1

Dr Božo Ilić

Elektromotorni pogoni

- Skripta u elektronskom obliku za ispit -

Visoka tehnička škola strukovnih studija

Novi Sad, 2019. god.

2

Sadržaj 1. Elektromotorni pogoni sa motorima jednosmerne struje ..................................... 4

1.1. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje ............................................. 4

1.1.1. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom . 4

1.1.2. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa rednom pobudom ....... 5

1.1.3. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa sloţenom pobudom .... 6

1.2. Regulacija brzine motora jednosmerne struje .......................................................... 6

1.2.1. Naĉini na koje se moţe ostvariti regulacija brzine obrtanja motora ................... 8

1.2.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja 9

1.2.2.1. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona

napajanja pomoću Vard-Leonardove grupe ............................................................................. 9

1.2.2.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja pomoću ureĊaja energetske elektronike (tiristorskih ispravljaĉa ili ĉopera) ......... 10

1.2.3. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje dodavanjem otpora u

kolu rotora 14

1.2.4. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom pobudne

struje (pobudnog fluksa) ............................................................................................................ 15

1.2.4.1. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa paralelnom

pobudom promenom pobudne struje...................................................................................... 15

1.2.4.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

promenom pobudne struje ...................................................................................................... 16

1.3. Puštanje u rad motora jednosmerne struje ............................................................. 18

1.3.1. Puštanje motora jednosmerne struje u rad dodavanjem otpornika u kolo rotora 19

1.3.2. Puštanje motora jednosmerne struje u rad postepenim povišenjem napona

napajanja 20

1.3.3. Puštanje motora jednosmerne struje u rad redno-paralelnim prevezivanjem dva ili više motora jednosmerne struje ............................................................................................. 21

1.4. Koĉenje (zaustavljanje) motora jednosmerne struje .............................................. 21

1.4.1.1. Koĉenje iskljuĉivanjem motora sa mreţe (napajanja) ................................ 21

1.4.1.2. Koĉenje kontravezom ................................................................................. 21

1.4.1.3. Generatorsko (regenerativno) koĉenje ....................................................... 21

1.4.1.4. Elektrodinamiĉko (reostatsko) koĉenje ...................................................... 22

1.5. Promena smera obrtanja motora jednosmerne struje ............................................. 22

2. Elektromotorni pogoni sa asinhronim motorima ................................................ 24

2.1. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora ....................................................... 24

3

2.1.1. Regulacija brzine motora promenom broja pari polova .................................... 25

2.1.2. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora promenom klizanja................... 27

2.1.2.1. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora dodavanjem otpornika u kolo rotora 27

2.1.2.2. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora promenom napona napajanja 29

2.1.2.3. Regulacija brzine podsinhronom kaskadom............................................... 30

2.1.3. Regulacija brzine asinhronih motora promenom frekvencije napona napajanja 32

2.2. PoreĊenje upravljanja motorima jednosmerne struje i asinhronim motorima ....... 33

2.2.1. Upravljanje motorima jednosmerne struje ........................................................ 33

2.2.2. Upravljanje asinhronim motorima..................................................................... 33

2.2.2.1. Skalarno upravljanje (U /f regulacija) asinhronim motorima .................... 33

2.2.2.1.1 Frekventni regulator ............................................................................. 36

2.2.2.2. Vektorsko upravljanje asinhronim motorima ............................................. 47

2.2.2.2.2 Direktno upravljanje momentom.......................................................... 51

2.3. Puštanje u rad asinhronih motora ........................................................................... 53

2.3.1. Puštanje u rad asinhronih motora sa namotanim rotorom ................................. 55

2.3.2. Puštanje u rad asinhronih motora sa kratkospojenim rotorom .......................... 57

2.4. Zaustavljanje (koĉenje) trofaznih asinhronih motora ............................................ 63

2.5. Promena smera obrtanja asinhronih motora ........................................................... 64

3. Elektromotorni pogoni sa sinhronim motorima .................................................. 65

3.1. Mehaniĉke karakteristike sinhronih motora ........................................................... 65

3.2. Puštanje u rad sinhronih motora ............................................................................. 66

3.3. Zaustavljanje (koĉenje) sinhronih motora .............................................................. 69

3.4. Sinhronizacija brzina obrtanja motora ................................................................... 70

3.4.1. Sinhronizacija brzina obrtanja motora pomoću zajedniĉkog vratila ................. 70

3.4.2. Sinhronizacija brzina obrtanja asinhronih motora pomoću elektriĉne osovine 70

4. Elektromotorni pogoni sa koračnim motorima.................................................... 71

4.1. Osnovni pojmovi o koraĉnim motorima ................................................................ 71

4.2. Prednosti i nedostaci koraĉnih motora ................................................................... 72

4.3. Princip rada koraĉnog motora ................................................................................ 72

4.4. Podele koraĉnih motora ......................................................................................... 73

4.5. Upravljanje radom koraĉnih motora ...................................................................... 73

4.5.1. Upravljanje radom koraĉnih motora pomoću posebnog upravljaĉkog sklopa .. 74

4.5.2. Upravljanje radom koraĉnih motora pomoću raĉunara ..................................... 74

5. Literatura ................................................................................................................. 75

1.

4

Elektromotorni pogoni sa motorima

jednosmerne struje Elektromotorni pogoni sa motorima jednosmerne struje su se prvi poĉeli primenjivati, ali

razvojem naizmeniĉnih motora oni su potisnuti iz upotrebe, osim u sluĉajevima kada se pred EMP

postavljaju posebni zahtevi, jer ovi motori omogućavaju potpunu regulaciju i automatizaciju.

Karakteristiĉni reţimi rada motora su:

- regulacija brzine obrtanja,

- promena smera obrtanja.

- puštanje u rad (pokretanje) i

- zaustavljanje (koĉenje).

S obzirom na naĉin povezivanja pobudnog namotaja sa namotajem rotora postoje motori

jednosmerne struje sa:

- nezavisnom,

- paralelnom (otoĉnom),

- rednom i

- sloţenom (kompaudnom) pobudom.

1.1. Mehaničke karakteristike motora jednosmerne struje

1.1.1. Mehaničke karakteristike motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom

Motori jednosmerne struje sa paralelnom pobudom imaju mehaniĉke karakteristike kao na

slici 4.1.

Slika 4.1. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom

Vidi se da sa povećanjem struje indukta (opterećenja) Ii brzina obrtanja n lagano opada, dok

moment motora raste linearno.

Opadanje brzine s povećanjem struje indukta (opterećenja, armature) Ii, pri konstantnom

naponu iz mreţe U i konstantnom pobudnom fluksu Ф, nastaje zbog povećanja pada napona na

induktu (opterećenju, armaturi) Ri ·Ii:

ФK

IRU

ФK

Еn

e

ii

е

Ii

5

TakoĊe se vidi se da moment motora raste linearno sa strujom indukta (opterećenja) Ii:

M=k·Ф·Ii

1.1.2. Mehaničke karakteristike motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

Motori jednosmerne struje sa rednom pobudom imaju mehaniĉke karakteristike kao na slici

4.2., na kojoj su prikazane zavisnosti momenta motora i brzine obrtanja od struje opterećenja.

Slika 4.2. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

Moment motora se moţe izraĉunati po formuli:

M=k·Ф·Ii

Pošto je pobudni fluks Ф proporcionalan struji opterećenja Ii, to je moment motora

proporcionalan kvadratu struje opterećenja Ii2:

M=k2·Ii2

M=k2·Iin

pri ĉemu je za nezasićeni motor n=2, pa se dobija:

M=k2·Ii2

Brzina obrtanja motora zavisi i od napona napajanja motora U i od pobudnog fluksa Ф:

a za konstantan napon napajanja motora U je:

n=k4·Ii-n

gde je eksponent n≈1.

Iz ovog izraza, kao i iz dijagrama prikazanih na slici moţe se zakljuĉiti da će kod

rasterećenja motor jednosmerne struje sa rednom pobudom ostati bez pobude, što moţe uzrokovati

veliku brzinu obrtanja motora i njegovo oštećenje.

6

1.1.3. Mehaničke karakteristike motora jednosmerne struje sa složenom pobudom

Motori jednosmerne struje sa sloţenom pobudom objedinjavaju prednosti motora

jednosmerne struje sa rednom (1) i paralelnom (2) pobudom i imaju mehaniĉke karakteristike kao

na slici 4.3.

Slika 4.3. Mehaniĉke karakteristike motora jednosmerne struje sa sloţenom pobudom

Krive brzine i momenta za motor jednosmerne struje sa sloţenom pobudom nalaze se

izmeĊu odgovarajućih krivih za motor jednosmerne struje sa rednom i paralelnom pobudom, a koja

će osobina biti dominantna zavisi od toga u kom reţimu radi i kakvo je opterećenje motora. Motori

jednosmerne struje sa sloţenom pobudom se najĉešće i sreću u praksi, jer imaju znatno blaţi pad

brzine obrtanja s opterećenjem nego motori jednosmerne struje sa rednom pobudom, kao i izrazitiji

porast momenta motora sa porastom struje indukta (opterećenja, armature) nego motori

jednosmerne struje sa paralelnom pobudom. To znaĉi da imaju i brţi zalet uz jednako strujno

opterećenje iz mreţe odakle se napajaju.

1.2. Regulacija brzine motora jednosmerne struje U industrijskoj praksi, u cilju postizanja što većih efekata, kao i svoĊenja gubitaka energije

na tehniĉki minimum uz optimalne uslove pogona, vrši se regulacija brzine obrtanja motora. U

mnogim primerima tehnologija rada zahteva brzu promenu brzine obrtanja, jer bi u suprotnom,

dolazilo do velikih materijalnih gubitaka.

Iako uvoĊenje regulisanih EMP-a zahteva veća investiciona ulaganja i troškove odrţavanja,

uštede koje se dobijaju u toku rada su u najvećem broju sluĉajeva veće od izdvojenih sredstava za

uvoĊenje regulacije.

Regulacija brzine obrtanja motora moţe se vršiti:

- pri konstantnoj snazi motora P=const, slika 1,

- pri konstantnom momentu motora M=const., slika 2, i

- kombinacijom navedena dva naĉina, slika 3.

Ii

7

Slika 1. Regulacija brzine motora pri konstanoj snazi motora P=const.

Kada se regulacija brzine motora vrši pri konstantnoj snazi motora P=const povećanjem

brzine obrtanja n moment motora M se smanjuje, slika 1.:

M=P/k·n

Slika 2. Regulacija brzine motora pri konstanom momentu motora M=const.

Kada se regulacija brzine motora vrši pri konstantnom momentu motora M, povećanjem

brzine obrtanja linearno se povećava i snaga motora, slika 2:

P=k·M·n

Slika 3. Regulacija brzine motora kombinacijom prethodna dva naĉina

Kada se regulacija brzine motora vrši kombinacijom prethodna dva naĉina, do odreĊene

8

brzine regulacija brzine motora se vrši pri konstantnom momentu motora M=const., a zatim pri

konstanoj snazi motora P=const.M, slika 3., kao što je to kod nekih sloţenijih mašina koje

zahtevaju širok opseg podešavanja brzina (npr. rendisaljki).

1.2.1. Načini na koje se može ostvariti regulacija brzine obrtanja motora

Brzina obrtanja motora jednosmerne struje moţe se izraĉunati po obrascu:

(1. 1)

gde je:

U - napon napajanja motora

E - indukovana ems u induktu (armaturi, namotaju rotora)

Ii - struja indukta (armature, namotaja rotora)

Ri - ukupni otpor u kolu indukta (armature, namotaja rotora)

Ф - pobudni fluks motora

Kе - konstrukciona konstanta motora

Iz izraza za brzinu obrtanja motora jednosmerne struje (1.1) vidi se da se regulacija

(podešavanje, promena) brzine obrtanja motora jednosmerne struje moţe ostvariti:

- promenom napona napajanja motora U, koja se ranije ostvarivala pomoću Vard-Leonardove grupe, preko koje se motor jednosmerne struje prikljuĉivao na naizmeniĉnu

mreţu, a danas se ostvaruje pomoću ureĊaja energetske elektronike (kao što su npr.

tiristorski ispravljaĉi ili ĉoperi) koji automatski podešavaju napon napajanja.

Zahvaljujući razvoju ureĊaja energetske elektronike regulacija brzine obrtanja motora

pomoću Vard-Leonardove grupe se danas ne projektuje.

- dodavanjem otpora u kolo rotora (indukta, aramature) Ri, ovo je sloţen naĉin regulacije, retko se primenjuje u praksi, jer je izrada otpornika skupa i gubici snage pri

regulaciji brzine su veliki.

- promenom pobudnog fluksa Ф (odnosno pobudne struje Ip), koji se ostvaruje dodavanjem otpornika u kolu pobude, ovaj naĉin regulacije je ekonomiĉan sve do

odnosa broja obrtaja 4:1 i predstavlja glavnu karakteristiku motora sa paralelnom i

adaptivnom pobudom.

Sve navedene veliĉine se mogu kontinualno i dovoljno menjati, što znaĉi da su motori

jednosmerne struje veoma pogodni za regulaciju (promenu) brzine. Pošto ovu osobinu motori

naizmeniĉne struje nemaju, motori jednosmerne struje, u sluĉajevima kada je potrebna regulacija

brzine, su pogodniji, i pored nekih svojih nedostataka.

Jednosmerni motori posebno su pogodni za elektromotorne pogone kojima je potreban širi

opseg podešavanja brzine obrtanja. Za razliku od sinhronih i asinhronih motora, kojima je brzina

obrtanja bitno vezana za mreţnu frekvenciju, kod jednosmernih motora brzina obrtanja n

proporcionalna je odnosu indukovane ems E i pobudnog fluksa Ф, koji se mogu lako podešavati,

nezavisno jedno od drugog.

Kod elektromotornih pogona gde su radne brzine motora veće od njegove nominalne, a pri

tome se ne zahteva njegov maksimalni momenat, koristi se regulacija brzine promenom pobudnog

fluksa odnosno pobudne struje motora. Time se postiţe optimalno iskorišćenje motora jednosmerne

ФK

IRU

ФK

Еn

e

ii

е

9

struje uz konstantnu snagu.

1.2.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja

Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja je

efikasna poĉevši od brzine obrtanja jednakoj nuli, pa do brzine koja odgovara nominalnom naponu

napajanja motora, uz neku konstantu, obiĉno nominalnu pobudu.

1.2.2.1. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja pomoću Vard-Leonardove grupe

Regulacija brzine motora jednosmerne struje pomoću otpornika u kolu rotora izaziva velike

gubitke energije tokom rada zbog zagrevanja, ali i povećane dimenzije otpornika, zbog ĉega je

njegova cena priliĉno visoka. Da bi se smanjili gubici elektriĉne energije i izbegli troškovi nabavke

otpornika, ako se ţeli da motor radi uz isti vuĉni moment pri svim brzinama, prešlo se na novi naĉin

regulacije brzinе pomoću nekoliko motora i generatora, koji se nazivaju Leonardova grupa. Iako

Leonardova grupa zahteva veće izdatke za nabavku mašina i komandne opreme, oni se tokom rada

mogu nadoknaditi uštedom u izbegavanju Dţulovih gubitaka i nabavke otpornika, koji nije ni

potreban.

Vard-Leonardovu grupu saĉinjavaju trofazni asinhroni motor M, koji mehaniĉki pokreće

rotor generatora jednosmerne struje G1 koji napaja motor jednosmerne struje M1 ĉiju brzinu

obrtanja regulišemo. Pobudom generatora G1 reguliše se napon napajanja motora M1, dok se

promenom pobudne struje motora M1 vrši regulacija njegove brzine promenom pobudnog fluksa.

Iz izraza za brzinu obrtanja motora:

(8.76)

se vidi da se regulacija brzine obrtanja motora M1 vrši promenom napona napajanja motora

U, koga daje generator G1. Generator G2 sluţi za napajanje pobudnih namotaja generatora G1 i

motora M1.

Pomeranjem klizaĉa na otporniku R, menjamo jaĉinu pobudne struje generatora G1 IpoG1, a

time se menja napon koga daje generatoru G1. Pošto je to, istovremeno, napon napajanja motora U,

prema jednaĉini (8.76), menjaće se brzina obrtanja motora M1.

Prebacivanjem preklopke P iz poloţaja 1 u poloţaj 2, promeniće se smer pobudne struje

generatora G1 IpoG1, a sa njom i polaritet napona na motoru M1, a time smer obrtanja motora M1.

Na slici 4.4. prikazana je i dodatna mogućnost promene brzine motora M1, promenom

pobudne struje (pobudnog fluksa) motora M1 IpoM1. Ova promena se vrši promeranjem klizaĉa na

otporniku R1.

ФK

IRUn

e

ii

10

Slika 4.4. Vard-Leonardova grupa

1.2.2.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja pomoću uređaja energetske elektronike (tiristorskih

ispravljača ili čopera)

Danas su klasiĉni naĉini regulacije brzine motora jednosmerne struje (kao što su Vard-

Leonardova grupa, dodavanje otpora u kolo rotora motora) u potpunosti zamenjeni ureĊajima

energetske elektronike (kao što su: diode, MOSFET, IGBT tranzistori, tiristori i sl.), pomoću kojih

se vrši promena napona napajanja motora.

UreĊaji energetske elektronike koji se koriste za regulaciju brzine obrtanja motora

jednosmerne struje promenom napona napajanja mogu se podeliti u dve velike grupe:

- tiristorske ispravljaĉe i

- ĉopere (impulsne pretvaraĉe).

a) Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja motora pomoću tiristorskih ispravljača

Najjednostavniji način regulacije brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja motora (napona koji se dovodi na prikljuĉke motora) jeste pomoću

jednog tiristora CSR1 i diode D1, koja je prikljuĉena paralelno s motorom M, kao što je prikazano

na slici. Napajanje motora je iz izvora naizmeniĉnog napona, ali delovanjem diode i tiristora, motor

dobija jednosmerni napon, ĉija srednja vrednost zavisi od trenutka pobuĊivanja tiristora, odnosno

od ugla kašnjenja ovog pobuĊivanja. Što je ugao kašnjenja veći, manja je srednja vrednost napona

koji prima motor, pa je stoga manja i brzina obrtanja ovog motora.

11

Slika 4.5. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona

napajanja pomoću jednog tiristora i diode

Slika 4.6. Vremenski dijagram

Drugi način regulacije brzine motora jednosmerne struje je pomoću dva tiristora

priključena u puš-pul vezu preko transformatora, ĉiji sekundarni namotaj ima izvod sa sredine

namotaja za ovakvu vezu. Motor se prikljuĉuje u izvodnu granu transformatora, a šema

prikljuĉivanja i dijagrami prikazani su na slici 4.7.

Slika 4.7. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona

napajanja pomoću dva tiristora prikljuĉena u puš-pul vezu preko transformatora ĉiji sekundarni

namotaj ima izvod sa sredine namotaja

12

Slika 4.8. Vremenski dijagram

U poslednje vreme dosta se primenjuje i regulacija brzine obrtanja motora

jednosmerne struje promenom napona napajanja pomoću tiristora priključenih u most.

Slika 4.9. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom

promenom napona napajanja pomoću tiristora prikljuĉenih u most

b) Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja motora pomoću čopera

Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom napona napajanja motora

pomoću čopera (impulsnih pretvarača) se sastoji u tome da se motor prikljuĉuje periodiĉno na

izvor jednosmernog napona, ĉime se menja srednja vrednost napona na motoru. Srednja vrednost

napona na motoru tada zavisi od napona napajanja i od odnosa vremena ukljuĉenja i vremena

iskljuĉenja napona napajanja, tj. od trajanja naponskog impulsa i frekvencije kojom se taj impuls

ponavlja.

Regulacioni ureĊaj, ĉiji je uobiĉajeni naziv ĉoper, omogućava da se iz izvora jednosmernog

napona na motor dovede napon ĉija se srednja vrednost moţe podešavati promenom vremena

voĊenja t1 i vremena nevoĊenja t2 tranzistora T.

13

Slika Princip ĉoperskog upravljanja motorom

Tranzistor T radi u reţimu prekidaĉa.

Za vreme voĊenja tranzistora struja teĉe u krugu: baterija – tranzistor - motor.

Tokom nevoĊenja tranzistora struja teĉe u krugu: motor - dioda.

Talasni oblici napona i struje motora prikazani su na slici.

Slika Talasni oblici napona i struje motora kod ĉoperskog upravljanja motorom

Srednja vrednost napona na motoru UMS se podešava promenom vremena voĊenja t1 i

vremena nevoĊenja t2 tranzistora i raĉuna se po obrascu:

1

1 2

MS B B

tU U DU

t t

gde je:

D=t1/(t1+t2) - faktor popune impulsa

/MS BSI I D

gde je:

BSI - srednji iznos struje baterije

Faktor popune impulsa je moguće podešavati na više naĉina:

- vreme voĊenja tranzistora 1t je konstantno, a menja se perioda: 1 2T t t

14

- period T je konstantan, a menja se faktor popunjenosti impulsa

- vreme nevoĊenja tranzistora 2t je konstantno, a tranzistor se iskljuĉuje kada struja

dostigne neku zadatu vrednost

- amplituda pulsiranja struje motora se odrţava konstantnom

Moţe se postaviti pitanje: zašto koristiti MOSFET tranzistore u ĉoperu za regulaciju brzine

motora jednosmerne struje?

Kod tiristorskog ĉopera, zbog niske uĉestanosti, treba postaviti dodatnu induktivnost na red

sa motorom. Pri tom se generiše prodoran i neprijatan zvuk.

Kod ĉopera saĉinjenog od bipolarnih tranzistora postoje problemi povećanih gubitaka i

teškoće kod paralelnog povezivanja.

MOSFET tranzistori snage u ĉoperu mogu da rade na višim frekvencijama (preko 20 kHz)

sa malim gubicima, bez potrebe dodavanja serijske induktivnosti u kolo rotora, a sa jednostavnim

paralelnim vezivanjem obezbeĊuje se ravnomerna podela struje meĊu tranzistorima. Visoka radna

frekvencija istovremeno obezbeĊuje kontinualnu struju motora, sa praktiĉno zanemarljivom

naizmeniĉnom komponentom.

1.2.3. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje dodavanjem otpora u kolu rotora

Na slici 4.10. je prikazana regulacija brzine motora jednosmerne struje sa paralelnom

pobudom dodavanjem (promenom) otpora u kolu rotora (reostatska regulacija brzine).

Slika 4.10. Regulacija brzine motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom promenom

otpora u kolu rotora (reostatska regulacija brzine)

Da bi našli vezu izmeĊu brzine obrtanja motora n i struje indukta Ii uzećemo da je: U=const.

i Φ=const. tada, pri praznom hodu i bez reostata R, motor ima brzinu obrtanja:

a pri opterećenju motora i ukljuĉenom reostatu R, brzina je:

ФK

IRUn

e

ii 0

0

ФK

IRRUn

e

ii )(

15

deljenjem ove dve jednaĉine dobićemo:

smatrajući:

(8.75)

Vidimo da je brzina obrtanja n linearno srazmerna struji Ii.

Nedostaci ovog naĉina regulacije su veliki Dţulovi gubici u reostatu, te zbog toga, znatno

smanjen stepen korisnog dejstva motora ηm. Pored toga, brzina n ne zavisi samo od otpornosti

otpornika R, već i od opterećenja motora. Dakle, za odreĊenu brzinu, ne postoji i odreĊena vrednost

otpornosti reostata R.

Prednost ovog naĉina regulacije je, što se brzina obrtanja n, praktiĉno, moţe svesti na nulu.

1.2.4. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom pobudne struje (pobudnog fluksa)

Regulacija promenom pobudnog fluksa se izvodi tako da se prikljuĉeni napon drţi na

konstantnoj vrednosti, a pobudni fluks se smanjuje smanjenjem struje pobude.

Opseg regulacije je otprilike 2:1 za motore normalne izvedbe, tj. sa regulacijom brzine se

moţe ići do dvostruke vrednosti u odnosu na brzinu kod punog magnetnog fluksa. Dalje smanjenje

fluksa se ne praktikuje, jer bi rad motora mogao da postane nestabilan, te moţe lako da pobegne

(doĊe do eksplozije kolektora), nastupaju poteškoće kod komutacije, jer se smanjuje vreme

komutacije, a mora se voditi raĉuna i o mehaniĉkim naprezanjima usled centrifugalnih sila koje

rastu sa kvadratnom brzine obrtanja.

Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje promenom pobudne struje razliĉito se

izvodi kod motora jednosmerne struje sa rednom i sa paralelnom pobudom, jer i sama struja pobude

zavisi od razliĉitih faktora. MeĊutim, u oba sluĉaja deluje se na promenu magnetnog fluksa, a

njegovom promenom i na brzinu obrtanja rotora motora.

1.2.4.1. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom promenom pobudne struje

Namotaj polova motora sa paralelnom pobudom spojen je paralelno sa naponom mreţe, a

struja kroz taj namotaj zavisi samo od vrednosti otpornosti tog kola, pa se zbog toga vrednost struje

moţe menjati promenom te otpornosti. Stoga se u pobudno kolo prikljuĉuje regulacioni pobudni

otpornik. Ako se smanji pobudna struja povećanjem otpornosti pobudnog kola, onda se smanjuje

jaĉina magnetnog polja i indukcija B, a povećava brzina obrtanja rotora. Kod motora redovne serije

regulacija se izvodi do 20% normalne vrednosti, dok postoje i posebno graĊeni motori, mehaniĉki

ojaĉani, kod kojih se na ovaj naĉin moţe regulisati brzina i do 300% od uobiĉajene vrednosti.

Regulacija se izvodi pri konstantnoj snazi za sve brzine.

Na slici 4.11. je prikazana regulacija brzine promenom pobudne struje.

16

Slika 4.11. Regulacija brzine motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom promenom

pobudne struje

Na ovaj naĉin moguće je samo povećati brzinu obrtanja. Najmanja brzina obrtanja n je kada

je Rpo iskljuĉen, jer je tada pobudna struja (i fluks) maksimalna, što je oĉigledno iz jednaĉine za

brzinu obrtanja motora:

(8.76)

Ovakav naĉin regulacije brzine je ekonomiĉan, struja pobude Ip je relativno mala, pa su i

Dţulovi gubici mali.

Nedostatak ovog naĉina regulacije brzine je u tome, što je povećanje brzine ograniĉeno

uticajem reakcije indukta, kada slabi magnetni fluks, pogoršava se komutacija i motor nestabilno

radi.

Imajući u vidu jednaĉinu momenta:

Mm=km·Φ·Ii

moţe se uoĉiti da pri povećanju brzine n, smanjenjem fluksa Φ, smanjuje se moment motora

Mm. Dakle, ovakav naĉin regulacije brzine, pogodan je tamo, gde pogonski uslovi ne zahtevaju

povećani obrtni moment, pri manjem broju obrtaja.

Iz izraza za indukovanu ems:

moţe se uoĉiti da je pri ovom naĉinu regulacije brzine snaga motora P=E·Ii skoro

konstantna, ako je opterećenje stalno.

Pošto se ovaj naĉin regulacije brzine obavlja bez znatnih gubitaka snage, tj. ne smanjuje se

stepen iskorišćenja motora, te za granice u kojima se moţe vršiti, ovaj naĉin predstavlja idealan

naĉin regulacije brzine. Posebno je pogodan za motore sa paralelnom i sloţenom pobudom.

1.2.4.2. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom promenom pobudne struje

Motori jednosmerne struje sa rednom pobudom imaju pobudne namotaje izraĊene od

relativno debljih provodnika spojenih na red sa namotajem rotora, pa struja rotora prolazi i kroz

p

ii

e

ii

IK

IRU

ФK

IRUn

.constIRUФK

IRUФKnФKE ii

e

ii

ee

17

pobudni namotaj polova statora i jednaka je struji opterećenja koja dolazi iz mreţe. Ako dolazi do

promene struje opterećenja dolazi i do promene struje pobude, pa za odreĊenu potrebnu vuĉnu silu

motor uzima iz mreţe odreĊenu jaĉinu struje. Zbog toga je regulacija brzine obrtanja motora

jednosmerne struje sa rednom pobudom u naĉelu nemoguća delovanjem na struju opterećenja, ali,

ipak, se u praksi primenjuju 3 metode:

1. Veza regulacionog otpornika paralelno sa pobudnim namotajem motora (slika 4.12),

pri ĉemu se struja opterećenja deli na dva dela. Jedan deo prolazi kroz otpornik, a drugi deo kroz

pobudni namotaj, pa smanjena pobudna struja smanjuje jaĉinu magnetnog polja polova i povećava

brzinu obrtanja rotora.

Slika 4.12. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

promenom pobudne struje – veza regulacionog otpornika paralelno sa pobudnim namotajem motora

2. Veza regulacionog otpornika paralelno sa namotajem rotora (slika 4.13.), ĉime se

povećava struja kroz pobudni namotaj, a time i jaĉina magnetnog polja i fluksa, dok se brzina

obrtanja rotora smanjuje.

Slika 4.13. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

promenom pobudne struje - veza regulacionog otpornika paralelno sa namotajem rotora

3. Veza regulacionog otpornika paralelno sa pobudnim namotajem i sa namotajem

rotora (slika 4.14).

18

Slika 4.14. Regulacija brzine obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom

promenom pobudne struje - veza regulacionog otpornika paralelno i sa pobudnim namotajem i sa

namotajem rotora

Dijagrami promene brzine sa promenom mehaniĉkog momenta opterećenja motora (slika

4.15) dati su za tri sluĉaja:

1. sa normalnim magnetnim poljem,

2. veza regulacionog otpornika paralelno sa pobudnim namotajem i

3. veza regulacionog otpornika paraleno sa namotajem rotora.

Slika 4.15. Dijagrami promene brzine sa promenom mehaniĉkog momenta opterećenja

motora

1.3. Puštanje u rad motora jednosmerne struje Struja u namotaju rotora (induktu) motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom se

raĉuna po obrascu:

(1)

Ukoliko se radi o motoru jednosmerne struje sa rednom pobudom, onda treba uzeti u obzir

još i omski otpor pobudnog namotaja Rp:

pii

RR

EUI

i

iR

EUI

19

U trenutku puštanja u rad (pokretanja) motora brzina obrtanja rotora jednaka je nuli n = 0

(jer rotor miruje) pa je i indukovana kontraelektromotorna sila u namotaju rotora (induktu) jednaka

nuli:

E = ke·Ф·n = 0

Iz izraza (1) se vidi da vrednost struje u namotaju rotora u trenutku puštanja motora u rad

zavisi samo od dovedenog napona mreţe U i omskog otpora namotaja rotora (indukta) Ri:

(2)

Tako da je u trenutku puštanja motora u rad polazna struja u namotaju rotora (u induktu)

ograniĉena samo sa veoma malom unutrašnjom otpornošću namotaja rotora (indukta) Ri, pa će

vrednost struje koju motor povlaĉi iz mreţe u trenutku ukljuĉenja biti vrlo (nedozvoljeno) velika,

ĉak 10 do 15 puta veća od nominalne. Ovako velika vrednost polazne struje moţe biti veoma

opasna po motor, jer prvo, skoro redovno dovodi do pojave kruţne vatre na kolektoru i do ispadanja

motora iz rada, i drugo, pri ovakoj struji motor razvija veliki polazni momenat koji moţe da dovede

do mehaniĉkog oštećenja motora. Pored toga, velika polazna struja uzrokuje nagli pad napona u

mreţi, što nepovoljno da utiĉe na druge prijemnike prikljuĉene na tu mreţu.

Da bi se izbegle navedene opasnosti potrebno je polaznu struju ograniĉiti na dozvoljenu

vrednost, što se moţe postići razliĉitim naĉinima puštanja motora jednosmerne struje u rad, kao što

je:

- dodavanje otpornika u kolo rotora,

- postepeno povišenje napona napajanja motora, pomoću upravljivog tiristorskog ispravljaĉa ili neupravljivog ispravljaĉa sa regulacionim transformatorom.

- redno-paralelno vezivanje dva ili više motora jednosmerne struje.

1.3.1. Puštanje motora jednosmerne struje u rad dodavanjem otpornika u kolo rotora

Najĉešći naĉin puštanja motora jednosmerne struje u rad jeste dodavanjem otpornika u kolo

rotora.

Da bi se prilikom puštanja motora u rad spreĉila pojava struje vrlo visoke vrednosti, na red

sa namotajem rotora (induktom) vezuje se otpornik za puštanje Rp (pokretaĉki otpornik), slika .

Otpornik za puštanje motora u rad je višestepeni, odabran tako da stuja pri puštanju motora u rad

ne bude mnogo veća od nominalne (npr. najviše dva puta). U trenutku puštanja motora u rad

ukljuĉen je ĉitav otpor pokretaĉkog otpornika, koji se zatim sa porastom brzine postepeno iskljuĉuje

(jer sa povećanjem brzine obrtanja rotora raste i njegova kontraelektromotorna sila koja sve više

ograniĉava struju koja dolazi iz mreţe) sve dok se ne postigne nominalna brzina, kada se otpornik u

potpunosti iskljuĉi.

n

i

poliI

R

UI

20

Slika Puštanje u rad motora jednosmerne struje sa paralelnom pobudom dodavanjem

otporika u kolo rotora

Slika Puštanje u rad motora jednosmerne struje sa rednom pobudom dodavanjem otpornika

u kolo rotora

Otpornici za puštanje motora u rad mogu ponekad da sluţe i za regulaciju brzine obrtanja,

ali se tada moraju dimenzionisati da trajno mogu izdrţati punu struju opterećenja motora. Ako sluţe

samo za pokretanje, onda su dimenzionisani za kratkotrajan rad i kao takvi su znatno jeftiniji. Kod

motora manjih snaga (obiĉno do l kW) relativne vrednosti otpora indukta Ri su veće, tako da nije

potrebno koristiti otpornike za puštanje u rad, jer je struja puštanja neznatno veća od nominalne.

Pokretaĉki i pobudni otpornik ĉesto se ugraĊuju u jedan aparat (oznaĉavaju se sa L i R, R i

M na prikljuĉnoj ploĉici).

1.3.2. Puštanje motora jednosmerne struje u rad postepenim povišenjem napona napajanja

Osim otpornicima za puštanje u rad, motori jednosmerne struje se mogu puštati u rad i

postepenim povišavanjem napona napajanja pomoću upravljivog tiristorskog ispravljaĉa. Ovo je u

investicionom pogledu nepovoljnije rešenje, meĊutim, ako takav sistem za regulaciju brzine već

postoji, treba ga svakako iskoristiti i za puštanje u rad. Poĉinje se sa malim naponom koji se

postepeno, u skladu sa povećanjem brzine, diţe sve do vrednosti potrebne za nominalan rad u

21

stacionarnom stanju. Ovakvi regulacioni sistemi su ĉesto automatizovani, pa se ponekad radi i sa

programiranim ubrzanjem. Lep primer za ovo je kvalitetniji pogon lifta, gde je na osnovu

fizioloških kriterijuma propisana vremenska promena ubrzanja - usporenja, koja se ne uspostavlja

naglo već postepeno.

1.3.3. Puštanje motora jednosmerne struje u rad redno-paralelnim prevezivanjem dva ili više motora jednosmerne struje

Redno-paralelno prevezivanje dva ili više motora jednosmerne struje izvodi se tako što

su motori prvo vezani redno, pa kad dostignu polovinu nominalne brzine obrtanja preveţu se u

paralelnu vezu. Time se u poĉetku dobija niţi napon na svakom od motora, jer se u rednoj vezi

ukupni napon mreţe deli na onoliko napona koliko ima motora. Prednost ovog puštanja u rad u

odnosu na puštanje u rad motora dodavanjem otpornika u kolo rotora je u tome što nema Dţulovih

gubitaka snage na pokretaĉkom otporniku.

1.4. Kočenje (zaustavljanje) motora jednosmerne struje Ĉesto je potrebno, naroĉito kod motora za elektriĉnu vuĉu, da se vrši koĉenje motora, što se

moţe vršiti: mehaniĉki (za male motore) i elektriĉno.

Koĉenje (zaustavljanje) motora jednosmerne struje se moţe vršiti na ĉetiri osnovna naĉina:

- iskljuĉivanjem motora sa mreţe,

- koĉenjem kontravezom,

- generatorskim (regenerativnim) koĉenjem i

- elektrodinamiĉkim (reostatskim) koĉenjem.

Koĉenje (zaustavljanje) motora jednosmerne struje moţe se vršiti pomoću tiristora u

razliĉitim spregama, koji se mogu koristiti za koĉenje kontravezom, elektrodinamiĉko i

generatorsko koĉenje.

1.4.1.1. Kočenje isključivanjem motora sa mreže (napajanja)

Isključivanje motora sa mreže se vrši pomoću ruĉnih ili daljinskih prekidaĉa kada nije

potrebno brzo i precizno zaustavljanje, kao i kod trofaznih motora. Motor se zaustavlja kao rezultat

delovanja sile trenja.

1.4.1.2. Kočenje kontravezom

Kočenje motora jednosmerne struje kontravezom izvodi se kao i kod trofaznih

asinhronih motora. Brzim prevezivanjem prikljuĉnih krajeva menja se smer struje kroz namotaj

rotora ili smer struje pobude kroz pobudni namotaj. Kod motora jednosmerne struje sa sloţenom

pobudom treba promeniti smer pobudne struje i kroz paralelni i kroz redni pobudni namotaj. Time

se menja smer vuĉne sile rotora, koja od vuĉne postaje koĉna. Promenom smera pobudne struje

obrtni moment menja smer.

1.4.1.3. Generatorsko (regenerativno) kočenje

Generatorsko kočenje se izvodi tako što se iskljuĉivanjem otpornika u pobudnom kolu

motora (kod motora sa paralelnom i sloţenom pobudom), ili ukljuĉivanjem otpornika paralelno

namotaju rotora (kod motora jednosmerne struje sa rednom pobudom), povećava pobudna struja.

Njenim povećanjem povećava se i vrednost kontraelektromotorne sile u namotaju rotora motora, pa

u nekom trenutku postaje i veća od vrednosti napona napajanja motora i struja menja smer kroz

22

namotaj rotora, što znaĉi da motor prelazi u generatorski reţim rada. Promena smera struje kroz

namotaj rotora, pri nepromenjenom polaritetu magnetnih polova, izaziva promenu smera vuĉne sile

motora, tj. ona od vuĉne postaje koĉna i zaustavlja rotor motora.

1.4.1.4. Elektrodinamičko (reostatsko) kočenje

Elektrodinamičko (reostatsko) kočenje motora jednosmerne struje je posebna vrsta

generatorskog koĉenja (slika 8.37).

Slika 8.37. Elektrodinamiĉko (reostatsko) koĉenje motora jednosmerne struje sa paralelnom

pobudom

Kada je prekidaĉ u poloţaju 1 mašina radi kao motor (sl. 8.37). Kada se prekidaĉ prebaci u

poloţaj 2, mašina nastavlja da se obrće usled inercije, postaje generator, koji napaja promenljivi

otpornik Rk. Kod ovog naĉina koĉenja motor se iskljuĉi sa mreţe, u kolo rotora se dodaje otpornik

Rk, a pobuda ne menja smer, kroz kolo rotora teĉe struja u suprotnom smeru, moment menja smer i

postaje koĉni . Jasno je, da bi mašina bila generator, pobuda mora ostati povezana na mreţu, inaĉe

ne bi bilo koĉenja. Koĉenje je intenzivnije, što je veća struja IG, dakle, pri većem obrtanju usled

inercije. Usporavanjem mašine, opada IG, pa i efikasnost koĉenja. Zaustavljanje mašine vrši se

trenjem mehaniĉkom koĉnicom.

Motor se prvo prekidaĉem iskljuĉi sa napona napajanja, zatim se u kolo rotora prikljuĉi

otpornik odreĊene vrednosti otpornika, a pod dejstvom kinetiĉke energije rotora on se i dalje okreće

indukujući elektromotornu silu, koja je po smeru suprotna naponu mreţe. To znaĉi da vuĉna sila

menja smer i postaje koĉna, što prouzrokuje koĉenje motora. Tokom ovog koĉenja smanjuje se

brzina motora, a sa njom i vrednost indukovane elektromotorne sile u namotaju rotora, kao i struje

rotora, pobude polova, pa i sile koĉenja, odnosno postepeno opada efikasnost koĉenja. Zbog toga je

pri završetku potrebno primeniti neki dodatni metod efikasnog koĉenja, pa se ili vrši smanjivanje

otpora kola rotora ili mehaniĉko koĉenje, kao kod elektriĉnih vozila (trolejbus, voz).

1.5. Promena smera obrtanja motora jednosmerne struje Iz izraza za vektor elektromagnetne sile koja deluje na provodnike namotaja rotora

(indukta):

vidi se da smer obrtanja rotora, zavisi od smera vektora l (odnosno smera struje kroz

provodnike namotaja rotora) i smera vektora B (odnosno smera struje kroz pobudni namotaj na

23

statoru).

Znaĉi, da bi se promenio smer obrtanja rotora motora potrebno je:

- ili promeniti smer struje kroz namotaj rotora (prevezati provodnike kojima se dovodi struja do namotaja rotora),

- ili promeniti smer struje kroz pobudni namotaj na statoru (prevezati provodnike kojima se dovodi struja do namotaja pobudnog namotaja na statoru).

Ako bi se istovremeno prevezali i jedni i drugi provodnici motor bi nastavio da se obrće u

istom smeru. Pri ovome, treba voditi raĉuna o vezama izmeĊu namotaja rotora i pobudnog namotaja

na statoru.

Šeme veze motora jednosmerne struje sa rednom pobudom za: desni (slika a) i levi (slika b)

smer obrtanja.

a) b)

Slika Promena smera obrtanja motora jednosmerne struje sa rednom pobudom: a) desni

smer obrtanja mortora, b) levi smer obrtanja mortora

24

2. Elektromotorni pogoni sa asinhronim motorima

2.1. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora Mogućnost kontinualne regulacije brzine u širokim granicama i rad pri razliĉitim brzinama

je imperativ za savremene elektromotorne pogone. Efikasnost regulacije brzine obrtanja motora se

procenjuje na osnovu:

- granica u kojima se brzina obrtanja moţe regulisati, a koje se obiĉno daju odnosom maksimalne i minimalne brzine;

- ekonomiĉnosti regulacije, odnosno na osnovu veliĉine gubitka u motoru ili u ureĊaju za regulaciju i cene opreme koja se koristi za regulaciju brzine;

- naĉina regulacije, odnosno da li se brzina motora reguliše kontinualno ili skokovito;

- jednostavnosti i sigurnosti regulacije brzine.

U ne tako dalekoj prošlosti kontinualna regulacija brzine obrtanja pogona se vršila pomoću

motora jednosmerne struje, zbog jednostavnosti promene brzine obrtanja ovih motora. Brzine od

nulte do nominalne vrednosti, kod motora jednosmerne struje su se ostvarivale promenom napona

napajanja, dok su se promenom (smanjenjem) pobudne struje postizale ţeljene brzine iznad

nominalne vrednosti. MeĊutim nedostaci ovih motora su visoka cena u odnosu na druge motore,

postojanje komutatora i ĉetkica na kojima se javljaju varnice u toku rada, usled ĉega se smanjuje

radni vek motora, proizvode visoko frekventne smetnje što oteţava regulaciju. Usled habanja

javljaju se uĉestali servisi što podiţe cenu odrţavanja celog pogona.

Iz prethodno navedenih nedostataka motora jednosmerne struje, krenulo se u razvoj ureĊaja

za regulaciju brzine trofaznih asinhronih motora, koji u sebi ne sadrţe komutator i ĉetkice, već im je

rotor kaveznog tipa što povoljno utiĉe na njihov vek eksploatacije. Zbog tvrde mehaniĉke

karakteristike (brzina se menja se u veoma uskim granicama (svega nekoliko procenata) od praznog

hoda do punog opterećenja), regulacija brzine obrtanja asinhronih motora nije ni laka ni efikasna,

kao što je kod motora jednosmerne struje. Razvoj i pad cene mikroprocesora i komponenti

energetske elektronike doprineo je da se asinhroni motori sve više sreću i u pogonima u kojima se

zahteva regulacija brzine motora.

Brzina obrtanja asinhronog motora se raĉuna po obrascu:

ob/min

(1)

gde je:

f - frekvencija napona napajanja motora

p - broj pari polova

ns – sinhrona brzina

s - klizanje:

Iz izraza za brzinu obrtanja asinhronog motora (1) vidi se da se regulacija (promena) brzine

obrtanja asinhronih motora moţe vršiti:

sp

fn 1

60 1

snn s 1

n

s

n

nns

25

- promenom broja pari polova p, koristi se kod motora sa kratkospojenim rotorom

- promenom klizanja s, koje se ostvaruje:

promenom otpora u kolu rotora R, kod motora sa namotanim rotorom.

promenom napona napajanja (statora) U.

podsinhronom kaskadom, kod motora sa namotanim rotorom.

- promenom frekvencije napona napajanja motora f, koja se ostvaruje:

frekventno-naponskom U/f regulacijom

vektorskim upravljanjem.

Slika 1. Naĉini regulacije (promene) brzine obrtanja asinhronih motora

2.1.1. Regulacija brzine motora promenom broja pari polova

Regulacija brzine promenom broja pari polova ne moţe da obezbedi kontinualnu promenu

brzine, već diskretnu, i to dve, najviše tri razliĉite brzine.

Ovaj naĉin regulacije se moţe koristiti samo kod motora sa kratkospojenim rotorom, jer se

kratko spojeni rotor prilagoĊava svakom broju polova namotaja statora.

U sluĉaju namotanog rotora bilo bi neophodno, sa promenom broja pari polova na statoru,

izvršiti istu operaciju na rotorskom namotaju, što usloţnjava konstrukciju, a time i cenu izrade

takvog namotaja. Dalje, treba imati u vidu da se promenom broja pari polova menjaju i sve

karakteristike motora.

Na slici 2.3.2. je dat primer promene brzine asinhronog motora promenom broja pari

polova, u sluĉaju dvopolnog motora, gde je brzina obrtnog polja 3000 o/min pri frekvenciji 50 Hz i

ĉetvoropolnog motora gde je brzina obrtnog polja 1500 o/min pri frekvenciji 50 Hz.

26

Slika 2.3.2. Karakteristika obrtnog momenta motora sa promenjivim brojem pari polova

Regulacija brzine motora promenom broja pari polova je najĉešći naĉin regulacije brzine

kod kratkospojnih asinhronih motora. Uobiĉajeno je da se trofazni motori izraĊuju sa tri prikljuĉna

zavrtnja na koja se dovode krajevi namotaja faza motora. MeĊutim, ukoliko se osim ova tri

prikljuĉna zavrtnja postave još tri do kojih se mogu dovesti izvodi sa polovina namotaja svake faze,

prevezivanjem veza na šest prikljuĉnih zavrtnjeva mogu da se ostvare dve brzine motora. Pri jednoj

vezi motor ima jedan broj pari polova i jednu brzinu, a posle prevezivanja - drugi broj pari polova i

drugu brzinu. Takvi motori nazivaju se dvobrzinski motori. Kod dvobrzinskih motora prevezivanje

moţe da se izvede na dva naĉina:

- prevezivanjem iz veze zvezda u vezu dvostruke zvezde (Y-YY) ili

- prevezivanjem iz veze trougla u vezu dvostruke zvezde (Δ-YY).

Prva vrsta dvobrzinskih motora (Y-YY) nazivaju se još i motori stalnog momenta, jer pri

većoj brzini obrtanja mogu da daju veću snagu, odrţavajući isti vuĉni moment pri obe brzine

obrtanja. Ovakvi motori koriste se kada treba postići isti vuĉni momenat pri obe brzine, kao što je to

kod elektriĉne vuĉe, kranova i liftova.

Druga vrsta dvobrzinskih motora (Δ-YY) pri obe vrednosti brzina odaju istu snagu, pa se

nzivaju motori stalne snage. Ovaj zahtev postavljaju mašine i ureĊaji u industriji, strugovi itd. Kod

njih se pri povećanju brzine obrtanja mora smanjiti vrednost vuĉnog momenta, odnosno mehaniĉko

opterećenje mašine koju pokreće elektromotor. Šema povezivanja namotaja kod motora sa spregom

Δ-YY prikazana je na slici.

Osim dvobrzinskih, proizvode se i višebrzinski motori, na taj naĉin što im se izraĊuju veći

preĉnici statora i rotora za odreĊenu snagu, sa većim ţlebovima u koje se stavljaju po dva odvojena

dvobrzinska namotaja, pa se tako dobija ĉetvorobrzinski namotaj motora. Ako se u iste ţlebove

27

postave jedan dvobrzinski i jedan jednobrzinski namotaj dobija se trobrzinski motor. Raznim

kombinacijama ove vrste dobijaju se i petobrzinski i šestobrzinski asinhroni motori.

Regulisanje brzine promenom broja pari polova ne moţe obezbediti kontinualnu promenu

brzine, već diskretnu, i to dve, najviše tri razliĉite brzine. Ostvaruju se na dva naĉina: stavljanjem

nekoliko nezavisnih namotaja statora sa razliĉitim brojem pari polova, ili postavljanjem jednog

namotaja ĉiji se odvojci izvode do prebacaĉa. Ovaj naĉin regulisanja moţe da se primeni samo kod

motora sa kratkospojnim rotorom, jer se kratkospojni rotor prilagoĊava svakom broju pari polova

namotaja statora. U sluĉaju namotnog rotora bilo bi neophodno, sa promenom broja pari polova na

statoru, izvršiti istu operaciju na rotorskom namotaju. Dakle, treba imati u vidu da se promenom

broja pari polova menjaju i sve karakteristike motora.

2.1.2. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora promenom klizanja

Ako se reši jednaĉina momenta po klizanju, dobiće se sledeći izraz:

iz kojeg sledi da se pri konstantnom otpornom momentu (momentu tereta) Mk i konstantnoj

brzini obrtnog magnetnog polja ωs, regulacija klizanja asinhronog motora moţe vršiti na sledeći

naĉin:

- promenom otpora (radnog i induktivnog) u strujnom kolu statora i rotora. Regulacija promenom induktivnog otpora je neekonomiĉno i ograniĉeno i bez znaĉaja za praksu.

- promenom napona koji dovodimo na stator U1

2.1.2.1. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora dodavanjem otpornika u kolo rotora

Kod asinhronih motora sa namotanim rotorom regulacija brzine se moţe vršiti promenom

otpora u kolu rotora, jer je:

s = K0·M·R2

gde je:

K0 = const.

M - moment

ako je moment konstantan, onda vaţi:

s = f(R2)

Najjednostavniji naĉin regulacije brzine obrtanja asinhronih motora sa namotanim rotorom

jeste dodavanjem otpornika u kolo rotora motora. Povećanjem omskog otpora u kolu rotora motora

smanjuje se brzina obrtanja motora i obrnuto.

Ukljuĉenjem rotorskog otpornika u strujno kolo rotora povećava se, pri nepromenjenom

prevalnom momentu, prevalno klizanje i time smanjuje brzina obrtanja motora, odnosno povećava

podruĉje stabilnog rada. MeĊutim, dodavanjem dodatnog otpora Rd u kolo rotora, povećavaju se

Dţulovi gubici, smanjuje se stepen korisnog dejstva motora, pa se ovaj naĉin regulacije brzine retko

koristi. Ovakav naĉin regulacije brzine ne moţe biti osnova za trajni pogon, već samo za

kratkotrajna prelazna stanja, na primer pokretanje ili zaustavljanje nekog pogona ili kod

intermitiranih pogona, ali ne velike snage.

Kombinacijom promene brzine otpornicima i istovremenom promenom napona tiristorima

28

postiţe se vrlo efikasna regulacija u oba smera obrtanja, pri ĉemu se svakom momentu moţe

prilagoditi odgovarajuća brzina. Princip funkcionisanja ove regulacije bazira se na promeni napona

napajanja motora. Regulacija moţe biti skokovita, ako imamo stepenastu promenu otpora, ili

kontinualna, za kontinualnu promenu otpora u kolu rotora. Bolji efekti se postiţu kontinualnom

regulacijom, jer promena napona ne izaziva strujne udare u mreţi kao kod skokovite promene. U

cilju usavršavanja ovog naĉina regulacije, nastalo je više metoda regulacije pomoću otpornika, kao

što su ukljuĉivanje i reverziranje, regulacija tiristorima itd.

Na slici je prikazana šema regulacije ukljuĉivanjem i reverziranjem sa regulacijom otpora u

kolu rotora, pri ĉemu se vrši promena poloţaja maksimalnog momenta, ĉime se proširuje podruĉje

stabilnog rada povećavanjem otpornosti (dijagram 1.). Reverziranje se vrši prekidaĉima ili

zamenom redosleda faza, kao i pomoću tiristora upravljanih promenom faze impulsa za otvaranje

tiristora.

Slika 1. Šema regulacije ukljuĉivanjem i reverziranjem sa regulacijom otpora u kolu rotora,

pri ĉemu se vrši promena poloţaja maksimalnog momenta

29

Slika 1. Dijagram

Regulacija momentne karakteristike i brzine obrtanja u sluĉaju da se koriste samo tiristori

prikazana je dijagramom 2.

Slika 2. Dijagram

2.1.2.2. Regulacija brzine obrtanja asinhronih motora promenom napona napajanja

Regulacija brzine promenom napona napajanja vrši se smanjenjem napona (pomoću

regulacionog transformatora ili ureĊaja energetske elektronike) pri ĉemu se frekvencija ne menja.

Prednost ovog naĉina regulacije je, pre svega, proširenje podruĉja radnih brzina. Nedostaci ovog

naĉina regulacije su:

- usko podruĉje regulacije – 10%,

- povećani gubici u rotoru a i stator se više zagreva i

- maksimalni momenat se smanjuje, pošto je on proporcionalan (opada) sa kvadratom napona napajanja. Zato se ovaj naĉin regulacije retko koristi i to samo za elektromotore

malih snaga, gde stepen iskorišćenja nije bitan.

30

Slika 3. Zavisnost momenta motora od napona napajanja

2.1.2.3. Regulacija brzine podsinhronom kaskadom

Osim ovih naĉina regulacije brzine obrtanja, postoje i naĉini vezani za kaskadne veze

asinhronog motora sa drugim uređajima (asinhronim motorom, ureĊajima energetske

elektronike).

Podsinhrona kaskada je, ustvari, asinhroni motor koji radi u podsinhronom podruĉju brzina,

s tim da se promenom klizanja reguliše brzina obrtanja, a višak energije iz rotora vraća se u mreţu

ili u pogon radi smanjenja gubitaka u motoru u podsinhronom reţimu rada. Ovaj naĉin regulacije je

posebno pogodan za pogone velikih snaga s odreĊenim mogućnostima regulacije, kao npr. kod

velikih pumpi. Posebna prednost je ako motor moţe raditi i u reţimu normalnog asinhronog motora,

a tek povremeno s regulacijom brzine obrtanja. Prednosti su došle do izraţaja s razvojem energetske

elektronike, posebno tiristora, jer su time dobili širok raspon regulacije uz veoma visok stepen

iskorišćenja.

Prvi oblik ovog pogona sastojao se od asinhronog motora sa namotanim rotorom na ĉijem

se vratilu nalazi motor jednosmerne struje, koji se napaja iz rotorskog kruga asinhronog motora

preko ispravljaĉa. Pri pokretanju motora moment ostvaruje jednosmerni motor koji daje celokupnu

snagu pogonu, a tek pri smanjenju klizanja, pribliţavajući se sinhronoj brzini, asinhroni motor

preuzima snagu. Ovde je potrebna jednaka snaga asinhronog i motora jednosmerne struje, što nije

ekonomiĉno, a podsinhroni rad je još povezan i sa povećanim gubicima pri porastu klizanja. Iz

odnosa snaga, momenata i klizanja izvodi se karakteristika data na slici.

31

Slika

Slika

Druga, ekonomičnija izvedba, sastoji se od podsinhrone kaskade kojom suvišnu energiju

iz rotora asinhronog motora vraćamo u mreţu (slika). Sklop se sastoji od dva agregata: pogonskog

asinhronog motora s mašinom i jednosmernog motora s trofaznim sinhronim generatorom. Za

pogon se koristi snaga (1-s)·Pm, a višak energije (s·Pm) vraća se u mreţu.

Slika Podsinhrona kaskada kojom se suvišna energiju iz rotora asinhronog motora vraća u

mreţu

32

Podsinhrone kaskade dolaze do izraţaja uz upotrebu tiristora, pri ĉemu je izbegnuta

upotreba motor-generatorske grupe uz vraćanje energije klizanja u mreţu, pa je postignuta velika

ušteda i ulaganja, a regulacija je znatno lakša i kvalitetnija. Primer podsinhrone usmerivaĉke

kaskade s tiristorskim pretvaraĉem za vraćanje energije u mreţu prikazan je na slici .

Slika Podsinhrona usmerivaĉka kaskada s tiristorskim pretvaraĉem za vraćanje energije u

mreţu

2.1.3. Regulacija brzine asinhronih motora promenom frekvencije napona napajanja

Naĉini upravljanja asinhronim motorima promenom frekvencije se mogu podeliti u dve

grupe:

- skalarno upravljanje (U / f regulacija), je upravljanje na osnovu statiĉkih karakteristika, i

- vektorsko upravljanje, je upravljanje na osnovu dinamiĉkog modela mašine

Obe ove grupe upravljanja zasnivaju se na promenljivoj frekvenciji napona napajanja.

Osnovna razlika izmeĊu ova dva pristupa upravljanja leţi u dinamici promene upravljaĉkih

veliĉina, odnosno u pristupu upravljanja skalarnim ili vektorskim vrednostima karakteristiĉnih

veliĉina mašine.

Za pogon sa konstantnim momentom opterećenja gde ne postoje strogi zahtevi za

regulacijom brzine dovoljno je koristiti frekventni pretvaraĉ sa U / f regulacijom u otvorenoj sprezi.

Kada elektromotorni pogon zahteva brz odziv momenta i taĉniju regulaciju brzine, potrebno

je da sistem poseduje mogućnost zatvaranja povratne sprege. Ipak, visoke performanse

elektromotornih pogona nije moguće obezbediti frekventnim regulatorima u zatvorenoj petlji po

veliĉini kojom se ţeli upravljati.

Visoke performanse elektromotornih pogona zahtevaju principe vektorskog upravljanja gde

se upravljanje vrši brzom promenom intenziteta i faznog stava upravljaĉkih veliĉina (napona, struje

i fluksa). Vektorsko upravljanje zahvaljujući razvoju mikrokompjuterske tehnike, omogućava da

motor naizmeniĉne struje postane upravljiv sa istim kvalitetima kao motor jednosmerne struje.

33

2.2. Poređenje upravljanja motorima jednosmerne struje i asinhronim motorima

2.2.1. Upravljanje motorima jednosmerne struje

Glavna osobina elektromotornih pogona sa motorima jednosmerne struje je što se brzinom

obrtanja i momentom, moţe upravljati direktno i nezavisno preko vrednosti struje indukta.

Prednosti elektromotornih pogona sa motorima jednosmerne struje su:

- precizno i brzo upravljanje momentom,

- jednostavan princip regulacije,

- dobar dinamiĉki odziv brzine obrtanja itd.

Zbog ovih prednosti motori jednosmerne struje su dugo bili dominantni u odnosu na

asinhrone motore, u pogonima koji su zahtevali brz i precizan dinamiĉki odziv momenta i

brzine obrtanja.

Nedostaci elektromotornih pogona sa motorima jednosmerne struje uglavnom su vezani za

nedostatke motora jednosmerne struje, kao što su:

- mala pouzdanost, zbog toga što imaju kolektor i ĉetkice,

- potreba za konstantnim odrţavanjem,

- potreban enkoder za povratni signal,

- visoka cena motora itd.

2.2.2. Upravljanje asinhronim motorima

2.2.2.1. Skalarno upravljanje (U /f regulacija) asinhronim motorima

Za razliku od motora jednosmerne struje, momentom i brzinom obrtanja asinhronih motora

se moţe upravljati pomoću ulaznih elektriĉnih veliĉina motora kao što su napon i frekvencija

(Slika 3.1.1.).

Slika 3.1.1. Skalarno upravljanje asinhronim motorima

Ţeljena vrednost napona odreĊene frekvencije se dobija pomoću pretvaraĉa napona i

frekvencije, na ĉiji je izlaz prikljuĉen stator motora. Ova metoda ne koristi enkoder brzine obrtanja,

i zato ne poseduje povratni signal o trenutnoj vrednosti brzine obrtanja.

Za pogon sa konstantnim momentom opterećenja gde ne postoje strogi zahtevi za

regulacijom brzine dovoljno je koristiti frekventni pretvaraĉ sa U / f regulacijom u otvorenoj sprezi.

Skalarno upravljanje se obiĉno koristi kod jeftinih i pogona sa slabijim performansama gde

ne postoje zahtevi za brzim odzivom momenta i preciznom regulacijom brzine i poloţaja. Ovaj vid

upravljanja obuhvata upravljanje amplitudom / frekvencijom napona (struje) motora, ali ne i

njihovim faznim stavom.

34

Prednosti ove metode upravljanja su:

- nije potreban enkoder brzine,

- pogodna je za pogone koji ne zahtevaju preciznu regulaciju brzine,

- niska cena ureĊaja za upravljanje itd.

Nedostaci:

- nepoznavanje trenutne vrednosti veliĉina u motoru,

- nemogućnost upravljanja momentom,

- sporo upravljanje,

- veliĉinama se ne upravlja direktno itd.

Regulacija brzine promenom frekvencije je, sa razvojem energetske elektronike, postala

najznaĉajnija, pri ĉemu se, kako se ne bi promenilo magnetno zasićenje mašine, ĉesto izvodi sa

istovremenom promenom napona napajanja (tzv. U / f regulacija, U / f = Φ = const.). Prednosti

ovog naĉina regulacije brzine sadrţane su u veoma dobrim tehniĉkim osobinama: zadrţava se

vrednost maksimalnog momenta, promena brzine je kontinualna i u širokom opsegu, koristi se

standardni motor sa kratkospojenim rotorom. MeĊutim, potreban je dodatni ureĊaj za obezbeĊenje

promenljive uĉestanosti i napona napajanja.

Kod skalarnog upravljanja, koje se zasniva na relacijama koje vaţe u stacionarnom stanju,

menja se jedino intenzitet i frekvencija (ugaona brzina obrtanja) napona, struje odnosno fluksa.

Time se ne utiĉe direktno na prostorni poloţaj ovih veliĉina u tranzijentnim stanjima što dalje

dovodi do malog propusnog opsega sistema odnosno loših dinamiĉkih karakteristika pogona pri

upravljanju.

Skalarno upravljanje se obiĉno koristi kod jeftinih i pogona sa slabijim performansama gde

ne postoje zahtevi za brzim odzivom momenta i preciznom regulacijom brzine i poloţaja. Ovaj vid

upravljanja obuhvata upravljanje amplitudom/frekvencijom napona (struje) motora, ali ne i

njihovim faznim stavom.

Skalarno upravljanje se izvodi tako što se trofazni napon mreţe tiristorskim pretvaraĉima

prvo pretvori u jednosmerni, pa se iz jednosmernog pomoću tiristora ponovo pretvara u naizmeniĉni

napon ţeljene vrednosti i uĉestanosti. Pretvaranje napona tiristorima za neke pogone je moguće

izvesti i direktno, što moţe da izazove i nastanak napona nepravilnog oblika poluperioda, a time i

dodatne probleme pogona.

Skalarno upravljanje (U / f regulacija), je zasnovano na promeni frekvencije statorskih struja

koristeći napon i frekvenciju kao upravljaĉke veliĉine. Karakteristiĉno za ovaj naĉin upravljanja je

da ukoliko se odrţava odnos U / f=const. prevalni moment će takoĊe biti konstantan. Pri

nominalnom naponu i povećanju frekvencije smanjuje se magnetni fluks i opada moment motora,

slika 2 (f1 - osnovna frekvencija motora). Pogodnim U / f upravljanjem moguće je dobiti konstantnu

promenu momenta i vrlo finu promenu brzine obrtanja motora. Jako je ekonomiĉno upravljanje,

štedi mnogo energije i moguće je da motor radi veoma dugo bez prekida, sa smanjenom brzinom,

jer je odnos U / f uvek konstantan, tako da magnetni fluks nije prekinut i nema opasnosti da motor

uĊe u zasićenje.

Frekventni regulator kontroliše zajedno izlaznu frekvenciju i napon prema slici 5,

odrţavajući konstantan odnos napon/frekvencija (U / f=const.). Momenat koji se stvara direktno je

proporcionalan ovom odnosu, što znaĉi da je na svim brzinama (do nominalne brzine) moment

konstantan i jednak je nominalnom momentu. Ovo znaĉi da motor na svim brzinama moţe da

isporuĉi pun moment.

Da bi se moment motora odrţao konstantnim, simultano sa frekvencijom potrebno je

35

menjati i napon napajanja, ĉije smanjenje utiĉe na povećanje momenta i time balansira uticaj

napona na moment (Slika 2.3.3.).

Slika 22. Regulacija brzine promenom frekvencije

Slika 2. Promena momentnih karakteristika kod skalarne regulacije

Slika 5. Odnos napona i frekvencije pri korišćenju frekventnog regulatora

Slika 2.3.3. Momentna karakteristika dobijena primenom frekventnog regulatora

36

2.2.2.1.1 Frekventni regulator

Frekventni regulator je ureĊaj koji se koristi za regulaciju brzine obrtanja asinhronog

motora. Što ga ĉini nezamenjivim u velikom broju automatski regulisanih i ruĉno regulisanih

pogona. Uglavnom ima veliku primenu u industriji iz razloga što su dosta pouzdani u radu i pored

dobre regulacije brzine motora oni motor na neki naĉin i štite prvenstveno zbog mogućnosti mekog

i laganog sartovanja motora.

Mnogo toga se promenilo od pojave prvog frekventnog pretvaraĉa, koji je sadrţavao u sebi

tiristore, do pojave današnjeg mikroprocesorski upravljanog pretvaraĉa.

Tako da pored pune kontrole brzine motora naizmeniĉne struje, korišćenje frekventnog

regulatora nudi i brojne druge prednosti:

- Ušteda energije je pogotovo u današnje vreme jedan od prioritetnih zahteva. Ovo se pre svega odnosi na pogone sa pumpama i ventilatorima, gde je utrošak energije

proporcionalan trećem stepenu brzine. Na primer, pogon koji radi sa polovinom brzine

troši samo 12,5% nominalne snage.

- Podešavanje brzine u procesu proizvodnje pruţa brojne prednosti u pogledu povećanja produktivnosti, smanjenja troškova odrţavanja itd.

- Broj startovanja i zaustavljanja mašine moţe se punom kontrolom brzine drastiĉno smanjiti. Korišćenjem laganog ubrzavanja i usporavanja, izbegavaju se naprezanja i

nagli udari u mašinskim sklopovima.

- Uz smanjenje troškova odrţavanja, poboljšava se radno okruţenje.

Pored osnovne funkcije upravljanja brzinom asinhronih motora, frekventni regulatori

integrišu i brojne druge funkcionalnosti kao što su: zaštita motora, alarmiranje, procesno upravljanje

u zatvorenoj petlji (na primer odrţavanje konstantnog pritiska u cevi), mogućnosti podešavanja

brzine i kontrola rada putem raznih interfejsa (ruĉno preko tastera na samom regulatoru ili daljinski

povezivanjem na komunikacione interfejse).

Statiĉki frekventni pretvaraĉi su elektronski ureĊaji koji omogućavaju upravljanje brzinom

trofaznih motora pretvarajući mreţni napon i frekvenciju, koje su fiksnih vrednosti u promenljive

veliĉine. Većina statiĉkih frekventnih regulatora koji se danas koriste u industriji za regulaciju ili

upravljanje brzinom trofaznih motora su pravljeni na osnovu dva principa:

- frekventni regulatori bez meĊukola (poznati kao direktni pretvaraĉi) i

- frekventni regulatori sa promenljivim ili konstantnim meĊukolom.

Frekventni regulatori sa meĊukolom imaju ili strujno meĊukolo, ili naponsko meĊukolo i

oni se nazivaju strujni invertori i naponski invertori. Pretvaraĉi frekvencije sa meĊukolom imaju

odreĊene prednosti u odnosu na direktne pretvaraĉe frekvencije, kao što su:

- bolje upravljanje strujom.

- redukcija viših harmonika.

- neograniĉena izlazna frekvencija (ali ograniĉenje postoji u upravljanju i korišćenju samih elektronskih komponenti. Frekventni pretvaraĉi za visoke izlazne frekvencije su u

najvećem broju sluĉajeva izvedeni sa meĊukolom).

Direktni frekventni regulatori su nešto jeftiniji od invertora sa meĊukolom, ali imaju tu

manu da poseduju lošiju redukciju viših harmonika.

2.2.2.1.1.1 Frekventni regulatori sa međukolom

Frekventni regulator sa meĊukolom se sastoji od ĉetiri glavne komponente (slika 3 i 6):

37

1. Ispravljača, postoje dva osnovna tipa ispravljaĉa: kontrolisani i nekontrolisani.

2. Međukola, postoje tri tipa:

meĊukolo, koje konvertuje ispravljaĉki napon u direktnu struju.

meĊukolo, koje stabiliše (pegla) pulsirajući DC napon i stavljaju ga na raspolaganje invertoru.

meĊukolo, koje konvertuju konstantan DC napon ispravljaĉa u promenljiv AC napon.

3. Invertora, koji generiše frekvenciju napona na motoru.

4. Upravljačkog kola, koje šalje i prima signale iz ispravljaĉa, meĊukola i invertora.

Slika 6. Komponente frekventnog regulatora

38

Slika 3. Pretvaranje fiksnih vrednosti u promenljive

Strukturu frekventnog regulatora u pogonima naizmeniĉne struje ĉini ispravljaĉ sa

jednosmernim meĊukolom i invertor ĉija je blok struktura prikazana na Sl.2.4.1.

Sl. 2.4.1. Struktrurna blok šema frekventnog regulatora (ispravljaĉ-invertor)

Komponente frekventnog regulatora, Slika 14, su:

1. kontrolisani ispravljaĉ,

2. nekontrolisani ispravljaĉ,

3. promenljivo DC meĊukolo,

4. konstantno DC meĊukolo ,

5. promenljivo DC meĊukolo ,

6. PAM invertor i

7. PWM invertor.

39

Slika 14. Komponente frekventnog regulatora

Razliĉitim spajanjem prethodno navedenih komponenti dobijamo razliĉite dizajne kontrole

motora kao što je prikazano na slici 14. Dobijamo sledeće naĉine regulacije:

- strujni invertor: CSI (1+3+6)

- amplitudno-modulisani invertor: PAM (1+4+7) (2+5+7)

- širinsko-modulisani invertor: PWM (2+4+7)

1. Ispravljač

Ispravljaĉi frekventnih regulatora koriste se za ispravljanje ulaznog signala i sastoje se od

dioda i tiristora. Ispravljaĉ saĉinjen od dioda je nekontrolisan, a ispravljaĉ saĉinjen od tiristora je

kontrolisan. Ako su korišćene i diode i tiristori tada je ispravljaĉ polukontrolisan.

Ispravljaĉi mogu biti upravljivi i neupravljivi u zavisnosti od potrebe za regulacijom napona

jednosmernog meĊukola.

Nekontrolisani ispravljač

Diode dozvoljavaju protok struje samo u jednom smeru, od anode (A) ka katodi (K). Ne

postoji mogućnost, kao u sluĉaju nekih drugih poluprovodnika, kontrolisanja jaĉine struje.

Naizmeniĉni napon putem dioda pretvara se u pulsirajući jednosmerni napon. Ako trofazni

naizmeniĉni napon napaja nekontrolisani trofazni ispravljaĉ, jednosmerni napon će neprestano

pulsirati.

40

Slika 7. Nekontrolisani ispravljaĉ

Kontrolisani ispravljač

U kontrolisanim ispravljaĉima, diode su zamenjene tiristorima. Kao dioda, tiristor

dozvoljava tok samo od anode (A) ka katodi (K). MeĊutim, razlika izmeĊu te dve komponente je ta

što tiristor ima treći izvod gejt (G). Gejt mora biti kontrolisan pre nego što tiristor provede. Kada

struja proteĉe kroz tiristor, on će provoditi sve dok struja ne postane nulta. Struja ne moţe biti

prekinuta signalom na gejtu. Tiristori se ĉesto koriste u ispravljaĉima kao i u invertorima.

Slika 8. Kontrolisani ispravljaĉ

Za razliku od nekontrolisanog ispravljaĉa, kontrolisani ispravljaĉ prouzrokuje glavne

gubitke i poremećaje u napajanju, zato što ispravljaĉ povlaĉi više reaktivne snage ako tiristori

provode kratko vreme. MeĊutim, prednost kontrolisanih ispravljaĉa je što se energija moţe vratiti u

41

mreţno napajanje.

2. Međukolo

Jednosmerno meĊukolo poseduje kolo za koĉenje sa prekidaĉem Pk i otpornikom Rk koje

obezbeĊuje disipaciju energije u sluĉaju generatorskog reţima rada motora.

MeĊukolo se moţe videti kao neka vrsta skladišta iz koga motor vuĉe energiju kroz invertor.

Kao što je već spomenuto meĊukolo moţe biti napravljeno na tri naĉina u zavisnosti od

konstrukcije ispravljaĉa i invertora:

- ureĊaj sa konstantnom strujom,

- ureĊaj sa konstantnim naponom i

- ureĊaj sa promenjivim jednosmernim meĊukolom.

Strujni invertori (I-regulatori)

Kod strujnih invertora (slika 9) meĊukolo se sastoji od velikog kalema i kombinuje se,

iskljuĉivo sa kontrolisanim ispravljaĉem. Kalem transformiše promenljiv napon iz ispravljaĉa u

promenljivu direktnu struju. Opterećenje odreĊuje napajanje motora.

Slika 9. Promenljivo DC meĊukolo

Naponski invertori (U-regulatori)

Kod naponskih invertora (slika 10) meĊukolo se sastoji od kondenzatora (filtra) i moţe biti

kombinovano sa oba tipa ispravljaĉa. Filter poravnava pulsirajući napon (UZ1) ispravljaĉa. U

kontrolisanom ispravljaĉu napon je konstantan na zadatoj frekvenciji, i snabdeva invertor sa ĉistim

jednosmernim naponom (UZ2) promenljive amplitude. U nekontrolisanom ispravljaĉu, napon na

ulazu invertora je jednosmerni napon konstantne amplitude.

Slika 10. Konstantno jednosmerno naponsko meĊukolo

42

Promenljivo jednosmerno međukolo

U promenjivom jednosmernom meĊukolu, veţe se ĉoper spuštaĉ napona (buck) ispred LC

filtra koji sluţi da izravna izlazni naponski signal iz ĉopera i da ga drţi konstantnim. Ĉoper ima

tranzistor, koji radi kao prekidaĉ koji ukljuĉuje i iskljuĉuje ispravljeni napon. Upravljaĉko kolo

reguliše ĉoper, poredeći promenljivi napon nakon filtra UV sa ulaznim signalom. Kada ĉoperski

tranzistor prekine struju, filterski kalem povećava napon na tranzistoru. Da bi se ovaj efekat

izbegao, ĉoper se zaštićuje sa diodom. Kada se tranzistor otvori i zatvori, kao što je prikazano na

slici.

Slika 11. Promenljivo meĊukolo i regulacija meĊukola ĉoperskim tranzistorom

Filter meĊukola ravna naponski talas posle ĉopera. Filterski kondenzator i kalem drţe

konstantan napon na datoj frekvenciji. Napon na izlazu ovog ĉopera je uvek niţi od napona na

ulazu. MeĊukolo takoĊe obezbeĊuje odreĊen broj dopunskih funkcija u zavisnosti od dizajna, kao

što su:

- razdvajanje ispravljaĉa od invertora,

- redukciju harmonika,

- energetske zalihe za povremene udare.

3. Invertor

Uloga invertora je da pretvara jednosmerni napon u naizmeniĉni napon pogodan za rad

motora. Napajanje invertora je konstantanim naponom. Invertor upravlja dvema veliĉinama:

frekvencijom i amplitudom.

Osnovni elementi invertora su poluprovodniĉki prekidaĉi koji mogu kontrolisati obe

veliĉine: frekvenciju i amplitudu napona. Invertori se prave po istom principu. Glavni deo su

kontrolisani poluprovodnici smešteni u tri mosta. Današnji tiristorski invertori zamenjeni su

tranzistorskim. Prednost tranzistora je ta da oni mogu biti provodni i neprovodni u bilo kom

trenutku, dok tiristor ne moţe promeniti stanje sve dok struja koja kroz njega protiĉe ne bude

jednaka nuli. Prekidaĉka frekvencija tranzistora kreće se u opsegu 300 Hz - 15 kHz. Upravljanje

poluprovodniĉkim prekidaĉima tj. njihovo ukljuĉivanje i iskljuĉivanje vrši se iz upravljaĉkog kola.

Invertor moţe kontrolisati struju i pri ovoj kontroli zahtevaju se dosta komponenti za razliku od

naponske regulacije.

Invertor je poslednji ureĊaj frekventnog regulatora ispred motora i taĉke gde se odvija

finalna adaptacija izlaznog napona. Frekventni regulator garantuje dobre operativne uslove, kroz

43

ĉitav kontrolni opseg, adaptirajući izlazni napon prema uslovima opterećenja. To je moguće izvesti

sa magnetisanjem motora na optimalnoj vrednosti. Iz meĊukola invertor prima:

- promenljivu direktnu struju,

- promenljiv jednosmerni napon i

- konstantan jednosmerni napon.

U svakom sluĉaju, regulator osigurava da napajanje bude kvantitativno promenljivo. Drugim

reĉima, frekvencija napona napajanja motora se uvek generiše u invertoru. Ako su struja i napon

promenljivi, invertor generiše samo frekvenciju. Ukoliko je napon konstantan, invertor generiše

frekvenciju kao i napon. Iako invertori rade na razliĉite naĉine, njihova osnovna struktura je uvek

ista (slika 13). Glavne komponente su kontrolisani poluprovodnici, postavljeni u parove u tri grane.

Tiristori su sada zamenjeni sa visokofrekventnim tranzistorima koji se brzo pale i gase.

Poluprovodnici u invertoru se ukljuĉuju i iskljuĉuju signalom generisanim u upravljaĉkom kolu.

Signali mogu biti kontrolisani na razliĉite naĉine.

Na osnovu kontrolisanja signala mogu biti dva razliĉita invertora (slika 12) to su:

- amplitudno-modulisani invertor PAM

- širinsko-modulisani invertor PWM

Slika 12. Dva razliĉita invertora

Tradicionalni invertori sastoje se od šest dioda, šest tiristora i šest kondenzatora. Pri

promenljivom ili konstantnom naponu meĊukola invertori, imaju šest prekidaĉkih komponenti i bez

obzira koji poluprovodnici su upotrebljeni, funkcija je baziĉno ista. Upravljaĉko kolo ukljuĉuje i

iskljuĉuje poluprovodnike koristeći razliĉite modulacione tehnike i na taj naĉin se menja izlazna

frekvencija frekventnog regulatora.

44

Slika 13. Rad invertora

4. Upravljačko kolo

Upravljaĉko kolo ili upravljaĉka kartica, je ĉetvrta vaţna komponenta frekventnog

regulatora i ima ĉetiri bitna zadatka:

- upravljanje poluprovodnicima frekventnog regulatora,

- razmena podataka izmeĊu frekventnog regulatora i perifernih ureĊaja,

- sakupljanje i izveštavanje o porukama greške,

- ostvarivanje zaštitne funkcije za frekventni regulator i motor.

Mikroprocesori povećavaju brzinu upravljaĉkog kola, znaĉajno povećavajući broj

odgovarajućih aplikacija za pokretanje, a ujedno smanjujući broj neophodnih proraĉuna. U

frekventnom regulatoru integrisani su mikroprocesori, koji omogućavaju da se determiniše

optimalan skup impulsa za svako radno stanje.

2.2.2.1.1.2 Frekventni regulatori bez međukola (ciklokonvertori)

Regulacija brzine promenom uĉestanosti napona napajanja najĉešće se izvodi statiĉkim

invertorima (ciklokonvertorima), slika . Kada je na ulazu B pozitivna poluperioda, ukljuĉuju se

tiristori CSR3 i CSR6, a kada je na ulazu V pozitivna poluperioda CSR4 i CSR5. Ova 4 tiristora

ĉine pozitivnu grupu tiristora, dok ostala 4 ĉine negativnu grupu. S obzirom da se tiristori 3, 6, 8 i 1

kasnije ukljuĉuju, srednja vrednost napona opterećenja jedne poluperiode je pribliţno oblika

isprekidane linije na dijagramu, ĉije je trajanje tri puta duţe, a uĉestanost na motoru tri puta manja.

Time se dobija i tri puta manja brzina obrtanja motora.

45

Slika

Slika

Prednost pogona sa ciklokonvertorom je pre svega u manjim gubicima, što je posledica

jednostepanog pretvaranja energije. Pored toga, konvertor se sastoji iz standardnih ispravljaĉa sa

mreţnom komutacijom i tiristorima bez posebnih zahteva za kratkim vremenom oporavka.

Zahvaljujući strujnoj regulaciji rekuperacija energije je moguća, pa se rad pogona, imajući još u

vidu da se promenom faznog redosleda strujnih referenci moţe okrenuti smer obrtnog polja. Moţe

odvijati u sva ĉetiri kvadranta.

U podešavanju uĉestanosti, odnosno brzine, moţe se poći od same nule. MeĊutim,

ograniĉena maksimalna uĉestanost predstavlja osnovni nedostatak ovakvog pogona. U praksi se

smatra da maksimalna uĉestanost, preko koje distorzija sinusoide postaje preterana, iznosi ns·fs/15,

gde je fs uĉestanost napajanja, a ns broj pulseva ispravljaĉa u periodi te uĉestanosti. Opseg pri

napajanju uĉestanošću od 50 Hz kod šestopulsnog ispravljaĉa je dakle od 0 do 20 Hz. Drugi

nedostatak je u velikom broju tiristora (ukupno 36) i u sloţenosti napojnog transformatora sa tri

sekundara.

Ovi nedostaci predodreĊuju mesto primene ovog rešenja, to su sporohodni pogoni velikih

snaga, gde je i inaĉe, zbog velikih struja potrebno paralelno vezivanje više tiristorskih grana.

Šema ciklokonvertora (direktnog pretvaraĉa uĉestanosti) znatno se razlikuje od prethodnih

šema po tome što nema jednosmernog meĊukola niti ikakvih rezervoara energije u vidu

kondenzatora ili induktivnosti u tom kolu. Pretvaranje nije dvostepeno (naizmeniĉna struja

konstantne uĉestanosti u jednosmernu pa zatim jednosmerna u naizmeniĉnu promenljive

uĉestanosti) već direktno.

2.2.2.1.1.3 Izbor frekventnih regulatora

46

Za pravilan izbor frekventnog regulatora potrebno je poznavati karakteristiku opterećenja

motora. Karakteristike momentna opterećenja veoma ĉesto u praksi su konstantne i kvadratne

(promenljive).

Nakon detekcije tipa opterećenja vrši se izbor frekventnog regulatora prema snazi motora.

Ovo se moţe uraditi na sledeće naĉine:

1. Izbor frekventnog regulatora prema nominalnoj struji. Motor snage 7,5 kW,

predviĊen za napon 3×400 V ima nominalnu struju 14,73 A. Znaĉi da frekventni regulator mora u

trajnom radu, pri nominalnom naponu da obezbedi struju od 14,73 A ili veću za konstantni ili

kvadratni momenat opterećenja. Ovaj princip ilustruje slika 15.

Slika 15. Izbor frekventnog regulatora prema nominalnoj struji motora

2. Izbor frekventnog regulatora prema prividnoj snazi. Motor snage 7,5 kW, predviĊen

za napon 3×400 V ima nominalnu struju 14,73 A. Znaĉi da frekventni regulator mora u trajnom

radu, pri nominalnom naponu da obezbedi snagu od SM=10,2 kVA ili veću za konstantni ili

kvadratni momenat opterećenja. Ovaj princip ilustruje slika 16.

Slika 16. Izbor frekventnog regulatora prema prividnoj snazi motora

3. Izbor frekventnog regulatora prema izlaznoj snazi motora. Ukoliko se stepen

korisnog dejstva η i faktor snage cosφ menjaju sa opterećenjem ovaj metod je neprecizan. Motor

snage 3 kW za koji je cosφ=0,8 i cosφ=0,81 ima prividnu snagu: SM=4,6 kVA. Znaĉi da frekventni

regulator mora u trajnom radu, pri nominalnom naponu da obezbedi snagu od SM=4,6 kW ili veću

za konstantni ili kvadratni momenat opterećenja. Ovaj princip ilustruje slika 17.

Slika 17. Izbor frekventnog regulatora prema izlaznoj snazi motora

4. Iz praktičnih razloga, frekventni regulatori se prave u serijama koje odgovaraju

standardnim snagama motora. Najĉešće je moguće odabrati frekventni regulator samo na osnovu

poznate izlazne snage motora. U nekim sluĉajevima ovo moţe biti neprecizan izbor, ako motor radi

u reţimima sa opterećenjem manjim od nominalnog. Ovaj princip je prikazan na slici 18.

47

Slika 18. Izbor frekventnog regulatora na osnovu standardne izlazne snage motora

2.2.2.2. Vektorsko upravljanje asinhronim motorima

Vektorsko upravljanje je najsavremenija metoda upravljanja asinhronim motorima. Kod

asinhronog motora ne postoje veliĉine pomoću kojih se moţe direktno upravljati momentom i

brzinom obrtanja motora. Pomoću naprednih matematiĉkih modela zapisanih u vektorskom

obliku, se proraĉunavaju veliĉine kojima se direktno i nezavisno upravlja magnetnim fluksom i

momentom. Ovakav vid upravljanja je postao moguć tek razvojem najbrţih hardvera za

obradu signala. Vektorskim upravljanjem se ostvaruju dobre performanse i brzina odziva, bez

potrebe za enkoderom brzine obrtanja (Slika 3.1.2.). To je zbog toga što se, kao kod motora

jednosmerne struje, upravlja veliĉinama koje direktno i nezavisno utiĉu na magnetni fluks i

moment motora.

Kada elektromotorni pogon zahteva brz odziv momenta i taĉniju regulaciju brzine, potrebno

je da sistem poseduje mogućnost zatvaranja povratne sprege. Ipak, visoke performanse

elektromotornih pogona nije moguće obezbediti frekventnim regulatorima u zatvorenoj petlji po

veliĉini kojom se ţeli upravljati. Visoke performanse elektromotornih pogona zahtevaju principe

vektorskog upravljanja gde se upravljanje vrši brzom promenom intenziteta i faznog stava

upravljaĉkih veliĉina (napona, struje i fluksa). Vektorsko upravljanje zahvaljujući razvoju

mikrokompjuterske tehnike, omogućava da motor naizmeniĉne struje postane upravljiv sa istim

kvalitetima kao motor jednosmerne struje.

Slika 3.1.2. Vektorsko upravljanje asinhronim motorima

Proraĉun bitnih veliĉina motora se vrši na osnovu vrednosti struja i napona na ulazu u stator

asinhronog motora.

Ova metoda upravljanja omogućava upravljanje motorima naizmeniĉne struje brţe i

preciznije nego motorima jednosmrne struje. Uzimajući u obzir i konstrukcijske prednosti motora

naizmeniĉne struje, jasna je tendencija postepene zamene elektromotornih pogona sa motorima

jednosmerne struje elektromotornim pogonima sa asinhronim pogonima sa vektorskim

upravljanjem.

Prednosti su:

- dobar odziv pri promeni opterećenja,

- precizna regulacija brzine obrtanja,

- moguć maksimalni prekretni moment pri brzini obrtanja n=0,

- performanse uporedive sa motorima jednosmerne struje itd.

Upotrebom energetskih pretvaraĉa i savremenih metoda upravljanja, vektorsko

48

upravljanje asinhronim motorima omogućava upravljanje u širokom opsegu brzina, brzo i precizno

kao motorima jednosmerne struje.

Onovni pravca razvoja vektorskog upravljanja su:

- vektorsko upravljanje na bazi orijentacije polja FOC (Field Oriented Control)

- FLC (Feedback Linearization Control)

- direktno upravljanje momentom DTC (Direct Torque Control)

1. Vektorsko upravljanje na bazi orijentacije polja FOC

S obzirom na naĉin odreĊivanja orijentacije polja FOC (Field Oriented Control) postoji:

- Direktno vektorsko upravljanje Feed-Back:

Ugao referentnog sistema se odreĊuje iz proraĉuna flukseva (na bazi merenja struja, podataka o naponu i brzini).

Moţe se realizovati i bez podatka o uglu (brzini) vratila motora.

- Indirektno vektorsko upravljanje