ELEKTRIČNE MAŠINE
Asinhrone mašine
Uvod
Asinhrona mašina je tipičnan predstavnik električne mašine
male i srednje snage koja se obično pravi u velikim serijama.
Prednosti asinhrone mašine u odnosu na ostale vrste električnih
mašina su: niža cena, jednostavnost konstrukcije, manji
momenat inercije, robusnost, pouzdanost, sigurnost u radu i
lako održavanje.
Nedostaci su vezani za uslove pokretanja i mogućnost
regulisanja brzine obrtanja u širokim granicama.
Uvod
Razvoj pretvarača energetske elektronike i primena
mikroprocesora ih je učinila konkurentnim i u području pogona
sa promenljivom brzinom obrtanja, gde su se ranije isključivo
koristile mašine jednosmerne struje.
Osnovni delovi
Osnovni elementi asinhrone mašine su:
1.
mirujući deo (stator)
stator i
2.
obrtni deo (rotor).
rotor
Stator se sastoji iz magnetnog kola i namotaja.
Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih
limova, koji su po unutrašnjoj strani ožlebljeni. U žlebovima statora je
smešten pobudni namotaj. Namotaj je trofazni, spregnut u zvezdu ili
trougao. Počeci i krajevi namotaja pobude (statorski namotaji) su izvedeni u
priključnu kutiju mašine.
Osnovni delovi
Žleb
Feromagnetni lim
statora
Magnetno kolo
Postavljanje
pobudnog namotaja
Izgled statora
asinhrone mašine
Osnovni delovi
Osnovni delovi
Priključna kutija asinhrone mašine
Osnovni delovi
Čitav stator se stavlja u kućište mašine, koje je kod manjih mašina
obično izliveno od aluminijuma ili livenog gvožđa.
Spolja su postavljena rebra radi povećanja površine hlađenja.
Ventilator je ugrađen na vratilu i odnosi toplotu sa površine kućišta.
Na donjem delu kućišta asinhrone mašine nalaze se stopala za
pričvršćenje mašine za podlogu.
Osnovni delovi
Rotor se sastoji iz magnetnog kola i namotaja.
Magnetno kolo je sačinjeno od tankih i međusobno izolovanih
feromagnetnih limova, koji su po spoljašnjoj strani ožlebljeni.
U žlebovima rotora je smešten namotaj rotora.
Žleb
Feromagnetni
lim rotora
Osnovni delovi
Namotaj rotora se izvodi na dva načina i to kao kavezni
(kratkospojeni) i namotani (sa prstenovima). U tom smislu se i
asinhrone mašine dele na dve grupe i to na:
asinhrone mašine sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima) i
asinhrone mašine sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom.
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa namotanim rotorom
U žlebove rotora je postavljen trofazni namotaj. Ako je namotaj
spregnut u zvezdu onda se tri kraja spoje u neutralnu tačku,
preostala tri kraja se izvode do tri klizna prstena, izolovana
međusobno i od vratila. Na klizne prstenove naležu četkice koje su u
vezi sa trofaznim rotorskim otpornikom koji se često naziva otpornik
za puštanje u rad. Pošto je rotorski otpornik potreban samo za
puštanje u rad, nakon toga se četkice se podižu i namotaj rotora se
kratko spaja preko odgovarajućeg uređaja.
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa namotanim rotorom
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa namotanim rotorom
Magnetno
Magnetno
kolo
kolo
Žlebovi
Žlebovi
Klizni
Klizni prstenovi
prstenovi
Ručka za kratko
spajanje namotaja rotora
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom
Namotaj rotora je značajno različit – podseća na kavez (otuda potiče i
naziv). Kod motora manjih i srednjih snaga je izliven od aluminijuma i
kratko spojen, a kod motora većih snaga je izrađen od neizolovanih
bakrenih štapnih provodnika, koji se na bočnim stranama kratko spajaju
sa po jednim prstenom. U oba slučaja, kratkospojeni rotor nema
mogućnost spoljnjeg električnog pristupa.
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom
Provodnici rotora
Prsten za
kratko spajanje
Osnovni delovi
Asinhrona mašina sa kaveznim rotorom
Ova konstrukcija rotora je neuporedivo prostija u odnosu na konstrukciju
namotanog rotora i jeftinija je.
Sigurnost u radu je mnogo veća i ne zahtevaju rotorske otpornike.
Nedostatak asinhronih mašina sa kaveznim rotorom je loša
karakteristika prilikom puštanja u rad (polazna karakteristika). Ista se
ogleda u prevelikoj polaznoj struji (5-8 puta je veća od nominalne
struje). To ograničava njihovu upotrebu na manje i srednje snage.
Bočne
Bočne veze
veze
pobudnog
pobudnog namotaja
namotaja
Ventilator
Ventilator
Magnetno
Magnetno
kolo
kolo rotora
rotora
Žlebovi
Žlebovi rotora
rotora uu
kojima
kojima je
je uliven
uliven
namotaj
namotaj rotora
rotora
Stopala
Stopala
Magnetno
Magnetno
kolo
kolo statora
statora
Poklopac
Poklopac
kućišta
kućišta
Ležaj
Ležaj
Vratilo
Vratilo
Osnovni princip rada
Rad asinhrone mašine je zasnovan na obrtnom
elektromagnetnom polju, koga je otkrio Nikola Tesla.
Ako se kroz namotaj na statoru, koji je sačinjen od više
navojaka, propusti naizmenična struja koja se menja po
sinusnom zakonu, po obodu zazora će se javiti sinusno
raspodeljena magnetnopobudna sila (elektromagnetno polje).
Ovakva magnetnopobudna sila je nepokretna u prostoru, a
promenljiva je u vremenu i naziva se pulzirajuća
magnetnopobudna sila.
Osnovni princip rada
Osnovni princip rada
Ako sada na isti ovaj stator dodamo još jedan namotaj, koji je
takođe sastavljen od više navojaka, i pomeren je za 90° u odnosu
na prvi namotaj i kroz njega protiče struja koja je fazno pomerena u
odnosu na struju prvog namotaja za 90°, stvoriće se druga
magnetno pobudna sila, koja je takođe pulzirajuća, ali deluje po osi
drugog namotaja.
Ove dve, u prostoru nepokretne i vremenski promenljive
magnetnopobudne sile, kao rezultat daju obrtnu magnetnopobudnu
silu, čiji se položaj u prostoru menja, a amplituda je konstantna u
vremenu.
Osnovni princip rada
Obrtno polje nastalo na ovaj način naziva se i Teslino obrtno elektromagnetno polje!
Osnovni princip rada
Patent prve asinhrone mašine (Nikola Tesla)
Osnovni princip rada
To isto možemo uraditi i sa trofaznim namotajem.
Postavljanjem tri namota, prostorno pomerena za po 120°
električnih, i puštanjem kroz njih tri struje fazno pomerene za
po 120°, dobijamo od svakog namota pulzirajuću
magnetnopobudnu silu.
Ukupno dejstvo pojedinačnih magnetopobudnih sila određeno
je njihovim zbirom.
Osnovni princip rada
Osnovni princip rada
Tri pulzaciona polja u slučaju prostorno pomerenih namota sa
vremenski pomerenim strujama daju rezultantno polje koje nije
pulzaciono, već ima konstantnu amplitudu i rotira u prostoru
sinhronom brzinom ωs (jednakom učestanosti struja u namotaju
statora).
Osnovni princip rada
Osnovni princip rada
Ako se u oblast gde deluje Teslino obrtno polje ubaci rotor
(npr. kavezni), pod uticajem tog polja u namotaju rotora će se
indukovati elektromotorna sila (EMS), koja će proterati struju
kroz namotaj rotora (jer je rotor kratkospojen).
Rezultat dejstva struje u namotaju rotora i obrtnog polja sa
statora je elektromagnetni moment koji deluje na namotaj
rotora i rotor počinje da se obrće u smeru obrtnog
elektromagnetnog polja.
Osnovni princip rada
Osnovni princip rada
Rotor nikada ne dostiže sinhronu brzinu obrtanja (brzina
obrtnog elektromagnetnog polja), jer i kada bi se to desilo, ne
bi se indukovala EMS u rotoru, a time ni struja u provodnicima
rotora, pa bi elektromagnetni moment bio 0, usled čega bi
rotor usporio.
Prema tome, rotor i obrtno polje se ne obrću istom brzinom
(sinhrono), već različitom (asinhrono), pa se zbog toga ovakve
mašine i nazivaju ASINHRONE MAŠINE.
Osnovni princip rada
OBTNO
OBTNO POLJE
POLJE
Ilustracija klizanja
Osnovni princip rada
Razlika između brzine obrtnog polja i brzine rotora naziva se
klizanje:
s =
ns − n
ns
s [%] =
ns − n
⋅ 100
ns
n – brzina obrtanja rotora,
ns – brzina obrtnog polja (sinhrona brzina),
60 ⋅ f s
ns =
[o / min]
p
fs – frekvencija struja statora (50 Hz)
Osnovni princip rada
p – broj pari polova
p
ns [o/min]
1
3000
2
1500
3
1000
4
750
Vrednost klizanja s pri nazivnom opterećenju kreće se kod
motora manjih snaga od 3 do 8 %, a kod motora većih snaga
od 1 do 3 %.
Radni režimi asinhrone mašine
1.
2.
Najčešći radni režimi asinhrone mašine su:
Motorski režim rada (mašina uzima električnu i daje mehaničku
energiju),
Generatorski režim rada (mašina pretvara mehaničku energiju
u električnu).
U svim prethodno navedenim radnim režimima, asinhrona
mašina troši reaktivnu energiju!!!
Radni režimi asinhrone mašine
Asinhrona mašina se najčešće koristi kao motor.
Asinhrona mašina se retko koristi kao generator za proizvodnju
električne energije, pošto tada zahteva postojanje izvora
reaktivne energije.
Moment konverzije
Moment konverzije asinhrone mašine je srazmeran kvadratu
napona napajanja!
M ~U
2
f
Karakteristike
momenta
(mehaničke
karakteristike)
predstavljaju zavisnost momenta konverzije asinhrone mašine
od brzine obrtanja: M=f(n) (kod asinhrone mašine često se
predstavljaju i kao M=g(s)).
Momentna karakteristika
Prevalni
moment
M
Mp
Polazni
moment
Stacionarna radna
tačka
M pol
Mn
Katakteristika
opterećenja (radne
mašine)
np
nn ns
n
Momentna karakteristika
Karakteristične tačke gledano preko momenata su:
polazni momenat, Mpol, koji motor razvija pri pokretanju
(n=0), i koji, da bi se mašina mogla pokrenuti, mora biti veći
od otpornog momenta radne mašine
prevalni (maksimalni) momenat, Mp, je najveća vrednost
momenta,
naznačeni (nominalni) momenat, Mn, odgovara naznačenom
režimu rada.
Regulacija brzine obrtanja
Veličine pomoću kojih se može regulisati brzina obrtanja
najlakše se vide iz osnovne jednačine koja opisuje brzinu
obrtanja asinhrone mašine:
n = ns (1 − s ) =
60 ⋅ f
⋅ (1 − s)
p
Regulisanje brzine obrtanja se može izvršiti:
1.
2.
3.
promenom klizanja,
promenom broja pari polova i
promenom frekvencije mreže (izvora).
Regulacija brzine obrtanja
Regulacija brzine promenom klizanja i broja pari polova se
danas ne koristi.
Regulacija brzine promenom frekvencije izvora je, sa razvojem
energetske elektronike, postala najznačajnija, pri čemu se,
kako se ne bi promenilo magnetno zasićenje mašine, često
izvodi sa istovremenom promenom napona napajanja (tzv. U/f
regulacija, U/f=const).
Regulacija brzine obrtanja
Prednosti ovog načina regulisanja brzine su u veoma dobrim
tehničkim osobinama: zadržava se vrednost maksimalnog
momenta, promena brzine je kontinualna i u širokom opsegu,
koristi se standardni motor sa kratkospojenim rotorom.
Međutim, potreban je dodatni uređaj za obezbeđenje
promenljive učestanosti i napona napajanja (pretvarač).
Regulacija brzine obrtanja
A.C.
AM
Ispravljač
D.C.
A.C.
Invertor
Uobičajena konfiguracija pretvarača
Regulacija brzine obrtanja
Regulacija brzine obrtanja
Pretvarači serije ACS 350 firme ABB
Regulacija brzine obrtanja
Upotrebom frekventnih pretvarača (AC/AC pretvarača)
rešava se i problem prevelikih struja vezan za pokretanja
asinhronog motora kao i jednostavna promena smera obrtanja
rotora (Svodi se na promenu smera obrtnog polja u statoru. U
praksi se promena smera obrtanja rotora postiže i zamenom
mesta dva priključna fazna voda).
Natpisna pločica
15 kW
Y/∆
50 Hz
2910 o/min
400/230 V
cosφ=0,9
27,5/48,7 A
Iz podataka prethodno navedene natpisne pločice obrazloženo
odgovoriti o kojoj se vrsti mašine radi? Odrediti da li je mašina
namenjena za generatorski ili motorski režim rada? Ukoliko je u
pitanju motor, izračunati nazivni (nominalni) obrtni moment na vratilu.
Izračunati stepen korisnog dejstva mašine za nazivni režim rada na
osnovu datih podataka (ukoliko je to moguće).
Natpisna pločica
U pitanju je mašina naizmenične struje, što se može zaključiti iz činjenice da
postoje podaci o frekvenciji (50 Hz) i faktoru snage (cosφ).
15 kW: nazivna (nominalna) snaga mašine (izlazna snaga mašine)
2910 o/min: nazivna brzina obrtanja (na osnovu brzine se može zaključiti
da je u pitanju asinhrona mašina jer je brzina obrtanja manja od sinhrone,
koja u ovom slučaju iznosi 3000 o/min; mašina ima 1 par polova).
Y/∆: oznaka sprege (zvezda, trougao); na osnovu toga se može zaključiti
da je mašina trofazna, a ne monofazna.
Natpisna pločica
400/230 V: napon napajanja (400 V za spregu Y, 230 V za spregu ∆)
27,5/48,7 A: nazivn struja (27,5 A za spregu Y, 48,7 A za spregu ∆); u
svakom slučaju to je struja kroz dovodne priključke mašine.
Ova asinhrona mašina je predviđena za motorski režim rada, (jer je brzina
obrtanja manja od sinhrone, a kod generatora mora biti veća od sinhrone)
a to se može zaključiti i izračunavanjem električne snage:
Pel = 3 ⋅ U ⋅ I ⋅ cos ϕ = 3 ⋅ 400 ⋅ 27,5 ⋅ 0,9 = 17127 W = 17,127 kW
17,127 kW > 15 kW – motorski režim rada
Natpisna pločica
Stepen iskorišćenja u nazivnom režimu:
ηn =
Pizlazna Pn
15
=
=
= 0,88 = 88 %
Pulazna Pel 17,127
Nazivni moment motora:
Mn =
Pn
ωn
=
15000
2π
⋅ 2910
60
= 49,2 Nm
Natpisna pločica
Nazivno klizanje:
ns − n
3000 − 2910
sn =
⋅ 100 =
⋅ 100 = 3 %
ns
3000
Primena asinhronih motora
Industrija (pumpe, kompresori, mlinovi, mešalice).
Transportni sistemi (pokretne trake, dizalice, žičare i ski liftovi,
električna vozila).
Različite vrste kućnih aparata (veš mašine, kompresori za
frižidere, kompresori u klima uređajima).
Primena asinhronih motora
Električna vozila
Primena asinhronih motora
Žičare
Primena asinhronih motora
Pumpe
Centrifugalna pumpa
Primena asinhronih motora
Ventilatori
Centrifugalni ventilator
Primena asinhronih motora
Pokretne trake
Primena asinhronih motora
Mašine za štampu
Primena asinhronih motora
Mašine za štampu
Primena asinhronih motora
Mašina za sečenje papira
Električna mašina za sečenje papira, model ZL 1300, snaga motora 5,5 kW
Primena asinhronih motora
Mašina za sečenje papira
Hidraulična mašina za sečenje papira, snaga elektro motora 7 HP
Primena asinhronih motora
Veš mašina
Primena asinhronih motora
Kompresori u klima uređajima
Download

Asinhrone masine