ELEKTRIČNE MAŠINE
Komutatorske mašine jednosmerne struje
Uvod
Mašine jednosmerne struje su zbog svojih veoma dobrih
funkcionalnih karakteristika nekada predstavljale često rešenje
u električnim pogonima.
Osnovni delovi
1.
2.
Osnovni elementi jednosmerne električne mašine su:
mirujući deo (stator)
stator i
obrtni deo (rotor).
rotor
Osnovni delovi
Uloga statora je stvaranje pobudnog fluksa.
Pobudni fluks mogu stvoriti permanentni (stalni) magneti ili pak
namotaj u kome postoji jednosmerna struja (elektromagnet),
kakav se slučaj ovde razmatra.
stalni magneti
elektromagnet
Osnovni delovi
Stator je oblika šupljeg valjka od masivnog gvožđa (ili složen
od paketa limova), na čijoj su unutrašnjoj periferiji pričvršćeni
polovi izrađeni od feromagnetskih limova.
Na polovima statora je smešten pobudni namotaj.
Kroz pobudni namotaj se propušta jednosmerna struja koja
stvara statorsku magnetnopobudnu silu i statorski fluks. Kako je
struja statora jednosmerna to je statorski fluks nepomičan.
Osnovni delovi
natpisna
pločica
priključna
kutija
pobudni
namotaj
namotaj
rotora
komutator
stator
rotor
stopala
Dvopolna mašina jednosmerne struje
Osnovni delovi
Rotor je cilindričnog oblika i sastavljen od tankih
feromagnetskih limova i ravnomerno je ožljebljen po svom
obimu. Nalazi se na vratilu mašine.
U žlebove rotora je postavljen namotaj rotora.
Počeci i krajevi namotaja rotora su izvedeni na tzv. komutator
(kolektor). Komutator je sastavljen od bakarnih segmenata koji
su izolovani međusobno i u odnosu na masu. Uloga komutatora
je preusmeravanje smera struje kroz navoje rotora.
Osnovni delovi
vratilo
ležaj
ventilator
žleb
komutator
magnetno kolo rotora
namotaj rotora
Rotor jednosmerne mašine
Osnovni delovi
četkice
držači četkica
Komutator
Princip rada
Namotaj rotora se nalazi u magnetnom polju. Kada kroz njega
protiče električna struja nastaje sila , F = I (l x B), koja
deluje na provodnike rotora, a zbog kružnog oblika rotora
nastaje elektromagnetni moment M = R x F = F R, gde
je R prečnik rotora.
Komutator (kolektor) i četkice služe za napajanje rotorskog
namotaja potrebnim smerom struje.
Princip rada
r
v r
F = I ⋅l × B
četkica
komutator
Princip rada
Princip rada
Vrste komutatorskih mašina
U praksi se koristi veliki broj navojaka namotaja rotora, a magnetno polje se
proizvodi elektromagnetom (namotaj pobude), te je srednja vrednost
elektromagnetnog momenta motora približno konstantna.
Prema načinu spajanja namotaja pobude i namotaja rotora, razlikujemo
sledeće osnovne vrste jednosmernih komutatorskih mašina:
1.
sa nezavisnom pobudom, kod koje je namotaj pobude spojen na poseban spoljni izvor
napona, koji je potpuno nezavisan od prilika u mašini. Namotaj rotora se napaja iz
drugog izvora jednosmernog napona. Jednosmerni naponi se dobijaju iz
naizmenične trofazne mreže, preko ispravljača,
Vrste komutatorskih mašina
2.
3.
sa paralelnom pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen
paralelno na namotaj rotora i priključeni su na izvor jednosmernog
napona,
sa rednom (serijskom) pobudom, kod koje je pobudni namotaj spojen
na red sa namotajem rotora i priključeni su na izvor jednosmernog
napona.
Vrste komutatorskih mašina
Momentna karakteristika
Pri konstantnom naponu napajanja rotorskog namotaja i pobudnog
(statorskog) namotaja, brzina obrtanja rotora zavisi od razvijenog
elektromagnetnog momenta. Veza koja postoji između brzine
obrtanja i momenta u stacionarnom stanju se zove momentna
(mehanička) karakteristika: M=f(n). Ona prvenstveno zavisi od
sistema pobude i može biti:
1.
2.
"tvrda“, kod koje se brzina obrtanja vrlo malo menja sa promenom
momenta opterećenja (nezavisna i paralelna pobuda),
"meka“, kod koje se značajno menja brzina obrtanja sa promenom
momenta opterećenja (redna pobuda).
Momentna karakteristika
M [Nm]
tvrda
Jednosmerni motor sa rednom pobudom
ne sme da radi neoptrećen jer je tada brzina
obrtanja velika (razletanje motora).
ω0 - brzina neopterećenog motora
(prazan hod)
meka
ω0
ω [rad/s]
Napajanje mašine jednosmerne struje
jednosmernih mašinama treba jednosmerni (DC) napon
Ako hoćemo da menjamo brzinu, treba nam promenjivi DC napon
Napajanje jednosmernih mašina se vrši pomoću AC/DC pretvarača.
Pretvarač rešava problem pokretnja i regulacija brzine !
Model jednosmernog motora
Napon pravi
struju
ua
1 Ra
1 + pTa
emf ≈ ωψ
Struja sa fluxom
pravi moment
ia
me
ψf
mm
-
Moment menja
brzinu
1
pJ + k f
ω
f
ia
ua
Ra
La
ψa
x
ia
Elektromagnetni
momenat
Reg. brzine i položaja DC motora
Regulacija brzine
S tr u j n o r e g . n a p o n s k i i z v o r
ω ref
i ar e f
reg ω
u
ref
a
reg i
PWM
ua
-
-
J e d n o s m e rn i m o to r
1 Ra
1 + p Ta
e
ψ
θ ref
reg θ
ω ref
-
reg ω
u aref
reg i
-
PW M
me
ψ
− mm
fn o m
1
pJ + k
ω
f
fn o m
Regulacija položaja
i aref
ia
Jednosm erni m otor
− mm
me
ia
1 Ra
1
ψ f
1 + pTa
pJ + k f
ua
e
ψ
fnom
ω
ω θ
1
p
Izvor promenjivog
jednosmernog napona
DC napajanje – mrežno komutovani ispravljači
Neregulisan izvor napona
Regulisan izvor napona
DC napajanje - DC-DC konvertor (čoper)
1f∼
VDC
3f∼
Va
Va
Neregulisani ispravljač
DC čoper
VDC
V sr =
0
TON
TPWM
TOFF
t ON
T PWM
⋅ V DC = aV
t
a – faktor ispune
Manja talasnost struje, manja
talasnost momenta
DC
DC napajanje -Četvorokvadrantni DC-DC
Sve kombinacije
Napon + - Struja + -
Smer brzine = znak napona
Snaga = Napon * Struja
Snaga + -
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Električna vuča (trolejbusi, tramvaji, metroi, lokomotive)
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Industrija
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Industrija
Mašina za izradu papirnih džakova
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
U automobilima (pogon brisača, pogon bočnih stakala,
anlaser)
Jednosmerni motori za pogon brisača stakala na automobilu, 12 V, 40W
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Anlaser (elektropokretač) služi za pokretanje SUS motora. Najčešće
je izveden kao motor sa rednom pobudom
Anlaser tipa PG260M 1,7 kW, 12 V
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Mašina sa stalnim magnetima na statoru: ova konstrukcija se koristi za
manje snage (tahogeneratori, motori za pogon bočnih stakala i
brisača na automobilima, anlaser za SUS motore manjih snaga).
Mali jednosmerni motor 1,3V, 70mA koji se koristi za stvaranja vibracija u mobilnim
telefonima
Primena komutatorskih mašina jednosmerne struje
Mašina sa stalnim magnetima na statoru
Motor jednosmerne struje sa stalnim magnetima
Univerzalni motor
Univerzalni motor je kolektorski motor sa rednom pobudom koji
se može priključiti i na jednosmerni i na naizmenični izvor
napajanja.
Princip rada je isti kao princip rada jednosmerne mašine, ali u
pogledu konstrukciji se razlikuje od njih jer je dosta prostiji.
Kompletno magnetno kolo (statora i rotora) je napravljeno od
tankih limova.
Univerzalni motor
Magnetno kolo univerzalnog motora (levo) i izgled univerzalnog motora (desno)
Univerzalni motor
Prednosti: malih su dimenzija i mogu postići visok broj obrtaja.
Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, mlinova
za kafe, miksera, ventilatora.
Izrađuju se za snage do oko 1 kW i za brzine obrtanja preko
10000 ob/min za ručne alate i druge ručne elektromotorne
uređaje, oko 15000 ob/min i više za usisivače i miksere, te
oko 30000 ob/min za mlinove za kafu.
Natpisna pločica
320 kW 900 o/min
500 V
690 A
Pobuda: 220 V, 10 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 jednosmerne struje, što se može zaključiti iz činjenice da
nema podatka o frekvenciji niti o faktoru snage (cosφ)
320 kW: nazivna (nominalna) snaga mašine (izlazna snaga mašine)
900 o/min: nazivna brzina obrtanja
500 V, 690 A: nazivni (nominalni) napon i struja rotorskog namotaja
220 V, 10 A: nazivni (nominalni) napon i struja statorskog (pobudnog)
namotaja
u pitanju je jednosmerna komutatorska mašina sa nezavisnom pobudom
(stator i rotor se napajaju iz dva nezavisna izvora)
Natpisna pločica
mašina je predviđena za motorski režim rada, a to se može ustanoviti
izračunavanjem električne snage: Pe=Ua⋅Ia=500⋅690=345000 W = 345
kW. Kako je električna snaga Pe veća od 320 kW (320 k W predstavlja
izlaznu snagu), u pitanju je motor (razlika snaga potiče zbog postojanja
gubitaka u mašini). Kod generatora su izlazna i električna snaga jednake
(to ne znači da ne postoji snaga gubitaka, već je kod generatora izlazna
snaga upravo električna). Kako je u pitanju motor, to izlazna snaga
predstavlja mehaničku snagu.
Natpisna pločica
Nazivni obrtni mometn je:
Mn =
Pn
ωn
=
Pizlazna
ωn
=
320000
= 3397 Nm
2π
⋅ 900
60
Stepen iskorišćenja u nazivnom režimu:
ηn =
Pizlazna
Pn
320000
=
=
= 0,92 = 92 %
Pulazna U a I a + U f I f 500 ⋅ 690 + 220 ⋅10
Natpisna pločica
Primer za samostalan rad:
270 kW
890 o/min
500 V
610 A
Pobuda: 220 V, 10 A
I na kraju...
Zbog veće cene, složenijeg i skupljeg održavanja, manje
pouzdanosti i kraćeg veka trajanja, danas se mašine
jednosmerne struje sve više potiskuje od strane jeftinijih,
jednostavnih i robusnijih električnih mašina za naizmeničnu
struju upravljanih mikroprocesorima i napajanih uređajima
energetske elektronike.
Generatori jednosmerne struje su praktično potisnuti iz
upotrebe poluprovodničkim ispravljačima.
Download

Masine jednosmerne struje