Transcript Posebna pobuda DC motora

DC mašine – mašine jednosmerne struje
• Mašina jednosmerne struje (DC mašina) može da se koristi kao motor ili kao
generator. Ako je povezan naponski izvor, električna energija se transformiše u
mehaničku i mašina se ponaša kao motor. Ako se mehanička sila primeni na
osovinu (rotira je), mehanička energija se transformiše u električnu i mašina se
ponaša kao generator.
• DC mašina se najčešće koristi kao motor, jer se DC generator danas najčešće
realizuje korišćenjem naizmeničnog generatora i ispravljača.
• Glavne prednosti DC mašina su lako upravljanje brzinom i momentom.
• Danas, njihova primena je ograničena na pokretne trake, rudnike i vozove. Na
primer, DC motori se mogu upotrebljavati u trolejbusima i podzemnoj železnici
(metrou).
• Ostvareni napredak u energetskoj elektronici omogućava bolju kontrolu brzine
motora naizmenične struje, pa DC motori postaju suvišni.
• Elektronski kontrolisani motori naizmenične struje postepeno zamenjuju DC
motore u fabrikama.
• Na primer, u prošlosti (do 60tih godina), u automobile je ugrađivan DC dinamo za
punjenje akumulatora, ali danas alternatori i ispravljači vrše tu funkciju.
1
Princip funkcionisanja - motor
F
F
B
I
Pravilo leve ruke navodi da će sila pokretati
šipku sa leve na desnu stranu.
F  I  lB
2
Princip funkcionisanja - generator
v
I
F
Ako se šipka pomera sa desne na levu stranu, unutar
magnetnog polja, generiše se struja i možemo izmeriti
elektromotornu silu volmetrom V, eind  B  l  v , gde je
v brzina pomeranja šipke.
B
I
3
DC mašina - smer
• Flemingova pravila desne i leve ruke se koriste za utvrđivanje smera
kretanja.
• Pravilo leve ruke koristi se za električne motore.
• Pravilo desne ruke se koristi za električne generatore.
– Palac predstavlja silu, F.
– Kažiprst predstavlja gustinu magnetnog fluksa, B.
– Srednji prst predstavlja električnu struju, I.
F
F
B
B
I
I
• Odvojena pravila se primenjuju za motore i za generatore, zbog različitih
uzroka i posledica.
• Kod motora, struja i magnetno polje koji postoje (uzrok), dovode do sile
koja proizvodi kretanje (posledica). Kod generatora, kretanje i magnetno
polje postoje (uzrok), što dovodi do generisanja struje (posledica).
4
DC mašine – osnovni principi
• Najjednostavnija DC mašina sastoji se
od jedne konture žice koja rotira unutar
magnetnog polja oko fiksne ose.
• Magnetno polje stvaraju severni i južni
polovi magneta.
• Najčešće, magnet nije stalan, već
elektromagnet, čije magnetno polje
nastaje usled proticanja električne
struje (kroz zavojnicu obmotanu oko
čeličnog jezgra).
• Rotor je rotirajući deo;
• Stator je stacionarni deo.
• Dve četkice (c,d) pritiskaju komutator
(a,b) radi omogućavanja proticanja
struje kroz kolo.
• Ako se kontura rotira ugaonom brzinom
ω, ova mašina će se ponašati kao
generator.
5
DC mašine
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Pol
Jezgro
Linije magnetnog polja
Armatura
Komutator
Četkice
• Magnetno polje generiše zavojnica
obmotana oko polova.
• Jezgro je čelično.
• Stator čine jezgro, polovi i namotaji.
• Armatura je napravljena od
laminiranog gvožđa.
• Armatura, žice i osovina čine rotor.
Tri osnovna dela DC mašine su stator, rotor i komutator.
6
Komutator
• Komutator sadrži izolovane bakarne segmente postavljene na izolovanu
cev.
• Navoji armature povezani su na segmente komutatora, jedna žica na par
segmenata.
• Četkice su najčešće grafitne.
• Dve četkice pritiskaju komutator kako bi omogućile proticanje struje.
• Četkice se postavljaju u neutralnoj zoni, gde je magnetno polje blisko
nuli, da bi se smanjilo varničenje.
7
Praktični problemi pri komutaciji
• Komutator menja proticanje struje iz jednog smera kroz zavojnicu u suprotan
smer.
• Komutacija zahteva prekid struje zavojnice.
• Zavojnica je induktivno opterećenje, pa je napon na zavojnici proporcionalan
prvom izvodu struje kroz zavojnicu (pomnoženo sa induktivnošću).
• Nagle promene struje zavojnice stvaraju visoke napone.
• Visok napon uzrokuje pražnjenje i varničenje između segmenata komutatora i
četkica.
• Kako većine mašina funkcionišu na gustinama fluksa bliskim zasićenju, na
mestima površine polova gde se magnetomotorna sila (mms) rotora sabira sa
mms polova dolazi do malog povećanja fluksa (zbog zasićenja), dok na mestima
površine polova gde se mms rotora oduzima od mms polova dolazi do velikog
smanjenja fluksa.
• Uopšteno, ukupan prosečni fluks ispod polova slabi.
• Slabljenje fluksa dovodi do smanjenja napona generatora.
• Kod motora, slabljenje fluksa dovodi do povećanja brzine motora. Povećanje
brzine može da poveća opterećenje, što zauzvrat dovodi do dodatnog smanjenja
fluksa...
8
Rešenja problema komutacije
• Da bi se smanjio problem varničenja, četkice se postavljaju u neutralnu
zonu, gde je magnetno polje blisko nuli.
• Još jedan način za smanjenje varničenja je smanjenje induktivnosti
zavojnica.
• Nažalost, smanjenje induktivnosti zavojnica znači i smanjenje izlaznog
napona, zbog čega se mora povećati broj namotaja.
• Povećanje broja namotaja otežava dizajn, jer iziskuje povećani broj
segmenata komutatora.
• Najčešće rešenje za izbegavanje varnica na četkicama je uvođenje malih
polova (komutacionih polova) između glavnih polova, kako bi napon na
komutacionim žicama bio jednak nuli, jer oni proizvode fluks koji može da
poništi napon na zavojnici.
• Komutacioni polovi ne menjaju princip rada mašine, jer su toliko mali da
utiču na neznatni broj provodnika koji se komutira.
• Upotreba komutacionih polova je veoma česta jer reguliše problem
varničenja u DC mašinama po maloj ceni.
9
• Problem slabljenja fluksa može se rešiti
postavljanjem kompenzacionih navoja u proreze na
stranama polova paralelno provodnicima rotora.
• Kompenzacioni navoji se redno povezuju sa navojima
rotora, pa kada dođe do promene opterećenja rotora,
struja kroz kompenzacione navoje se takođe menja.
• Pošto se mms usled kompenzacionih navoja
projektuje da bude jednaka i suprotnog smera mms
rotora, ove dve mms se poništavaju, što dovodi do
toga da se fluks unutar mašine ne menja.
• Glavni nedostatak kompenzacionih navoja je njihova
cena.
• “Slabljenje fluksa” se naziva i “reakcijom armature” u
literaturi.
10
Interakcija između pogona, DC generatora i opterećenja
Mdc
m
+
+
DC generator eind
Mpm
Opt.
Pogon
(npr. turbina)
I
UL
-
• eind je generisana elektromotorna sila
• UL je napon na opterećenju koji je jednak eind
• Mpm je momenat koji generiše pogon
• Mdc je suprostavljeni momenat generatora
• m je ugaona brzina osovine
11
DC motori – osnovni principi funkcionisanja
N
F  I  lB
 
F  I  l  B  sin  l , B
F
S
12
Interakcija između DC motora i mehaničkog opterećenja
Mload
Ig
+
+
-
Ug
eC
-
DC motor
m
Mehaničko
opterećenje
MDC
• Ug je napon koji se dovodi
• eC je suprostavljana ems
• MDC je momenat koji razvija DC motor
• Mload je suprostavljeni momenat opterećenja
• m je ugaona brzina osovine
13
DC motor – suprostavljena elektromotorna sila
Ia
M E
Ra
p
n
 N   Φ  ke  n  Φ • E je suprostavljena ems
a
60
• Φ je fluks u motoru
U
U E
• Ia je struja armature
Ia 
Ra
• Ra je otpornost armature
E
• p – broj parova polova
• a – broj parova segmenata u armaturi (komutacionih parova)
• N – broj zavojnica po segmentu
• n – broj obrtaja po minuti
• ke – konstanta mašine koja zavisi od geometrije mašine
• Kada motor radi E≈U
• Pri pokretanju motora E≈0 →Ia može da dostigne veoma velike vrednosti
14
Momenat kod DC motora
N
• Svaka zavojnica u armaturi je pod uticajem iste
sile jer:
 
 l, B 
 
B
π
 sin  l , B  1
2
r
F  lI B
M m  N  F  r  N l  I  B  r
F
S
• Momenat je proporcionalan broju zavojnica u armaturi N, dužini žica l,
struji armature I, magnetnoj indukciji B i prečniku armature r.
• B najčešće nije fiksno, jer se stalni magneti retko kada koriste kao
pobuda. Obično, momenat izražavamo kao funkciju fluksa Φ odnosno:
Φ  BS
gde S predstavlja površinu omotača armature ispod jednog pola
15
S
2 πr l
2 p
• gde p predstavlja broj parova polova. Ako je a broj komutacionih
parova, ukupna struja armature može se predstaviti kao:
Ia  2  a  I
B i I u jednačini, momenat se može izračunati kao:
I
Φ
Mm  N l  r 
 a
2 π  r l 2 a
2 p
• zamenom
Mm 
p N

Φ  Ia
a 2π
M m  km  Φ  I a
• km – konstanta motora
16
Brzina okretanja DC motora
• Ako se u KZN za DC motor suprostavljena
ems izrazi svojom jednačinom:
E  U  Ra  I a 
Ia
M E
Ra
U
p
n
 N  Φ
a
60
• brzina okretanja se može izračunati kao:
U  Ra  I a
n
p N
 Φ
a 60
U  Ra  I a
n
ke  Φ
17
DC motori – osnovni tipovi
• Postoji četiri osnovna tipa DC motora, u zavisnosti od tipa pobude:
– posebna pobuda
– paralelna (otočna) pobuda
– redna pobuda
– složena pobuda
• Različiti tipovi pobude proizvode različite momenat-brzina karakteristike
DC motora
• U zavisnosti od momenat-brzina karakteristike biramo odgovarajući tip
motora.
• Momenat-brzina karakteristika može da bude određena (npr. pumpe) ili
veoma promenljiva (npr. dizalice, vozila).
• Dok su u prošlosti momenat-brzina karakteristike sa visokim stepenom
efikasnosti bile prednost DC motora nad AC motorima, trenutno,
napredak u energetskoj elektronici uklanja tu prednost
18
Posebna pobuda i otočna pobuda DC motora
Rf
Ra
Ra
Rf
Ef
Φ M
U
M
Φ
U
Posebna pobuda DC motora:
Paralelna pobuda DC motora:
Pobudno kolo napaja zaseban
konstantni naponski izvor.
Pobudno kolo dobija energiju sa
terminala armature motora.
• Ako je napon koji se dovodi na pobudno kolo konstantan, praktično ne
postoji razlika između ova dva tipa pobude.
• DC motori sa paralelnom pobudom imaju dobru regulaciju brzine, čak i
kada se opterećenje menja, a tipična upotreba im je u industriji gde je
potrebna podesiva brzina, poput mašinskih alata, navijanja/odvijanja ili u
bilo kom scenariju gde je neophodna konstantna brzina
19
Redna pobuda DC motora
Rf
Ra
Φ
M
U
• DC motor sa rednom pobudom je DC motor kod koga se navoji polja
sastoje od relativno malo navoja povezanih na red sa kolom armature.
• Kod DC motora sa rednom pobudom, armatura i navoji polja povezani
su na red sa zajedničkim jednosmernim izvorom struje.
• Brzina motora se menja kao nelinearna funkcija momenta i struje
armature.
• Motor sa rednom pobudom ima veoma visok početni momenat i često
se koristi kod opterećenja sa visokom inercijom, npr. kod vozova,
liftova ili dizalica.
20
Složena pobuda DC motora
Rf2
Ra
Rf1
M
Φ1
Φ2
Kratko-paralelna
konekcija
Rf2
Ra
Φ2
M
U
Dugo-paralelna
konekcija
Rf1
Φ1
U
• Kod DC motora sa složenom
pobudom, armatura i navoji polja
povezani su kombinovanom rednoparalelnom vezom kako bi se uparile
karakteristike redne i paralelne
pobude DC motora.
• U zavisnosti od pozicije veza, postoji
kratko-paralelno i dugo-paralelno
povezani motori.
• Dodatno, navoji motora mogu se
povezati na dva načina: kumulativno
ili diferencijalno.
• Kumulativna složena pobuda
povezuje redno polje da bi pomogla
otočnom polju, koje pruža viši početni
momenat uz manju regulaciju brzine.
• Diferencijalna složena pobuda je
najčešće nestabilna i veoma retko se
koristi.
21
Puštanje u rad motora sa paralelnom pobudom
D 3
C
Rf
4
If
Ia
M
A
I
B
2 Rp
1
• Kao što je rečeno ranije, tokom
pokretanja motora ne postoji
suprostavljena ems, tako da Ia može da
dostigne veoma visoke vrednosti i
prouzrokuje štetu motoru.
• Da bi se izbegao ovaj efekat, promenljiva
otpornost Rp povezuje se redno armaturi.
Ova otpornost ne dozvoljava da struja
armature dostigne više od 50% svoje
nominalne vrednosti.
U
• Kako rotor počinje da se okreće, javlja se suprostavljena ems, pa se preklopnik
može pomeriti iz položaja 1 u položaj 2. U tom položaju, otpornost Rp isključena
je iz kola i ne utiče na dalji rad.
• Promenljiva otpornost Rf koristi se za kontrolu brzine i najpre bi trebalo da je u
položaju 3. U tom položaju, otpornost je isključena iz kola, pa je Φ maksimalno
(dozvoljavajući maksimalni momenat).
22
Karakteristike motora sa paralelnom pobudom
• Može se izračunati da se momenat menja
linearno u zavisnosti od struje armature.
n
M m  km  Φ  I a
η
Tm
Ian
Ia
Tm
U  Ra  I a
n
ke  Φ
U  Ra  I a
U  n  ke  Φ
n
 Ia 
ke  Φ
Ra
km  Φ U
k m  ke  Φ 2
Mm 
 n
Ra
Ra
Mm 
n
km  Φ
 U  E 
Ra
• Kako se brzina okretanja malo menja za širok
opseg promene momenta, ovaj motor se naziva
i motorom sa konstantnom brzinom.
23
Puštanje u rad motora sa rednom pobudom
4
3
Rf
P1
M
I
Rp
P
2
1
U
M m  km  Φ  I 

2

M

k
'

I

m
m

Φ  kI

• Pokretačka promenljiva otpornost
Rp redno je vezana.
• Ona štiti motor od visoke početne
struje.
• Kada se motor pokrene,
suprostavljena ems se javlja, pa se
preklopnik može pomeriti iz
položaja 1 u položaj 2, tj. Rp ukloniti
iz kola.
• Struja kroz pobudno kolo i
posledično brzina može se
kontrolisati korišćenjem Rf
• Momenat je proporcionalan
kvadratu struje motora.
• k predstavlja konstantu fluksa
pobudnog kola (induktivnosti)
24
Karakteristike motora sa rednom pobudom
E  U  Ra  I  n  ke  Φ  n  ke  k  I
n
U  Ra  I
n
ke  Φ
Mm 
Mm
n
F
R
U
 a
ke  k  I ke  k
U2
ke  k 
2
km '

Ri 

  n 
ke  k 

2
Mm
2Mmm
nm
Mmm
Im 1,67 Im
I
n
• Smer okretanja zavisi od smera struje (napona dovedenog na kolo).
• Ako je opterećenje jako malo, brzina okretanja može da dostigne
ekstremno visoke vrednosti, pa osovina ovog tipa motora mora uvek da
bude direktno povezana na osovinu opterećenja (ili preko nekog
reduktora)
25
Pokretači DC motora
• Da bi DC motori radili ispravno, pokretači DC motora moraju da imaju
posebnu upravljačku i zaštitnu opremu koja je sa njima u vezi.
• Svrha te opreme je:
– Da zaštiti motor od štete usled kratkih spojeva u opremi;
– Da zaštiti motor od štete od dugotrajnog preopterećenja;
– Da zaštiti motor od štete od prekomerne početne struje;
– Da pruži jednostavan način za upravljanje radnom brzinom motora.
• Svaki tip DC motora ima neke posebne slabe tačke, pa zaštita oprema
mora da se planira na odgovarajući način.
26
Kontrola brzine u motorima sa otočnom pobudom
• Prethodno smo izračunali:
M m  km  Φ  I a
E
p
n
 N   Φ  ke  n  Φ
a
60
E  U  Ra  I a
• Umesto brojem obrta u minuti n brzina se može predstaviti i kao ugaona
brzina motora ωm. Prethodna formula tako postaje:
E  ka  m  Φ
• Na osnovu prethodnih jednačina, može se zaključiti da:
 Mm
k a F  m  U  Ra  
 k a F



M m  Ra
U
m 

ka F ka F 2
27
• Brzinom se može upravljati promenom nekog od parametara u
prethodnoj jednačini. Postoji više metoda:
– Upravljanje naponom armature: Ra i If su konstantni
m  K1 U  K2  M m
– Upravljanje
poljem: Ra i U su konstantni
m 
– Upravljanje
Ra
U

Mm
2
K f  I f K f  I f 
otpornošću armature: U i If su konstantni
Ra  Radj
U
m 

Mm
2
ka F ka F 
28
Kočenje kod DC motora
• Kočenje kod DC motora može se realizovati na više načina:
– mehaničko kočenje
– dinamičko kočenje
– regenerativno kočenje
• Svaka mašina koja se obrće ima inerciju i njena kinetička energija se
troši tokom kočenja.
• Mehaničko kočenje troši kinetičku energiju, pa se koristi kod malih
motora i kao pomoćni sistem kod velikih motora.
• Električno kočenje kod DC motora se realizuje kao dinamičko ili
regenerativno kočenje.
• Električno kočenje koristi princip da se svaki motor ponaša kao
generator.
• Korišćenjem komutatora, veze se menjaju i preostala kinetička energija
se koristi za generisanje snage.
• Kočenje koje se ostvaruje na ovaj način je snažno i lako upravljivo.
• Upravljanje se postiže menjanjem generisane struje.
29
R
IG
Ia
M
P 2
1
If
I
U
• Regenerativno kočenje vraća snagu
napajanju, dok dinamičko kočenje
koristi otpornik da pretvori snagu u
toplotu.
• Sistem za dinamičko kočenje prikazan
je na slici.
• Dok motor radi, prekidač P je u
položaju 1.
• Prebacivanje prekidača u položaj 2
razdvaja motor od napajanja i
započinje kočenje.
• Kako motor usporava, generisana
struja se smanjuje, pa je na kraju
moguće primeniti mehaničko kočenje
(ili sačekati da trenje završi postupak).
30
AC Mašine
Klasifikacija AC mašina
• Sinhrone mašine:
• Sinhroni generatori: Osnovni izvor electrične energije
• Sinhroni motori: Koriste se kao motori i za kompenzaciju faktora
snage (sinhroni kondenzatori)
• Asinhrone (Indukcione) mašine :
• Indukcioni motori: Najčešće korišćeni električni motori kako u
kućnim, tako i u industrijskim primenama.
• Indukcioni generatori: Ove mašine se retko koriste kao generatori.
• Kod sinhronih mašina magnetno polje se napaja iz nezavisnog DC
izvora;
• Kod indukcionih mašina magnetno polje se napaja korišćenjem
magnetne indukcije
31
AC Mašine
Generisanje momenta u indukcionom motoru
• U konvencionalnim DC mašinama polje je stacionarno i provodnici kroz
koje protiče struja rotriraju.
• Slični rezultati se mogu dobiti ako struktura koja generiše polje rotira dok
su strujni provodnici stacionarni.
• U indukcionom motoru the konvencionalno 3-fazno napajanje generiše
rotirajuće magnetno polje (RMP) dok rotor nosi strujne provodnike.
• EMS a odatle i struja se indukuju u rotoru usled razlike u brzini između
RMP i rotora.
• Ova struja generiše momenat koji smanjuje razliku u brzini između RMP
i rotora.
32
AC Mašine
Klizanje u indukcionom motoru
• Međutim, ova razlika u brzini ne može pasti na nulu, jer bi to dovelo do
prekida u genrisanju struje odnosno momenta.
• Parameter klizanje ‘s’ je mera ove relativne razlike u brzini
ns  n  s  
s

ns
s
120 f1
ns 
; p  broj polova
p
• Ugaona učestanost klizanja i učestanost klizanja na kojoj se napon
indukuje u rotori je data sa:
N2
2  s, f 2  sf1 , E2 s  s
E1
N1
N1  Brojnavojakastatora
N 2  Brojnavojakarotora
33
Asinhroni motor
e2 t    N 2 
dΦ
dt
ω2
b
Φ  B  S  B  S  cos1  2   t 
S
Φ  Φm  cos s  t 
 s  1  2  s  1
Gde s predstavlja ugaonu brzinu klizanja
e2 t   s  N 2  B  S  sin s  t   E2 m  sin s  t 
E2 m  s  N 2  Φm
e2
i2 
Z2
Pošto namotaj
obrazuje
zatvoreno strujno
kolo u njemu teče
neka struja i2
ω1-ω2 ω1
B
a
Z 2  R2  j  X 2  R2  j  s  L2
I2 
M
s  N 2  Φm
2  R2  s  L2 
2
2
s  N 2 2  Φm 2  R2
2  Z2
2

s  N 2  Φm
2  Z2
E2 k  R2  s

1  Z 2 2
2
34
- elektromotorna sila namotaja rotora u miru (s=1)
N 2  Φm  1
E2 k 
2
- pri nominalnom radu klizanje je malo pa je
s  L2  R2
s  1  N 2  Φm s  E2 k
I2 

 k1  s
R2
2  R2
s  1  N 2  Φm
E2 k  N 2  Φm
M
 s
 k2  s
2  R2
2  R2
2
2
35
I2
M
s=1
ω2=0
I2
M
1
sn 0 S
R2 '  s  1  L2
- veliko
R2'
R2
Postoji odgovarajuće R2 za koje je
početni momenat maksimalan
R2 → veliki gubici
R2  I 2
2
36
Karakteristike
n
η
cosφ
I1
M
Pn
- jednofazni
P
asinhroni motor
37
Step motor
Dati motor punu rotaciju obavi nakon 100 koraka
38