Teaching Material Mechatronics Macedonian Language · Električni aktuatori (strojevi) 3 • Istosmjerni strojevi 1. kolektorski (različito spojen uzbudni namotaj) 2. beskolektorski

To the extent possible under law, the person who

associated CC0 with this work has waived all

copyright and related or neighboring rights to this

work.

"The European Commission support for the production of this publication does

not constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of

the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which

may be made of the information contained therein."

1

Teaching Material Mechatronics – Macedonian Language

Literatura

• Fitzgerald, Kingsley: Električne Mašine (knjižnica TFR) 2

• Internet - ključne riječi:¸power electronics, electric drives, brushless machines, control of induction motors, robotics, power converters, mechatronics system design...

• http://www.ipes.ethz.ch/ipes/e_index.html

• http://www.ece.umn.edu/groups/power/PE_ShortCourse_Aug04/Slid es_PEShortCourse_Aug04.pdf

• http://www.ab.com/drives/techpapers/DriveMotorBasics01.pdf

• A.M. Trzynadlowski: Control of induction motors Academic Press, 1999; Sveučilišna knjižnica

• T. Widi: El. Machines, drives and power systems, Prentice Hall, 2006

• G. K. Dubey: Fundamentals of electric drives, Alpha Science, 2001.

• J. A. Rehg, G. J. Sartori: Industrial electronics, Upper Saddle River, 2006.

• W. Bolton: Mechatronics, Longman, 1999.

• D. Shetty, R. A. Kolk: Mechatronics system design, PWS, 1997.

• B. K. Bose: Modern power electronics and AC drives, Prentice Hall, 2002; knjižnica TFR

Električni aktuatori (strojevi)

3

• Istosmjerni strojevi 1. kolektorski (različito spojen uzbudni namotaj)

2. beskolektorski (engl. brushless)

3. koračni

• Izmjenični strojevi 1. asinkroni (kavezni, klizno-kolutni)

2. sinkroni

Istosmjerni stroj

• Uočljivi priključci uzbude i armature (rotor-stator?)

• Četkice i kolektor

• Enkoder (apsolutni ili inkrementalni?)

• Na pločici stroja nazivna frekvencija (?!)

4

Konstrukcija istosmjernog stroja

• http://www.tkk.fi/Units/Electromechanics/education/s172030/dc_machine.pdf

• http://www.myelectrical.com/book/Machines/DC%20Machine%20Construction%20(General%20Construction).aspx?%0 9%09%09ID=P040507102941

• http://users.telenet.be/educypedia/electronics/motordc.htm

• Je li prikazan stroj s električnom uzbudom ili PM stroj?

5

Enkoderi

• umjesto binarnog – Gray (koji kod je na slici desno?)

• Uz apsolutni i inkrementalni!

6

Momentne karakteristike istosmjernih strojeva

Koji stroj je ujedno i izmjenični (uz manje tehnološke zahvate) tzv. univerzalni stroj ?

7

M P

P

50 000

50 000 60

477,46 Nm 2 1 000 1 000

2

60 n 2

60

Jednu opciju predstavlja istosmjerni stroj čiji nazivni podaci su:

P=50 kW, V=450 V, n=1000 min-1, I=100 A

Uzbudni namotaj – sve tri karakteristike dolaze u obzir

Pretpostavka – nezavisna uzbuda

Za nazivno opterećenje 1000 min-1

Moment iznosi

8

Izračunani moment je potrebno usporediti s momentnom karakteristikom vozila.

Moment tereta raste s kvadratom brzine (vrijedi za ventilatore, pumpe, kompresore

ali i za vozila).

Pretpostavimo da je automobil moguće pokrenuti silom od 300 N.

Ispravnost te pretpostavke ovisi o masi automobila.

Masa je funkcija tehnologije i tehnoloških riješenja korištenih

kod ovog automobila.

Kod standardnih SUS vozila momentna karakteristika je gotovo

identična stroju s nezavisnom uzbudom (npr. kod dizel lokomotiva)

pa je razlika samo u načičinu djelovanja pogonskog stroja.

Za prijenos s osovine motora prema kotaču (oznaka 175/70 R13 82T) aproksimiramo promjer

kotača s 0,5 m. Njegov opseg je o=dπ= 0,5 3,14 = 1,57 m.

Pretpostavimo prijenos 1 : 1 taj prijenosni omjer dodjeljujemo 4. brzini

1000 min-1 odgovara 16,67 s-1 odnosno brzini 1,57 16,67 = 26,16 m/s. Pomnožimo li s faktorom

3,6 moguće je dobiti brzinu u km/h -> 26,16 3,6 = 94,2 km/h. Na toj brzini moment motora mora

biti viši od karakteristike tereta u suprotnom će biti potrebno smanjivati brzinu. Pretpostavimo da

je aerodinamika automobila takva da je moguće razviti takvu brzinu.

Pretpostavljamo također da težimo hibridnom vozilu, odnosno da uz električni pogon postoji još

dizel ili neki drugi pogon. U tom je slučaju opravdano postaviti još jedan stupanj prijenosa 5. brzinu.

Uz to, kada je auto u pokretu bolje se hladi pa ga je moguće i preopteretiti.

5 brzina 1: 1,5 -> 141,3 km/h

4 brzina 1: 1 -> 94,2 km/h

3 brzina 1:0,7 -> 65,9 km/h

2 brzina 1: 0,5 -> 47,1 km/h

1 brzina 1:0,2 -> 18,84,2 km/h

R – 1:-0,3 -> -28,26 km/h

Priloženi izračun bi se mogao izbacivanjem reduktora i direktnim spajanjem stroja s

elektroničkim pretvaračem. Na taj način moguće je pokriti sve momentne karakteristike kao i u

prethodnom slučaju.

Zašto se onda koristi reduktor? – hibridni pogon (npr EMP + SUS); djelotvornost reduktora!

U tom slučaju se otvara pitanje odabira elektroničkog pretvarača čiji je stupanj iskoristivosti (djelotvornost)

približno jednaka djelotvornosti reduktora.

Poznato je više od 500 vrsta elektroničkih (istosmjernih) pretvarča koji se mogu upotrijebiti u tu svrhu.

30 9

Osnovni istosmjerni pretvarači

• Omjer ulaznog i izlaznog napona + djelotvornost

10

Djelotvornost uzlaznog (engl. Boost) pretvarača

Veća ulazna struja

uzrokuje veći pad

napona i veće

gubitke

11

Istosmjerni ili izmjenični kolektorski stroj?

Konstrukcijske razlike istosmjernog

i izmjeničnog kolektorskog stroja

• Konstrukcija željezne jezgre (AC - lamelirani limovi; Fe - DC)

• Brzina praznog hoda (DC – pobjeg; AC – obično spojeni na reduktor – nema pobjega)

• Mag. polje uzbude (DC- konstantna uzbuda; AC – pulzacije - smanjen moment

• Brzina vrtnje (AC velike brzine 3 500 - 20 000 o/min) – upotreba u bušilicama, brusilicama i drugim alatima, u usisivačima...

• Snaga (AC veća brzina-> veća snaga) – armatura – kratki spoj pod preopterećenjem 12

Kolektor

Kolektor i četkice su povezani s glavnim nedostacima istosmjernog stroja –> česta zamjena, grafitna prašina

13

Istosmjerni strojevi - Končar

14

Istosmjerni strojevi PM

Taizhou

Hengda

Machine

Electricity

Manufacture

Co., Ltd. Minimalna narudžba 250

kom.

15

Beskolektorski strojevi (brushless)

• Brushless – rotor je permanentni magnet

• PM istosmjerni stroj – uzbuda (magnet) na statoru

16

Važnija svojstva

• Nema četkica niti problema s grafitnom prašinom

• Nema održavanja • Dug životni vijek

• Nizak moment inercije

• Dobra dinamika • Namotaji na statoru – dobro hlađenje • Visoka djelotvornost > 75% (DC na malim snagama

<<)

• Velike brzine vrtnje do 100_000 o/min

• Iste formule kao za istosmjerni stroj s nezavisnom uzbudom

• Integracija – pretvarač + izmjenjivač (jeftiniji)

• Jednostavno upravljanje

• Kočenje – fazni pomak od 120° • Manji potezni moment od DC-a

• Skuplji od kolektorskog DC-a

• Veće pulzacije momenta od sinkronog AC-a

17

1W, 12 V, 2500 o/min

18

Upotrebe

Slika -> Beskolektorski stroj (?)

Primjene: CD uređaji, gramofoni, pogoni s reg. brzinom, pogon tvdog diska (hard disk), jeftini pogoni malih snaga, periferija računala, proizvodni pogoni (razvoj: brusilica u stomatologiji)...

40 1

9

Umjetno srce

Beskolektorski DC stroj

Pouzdan!

Implantat + pomoćni uređaj

Pumpa 5 W – konstantan izlaz 5 l / min

Nazivni moment M=20 mNm

Tlak 100 mm Hg

Vršno opterećenje 10 W, 10 l / min

Vršni moment M=40 mNm

20

Primjer: Mehatronički sutav na motociklu

Motor +

generator ili

beskolektorski (engl. brushless)

stroj (i pokretač

i generator)

LRT – FE Ljubljana + AET d.o.o.

http://lrt2.fe.uni-lj.si/lrtme/projekti.html

21

• Udružiti pokretač i generator -> jedan stroj 22

Jedan od dva stroja koje treba zamijeniti (gen.)

23

Beskolektorski DC stroj

• Novi mag. Materijali

• B -> 1,4 T

24

• Ušteda

materijala

• Niža cijena

25

Beskolektorski istosmjerni stroj

• Istosmjerni stroj s elektroničkim komutatorom 26

Pretvarač za hibridni motocikl

27

Jednofazni beskolektorski stroj

M= kI; k konstanta proporcionalnosti

Beskolektorski stroj – PMAC trapezni -> ???

49 2

8

Poprečni presjek beskolektorskog istosmjernog stroja (engl. brushless, PMAC motor - trapezni)

50 2

9

Jednostavnije rješenje

• Dvostruko niža

struja i manji

moment od ...

Složenijeg rješenja

30

Složenije rješenje

• Veći moment nego u predhodnom slučaju

• Skuplji

31

32

33

34

Ocjena 10 do 15 % niža potrošnja 35