EKMS - P08-2 - WEB.pdf

1

Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci

Zavod za konstruiranje u strojarstvu

ELEKTRONIČKE KOMPONENTE MEHATRONIČKIH SUSTAVASUSTAVA

7. Elektromehanički (elektromagnetski) aktuatori

Izvor: Predavanja Elementi automatizacije postrojenja, Red. prof. dr. sc. Vladan Papić

5. ELEKTROMEHANIČKI (ELEKTROMAGNETSKI) AKTUATORI

Elektromagneti

DC motori

AC motori

PM motori

Koračni motori

2

5.2. ISTOSMJERNI (DC) MOTORI

Istosmjerni motori su dobili naziv po tome što ih pogoni istosmjerna struja. Često se nazivaju i DC motori zbog engleskog naziva za istosmjernu struju (Direct Curent).

• Jednostavni DC motor ima namot koji može rotirati u magnetskom• Jednostavni DC motor ima namot koji može rotirati u magnetskom polju.

• Struja u namotu dolazi preko dvije četkice koje ostvaruju pokretni kontakt s komutatorom.

• Namot se nalazi u magnetskom polju.

Sila koja se javlja zbog protjecanja struje i magnetskog polja uzrok je momentu koji zakreće petlju.


Dijelove istosmjernih strojeva moguće je podijeliti na:

– Mehaničke dijelove – kućište osovina ležajni štitovi ležaji– Mehaničke dijelove kućište, osovina, ležajni štitovi, ležaji, ventilatori;

– Električke dijelove – namot statora i rotora, kolektor, četkice, priključne stezaljke;

– Magnetske dijelove – jaram statora, glavni i pomoćni polovi statora, jaram i zubi rotora, zračni raspor;

3


Stator istosmjernog stroja se sastoji od kućišta i od istaknutih (glavnih) polova s uzbudnim namotom.

Na statoru su smještene i četkice koje kližu po kolektoru rotora. Kućište ujedno čini i jaram statorskoga magnetskoga kruga. Na statoru su prisutni i neki konstrukcijski dijelovi poput nosača ležaja, te nosača držača četkica.

Istosmjerni strojevi manjih i srednjih snaga posjeduju i pomoćne polove s pomoćnim namotom.

Kod najvećih strojeva postoji i kompenzacijski namot u utorima glavnih Kod najvećih strojeva postoji i kompenzacijski namot u utorima glavnih polova. Uzbudni namoti (nezavisna, serijska, poredna) svojim protjecanjem djeluju u uzdužnoj osi stroja.

Namot pomoćnih polova i kompenzacijski namot svojim protjecanjem djeluje u poprečnoj osi stroja.


Rotor se sastoji od rotorskog paketa, namota armature, kolektora i osovine.

Armaturni namot je smješten u utorima na obodu rotora, i spojen na kolektor koji se sastoji od međusobno izoliranih lamela.

Armaturni namot svojim protjecanjem djeluje u poprečnoj osi stroja.

4


• Kućište statora je izrađeno od lijevanog čelika.

• Na unutarnjoj strani kućišta nalazi se jaram nakućišta nalazi se jaram na koji su ugrađeni glavni i pomoćni polovi sa svojim namotima. Jaram s polovima predstavlja stator.

• Na osovini rotora nalazi se rotorski paket sastavljenrotorski paket sastavljen od dinamo-limova, a u utorima tog paketa ugrađen je armaturni namot koji je priključen na lamele kolektora.

POPREČNI PRESJEK: 1) Kućište; 2) Glavni pol; 3) Namot glavnog pola; 4) Pomoćni pol; 5) Namot pomoćnog pola; 6) Rotorski paket; 7) Armaturni namot; 8) Osovina


• Princip rada istosmjernog motora objasnit ćemo na pojednostavljenom shematskom

Princip rada – elektromagnetski moment

prikazu dvopolnog motora s jednim zavojem na rotoru.

• Kada na četkice rotora narinemoistosmjerni napon, preko kolektora proteče struja kroz dva vodiča zavoja.

• Budući da se vodiči nalaze u magnetskom polju stvorenom od strane elektromagneta na istaknutim polovima, na svaki vodič djeluje sila: F= B I l , gdje je B – magnetska indukcija, I -struja i l - duljina vodiča.

5


• Moment na oba vodiča je: M = B·I·l·D

• Stvarni istosmjerni motor ima na


• Stvarni istosmjerni motor ima na rotoru namot s p pari polova, zvodiča i a pari paralelnih grana, te razvija moment:

gdje je Ia ukupna struja armature, a Φgl magnetski tok pod jednima Φgl magnetski tok pod jednim polom:

Φ = Bsr·τp·l

gdje je polni korak: τp = Dπ/2p, a Bsr – srednja vrijednost indukcije pod polom.



1) Dovođenje napajanja na zavoj rotora -> magnetsko polje oko armature. Lijeva strana armature je odgurnuta od lijevog magneta >armature je odgurnuta od lijevog magneta -> rotacija

2) Nastavak rotacije

• 3) Komutator mijenja smjer struje i vrtnja se nastavlja

4) Unutrašnjost DC motora

6


• Tijekom vrtnje u svakom vodiču armaturnog (rotorskog) namota inducira se elektromotorna sila: e = B l v , gdje je B – indukcija na mjestu vodiča, l– duljina vodiča u magnetskom polju i v – brzina vodiča.

Princip rada – elektromotorna sila

• Na slici a) prikazan je valni oblik indukcije po obodu rotora (B) i inducirani napon u jednom zavoju ili svitku (e) uz konstantnu brzinu vrtnje, a na slici b) napon svitka na četkicama (eč ) koji se ispravlja pomoću sustava četkica-kolektor.

t, α

B

e• Stvarni istosmjerni motor ima na

rotoru namot s p pari polova, zvodiča i a pari paralelnih grana, ,

a)

t

eč

b)

Ea

p p g ,pa je ukupni inducirani napon armaturnog namota:

gdje je ω kutna brzina vrtnje (rad/s), a Φgl magnetski tok pod jednim polom.


Karakteristike:- veliki izbor veličina i snage- promjena smjera rotacije izvediva je zamjenom +/- stezaljki- brzina vrtnje se mijenja promjenom napona ili struje- životni vijek zavisi od: momenta, brzine n, pogona (trajni, s promjenom

j kid i l k tk t j i) k li ( bij t ib ij )smjera, prekidni, vrlo kratkotrajni), okoline (ambijent, vibracije, ...),integracije u sustav.- Sva se svojstva definiraju pri nominalnom naponu UN

Prednosti :- mogu biti jako mali ( i do 1,9 mm s osovinom od 0,24 mm) ili plitki (2 mm(s osovinom 10)) i s već integriranim reduktorom i senzorom- mirni rad i uz velike brzine (više tisuća rpm) i snage (kW).mirni rad i uz velike brzine (više tisuća rpm) i snage (kW).

Nedostaci- trenje je dominantno u sustavima (prije reduktora su) te je ovisno otemperaturi, kontrola postaje problematična;- moraju ostati pod naponom (toplina);- kretanje je rotaciono, a često se traži linearno;- feedback (točnost/ponovljivost su ograničeni).

7


PRIMJER: Kataloški podaci – firma SIEMENS

5.3. SINKRONI STROJEVI (AC)

Sinkroni strojevi su rotacijski električni strojevi izmjenične struje koji pretvaraju električnu energiju u mehaničku ili obratno, radeći tako da se rotor u stacionarnom stanju vrti brzinom jednakom brzini vrtnje okretnog polja u stroju (sinkrona brzina) U tu skupinu strojeva spadaju: generatoripolja u stroju (sinkrona brzina). U tu skupinu strojeva spadaju: generatori, kompenzatori i motori.

Sinkroni strojevi imaju brzinu vrtnje n čvrsto određenu s frekvencijom f i brojem pari polova p prema:

Pretežno se koriste kao generatori, a mogu se koristiti i kao motor

8


Uobičajena izvedba sinkronog stroja:- armaturni (radni) namot nalazi se na statoru raspodijeljen po utorima

Princip izvedbe sinkronog stroja

- uzbudni dio stroja nalazi se na rotoru

Uzbuda magnetskog toka stvara se prolazom uzbudne (primarne) struje kroz uzbudni namot.

Istosmjerni se izvor priključuje preko kliznih kolutova i četkica (kontaktno) ili se preko inverznog stroja i rotorskog ispravljača ostvaruje(kontaktno) ili se preko inverznog stroja i rotorskog ispravljača ostvaruje bezkontaktni prijenos energije za uzbudu.

Kod manjih strojeva mogu se za uzbudu koristiti i permanentni magneti.

Umjesto tiristorskog ispravljača nekad je služio istosmjerni generator


Princip izvedbe sinkronog stroja

Bezkontaktni prijenos energije za uzbudu

9

5.3. SINKRONI STROJEVI (AC) - GENERATORI

Da bi se inducirao napon u armaturnom namotu sinkronog generatora treba postojati vremenska promjena magnetskog toka.

Princip rada sinkronog generatora

Prolazom istosmjerne uzbudne struje kroz uzbudni namot, uzbuđuje se konstantni magnetski tok koji je nepokretan kada rotor miruje, a rotirajućikad rotira.

Pri rotaciji uzrokovanoj pogonskim strojem (npr. turbina) magnetski tok polova presjeca vodiče statorskog namota u kojima se inducira izmjenični napon karakteriziran frekvencijom, oblikom i iznosom.

Frekvencija induciranog napona određena je izrazom:

5.3. SINKRONI STROJEVI (AC) - GENERATORI

Oblik induciranog napona obično odstupa od sinusnog za niz nepoželjnih viših harmoničkih članova.

Princip rada sinkronog generatora

Da bi se u trofaznom sinkronom generatoru inducirala tri fazna napona međusobno pomaknuta za 120°, moraju u utorima statora biti smještena tri fazna armaturna namota čiji su početni zavoji prostorno međusobno pomaknuti za kut:

Raspored dvopolnog trofaznog namota

10

5.3. SINKRONI STROJEVI (AC) - MOTORI

Armaturni (radni, statorski) namot priključuje se na izmjeničnu mrežu, a uzbudni (rotorski) namot na istosmjerni izvor. (Dakle, ako sinkroni stroj spojen na krutu mrežu opteretimo momentom, umjesto da ga tjeramo

ki t j či j diti k t )pogonskim strojem, on počinje raditi kao motor.)

Brzina vrtnje je sinkrona i određena izrazom:

Najvažnija karakteristika svakog elektromotora je vanjska ili mehanička karakteristika, koja pokazuje ovisnost n=f(M).


Za sinkroni motor ova karakteristika je apsolutno kruta ili sinkrona, tj. brzina vrtnje je konstantna i ne ovisi o opterećenju.

11


Glavne karakteristike sinkronog motora:- konstantna brzina vrtnje- veća specifična težina i specifična cijena od asinkronog motorap p j g- ako se poveća uzbuda (preuzbuda) može popravljati faktor snage cosφ*- ne može se pokrenuti bez prigušnog namota- brzina vrtnje može se podešavati samo promjenom frekvencije- kod velikih opterećenja ispadne iz sinkronizma

* Faktor snage cos φ je kvocijent djelatne i prividne snage. To je mjera koja pokazuje u kojem iznosu se pored djelatne pojavljuje i jalova snaga.

5.4. ASINKRONI MOTORI (AC)

Asinkroni strojevi su strojevi izmjenične struje kod kojih je brzina vrtnje različita od brzine vrtnje okretnog polja i mijenja se s promjenom opterećenja.

Asinkroni stroj dobio je svoje ime zbog toga, što kod njega brzina rotacijskog magnetnog toka i brzina rotora nisu iste, kao što je slučaj kod sinkronih strojeva. Osim po navedenom asinkroni stroj se razlikuje od sinkronog i po tome što mu rotor nije napajan strujom iz vanjskog izvora. Struje se u rotoru induciraju okretnim poljem statora, zato motor često nazivamo i indukcijskim motorom. Na taj način se postiže pretvorba električne energije u mehaničku bez električkih kontakata na rotirajućim dijelovima stroja.

Dok su sinkroni strojevi uglavnom predstavnici strojeva velike snage, koji se proizvode pojedinačno i pretežno koriste kao generatorikoji se proizvode pojedinačno i pretežno koriste kao generatori, asinkroni su strojevi u većini slučajeva manjih snaga (izrađuju se najčešće u serijskoj proizvodnji) i srednjih snaga, te se pretežno upotrebljavaju kao motori i to trofazni, a samo za male snage i jednofazni.

Pojedinačno se izvode i za veće snage, desetak MW i više, te za napone i preko 15 kV.

12


Asinkroni motor otkrio je Nikola Tesla 1882. godine.

Asinkroni motori najviše se koriste od svih jelektričnih motora.

Do prije dvadesetak godina asinkroni motori uglavnom su se koristili kod pogona koji ne zahtijevaju regulaciju brzine vrtnje.

Zahvaljujući razvoju frekventnih pretvarača u Zahvaljujući razvoju frekventnih pretvarača, u posljednje vrijeme počeli su prevladavati i u pogonima s regulacijom brzine vrtnje.

Asinkroni motori se uglavnom izrađuju i koriste kao trofazni motori, koji na statoru imaju trofazni simetrični namot.


Ovisno o izvedbi rotora trofazni asinkroni motori dijele se na:

- kolutne asinkrone motore, koji na rotoru imaju trofazni simetrični namot,

- kavezne asinkrone motore, kojima je rotorski namot izveden u obliku kaveza.

Jednofazni asinkroni motori izrađuju se samo za manje snage i u glavnom se ne primjenjuju u industriji, već u kućnim aparatima. Imaju kavezni rotor, a na statoru osim glavnog namota imaju i pomoćni namotkavezni rotor, a na statoru osim glavnog namota imaju i pomoćni namotkoji služi za stvaranje okretnog polja.

Magnetski krug asinkronog motora sastoji se kao i kod ostalih rotacionih strojeva od nepokretnog dijela ili statora i pokretnog dijela ili rotora.

13


Izvedba kolutnog asinkronog motora

Statorski i rotorski paket izvedeni su od tankih dinamo-limova, koji su međusobno izolirani radi sprečavanja vrtložnih struja u magnetskim krugovima.

Trofazni rotorski namot se preko kliznih koluta spaja u kratko ili se na njega priključuju vanjski strujni krugovi (otpornici za pokretanje, pretvarači kod primjene asinkronih generatora u vjetroelektranama).


Izvedba kolutnog asinkronog motora

1. Statorski paket2. Statorski namot3. Rotorski paket4. Rotorski namot5. Osovina6. Klizni koluti7. Ventilator8 Ležaji8. Ležaji9. Kućište

14


Statorski namot

Glava statorskog

namota

Statorski paket

StatorskiStatorski utor

Kućište


Kolutni asinkroni motor

Držači četkica

Četkice

Klizni koluti

15


Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

Konstrukcija statora i izvedba njegovog namota jednaka je kolutnom Konstrukcija statora i izvedba njegovog namota jednaka je kolutnommotoru.

U utorima kaveznog rotora smješteni su štapovi koji su na obje strane rotora spojeni ukratko pomoću dva prstena, tako da cijeli namot tvori zatvoreni kavez.

Z lik d k l k ji j f k i j iš f Za razliku od kolutnog rotora koji je trofazan, kavezni rotor je višefazan, jer svaki štap praktički predstavlja svoju fazu u kojoj su naponi i struje fazno pomaknuti u odnosu na susjedni štap.


Izvedba rotora kaveznog asinkronog motora

Na slikama su prikazani osnovni djelovi kaveznog rotora: (1) štapovi (vodiči) (2) kratkospojni prsten (3) rotorski paket(vodiči), (2) kratkospojni prsten, (3) rotorski paket.

Kavezni asinkroni motor je najjednostavniji, specifično najlakši i najjeftiniji, te najpouzdaniji i najčešće korišteni elektromotor.

Kavezni namot je jednofazni i višefazni, a broj pari polova kaveznog rotora prilagođuje se broju pari polova statorskog namota.

16


Odstranjen prsten

Ležaj

OsovinaRotorski štap

VentilatorKratkospojni prsten

Skošenje štapova Kavezni rotor


Princip rada

Statorski namot sastoji se od tri fazna namota koji su izvedeni tako da su njihove geometrijske osi prostorno pomaknute za 1200.

Na trofazni statorski namot narinu se simetrični sinusni fazni naponi Na trofazni statorski namot narinu se simetrični sinusni fazni naponi (uas, ubs, ucs) koji su vremenski fazno pomaknuti za 1200.

Kroz fazne namote proteku struje (ias, ibs, ics) istih amplituda i faznog pomaka od 1200. uas

ias

ias ibs ics

icr

ucs

ics

ubs

ibs

iaribr

ωst

17


Princip rada

• Zbog prostornog pomaka faznih namota od 1200 i vremenski fazno pomaknutih struja od 1200, sve tri struje stvaraju jedinstveno okretno magnetsko polje koje se vrti (rotira) sinkronom brzinom:

uas

ias

ias ibs ics

magnetsko polje koje se vrti (rotira) sinkronom brzinom:

gdje je fs-frekvencija statorskih struja,

p- broj pari polova statorskog namota.

Sinkrona brzina izražena u (rad/s) je: ωs=2πfs/p

[ ]n fps

s= −60 1, min

icr

ucs

ics

ubs

ibs

iaribr

ωst


Princip rada

Ukoliko je motor neopterećen brzina je približno sinkrona (ns), a j p j p ( s),opterećenjem motora brzina mu opada na vrijednost n.

Relativna razlika sinkrone brzine okretnog polja i mehaničke brzine rotora naziva se klizanje (s):

N k d fi i ij kli j b i t j ž i iti k (1 )

s n nn

s

s

s

s= − = −ω ω

ω

Nakon definicije klizanja, brzina vrtnje može se izraziti kao: n=(1-s)ns

Frekvencija rotorskih napona i struja proporcionalna je klizanju: fr=s·fs Inducirani napon u rotorskim namotima je: Er=s·Er0, gdje je Er0 inducirani

napon u rotoru dok rotor miruje (n=0, s=1).

18


Bilanca energije asinkronog motora

Pri pretvorbi energije u različitim dijelovima stroja javljaju se gubici Pri pretvorbi energije u različitim dijelovima stroja javljaju se gubici.

U asinkronom stroju to su gubici u bakru statorskog i rotorskog namota zbog toplinskog djelovanja struje, zatim gubici u željeznoj jezgri statora i željezu rotora zbog vrtložnih struja i histereze, mehanički gubici koji nastaju trenjem u ležajevima, trenjem s okolnim zrakom (ventilator), te dodatni gubici…

Prema tome, dobivena snaga iz stroja bit će kao i uvijek manja od privedene za te gubitke


Bilanca energije asinkronog motora

Omjer između čiste mehaničke snage P2 i primarne snage P1 koju Omjer između čiste mehaničke snage P2 i primarne snage P1 koju motor uzme iz mreže predstavlja korisnost motora

19


Momentna karakteristika pri nazivnom naponu i frekvenciji

Uz zanemaren otpor statorskog namota (Rs=0) dobiva se Uz zanemaren otpor statorskog namota (Rs 0), dobiva se pojednostavljena momentna karakteristika motora koja je funkcija klizanja (s):

MM

ss

ss

epr

pr

pr=

+

2

gdje su:Mpr- prekretni (maksimalni) moments prekretno klizanje (klizanje pri maksimalnom momentu)spr - prekretno klizanje (klizanje pri maksimalnom momentu)



Uz konstantne parametre motora

stabilno (radno) d čjparametre motora

prekretni moment je:

gdje su:

K – konstanta ovisna o parametrima

M K pUpr

s

s

=2

2ω

Me

Mpr

nestabilno područje

područje

motora

p – broj pari polova

ωωs

s1 spr 0

0

Mp

20



Potezni moment Mp mora biti veći od momenta tereta (momenta Potezni moment Mp mora biti veći od momenta tereta (momenta opterećenja), da motor može krenuti.

Stacionarna brzina vrtnje dobije se u sjecištu momentne karakteristike motora i karakteristike tereta



Na slici su prikazane tri različite karakteristike

Me

Mt3

Mrazličite karakteristike momenta tereta, pri čemu je za Mt1 i Mt2 moguće izvršiti zalet motora i uspostaviti stacionarnu radnu točku, dok to nije moguće za Mt3 budući da je potezni (početni)

ωωs0

Mt1

Mp Mt2

Stacionarna brzina vrtnje ω < ωs

moment motora (Mp) manji od momenta tereta.

Stacionarna radna točka: Me= Mt

21



• M - kvadratna

Me

Mt3

M• Mt1 - kvadratna

karakteristika tereta (ventilator, crpka, ...)

• Mt2 , Mt3 – konstantan moment tereta (dizalo, ...)

ωωs0

Mt1

Mp Mt2

Stacionarna brzina vrtnje ω < ωs

Stacionarna radna točka: Me= Mt



Snaga moment i brzina vrtnje povezani su izrazima: Snaga, moment i brzina vrtnje povezani su izrazima:

ili

22


Upravljanje brzinom vrtnje

Brzinom vrtnje asinkronog motora moguće je upravljati na sljedeće j g g j p j jnačine:

- promjenom efektivne vrijednosti napona statora- promjenom broja pari polova- dodavanjem otpora u rotorski krug (samo kod kolutnih motora)- promjenom frekvencije i napona statora – najkvalitetnije upravljanje

Ako tehnološki proces tako zahtjeva, upravljanje (regulacija) brzine može biti neophodna i prema tom zahtjevu bira se čitava struktura elektromotornog pogona (uređaj za napajanje motora, motor, senzori, regulacijski elementi).


Upravljanje brzinom vrtnje

Principna struktura suvremenog elektromotornog pogonap g g p g

23


Upravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

Efektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja (α) j p j j p j j ( )tiristorskog pretvarača, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.

Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan kvadratu napona, M=k Us

2

Nedostatak ovog upravljanja je usko područje regulacije i povećani gubici motora.

L1 u

M 3 ~

L2L3

us

L1

α

t

us


Efektivnu vrijednost napona M

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom napona statora

Efektivnu vrijednost napona statora mijenjamo kutem upravljanja (α) tiristorskog pretvarača, koji u svakoj fazi ima antiparalelni spoj dva tiristora.

Za svaku brzinu moment motora je proporcionalan

UsnMn

2

1

0,8Usn

Mt

j p pkvadratu napona, M=k Us

2

Nedostatak ovog upravljanja je usko područje regulacije i povećani gubici motora.

ωωs0

1

ω2

ω1ω1< ω2 < ωs

24


Statorski namot je posebno projektiran

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

Statorski namot je posebno projektiran tako da se njegovim prespajanjemdobiva namot s različitim brojem polova, čime se mijenja sinkrona brzina vrtnje:

Različitim spojevima mogu se postići različite brzine momenti i snage

n fps

s= 60

R

T SR

a)

različite brzine, momenti i snage

Primjer: Dahlanderov spoj - statorski namot s šest namotaja –a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2

ST

b)


Primjer: Dahlanderov spoj -

Upravljanje brzinom vrtnje promjenom broja pari polova

Primjer: Dahlanderov spojstatorski namot s šest namotaja –a) spoj zvijezda ; b) spoj trokut - omjer sinkronih brzina 1 : 2

M

Mn

2

1 Mt

p = 2p = 4

n

0

1 t

750 1500n1 n2

25


Upravljanje brzinom vrtnje promjenom frekvencije

Brzina je direktno proporcionalna Brzina je direktno proporcionalna frekvenciji

Frekvencija se mijenja pomoću frekvencijskog pretvarača, koji proporcionalno frekvenciji istovremeno mijenja i napon statora tj održava omjer

n n s fp

sss= − = −( ) ( )1 60 1

L1L2L3

f1 = 50 Hz

=

=

≈

≈

Frekvencijski pretvarač

mijenja i napon statora, tj. održava omjer Us / fs = konst.

M 3 ~

0 < fs < fsmax

Φ = ≈k Uf

konsts

s

.



Da bi pri promjeni frekvencijeL1L2L3

f1 = 50 Hz

=

=

≈

≈

Frekvencijski pretvarač

Da bi, pri promjeni frekvencije, maksimalni moment motora ostao jednak potrebno je da magnetski tok (Φ) ostane konstantan.

Magnetski tok u motoru približno je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i

M 3 ~

0 < fs < fsmax

Φ = ≈k Uf

konsts

s

.

tog razloga osim frekvencije mijenja i napon.

26



Da bi pri promjeni Da bi, pri promjeni frekvencije, maksimalni moment motora ostao jednak potrebno je da magnetski tok (Φ) ostane konstantan.

Magnetski tok u motoru

M

Mn

2

fs = 50 Hzfs = 25 Hzfs = 10 Hz

Magnetski tok u motoru približno je proporcionalan omjeru Us / fs, pa se iz tog razloga osim frekvencije mijenja i napon.

n

0

2

1 Mt

n1 n2 n3


Upravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

Motori su projektirani za nazivni napon (U ) i nazivnu frekvenciju (f ) Motori su projektirani za nazivni napon (Usn) i nazivnu frekvenciju (fsn).

Za regulaciju brzine do nazivne frekvencije, napon se mijenja proporcionalno frekvenciji, tj. održava se omjer Us / fs = konst.

Pomoću frekvencijskog pretvarača brzinu asinkronog motora moguće je regulirati i za brzine veće od nazivne (fs > fsn), ali u tom području nije mog će po eća ati napon po akon U / f konst eć se naponmoguće povećavati napon po zakonu Us / fs = konst., već se napon drži jednak nazivnom (Us=Usn).

Zbog toga se povećanjem frekvencije smanjuje magnetski tok i maksimalni moment motora, a taj se režim naziva “režim slabljenja magnetskog toka”

27


Upravljanje brzinom vrtnje iznad nazivne brzine

M

Mn

2

fsn = 50 Hz

Usn

Us

ΦUs Φ

fs4

fs5

fs6

fs1 fs2

n

1

fsfsn


28


5.5. Ostali motori - PM MOTORI

PM motori– Elektronički komutirani motori (DC motori bez četkica)– Sinkroni motori s permanentnim magnetima na rotoru

29


Posljednjih dvadesetak godina naglo se povećava primjena električnih motora s permanentnim magnetima na rotoru

Motori s permanentnim magnetima na rotoru

Razlog tome je pronalazak permanentnih magneta s visokom koncentracijom magnetske energije po jedinici volumena (tzv. Magneti na bazi rijetkih zemalja), te ubrzan razvoj mikroprocesorski upravljanih pretvarača energetske elektronike.

Očekuje se da će u bliskoj budućnosti zamjeniti istosmjerne i asinkrone j j j jmotore u velikom broju aplikacija, naročito u servopogonima (snaga do 10 kW).

Osnovna područja primjene očekuju se u: robotici, alatnim strojevima, uređaji za pozicioniranje, fleksibilne linije, itd.



U odnosu na istosmjerne motore osnovna prednost ovih motora je nepostojanje četkica i kolektora.

U odnosu na pogone s asinkronim motorima prednosti pogona s PM motorima su:

1) Veća korisnost zbog zanemarivih rotorskih gubitaka (na rotoru PM motora nema gubitaka u namotajima kao kod asinkronih motora).

2) Manji moment inercije, pa se uz isti razvijeni moment dobiva brži odziv brzine vrtnje tj. postiže se bolja dinamika što je posebno važno j j p j j pkod servo pogona.

3) Manji volumen i težina kod iste snage.

4) Budući da magnetsko polje stvaraju permanentni magneti nijepotrebna jalova snaga iz mreže pa je cosθ≈1 (veća korisnost).

30



5) Sustav upravljanja PM motorima znatno je jednostavniji u odnosu na vektorski upravljane asinkrone motore.

6) Zbog postojanja konstantne uzbude permanentnih magneta postižu se bolje karakteristike kočenja.

Nedostatci PM motora u odnosu na asinkrone motore:

1) Zbog prisustva relativno skupih kvalitetnih magneta i složenosti njihovenjihove

ugradnje 4-6 puta skuplji od asinkronih motora.

2) Mogućnost razmagnetiziranja magneta kod PM motora pri visokim strujama.

3) Budući da pri povišenim temperaturama opada jakost permanentnih magneta (ovisi o vrsti magneta), kod PM motora je jače izražen utjecaj promjene temperature na karakteristike pogona.


Permanentni magneti za PM motore

Projektiranje magnetskog kruga s permanentnim magnetima

ši t k d t ivrši se tako da prostorni raspored indukcije u zračnom rasporu omogući optimalno magnetsko iskorištenje stroja, te da magneti budu što manje izloženi utjecaju reakcije armature i mogućnosti razmagnetiziranja.razmagnetiziranja.

Svojstva magneta određena su koercitivnim poljem Hc i remanentnom indukcijom Br.

B-H karakteristike za nekoliko permanentnih magneta(Nd – neodimij, B – bor, Sm – samarij, Co – kobalt, Fe – željezo)

31




Feriti napravljeni iz smjese nemagnetskih oksida željeza i barija imaju jako nisku remanentnu indukciju (0.3-0.4 T) što je znatno niže od ž lj i d k ij čželjene indukcije u zračnom rasporu.

Magneti su poprečno magnetizirani, a povećanje koncentracije toka u zračnom rasporu i prihvatljive vrijednosti indukcije moguće je postići povećanjem poprečne površine magneta u odnosu na površinu kroz koju magnetski tok izlazi iz rotora u zračni raspor.

Osnovna prednost ferita je niska cijena u odnosu na ostale kvalitetnije magnetske materijale.

Njihova radna temperatura je do približno 100°C.

32



Magnetski materijali iz elemenata rijetkih zemalja imaju visoku remanentnu indukciju i visoko koercitivno polje, te je stoga visoku

t k i d k ij č ć tići timagnetsku indukciju u zračnom rasporu moguće postići s magnetima malih dimenzija.

Samarium-Cobalt magneti imaju remanentnu indukciju od 0.8-1.1 T, te relativno visoko koercitivno polje.

Specifični otpor je 50 puta veći od bakra, pa su stoga zanemarivi gubici u magnetima uslijed promjene toka u njima, tj. zanemaruju se vrtložne struje u njima.

Njihova cijena je visoka radi visoke cijene Samariuma (element iz skupine rijetkih zemalja) i Cobalta koji je metal.



Magnetski materijali iz elemenata rijetkih zemalja

Pojavom magneta napravljenih sintetiziranjem neodiuma, željeza i bora (NdFeB) 1983. godine naglo se povećala primjena permanentnih magneta u motorima.

Pri sobnoj temperaturi remanentna indukcija je između 1.1-1.25 T.

To omogućava da se u relativno velikom zračnom rasporu, npr. 1 mm, s magnetima debljine 3-4 mm realizira magnetska indukcija od 0.8-0.9 T.

Maksimalna radna temperatura ovih magneta neta je od 100-140°C, a radni otpor je 85 puta veći od otpora bakra.

33


Elektronički komutirani motor (engl. Brushless DC motor)

Ograničenja motora s četkicama:

Električna veza između rotora i izvora istosmjerne struje se ostvarujetako da se izvor istosmjerne struje spoji na grafitne četkice koje kližu po komutatoru.

Prilikom prelaska četkice s jedne na drugu lamelu komutatora postoji trenutak kada se izvor nalazi u kratkom spoju uslijed čega dolazi do iskrenja četkica.

Iskrenje četkica dovodi do polaganog uništavanja grafitnih četkica, ali i j p g g j g ,do oksidacije i trošenja komutatora, pa je to glavni nedostatak ove vrste motora



Ograničenja motora s četkicama:

Iskrenje se pojačava ukoliko se povećava: brzina vrtnje motora (pri velikim brzinama teško održavati kontakt četkica s komutatorom), napon, opterećenje, odnosno struja kao posljedica povećanja napona ili opterećenja.

Iskrenje osim samog uništavanja komutatora i četkica za posljedicu ima i stvaranje čujnog i električkog šuma.

Kod velikih strojeva komutator je skup i zahtijeva preciznu ugradnju j j p j p g jmnogih dijelova.

34



Karakteristike EKM (DC motor bez četkica):

Na rotoru su smješteni permanentni magneti, a stator se sastoji od namota. predstavlja oblik AC motora s električkom komutacijom.

Motori ne sadrže četkice ili komutator mnogo efikasniji, manje trenje. mogu se pogoniti većim brzinama bez rizika oštećenja četkica, što nije

slučaj sa DC motorom s četkicama.

Kroz statorske namote se propušta struja koja dovodi do zakretanja rotora

Strujom koja prolazi kroz statorske namote se upravlja izvana elektroničkom sklopom, tzv. elektroničkim komutatorom, koji zamjenjuje klasični komutator.



Uloga komutatora: promjena polariteta u vodičima ovisno o njihovom položaju u odnosu na uzbudno polje.

Presjek DC motora bez četkica.

35



Mehanički raspored dijelova motora



Da bi se moglo ispravno odrediti kroz koji namot će elektronički komutator poslati struju, i struju kojeg smjera, takav motor mora imati

l ž j t č lj dsenzor položaja rotora na osnovu čega se upravlja radom samog komutatora (zahtijeva se dodatna elektronika i senzori položaja).

Ovaj senzor koristi Hall-ov efekt.(Ukoliko se poluvodič nalazi u električnom polju, ono će uzrokovatiprotok električne struje gustine J. Ako okomito na smjer tog poljadjeluje magnetsko polje indukcije B, javlja se, transverzalno na oba polja,novo električno polje jačine: E = RH J B gdje je RH Hallova konstanta.)

Brz odziv brzine vrtnje Brz odziv brzine vrtnje. Učinkovitost istosmjernog motora bez četkica je 85-90%, dok je

istosmjernog motora s četkicama 75-80%. Dodatni energetski prekidači u pojačalu zahtijevaju znatne dodatne

troškove. Koriste se u aplikacijama gdje se zahtijevaju velika područja brzina.

36



Usporedba

5.5. Ostali motori - SMPM MOTORI

Sinkroni motor s permanentnim magnetima na rotoru Osnovna struktura SMPM-a je prikazana na slici gdje se vidi da je

konfiguracija slična EKM-u s razlikom da je prekrivanje oboda rotora s permanentnom magnetima nešto manje.permanentnom magnetima nešto manje.

Na taj se način, u kombinaciji s izvedbom namota statora, postiže da su inducirane elektromotorne sile sinusnog valnog oblika, a ne trapeznog kao kod EKM-a.

37


Sinkroni motor s permanentnim magnetima na rotoru

Da bi ovaj motor razvio konstantan elektromagnetski

t t j j bitimoment struje moraju biti sinusnog valnog oblika i fazno pomaknute za 120°

Da bi se postigao maksimalni moment po amperu, potrebno je da rezultirajući vektor struja bude okomit na magnetsko polje rotora štomagnetsko polje rotora, što će tada uvjetovati da fazne struje budu u fazi s induciranim naponima kao što je u idealnom slučaju prikazano na slici


Sinkroni motor s permanentnim magnetima na rotoru

Za razliku od EKM-a kod ovih motora struje teku cijelo vrijeme kroz sve tri faze, te je potrebno kontinuirano mjerenje položaja rotora da bi

ij l ij d ž ž lj i l ž j lti j ć kt t jse cijelo vrijeme držao željeni položaj rezultirajućeg vektora struja u odnosu na permanentne magnete.

S tog stanovišta je i kompliciraniji zakon upravljanja ovim motorima u odnosu na EKM, ali s druge strane SMPM ima kvalitetnije statičke i dinamičke karakteritike u odnosu na EKM.

Naziv sinkroni motor s permanentnim magnetima je proizišao iz činjenice što je ovaj motor praktički jednak sinkronom motoru pri č j t b d t j t lj i t ičemu su umjesto uzbudnog namotaja postavljeni permanentni magneti.

Osim toga ovaj motor nema prigušni namotaj, te je stoga nemoguć njegov rad bez elektroničkog upravljanja koje se temelji na kontinuiranom mjerenju položaja rotora.

38

5.5. Ostali motori - KORAČNI MOTORI

Motivacija: proizvesti motor koji bi se mogao neposredno upravljati pomoću digitalnog računala i čiji bi se izlazni signal neposredno d di č l b l ž ih A/D i D/A t ikdovodio računalu bez složenih A/D i D/A pretvornika.

Od takvih motora se zahtijevaju diskretni, odnosno koračni mehanički pomaci, odakle i potječe naziv koračni motori (eng. stepper motors).

Koračni motori su elektromehanički pretvornici energije, koji pulsnu, odnosno koračnu električku pobudu pretvaraju u koračni mehanički pomak.

Izrađuju se u rotacijskoj i translacijskoj izvedbi (preovladavarotacijska).

Na malim koračnim brzinama rotor se zaustavlja na svakom koračnom položaju.


Na srednjim brzinama nema zaustavljanja rotora na svakom koračnom položaju, ali kutna brzina oscilira ovisno o položaju.Š Što se koračna brzina više povećava, oscilacije kutne brzine postaju sve manje, tako da na velikim koračnim brzinama kutna brzina teži konstantnoj brzini.

Koračni motor je električki motor bez komutatora. Svi namoti su smješteni na statoru, a rotor je permanentni magnet,

ili, u slučaju tzv. varijabilnoreluktancijskog motora, predstavlja blok zupčanika od mekog magnetskog materijala.

Komunikacijom se upravlja izvana sa kontrolerom, pri čemu su motori i kontroleri dizajnirani na način da motor može doći u bilo koju fiksnu poziciju kada rotira na jedan ili drugi način.

39


Na srednjim brzinama nema zaustavljanja rotora na svakom koračnom položaju, ali kutna brzina oscilira ovisno o položaju.Š Što se koračna brzina više povećava, oscilacije kutne brzine postaju sve manje, tako da na velikim koračnim brzinama kutna brzina teži konstantnoj brzini.

Koračni motor je električki motor bez komutatora. Svi namoti su smješteni na statoru, a rotor je permanentni magnet,

ili, u slučaju tzv. varijabilnoreluktancijskog motora, predstavlja blok zupčanika od mekog magnetskog materijala.

Komunikacijom se upravlja izvana sa kontrolerom, pri čemu su motori i kontroleri dizajnirani na način da motor može doći u bilo koju fiksnu poziciju kada rotira na jedan ili drugi način.


Prednosti:

Niska cijena. Male dimenzije i masa. Velike funkcijske mogućnosti. Često se isporučuju integrirano s radnim mehanizmom Pretvara digitalne ulazne impulse u analogno kretanje:

uključenje napona naredne faze - pomak za 1 korak,b j k k b j lj čkih i l (j d k k d broj koraka = broj upravljačkih impulsa (jedan korak odgovara određenom fiksnom kutu zakreta).

Kut rotacije motora je proporcionalan ulaznom impulsu. Odziv rotora na digitalne impulse omogućuje upravljanje u otvorenoj

petlji Ne akumulira pogrešku položaja.

40


Prednosti:

Precizno pozicioniranje i ponovljivost pokreta, budući da dobri koračni motori imaju pogrešku od 3-5% od ukupnog koraka.

Odličan odziv na zalet, zaustavljanje i promjenu smjera. Vrlo pouzdani jer nemaju kontaktnih četkica u motoru. Moguće je postići vrlo sporu sinkronu brzinu rotacije kada je osovina

direktno opterećena (teret na osovini). Može se realizirati široko područje raspoloživih brzina jer je brzina Može se realizirati široko područje raspoloživih brzina jer je brzina

proporcionalna frekvenciji ulaznih impulsa.


Nedostatci:

Fiksan korak. Razmjerno mala učinkovitost, veliko nadvišenje i oscilatornost u

odzivu od jednog koraka. Ograničene mogućnosti pokretanja tereta s velikim momentom

inercije. Moment trenja i aktivni teret mogu povećati pogrešku položaja

(moguć je gubitak koraka – posljedica je akumulirana pogreška(moguć je gubitak koraka posljedica je akumulirana pogreška položaja).

Rad neprikladan i teško ih je upravljati na velikim brzinama.

41


Podjela:

Podjela koračnih motora se vrši prema:

vrsti uzbude; broju faza; broju polova; načinu kretanja.

Prema vrste uzbude razlikujemo koračne motore prema: Načinu stvaranja magnetskog polja (elektromagnetska ili

permanentnim magnetima) Smještaju uzbude (uzbuda na rotoru ili statoru).


Podjela:

Prema tipu uzbude koračne motore dijelimo na: koračne motore s permanentnim magnetima (rotor magnetiziran

radijalno); hibridne koračne motore (permanentni magneti na rotoru smješteni

aksijalno) reluktantne (reaktivne koračne motore) koji nemaju uzbudu.

Broj faza je najčešće 2-6 (satovi – 1 faza).

42


Podjela:

Prema broju polova dijele se na: broj polova serijski proizvedenih koračnih motora pr=1 do 90; koračni motor s permanentnim magnetima na rotoru, pr=1 do 4;

Po načinu kretanja – rotacijski i translacijski.


Permanentnomagnetski koračni motori

Imaju radijalnipermanentnomagnetski rotor i višefazno izvedenielektromagnetski stator.

Permanentni magneti su na rotoru. Uzastopnim ukapčanjem ili okretanjem smjera struja pojedinih

statorskih faza ili njihovih kombinacija po određenom redoslijedu, rezultantno magnetsko polje statora skokovito se okreće u jednom ili drugom smjeru.g j

Pri tome se permanentnomagnetski rotor postavlja u smjerurezultantnog statorskog polja i na taj način se obavlja koračna rotacija.

Broj faza: od 8-12, broj pari polova: 1-12, broj paketa statora 2-4.

43


Permanentnomagnetski koračni motori

Ova vrsta koračnih motora ima malu rezoluciju – tipični koračni kutevi između 7.5º i 15 º.

Rotor nema velike zube, ali je magnetiziran s alternativnim S i Npolovima.


Permanentnomagnetski koračni motori – princip rada

Zatvaranjem sklopki u navedenom redoslijedu : rotacija rezultantnog vektora magnetskog polja, zakretanje rotora prema vektoru magnetskog polja.

Kretanje smjerom obrnutim od kazaljke na satu.

44


Reluktantni koračni motori

Imaju nazubljeni višefazni namotani stator (lameliran) i nazubljeni rotor od mekog željeza (višepolni rotor).

Kut koračanja im ovisi o broju zuba statora i rotora, o načinu namatanja statorskih faza te načinu njihove pobude.

Podjela reluktatntnih koračnih motoraPrema broju paketa namota (jednopaketni višepaketni)– Prema broju paketa namota (jednopaketni, višepaketni)

– Prema načinu kretanja (rotacijski, translacijski)– Prema vrsti zračnog raspora (radijalni i aksijalni)


Reluktantni motor s jednopaketnim statorom

Broj zuba statora i rotora je različit. Okretanje se postiže postavljanjem

nemagnetskog željeznog rotora(meko željezo) u položaj minimalnereluktancije statorskog magnetskogpolja.

č ć Jednopaketni koračni motori se okrećuuzastopnim ukapčanjem faza.

45


Reluktantni motor s jednopaketnim statorom

Npr. 1. Ua=U - zubi rotora poravnaju se sazubima statora faze A2. Ua = 0, Ub = Uzubi rotora poravnaju se sa zubimastatora faze B – korak u smjeru kazaljkena satu....


Hibridni koračni motori

Kombinacija načela na kojima se zasniva rad permanentnomagnetskih i motora s promjenljivom reluktancijom.

S nazubljenim statorom na kojem se nalaze elektromagnetski svici i nazubljenim rotorom postižu se dobra svojstva promjenljive reluktancije i permanentnoga magnetskog polja.

Zubi su najčešće istoimeni permanentni magneti ali ponekad mogu biti i bez uzbude.

Documents

EKMS - P08-2 - WEB.pdf