moment Y Struja Y

Struja



ShemaShema


Pokretanje kaveznog asinkronog motora preklopkom zvijezda -trokut

7715.11.2010

Shema spoja za prikljuak kaveznog asinkronog motora na mreu preklopkom zvijezda - trokut

PovratakPovratak

U1

U2

V1 V2W1

W2L1

L2

L3

7815.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

200

400

300 600 900 1200 1500

M, Nm

n, o/min

I, A

n, o/min

0 0

Pokreta

nje s pu

nim nap

onom

Pokretanje autotra

f. Struja - autotraf.

Struja pokretanje s punim naponom



ShemaShema


Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom

7915.11.2010

PovratakPovratak

Potrebna su tri prekidaa i autotransformator. Struja pokretanja se prilagodi mogunostima mree. Pokretanje: zatvoreni prekidai (sklopke) A i B Normalni pogon: zatvoreni prekidai A i C.

Pokretanje kaveznog asinkronog motora autotransformatorom

8015.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

M, Nm

n, o/min

0

Direktn

i start

Soft-start

200

400

300 600 900 1200 1500

I, A

n, o/min0

U/Un

t

1

0,5

Struja - Soft-start

In

Ust

Direktni startDirektni start Pokretanje zvijezda - trokutPokretanje zvijezda - trokut Pokretanje autotransformatoromPokretanje autotransformatorom Nastavi prez.Nastavi prez.

ShemaShema


Struja - direktni start

Soft-start ili lagano pokretanje

Moment tere

ta

8115.11.2010

Soft-start ureaj s bajpas sklopnikom

PovratakPovratak

Soft-starter je elektroniki ureaj kojim se moe regulirati napon statora motora da se smanji struja pokretanja na neki dozvoljeni iznos.

Pokretanje kaveznog asinkronog motora preko soft-start ureaja

Prikljuak na mreu sa soft-start ureajem

8215.11.2010

Rd = Rad1+Rad2+Rad3Rd = Rad1+Rad2+Rad3

Rd = Rad1+Rad2Rd = Rad1+Rad2

Rd = Rad1Rd = Rad1

Rd = 0Rd = 0

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

M, Nm

n, o/min0

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

I, A

n, o/min0 Nastavi prezentaciju

Nastavi prezentaciju

Pokretanje klizno kolutnog asinkronog motora dodavanjem otpora u rotorski krug

8315.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

n, o/min0

I, A



Rd = Rad1Rd = Rad1

Rd = 0Rd = 0

Nastavi prezentacijuNastavi prezentaciju

n, o/min

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

M, Nm

0n, o/min


8415.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

n, o/min0

I, A



Rd = Rad1Rd = Rad1

Rd = 0Rd = 0


n, o/min

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

M, Nm

0n, o/min


8515.11.2010

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

M, Nm

n, o/min0

400

800

200

300 600 900 1200 1500

600

n, o/min0

I [A]



Rd = Rad1Rd = Rad1

Rd = 0Rd = 0



8615.11.2010

Elektromotorni pogon- sustav za pretvorbe elektrine u elektromehaniku energiju

8715.11.2010

= = 60(1 ) (1 )ss fn n s sp

Regulacija brzine vrtnje asinkronog motora

Brzina vrtnje motora je odreena izrazom

Mijenjanje brzine promjenom broja pari polova je mogue samo u grubim iznosima. Npr. za fs = 50 Hz vrijedi

p = 1, sinkrona brzina je 3000 o/minp = 2, sinkrona brzina je 1500 o/min p = 3, sinkrona brzina je 1000 o/min

i ona se moe regulirati (namjetati) promjenom frekvencije fs, broja pari polova p i promjenom klizanja s.

esto se koristi u praksi i to najee u stroju za pranje rublja. Motor sadri dva namota, npr. jedan ima 2p = 2, a drugi 2p = 12 ili 14. Vrlo je jednostavno i, za primjenu u domainstvu, prihvatljivo tehniko rjeenje.

8815.11.2010

Openito moe biti potrebno da se u nekom elektromotornompogonu regulira:

brzina vrtnje radnih mehanizama, moment, poloaj (pozicija).

Najee se regulira brzina vrtnje.Da li e se regulirati brzina zbog uteda energije, ovisi o tehniko-ekonomskim uvjetima (cijena energije, vremenski rok za povrat investicije).

Regulacije u elektromotornim pogonima

8915.11.2010

Regulirati brzinu vrtnje znai mijenjati momentnu karakteristiku Mm u M'm tako

da njeno sjecite s karakteristikom

tereta bude pri eljenoj brzini vrtnje n'.

Prema slici momentnu karakteristiku Mmsmo promijenili tako da smo promijenili

sinkronu brzinu vrtnje motora ns u n'smijenjajui frekvenciju struja koje teku kroz namote statora.

= =60 60s ss sf fn np p

to znai regulirati brzinu vrtnje motora?

Prema slici, radna toka EMP pogona u stacionarnom stanju je odreena sjecitem karakteristike momenta motora i karakteristike momenta optereenja Mm = Mt.

9015.11.2010

Preklapanje polova se moe ostvariti sa dva ili vie galvanski odvojenih namota u motoru ili jednim namotom izvedenim iz dva jednaka dijela koji se prespajaju prema Dahlanderovom principu. Prespajanjem prema Dahlanderu moe se dobiti omjer brzina 1:2.

Regulacija brzine vrtnje preklapanjem polova

M

0 ns1n1

Mt

n

2p = 4

2p = 2

ns2n2

9115.11.2010

Promjenom napona uz fiksnu frekvenciju momentna karakteristika motora se mijenja prema Mm= f(U2). Svakom naponu odgovara druga karakteristika, a budui da je karakteristika momenta tereta jedna i zadana vrstom tereta, radna toka e biti odreena karakteristikom motora.

Suvremena tehnologija (poluvodika energetska elektronika) omoguava regulaciju napona u vrlo irokim granicama.Energetski gledano, ovakva regulacija nije optimalna jer su gubici energije neizbjeni.

Regulacija brzine vrtnje promjenom narinutog napona

9215.11.2010

Brzina vrtnje je direktno proporcionalna frekvenciji

= 60 (1 ),sfn sp

ali se u motoru zbog promjene frekvencije dogaaju i promjene magnetskog toka (indukcija) to utjee na promjene razvijenog momenta.

Promjenimo li frekvenciju fs ne mijenjajui napon, doi e do promjene indukcije B odnosno magnetskog toka . Poveanje B nije dozvoljeno zbog zasienja magnetskog kruga, a smanjenjem (pri poveanju fs) smanjuje se moment motora to opet nije dozvoljeno. Zbog toga se regulira po zakonu

= .s ss s

U Ekonst

f f

Regulacija brzine promjenom napona i frekvencije

N

= 4,44s s sU E Nf BS

9315.11.2010

Principna shema spoja asinkronog motora i elektronikog energetskog pretvaraa na izmjeninu mreu

9415.11.2010

Tipina struktura pretvaraa za asinkroni motor

L1

L2

L3

UDC

UG

CDC

R U

V

W

T1

T4

UG+

DiodniIspravlja Izmjenjiva

Prikljuakmotora

Mreniprikljuak

Istosmjerni meukrug

Mjerenje struje

Motor

T3

T6

T5

T2

9515.11.2010

Istovremeno treba mijenjati napon i frekvenciju. Pri takvoj promjeni, koja se zove skalarna regulacija, momentne karakteristike izgledaju prema slici.

Skalarna regulacija

9615.11.2010

Promjena napona i frekvencije pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora

US

konstantan tok

Frekvencijafn f

slabljenje polja

0

Un

fmax

9715.11.2010

Frekvencija f1 je osnovna frekvencija za koju je graen motor. Smanjivanje frekvencije f1daje karakteristiku U21/f21=konst., tj. smanjeni su napon i frekvencija u odnosu na U1/f1 =konst.Poveanje frekvencije f1 na f2 nije mogue po zakonu U/f=konst. jer je napon za odreeni motor odreen gornjom granicom U=Un. Zbog poveanja frekvencije f1 na f2, a nepromijenjenog napona, smanjen je magnetski tok u motoru i razvijeni moment. To je tzv. podruje slabljenja magnetskog toka.

Momentne karakteristike pri skalarnoj regulaciji asinkronog motora

9815.11.2010

Ovisnost momenta motora o frekvenciji i nainu hlaenja pri skalarnoj regulaciji

9915.11.2010

Dozvoljene veliine struje pri kratkotrajnom i trajnom pogonu reguliranog motora

10015.11.2010

U razvijenim zemljama svijeta se 60-65% sve proizvedene elektrine energije pretvara u mehaniki rad posredstvom elektromotornih pogona (industrija, transport, domainstvo,...).

Elektromotorni pogoni mogu biti regulirani ili neregulirani.

Smatra se da je 10-15 % reguliranih pogona.

Znaaj elektromotornih pogona

10115.11.2010

Osnovna zadaa reguliranog EMP-a je upravljanje tokom energije koja ide iz mree (izvora) u proces i obratno.

Regulirati se moe brzina, moment ili pozicija.

Zato odabrati regulirani pogon ili zamijeniti postojei neregulirani reguliranim?

Zbog zahtjeva tehnolokog procesa (automatizacija,..), Zbog zatite mree, motora i radnih mehanizama, Zbog smanjenja potronje (uteda) elektrine energije.

Regulirani ili neregulirani elektromotorni pogon?

10215.11.2010

Najvee utede elektrine energije mogu se postii reguliranim pogonom centrifugalnih pumpi, ventilatora i kompresora koji supodoptereeni u normalnom pogonskom stanju i koji su godinje relativno dugo vremena u pogonu.

U tehniki razvijenom svijetu prevladava tendencija primjene novih reguliranih pogona i zamjena postojeih nereguliranih reguliranima.

Regulacija pogona zbog uteda energije

10315.11.2010

U nereguliranim elektromotornim pogonima protok medija Q (m3/s) se moe regulirati nekim od naina priguenja prema sl. 1, a u reguliranim prema sl. 2 tako da se brzinom vrtnje motora regulira brzina vrtnje pumpe, o kojoj ovisi veliina protoka i korisnosti pumpe.

Sl.1. EMP bez mogunosti regulacije brzine vrtnje elektromotora, protok se regulirapriguenjem na ulazu u spremnik medija

Regulacija protoka nekog medija

konst.n

10415.11.2010

Sl. 2. Regulirani elektromotorni pogon, protok se regulira brzinom vrtnje motora odnosno pumpe (zbog uteda energije)

Regulacija protoka medija promjenom brzine vrtnje elektromotora i pumpe

M

Mrea, U1, f1

pumpa spremnik

izlaz

ulaz

El. motor

~~

wx

Regulator

U1, f1 pretvaray

U2, f2

n regulirana

10515.11.2010

40

80

20

300 600 900 1200 1500

60

M, Nm

n, o/min

0

U/f = const.U/f = const. U = var, f = constU = var, f = constU/f = const.U/f = const.

f = 50 Hzf = 50 Hz

f = 30 Hzf = 30 Hz

f = 10 Hzf = 10 Hz


M = 40 Nm

n = 1383 o/min

50 Hz

Regulacija (namjetanje) brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije

10615.11.2010

40

80

20

300 600 900 1200 1500

60

M, Nm

n, o/min

0

M = 28,0 Nm n = 820 o/min

U/f = const.U/f = const. U = var, f = constU = var, f = const

f = 50 Hzf = 50 Hz

f = 30 Hzf = 30 Hz

f = 10 Hzf = 10 Hz


50 Hz30 Hz


10715.11.2010

40

80

20

300 600 900 1200 1500

60

M, Nm

n, o/min

0

M = 21 Nm

n = 395 min-1


f = 50 Hzf = 50 Hz

f = 30 Hzf = 30 Hz

f = 10 Hzf = 10 Hz


50 Hz30 Hz

10 Hz


10815.11.2010

80

160

40

200 400 600 800 1000

120

M, Nm

n, o/min

0

U = 400 VU = 400 V

U = 200 VU = 200 V

M = 80 Nm n = 923 o/min


U = 300 VU = 300 V


U = 400

V, 50 H

z


10915.11.2010

80

160

40

200 400 600 800 1000

120

M, Nm

n, o/min0

M = 50 Nm n = 910 o/min

U = 300 VU = 300 V


U = 400 VU = 400 V

U = 200 VU = 200 V


U = 400

V, 50 H

z

U = 300 V,

50 Hz


11015.11.2010

80

160

40

200 400 600 800 1000

120

M, Nm

n, o/min0

M = 38 Nm

n = 780 o/min


U = 400 VU = 400 V

U = 300 VU = 300 V

U = 200 VU = 200 V


U = 400

V, 50 H

z

U = 200 V, 50 Hz

U = 300 V,

50 Hz


11115.11.2010

JEDNOFAZNI ASINKRONI MOTOR

11215.11.2010

To je obino kavezni motor koji ima samo jedan namot na statoru te se prikljuuje na jednofazni izmjenini namot.

Dok rotor miruje, njegovo je klizanje prema direktnom i inverznom protjecanju stvorenima strujom namota statora jednako sd = si = 1.

Okretna protjecanja d i i imaju jednake amplitude i brzine vrtnje, ali se vrte u suprotnom smjeru.

Jednofazni asinkroni motor

UI

11315.11.2010

Struje i momenti su jednaki za direktni i inverzni sistem dok rotor miruje (s=1), iz ega slijedi da je ukupni moment jednak nuli. Motor ne moe krenuti iz mirovanja!

Md moment direktnog protjecanjaMi moment inverznog protjecanjaMd + Mi ukupni moment jednofa-

znog motora

im se motor pokrene iz mirovanja prevladava jedno okretno polje i motor razvija moment kojim moe savladati teret i nastaviti vrtnju.

Momentna karakteristika jednofaznog asinkronog motora

M

n0

Md

Mi

Md + Mi

nsdnsi

11415.11.2010

Problem poteznog momenta jednofaznog motora rjeava se ugradnjom pomone faze za zalet koja je prostorno pomaknuta prema tzv. glavnoj fazi za neki kut, a fazni pomaci struja kroz fazne namoteostvaruju se dodavanjem kondenzatora, otpornika ili prigunice (induktiviteta) u pomonu fazu. Tako se dobije jednofazni motor s pomonom fazom za zalet simboliki prikazan na slici.

Vano je postii to vei fazni pomak struja glavne Ig i pomone Ip faze.

Fazorski dijagram kondenzatorskog motora

Jednofazni motor s pomonom fazom za zalet

11515.11.2010

Struja u namotu svake faze stvara svoje pulsirajue protjecanje koje moemo prikazati s dva okretna protjecanja d i i.

Kako znamo iz teorije okretnog polja, os okretnog protjecanja se nalazi u osi namota odreene faze u trenutku kada struja tog namota prolazi kroz maksimum, a iznos tog protjecanja je d = i = 1/2. Struja u fazi u kojoj je kondenzator je prola svoj maksimum prije faze u kojoj nije kondenzator za kut = gl + p.

Reverziranje (promjena smjera vrtnje) motora s pomonom fazom

11615.11.2010

Direktno protjecanje je vee od inverznog pa se rotor vrti u smjeru toga rezultirajueg protjecanja d. Rezultantno okretno magnetsko polje vrti se uvijek u smjeru od faze u kojoj struja prethodi naponu prema fazi u kojoj struja zaostaje. Iz toga se moe zakljuiti i na koji se nain moe reverzirati kondenzatorski motor.

O

s

n

a

m

o

t

a

g

l

a

v

n

e

f

a

z

e

Smjer vrtnje i reverziranje motora s pomonom fazom

11715.11.2010

Spojna shema za reverziranje (promjenu smjera vrtnje) kondenzatorskog motora zamjenom prikljuaka namota pomone faze (l-lijevo, d-desno)

rotor

N

Ig

L1

Ip

pomona faza

g

l

a

v

n

a

f

a

z

a

C

ld dl

Asinkroni Motori Fer

Documents