2

SADRŽAJ Predavanje broj 1

Uvodno predavanje a) . Osnovni pojmovi, tehnologija i proizvodni procesi u rudarstvu. b) Uslovi primene, prednosti i nedostaci u zavisnosti od načina eksploatacije c) Zahtevi koje treba da ispune mašine u uslovima rada na površinskim kopovima i

rudnicima sa podzemnom eksploatacijom. d) Podela mašina i uređaja i rudarstvu, istorijski razvoj mašina u uređaja u rudarstvu

Predavanje broj 2

Pogonski sistemi a. Motori SUS b. Elektromotori c. Hidro i pneumatski motori

Predavanje broj 3

Prenosnici snage: a) mehanički prenos snage, b) hidrodinamički prenos snage, c) hidrostatički prenos snage, d) električni prenos snage

Predavanje broj 4

Transportni uređaji na rudarskim mašinama a) Uređaji za kretanje na pneumaticima, b) Uređaji za kretanje na gusenicama, c) Uređaji za kretanje po šinama, d) Koračajući uređaj za kretanje, e) Kombinovani uređaji za kretanje f) Stabilnost uređaja za kretanje g) Proračun uređaja za kretanje

Predavanje broj 5

Ostalii uređaji na rudarskim mašinama a) Uređaji za upravljanje, b) Uređaji za kočenje, c) Radni organi na rudarskim mašinama,

3

0. Uvodno predavanje 0.1 Osnovni pojmovi, tehnologija i proizvodni procesi u rudarstvu Intencija svake zemlje je da do maksimalnih mogućnosti razvije i proširi sirovinsku bazu nalazi pre svega opravdanje u stalno rastućim zahtevima svih grana privrede, a naročito teške industrije za metalima, energetskim sirovinama i drugim materijalima koji čine osnov za rad i razvoj lake industrije. Danas je nemoguće zamisliti velike inžinjersko-tehničke zahvate bez obezbeđenja ogromnih količina energije raznih vidova, raznih konstrukcija i vrsta materijala koji se pretežno dobijaju iz sirovina čvrstih mineralnih ležišta. Prema taome, rudarska industrija ima veoma odgovoran zadatak obezbeđenja privrede sirovinama u raznim oblicima. Međutim, tokom dugogodišnje eksploatacije veliki broj ležišta je otkopan tamo gde su vladali lakši radni uslovi ili su pak otkopani delovi sa bogatijim sadržajem korisnog minerala: Ovaj razlog, kao i permanentno povećanje fizičkog obima proizvodnje suočili su rudarsku industriju sa problemom eksploatacije takozvanih siromašnih ležišta: Otkopavanje siromašnijih ležišta, povećanje dubine eksploatacije i pogoršanje rudarsko-tehnoloških uslova, komenzira se u savremenoj praksi proizvodnjem nove rudarske mehanizacije sa povećanim kapacitetima koja omogućava jeftiniju proizvodnju. Razvoj procesa eksploatacije ležišta potpomaže i stalno prati uvođenje odgovarajuće mehanizacije, automatizacije i daljinskog upravljanja. Tehnički progres u površinskoj i podzemnoj eksploataciji utiče na sve veću redukciju radne snage, tako da su danas na površinskim kopovima i u podzemnoj eksploataciji sistemi sa minimalnim brojem radnika, koji uglavnom rade poslove nadgledanja i održavanja. Pri razmatranju problema eksploatacije ležišta treba respektovati činjenicu da sa stanovišta eksploatacije postoje velike razlike između leđišta metala, nemetala i uglja, pre svega kod primenjenih metoda otkopavanja, primenjene mehanizacije i dr. Pre neposrednog pristupanja eksploataciji jednog ležišta u širem smislu, neophodno je izraditi odgovarajuću projektnu dokumentaciju, počev od geoloških elaborata, studija opravdnosti eksploatacije, do glavnih projekata. U idejnim projektima i studijama opravdanosti koje prethode konkretnim projektnim rešenjima neophodno je pre svega razjasniti način eksploatacije jednog ležišta. Prema tehnološkom procesu eksploatacije razlikuju se dva načina eksploatacije:

• podzemna eksloatacije ležišta, i • površinska eksploatacije ležišta

Kod napred navedenih načina eksploatacije prisutni su svi klasični elementi i odgovarajuća organizacija tehnološkog procesa dobijanja korisne supstance. Međutim, treba napomenuti da postoje i drugi vidovi eksploatacije ležišta sa bitnim ralikama u procesu dobijanja korisne supstance pri čemu nisu zastupljene sve faze eksploatacije. U ove procese pre svega spada proces luženja primenjen za primernu eksploataciju nekih ležišta metala (urana), ili pak kao dopnska metoda za naknadno iskorišćenje preostalih rezervi (ležišta bakra) korisne supstance, kao i proces gasifikacije nekih ležišta uglja. Ovi procesi se mogu smatrati izuzetnim, ali u određenim uslovima daju zadovoljavajuće ekonomske efekte. 0.2 Uslovi primene, prednosti i nedostaci u zavisnosti od načina eksploatacije

• Podzemna eksloatacije ležišta Pod pozemnom eksploatacijom ležišta podrazumeva se dobijanje mineralnih sirovina u podzemnom radu primenom odgovarajućih metoda otkopavanja. Da bi se moglo pristupiti otkopavanju ležišta, u pratećim stenama i u samom ležištu izrađuju se odgovarajuće jamske

4

prostorije i objekti. Budući da se podzemna eksploatacija obavlja ispod zemljine površine, sa njom je povezana jamskim prostorijama (oknima, potkopima, niskopima i dr.) a samim tim nameće se potreba stalnog podgrađivanja, ventilacije i osvetljenja podzemnih prostorija.

Slika 1. Prikaz rudnika sa površinskim i podzemnim objektima: 1- zgrada za izvoznu mašinu; 2- izvozni toranj; 3- izvozno okno; 4- izvozište; 5, 6 i 7- hodnici; 8- koš; 9- pumpna komora; 10-pumpe; 11- vodosabirnik; 12- otkopi; 13 i 14- levkovi za utovar; 15- minske bušotine; 16- vagoneti; 17- slepo okno; 18- čelo radilišta; 19- ventilaciono okno; 20- zgrada za ventilator;21- ventilacioni kanal; 22- lestvice; B1, B2 i B3- ležište pripremljeno za eksploataciju

• Površinska eksloatacije ležišta

Površinska eksploatacija ležišta se bitno razlikuje od podzemne, kako po tehnološkom procesu otkopavanja ležišta, tako i po primeni odgovarajuće mehanizacije. Površinska eksploatacija predstavlja skup svih radova sa površine terena za otkopavanje ležišta korisne mineralne sirovine. Objekat koji se pri tome formira naziva se površinski kop. U nekim specifičnim slučajevima površinske eksploatacije proces otkopavanja ležišta se obalja pod vodom. Površinska eksploatacija obuhvata dve osnovne grupe radova: radove na otkrivci (jalovini) i radove na korisnoj mineralnoj sirovini.

Slika 2 Prikaz površinskog kopa

5

Radovi na otkrivci se sastoje u odstranjivanju (otkopavanju, transportu i odlaganju) jalovinskih masa koje pokrivaju odnosno sprečavaju slobodan pristup i bezbednu eksploataciju korisne sirovine. Radovi na korisnoj sirovini se sastoje u dobijanju (otkopavanju, transportu, pretovaru ili skladištenju) korisne mineralne sirovine. Ovde, međutim, treba istaći činjenicu da su u određenim slučajevima neki od litoloških članova otkrivke (glina, pesak, šljunak i dr.) mogu tretirati kao mineralna sirovina.

Slika 3 Površinski kop uglja i površinski kop bakra

Kod eksploatacije ležišta radovi na otkrivci i korisnoj sirovini se izvode sinhronizovano, pri čemu radovi na otkrici u izvesnoj meri, vremenski i prostorno, pretiču radove na korisnoj sirovini (slika 4).

Slika 4. Šematski prikaz površinske eksploatacije ležišta: a) horizontalnih i blago nagnutih; b) kosih; c) strmih; 1 – otkopani

prostor; 2,3 – unutrašnja i spoljašnja odlagališta; 4,5 – radna i završna kosina površinskog kopa; 6 – završna kontura površinskog kopa; 7 – berme; I, II, III ... – redosledi razvoja rudarskih radova

6

Osnovna obeležja površinskog načina eksploatacije ležišta mineralnih sirovina se sastoje u sledećem: − eksploatacija mineralnih sirovina se može obavljati samo posle odstranjivanja (otkopavanja,

transporta i odlaganja) otkrivke, čiji je obim obično 3 do 5 puta, nekada i znatno veći od obima korisne sirovine;

− veliko radno prostranstvo površinskog kopa pruža mogućnost primene krupnih i visokoproduktivnih mašina na otkopavanju, transportu i odlaganju jalovine, odnosno na dobijanju korisne mineralne sirovine;

− otkopavanje jalovine i korisne sirovine se uglavnom vrši bagerima, retko hidromehanizacijom ili otkopno-transportnim mašinama (dozerima, skreperima i dr.), pri čemu se bagerima mogu otkopavati pored mekih i čvrstih (polustenski i stenski) materijali sa prethodnim rastresanjem postupkom miniranja, a hidromehanizacijom samo meki i sipki materijali.

Površinska eksploatacija, u poređenju sa podzemnom, ima niz prednosti od kojih treba posebno istaći sledeće:

− povoljnije uslove primene krupne i visokoproizvodne mehanizacije; − široke mogućnosti uvođenja automatizacije i distancionog upravljanja mehanizmima i proizvodnim

procesima; − lakšu primenu savremenih metoda dijagnostikovanja i održavanja rudarske opreme; − manje gubitke korisne supstance u proizvodnom procesu (3 do 10% u poređenju sa 20 do 30% i više

kod podzemne eksploatacije); − povoljnije uslove selektivnog otkopavanja korisne mineralne sirovine; − kraći rok izgradnje i manja hinvesticiona ulaganja (u poređenju sa podzemnim rudnikom istog

kapaciteta izgradnja površinskog kopa je vremenski 2 do 3 puta kraća, a troškovi izgradnje 1,5 do 2,5 puta niži);

− bolju ekonomsku efektivnost, veću produktivnos rada, povoljnije uslove rada i veću bezbednost zaposlenih.

Površinska eksploatacija ima i svojih nedostataka od kojih treba istaći:

− veliki uticaj klimatskih faktora (temperature, intenziteta vetra, vrste i količine padavina, magle i dr.) na svojstva radne sredine, dejstvujuća opterećenja vitalnih elemenata konstrukcije mašina, uslove eksploatacije i održavanja, a samim tim i na ukupnu efektivnost rada površinskog kopa;

− degradaciju velikih površina, često veoma plodne zemlje, zagađenje vazduha, reka i jezera, sniženje nivoa podzemnih voda na širokom prostoru i dr.

Specijalnim merama zaštite određena štetna dejstva površinske eksploatacije se mogu eliminisati ili osetno ublažiti, mada često uz relativno velika finansijska ulaganja. 0.3 Zahtevi koje treba da ispune mašine u uslovima rada na površinskim kopovima i rudnicima sa podzemnom eksploatacijom. Zahvaljujući velikim preimućstvima, površinski način eksploatacije beleži neprekidan rast. Pri ovom načinu otkopavanja postiže se visoka produktivnost rada, manja specifična investiciona ulaganja i troškovi proizvodnje, stvaraju se veoma povoljni uslovi za racionalno, tj. maksimalno, korišćenje rezervi korisne supstance, poboljšavaju se uslovi rada zaposlenih i njihova sigurnost itd. Takve uslove i takav razvoj površinska eksploatacija ostvaruje prvenstveno zahvaljujući razvoju i izgradnji velikih - moćnih kompleksa na otkopavanju, preradi i upotrebi sirovina, koje karakteriše visoka koncentracija proizvodnje, racionalna mreža i vrste transporta, masovna prerada i velika potrošnja. Bitan elemenat za navedena preimućstva površinskog načina otkopavanja je visoka mehanizovanost skoro

7

svih tehnoloških procesa u tehnološkom lancu, primena automatizacije procesa, daljinsko upravljanje, moderno održavanje i opsluživanje mašina, naučna organizacija rada i dr. Zbog svega rečenog, površinsko otkopavanje rudne supstance zahteva:

• primenu visokoproduktivnih specijalizovanih mašina, koje mogu da obavljaju sve specifične radove u ovoj vrsti delatnosti;

• primenu univerzalnih mašina samo za radove, gde su u pitanju kompleksni zahvati, koji objedinjuju dva ili više proizvodna procesa;

• primenu sredstava tzv. „pomoćne mehanizacrje" za sve pomoćne radove koji se ne mogu obavljati krupnim, tj. osnovnim, mašrnama, kao i za radove koji treba da omoguće što produktivniji rad osnovnim mašinama;

• sistematsku obnovu mašinskog parka i njegovu modernizaciju. Dosadašnje iskustvo je pokazalo da tempo i ekonomika radova na površinskom otkopu, u osnovi, zavise od nivoa opšte mehanizovanosti otkopa, a posebno od nivoa mehanizacije radova na otkopavanju i transportu otkrivke. Ova vrsta radova spada u vrlo složene i teške, a od visine troškova za ove radove zavisi ukupna ekonomika eksploatacije, s obzirom da u troškovima za jedinicu proizvedene korisne supstance učestvuju sa daleko najvećim procentom. Radi toga, konstruisanje ili izbor odgovarajućih mašina, odnosno konstrukcije takvih mašina koje u svemu zadovoljavaju uslove radne sredine, predstavlja vrlo odgovoran i složen zadatak za stručnjake. Ne manji zadatak od prethodnog je i odgovorno, dobro i efikasno održavanje mašina, tako da njihovo vremensko i kapacitetno korišćenje bude maksimalno, a pouzdanost i sigumost zavidna. Maksimalni ekonomski efekat postiže se samo ako mašina zadovoljava niz uslova, od kojih su najvažniji:

• da poseduje jednostavnu prostu kinematičku šemu koja obezbeđuje visoki kk.d. mašine; • celishodan raspored uređaja sa stanovišta montaže, remonta i opsluživanja; • tehnologičnost konstrukcije, koja se sastoji iz unificiranih delova proste izrade i jednostavne montaže

mašine; • uravnoteženost i solidnost; • čvrstinu i solidnost; • pouzdanost, trajnost i sigumost u radu i dugpvečnost; • visoku produktivnost i • udobnost opsluživanja.

Proces mehanizacije rudarskih radova se odvija po principu od prostog ka složenom – od mehanizacije pojedinačnih operacija do mehanizacije ukupnog tehnološkog procesa. Mehanizacija rudarskih radova na površinskim kopovima u različitim prirodnim uslovima ostvaruje se različitim mašinama i uređajima, pri čemu se uvek nastoji da se pojedinačne operacije u vremenu i prostoru povežu u jedinstvennu tehnološku šemu. Iza operacije koja se izvodi jednom mašinom, sledi druga koja se u istom tempu izvodi sledećom mašinom, pri čemu druga mašina mora biti povezana sa prvom tako da se obezbedi neprekidost ukupnog procesa. Ovako postavljena organizacija tehnološkog procesa odgovara principima kompleksne mehanizacije proizvodnih procesa. Shodno ovome, pod kompleksnom mehanizacijom rudarskih radova se podrazumeva visoki stepen mehanizacije pri kojem je teški ručni rad istisnut ne samo iz osnovnih, već i iz pomoćnih procesa. Za postizanje najboljih tehno-ekonomskih pokazatelja površinske eksploatacije, pre svega visoke produktivnosti rada, mehanizacija mora biti kompleksna, a njena struktura tako izabrana i postavljena da svi elementi (mašine i uređaji) te strukture u okviru proizvodnog procesa ispunjavaju sledeće zahteve:

− struktura kompleksne mehanizacije treba da obuhvata samo mašine koje su kapacitetno usaglašene i prilagođene fizičko-mehaničkim osobinama materijala;

8

− struktura kompleksne mehanizacije mora da odgovara rudarsko-geološkim, hidrogeološkim i topografskim uslovima ležišta i da poseduje određenu gipkost tehnološkog procesa u slučaju promene ovih uslova;

− struktura komplesne mehanizacije treba da odgovara obliku, veličini i kapacitetu površinskog kopa, roku izgradnje i veku eksploatacije, kao i kapacitetu i opremi prerađivača ili potrošača korisne sirovine;

− struktura komplesne mehanizacije treba da sadrži što je moguće manji broj pojedinačnih mašina i uređaja koji su neophodni za izvođenje određenog obima radova jer se na taj način povećava njena pouzdanost, produktivnost i ekonomičnost;

− struktura kompleksne mehanizacije treba po pravilu da obuhvata tipske i serijske mašine i uređaje kako bi njihova eventualna zamena bila lakša i brža, unikatne mašine i uređaje treba koristiti samo u slučajevima kada je primena standardne opreme nemoguća ili neracionalna;

− koeficijenti rezerve snage i tehničkog kapaciteta pojedinačnih mašina u poređenju sa prosečnim pokazateljima njihovog rada, u saglasnosti sa karakterom rudarske proizvodnje, treba da budu ne manji od 1,2 do 1,3 (pri eksploataciji mekih materijala), i ne veći od 1,5 do 1,7 (pri eksploataciji čvrstih stenskih materijala);

− strukturu kompleksne mehanizacije treba po mogućnosti opremiti mašinama kontinuiranog dejstva; nepoželjno je u jednoj strukturi imati uzajamno povezane mašine kontinuiranog i diskontinuiranog dejstva;

− najbolji ekonomski efekti se postižu u uslovima punog iskorišćenja snage i kapaciteta mašina koje ulaze u strukturu; po mogućnosti treba davati prednost jednoj mašini većeg u odnosu na nekoliko mašina manjeg kapaciteta, mada pri nepotpunom iskorišćenju krupne i visokokapacitetne mašine ekonomski pokazatelji rada nekoliko mašina manjih masa i kapaciteta, koje uspešno izvršavaju zadati obim radova, mogu da budu znatno povoljniji;

− strukture kompleksne mehanizacije sa najmanjim učešćem teških i nepotpuno mehanizovanih pomoćnih procesa i operacija su po pravilu efektivnije;

− svaka struktura kompleksne mehanizacije treba u potpunosti da ispuni zahteve u pogledu sigurnosti izvođenja rudarskih radova, potpunog iskorišćenja rezervi korisne sirovine i obezbeđenja potrebnog kvaliteta.

Osnovni principi na kojima bazira struktura kmpleksne mehanizacije su: neprekidnost proizvodnje, mogućnost objedinjavanja procesa, najkraće rastojanje transporta materijala i najmanji mogući obim pomoćnih radova. Na izbor strukture kompleksne mehanizacije veći ili manji uticaj mogu imati:

− prirodni faktori (fizičko-mehaničke osobine materijala, oblik, veličina i uslovi zaleganja ležišta, klimatski uslovi regiona, reljef površine otkopnog polja, inženjersko-geološki uslovi eksploatacije, vrsta i namena korisne sirovine);

− tehničko-tehnološki faktori (zadati ili mogući kapacitet kopa, komercijalno-finansijski i tržišni uslovi nabavke opreme, mogući izvori snabdevanja energijom, vodom i dr.);

− organizacioni faktori (raspoloživost kvalifikovanom radnom snagom, režim rada kopa, rok izgradnje i osvajanja projektovanog kapaciteta kopa, mogući rokovi izgradnje energo i vodo-snabdevanja, dopreme i transporta opreme i dr.);

− ekonomski faktori (veličina investicionih ulaganja, tržišna vrednost korisne sirovine, veličina dobiti, produktivnost rada, uslovi amortizacije i dr.).

Svaki od pomenutih faktora u konkretnim uslovima može imati odlučujući ili drugostepeni značaj. Sigurno je, međutim, da je kod ležišta ograničenih veličina i relativno malih rezervi korisne sirovine neracionalno težiti velikom kapacitetu kopa uz primenu krupne mehanizacije i obrnuto, kod eksploatacije prostranih ležišta velikim kopovima neracionalna je primena opreme malih kapaciteta. Na savremenim površinskim kopovima obično se teži primeni jednotipnih sredstava mehanizacije, što

9

znatno uprošćava organizaciju rudarskih radova, eksploataciju, remont i opsluživanje opreme. Na radovima otkrivke se, po pravilu, primenjuje oprema većih radnih parametara i kapaciteta. Strukturu kompleksne mehanizacije u opštem slučaju čine niz mašina ili grupa mašina za izvođenja radova na: otkopavanju i utovaru, transportu otkopanog materijala, odlaganja, pretovaru ili skladištenju i primarnoj preradi. U zavisnosti od vrste materijala koji se otkopava i usvojene tehnologije rada, struktura kompleksne mehanizacije može da sadrži sve ili samo deo pomenutih članova strukture. 0.4 Podela mašina i uređaja i rudarstvu Nomenklatura mašina, mehanizama i uređaja koji se primenjuju na površinskim otkopima je velika i raznovrsna. Masine za površinsko otkopavanje rudne supstance se klasifikuju po nameni, principu dejstva, konstrukciji radnog, pogonskog i transporrnog uređaja, po sistemu upravljanja, po kapacitetu, snazi, gabaritima itd. U udžbenicima se kao osnovna osobina za klasifikaciju mašina uzima tehnolosko obeležje, jer ono u osnovi određuje kinematičku šemu mašine i konstrukciju njenih delova i sklopova. Po ovakvoj klasifikaciji masine i uređaje za površinsku eksploataciju možemo podeliti na sledeće klase:

• mašine za otkopavanje i utovar jalovine i rudne supstance; • masine za odlaganje jalovine, • mašine i uređaji za transport jalovine i rudne supstance; • mašine zadubinskobušenje; • mašine za pomoćne radove (dozeri, rijaći, grejderi, dizalice i sl.); • mehanizovani alati.

Mašine svake klase dele se na grupe, koje obuhvataju mašine za izvršavanje odeđenih radova. Na primer, klasa mašina za otkopavanje jalovine sastoji se iz dve grupe masina: bagera i mašina za hidromehaničko otkopavanje. Svaka grupa mašina deli se na podgrupe, koje se između sebe razlikuju po konstrukciji radnog organa ili šire. Tako, na primer, u grupi bagera razlikujemo bagere sajednim radnim elementom i bagere sa više radnih elemenata. Mašine svake podgrupe delimo darje na tipove prema njhovim konstruktivnim karakteristikama i specifičnostima. Tako u podgrupi bagera sa jednim radnim elementom razlikujemo bagere kašikare, dreglajne itd. Mašine svakog tipa delimo na modele, koji se međusobno razlikuju po tehničkim karakteristikama (kapacitet, radne dimenzije, mase, gabariti itd.). Na primer, među bagerima kašikarima razlikujemo bagere sa kašikom male, srednje i velike zapremine. Značajna je isto tako, kao i prethodno izneta, klasiftkacija masina za površinsku eksploataciju po režimu rada. Po ovom osnovu razlikuju se: a) mašine sa periodičnim (cikličnim) dejstvom, kod kojih se radne operacije izvode jedna iza druge — naizmenično po određenom redu i ponavljaju se posle izvesnog vremena i b) mašine sa neprekidnim dejstvom, kod kojih se sve operacije izvode istovremeno. Kao primer za mašine grupe a) mogu da posluže bageri sa jednim radnim elementom, a za grupu b) tračni transporteri fli bageri sa vise radnih elemenata.

10

Klasifikacija mašina za površinsku eksploatacrju po pokretljivosti isto je značajna radi toga što obuhvata ne samo podelu na stacionarne i pokretljive mašine, već i dalju specifičnost ove pokretljivosti po uređajima za kretanje (na gusenicama, pneumaticima, na koračajućem uređaju i sl.). Rudarske mašine u podzemnoj eksploataciji namenjene su za otkopavanje, utovar, transport, podgrađivanje otkopanog prostora i njegovog zapunjavanja, kao i za izradu podzemnih prostorija. Rudarske mašine u podzemnoj eksploataciji obavljaju jednu ili više rudarskih operacija, pa mogu biti proste ili kombinovane. Osnovna podela mašina u podzemnoj eksploataciji vrši se prema njihovoj osnovnoj tehnološkoj nameni, a kako je prikazano na sledećoj slici.

Slika 5 Osnovna podela rudarskih mašina u podzemnoj eksploataciji

Svaku od ovih grupa mašina moguće je dalje rasčlaniti, u cilju dobijanja preciznije podele. Detaljnije podele rudarskih mašina će se obraditi u okvirima posebnih poglavlja. Treba napomenuti da se u praksi često susreću "kombinovane" rudarske mašine. Ove mašine su konstruisane tako da vrše funkciju dve ili više vrsta mašina, odnosno, obavljaju više od jedne radne operacije. Najčešće "kombinacije" su proizvodno-utovarne i utovarno-transportne mašine. Mere zaštite koje se odnose na rudarske mašine predviđene za rad u uslovima podzemne eksploatacije, pored osnovnih odredbi, posebno obrađuju rad ovih mašina:

• U uslovima eksplozivne atmosfere, odnosno kada je u jamskoj atmosferi prisutan metan ili ugljena prašina, što je veoma čest slučaj u rudnicima uglja sa podzemnom eksploatacijom. Rudarske mašine predviđene za rad u ovakvim uslovima se projektuju i izrađuju u tzv. "protiv eksplozivnoj konstrukciji", koja podrazumeva sprečavanje kontakta eksplozivne atmosfere i mogućih izvora energije. Ove mere se pored rudarskih mašina odnose i na ostalu opremu i uređaje instalirane u rudniku (npr. elektro instalacije).

• sa pogonom na dizel gorivo. Ove mašine se uglavnom primenjuju u rudnicima metala i nemetala sa podzemnom eksploatacijom. Mere zaštite koje se odnose na rad ovih mašina propisuju dozvoljene emisije čvrstih čestica (čađi) i štetnih materija preko izduvnih gasova dizel motora, kao i maksimalnu temperaturu izduvnih gasova.

11

I Osnovni sistemi rudarskih mašina

Svaka mašina se konstruktivno sastoji iz pet osnovnih grupa elemenata:

• radnog organa, tj. elemenata koji neposredno ostvaruju tehnolosku operaciju (na primer, kašflce bagera i sl.),

• prenosnih mehanizama (transmisije) koji povezuju radni organ sa pogonskim motorom (vratila, zupčasti i drugi prenosi i sl.),

• pogonskog uređaja — motora, koji se javrjaju kao izvori energije za pokretanje elemenata mašine, • sistema upravljanja, kojim se obezbeđuje uključivanje i isključivanje pojedinih mehanizama mašina i • uređaja za transport, odnosno kretanje masine (pneumatici, gusenice, koračajući uređaj i sl.), koji je

kao sastavni deo uključen u opštu konstrukciju pokretnih mašina. Radni organ i prenosni mehanizmi su specifični za pojedine mašine ili grupu mašina, a određuju se zavisno i od namene masine. Na slici 1 prikazani su osnovni agregati i sistemi rudarskih mašina na primeru buldozera i utovarivača

Slika 1. Osnovni delovi rudarskh mašina (primer buldozera i utovarivača) 1. pogonski agregat odnosno motor sa pomoćnim agregatima snage ; 2 transmisija, 3 uređaj za transport sa vešanjem i kočnicama, 4 kabina i elementi oslanjanja mašine; 5 mehanizam upravljanja, 6 radni organ.

12

1. Pogonski sistemi Pod pogonom se podrazumeva uređaj koji saopštava kretanja mašini. U opštem slučaju, to je sveukupnost uređaja, koji se sastoje iz energetskog izvora, prenosa (transmisije) i uređaja upravljanja. Pri ovome, u pojam prenosa ili transmisije takođe ulaze ukupni uređaji za prenos mehaničke energije od motora na radni organ, uključujući međupogone. Savremene rudarske mašine predstavljaju obično agregate mašina. Radi toga, one mogu da imaju nekoliko pogona istih ili različitih tipova. U vezi sa ovim, razlikuju se osnovni pogon i pomoćni pogon. U prvi spada obično pogon radnog uređaja, mehanizma za kretanje i okretanje (kod bagera sa jednim radnim elementom), a u druge - dopunskih oslonaca, stabilizatora kod pogona transportnog uređaja za kretanje na pneumaticima, mehanizma upravljanja, elementa transmisije i dr. Na slikama 2 i 3 prikazani su bageri sa jednim radnim elementom sa svojim osnovnim i pomoćnim pogonima.

Slika 2. Bager sa normalnom visinskom kašikom

13

Slika 3 Bager draglajn Mehanizmi i pribori upravljanja objedinjeni su u sistem upravljanja mašinom. Pogoni se razlikuju i po vrsti energije koju koriste. Pri ovome se uzima u obzir ne samo vrsta energije koja se pretvara primamim motorom, već i one vrste, koje se koriste u transmisiji za prenos mehaničke energije, proizvedene primarnim motorom. Po vrsti korišćene energije razlikuju se sledeći pogoni: toplotni, električni, hidraulični, pneumatski i kombinovani (elektrohidraulični i dr.). Po broju motora, pogoni mogu biti sa jednim ili više motora. Pri pogonu sa jednim motorom (grupni pogon), pogon svih kretanja mašine, koja su neophodna za njen radni proces, ostvaruje se pomoću jednog motora (na slici 4 prikazana je kinematska šema jednog jednomotornog bagera i jednog višemotornog bagera); pri pogonu sa vise motora (individualnom pogonu) svako kretanje (ili njihov zbir) se ostvaruje posebnim motorom. Radi toga, kod mašina sa jednomotornim pogonom svaki izvršni mehanizam poseduje samostalnu vezu sa motorom i mogućnost nezavisnog priključenja za motor, koji se nalazi u neprekidnom radu. Kod mašina sa višemotornim pogonom nezavisnost radnih kretanja se postiže posebnim-individualnim pogonom (posebnim motorima)

14

izvršnih mehanizama.

Slika 4. Kinematska šema jednomotornog i višemotornog bagera

Zavisno od uslova primene, odnosno namene, kod rudarskih mašina se koriste pretežno sledeće vrste pogona: jednomotorni sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem ili električnim motorom i sa mehamčkom transmisijom; jednomotorni sa motorom sa unutrasrijim sagorevanjem i hidrauličnom

15

transmisijom; višemotorni električni, koji se napaja električnom energijom iz generatora koga ponogi motor sa unutrašnjim sagorevanjem; višemotomi električni koji se napaja električnom energijom iz mreže i višemotorni sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem koji je spojen sa pogonom posebnih izvršnih mehanizama hidrauličnim motorima. Izvor energije i uređaj za njeno pretvaranje u pogonsku energiju se naziva još i uređaj snage. Po konstrukciji i vrsti korišćene ili pretvorene energije razlikuju se sledeći uređaji snage, koji se primenjuju kod rudarskih mašina: motori sa unutrašnjim sagorevanjem, električni motori naizmenične ili istosmerne struje, hidraulični motori i pumpe, a takođe i turbotransformatori, hidraulične spojnice, cilindri snage, pneumatski uređaji snage itd. Svaka vrsta pogona ima svoje dobre i loše osobine, te stoga svakom od njih odgovara svoja oblast primene.

Motori sa unutrašnjim sagorevanjem - relativno su dosta rasprostranjeni u primeni kod manjih rudarskih mašina. Njihova glavna odlika je: nezavisnost od spoljnjeg izvora energije, a zatim mala masa po jedinici snage (kg/kW), srazmerno visok koeficijent korisnog dejstva (k.k.d), pouzdanost i jednostavnost u eksploataciji. Nasuprot rečenom, oni su osetljivi na preopterećenja, njihova eksploatacija zavisi od temperaturnih uslova, trajnost (vek trajanja) im je mala, ne mogu se neposredno reversirati, zahtevaju snabdevanje gorivom. Na slici 5 prikazane su karakteristične rudarske mšine koje koriste SUS motore.

Slika 5. Primeri rudarskih mašina koji koriste SUS motore Zbir svih ovih osobina određuje im uspešnu primenu kod manjih mašina i kod mašina koji neprekidno ili često menjaju radno mesto ili se sele sa jednog na drugo gradilište i sl. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem uspešno se primenjuju takođe kod kombinovanih pogona (dizel-električni ili dizel-hidraulični). Električni pogon ne zahteva snabdevanje gorivom, dopušta neposredno reversiranje, ima visoki k.k.d., pouzdan je i jednostavan u eksploataciji, čak i pri niskim negativnim temperaturama, dugovečan je i univerzalan. Nasuprot rečenom, zahteva spoljni izvor energije, te je radi toga

16

nepodesan za mašine koje često menjaju lokacije i kada je radni proces mašine vezan za njeno sopstveno kretanje. Radi toga, oblast preimućstvene primene ovog pogona su bageri sa jednim i više radnih elemenata srednjeg i velikog kapaciteta, koji se koriste, po pravilu, bez čestih premeštanja, zatim pogon tračnih transportera itd. Na slici 6 prikazan je pogon radnog ročka rotornog bagera i pogon transportera sa trakom

Slika 6. Primeri rudarskih mašina koji koriste električni pogon Hidraulični pogoni u poređenju sa drugim imaju znatno manju masu i manje gabaritne dimenzije agregata, te stoga poseduju malu inerciju; obrtna masa hidrauličnih motora obrtnog dejstva za nekoliko puta je manja od obrtne mase elektromotora iste snage. Oni omogućavaju da se ostvari bezstepenasta promena izlazne brzine, da se pretvara obrtno kretanje u translatomo i translatomo u obrtno; konstruktivno jednostavno obezbeđuje zaštitu hidroagregata od preopterećenja. U nedostatke spada velika cena agregata, složenost eksploatacije, relativno mali vek trajanja. Hidropogoni se primenjuju, po pravilu, u sprezi sa primarnim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem ili električnim motorima kod bagera sa jednim radnim elementom manje snage, bagera za kopanje kanala i kao pomoćni pogoni kod skoro svih mašina, a danas i kod bagera velike snage. Na lici 7 prikazan je hidropogon radnog točka rotornog bagera.

Slika 7. Primeri rudarskih mašina koji koriste hidropogon Pneumatski pogon odlikuje se postupnošću pri uključivanju brzina i promeni snage, jednostavnošcu regulisanja, pouzdanošću itd. Ovi sistemi rade pod manjim pritiskom nego hidraulični, što im daje preimućstvo primene u sistemima upravljanja kočnicama i spojnicama. Pri niskim negativnim temperaturama pouzdanost pneumatskih pogona se smanjuje.

17

1. 1 MOTORI SA UNUTRAŠNJIM SAGOREVANJEM

Pod toplotnim motorima podrazunevamo takve mašine koje transformišu tolotnu energiju, dobijenu sagorevanjem nekog goriva delimično u mehaničku energiju. Svi toplotni motori, prema mestu gde se obavlja sagorevanje goriva delimo u dve osnovne grupe:

• motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS motori) • motori sa spoljašnjim sagorevanjem (SSS motori)

Motori sa unutrašnjim sagorevanjem su toplotni motori u kojim ase proces sagorevanja goriva i pretvaranje dela toplotne energije u mehaničku energiju okretanja vratila motora odvija neposredno unutar cilindra motora.. Toplota oslobođena sagorevanjem goriva se predaje direktno radnom telu – produktima sagorevanja, čime se povećava njihov energetski potencijal. Njihovim širenjem unutar cilindara

OPIS FUNKCIONISANJA I PODELA MOTORA SUS

Motori sa unutrašnjim sagorevanjem se, kao što je već navedeno, široko primenjuju u mnogim oblastima ljudske aktivnosti, te je to i uslovilo razvijanje mnogobrojnih tipova i konstrukcija. Vodeći računa da se pod pojmom motora sa unutrašnjim sagorevanjem podrazumevaju klipni motori SUS, razmotriće se principijelna šema jednog takvog motora (sl.8).

Slika 8. Šema motora sa unutrašnjim sagorevanjem 1.Cilindarska glava, 2.Usisni ventil, 3.Izduvni ventil, 4.Klip, 5.Cilindar, 6.Klipnjača, 7.Kolenasto

vratilo, 8.Motorna kućica

Kod svih klipnih motora osnovna konstruktivna koncepcija i princip rada su u sustini isti. Osnovni elementi motora SUS su cilindar 5, u kome se kreće klip 4, vezan posredstvom klipnjače 6 za kolenasto vratilo 7. Radni prostor formiran je od cilindra 5, koji je sa jedne strane zatvoren cilindarskom glavom 1, u kojoj se nalaze usisni 2 i izduvni ventil 3, a sa druge strane samim

18

pomerljivim klipom. Klip, klipnjača i kolenasto vratilo čine glavni motorni mehanizam čiji je zadatak da pravolinijsko oscilatorno kretanje klipa, nastalo kao rezultat ekspanzije produkata sagorevanja, pretvori u obrtno kretanje kolenastog vratila. Na taj način se mehanički rad koji motor dalje predaje potrošačima preko kolenastog vratila u vidu obrtnog momenta. Kolenasto vratilo je smešteno u motornoj kućici 8.

Radni ciklus se ostvaruje u cilindru motora ponavljanjem niza uzastopnih, relativno laganih širenja odredjenih količina radne materije izmedju krajnjih položaja klipa. Ti položaji, u kojima se vrši promena smera njegovog kretanja, nazivaju se mrtvim tačkama. Krajnji položaj, pri kome je rastojanje od klipa do ose kolenastog vratila najveće, naziva se spoljna mrtva tačka (SMT). Pri tom položaju klipa zapremina izmedju klipa i cilindarske glave je minimalna i naziva se kompresiona zapremina (VC) ili prostor sagorevanja. Krajnji unutrašnji položaj klipa, kada je on najbliži osi kolenastog vratila, naziva se unutrašnja mrtva tačka (UMT), a odgovarajuća zapremina iznad klipa je maksimalna i naziva se ukupna zapremina cilindra (Vmax). Pomeranja klipa iz jedne u drugu mrtvu tačku naziva se njegovim hodom (S). Hod klipa (S) jednak je dvostrukom poluprečniku puta ose kolena kolenastog vratila. Deo radnog procesa koji se obavi za jedan hod klipa naziva se takt motora. Zapremina Vh, koju opiše čelo klipa pri kretanju od jedne do druge mrtve tačke naziva se radna zapremina cilindra. Na taj način ukupna zapremina cilindra Vmax je jednaka sumi radne zapremine Vh i kompresione zapremine VC. Odnos ekstremnih zapremina, definiše jedan važan parametar motora, stepen kompresije ε :

C

h

C

Ch

C V

V

V

VV

V

V+=

+== 1max

ε

Stepen kompresije (sabijanja) nam pokazuje u kolikom odnosu je izvršeno sabijanje sveže radne materije, odnosno pri poznatoj radnoj zapremini definiše prostor sagorevanja. Pored već nabrojanih delova motor ima još čitav niz pomoćnih sistema koji omogućuju nesmetan rad motora SUS pri svim uslovima eksploatacije.

PODELA SUS MOTORA

Postoji čitav niz podela motora SUS u zavisnosti od svojstva, namene, konstrukcije ili karakterističnih osobina, ali su dve osnovne: po načinu ostvarivanja radnog ciklusa i po principu paljenja. Podela po načinu ostvarivanja radnog ciklusa Svi motori SUS po načinu ostvarivanja radnog ciklusa mogu se podeliti u dve osnovne grupe: četvorotaktne i dvotaktne. Četvorotaktnim motorom se naziva motor u kome se radni ciklus ostvari u toku četiri takta, odnosno hoda klipa, čemu odgovaraju dva obrta kolenastog vratila. Kod dvotaktnih motora se radni ciklus obavi za dva hoda klipa, čemu odgovara jedan obrt kolenastog vratila.

19

Podela po principu paljenja Po principu upaljenja smeše sve motore SUS delimo na oto i dizel motore. Kod oto motora paljenje se vrši stranom energijom, električnom varnicom, koja se stvara izmedju elektroda svećice i u potrebnom trenutku pali već pripremljenu smešu. Kod dizel motora upaljenje smeše se vrši na principu samoupaljenja, tj. bez stranog izvora energije. U visoko sabijeni vazduh ubrizgava se dizel gorivo koje se samo pali. Danas postoje neke konstrukcije motora koje predstavljaju prelaz izmedju oto i dizel motora, poludizel motori, kod kojih se sabijanje ne vrši do pritiska samoupaljenja, već nešto nižeg te se paljenje mora da izvrši stranom energijom. Podela motora po konstruktivnim i eksploatacionim karakteristikama U zavisnosti od konstrukcionih i eksploatacionih karakteristika postoji čitav niz podela od kojih ćemo navesti najvažnije: Podela prema mestu obrazovanja smeše Prema mestu obrazovanja smeše imamo motore sa spoljnim obrazovanjem smeše (karburatorski i gasni oto motori) i motore sa unutrašnjim obrazovanjem smeše (dizel i poludizel motori). Podela prema načinu punjenja Prema načinu punjenja cilindra svežom radnom materijom, svi motori se dele na motore sa prirodnim i sa veštačkim punjenjem. Kod motora sa prirodnim punjenjem, ono se ostvaruje na osnovu stvorene depresije u cilindru motora pri kretanju klipa od spoljne ka unutrašnjoj mrtvoj tački i tu spadaju svi neprihranjivani četvorotaktni motori. Kod veštački punjenih motora, radna materija se predhodno sabija, kako bi se omogućilo povećanje snage motora, i zatim šalje u cilindar. Tu spadaju svi dvotaktni motori i prehranjivani četvorotaktni motori. Podela motora po konstrukciji

• U zavisnosti od položaja osa cilindara svi motori mogu biti vertikalni, horizontalni, V-motori, bokser motori, W-motori, zvezdasti motori itd.

• u zavisnosti od broja cilindara- jednocilindrični i višecilindrični motori. • u zavisnosti od konstrukcije motornog mehanizma na motore bez ukrsne glave i motore sa

ukrsnom glavom. Motori jednostrukog i dvostrukog dejstva Kod motora jednostrukog dejstva radni ciklus se obavlja samo sa spoljne strane klipa, dok se kod motora dvostrukog dejstva (uvek se izvode sa ukrsnom glavom) za obavljanje radnog ciklusa koriste obe strane klipa, te se na taj način postižu znatno veće snage. Podela prema nameni Svi motori po nameni se dele na stacionarne i transportne. Ukoliko su motori postavljeni na postojanom fundamentu, nazivaju se stacionarni, a ukoliko se nalaze ugradjeni u nekom pokretnom sredstvu nazivaju se transportni. Transportni motori se dalje dele na: brodske, železničke, avionske i za motorna vozila. Podela prema smeru okretanja kolenastog vratila Dele se na nereversivne (jednog smera) i reversivne (koji menjaju smer okretanja) motore.

20

Podela po stepenu sabijanja Dele se na motore niskog i visokog stepena kompresije. U motore niskog stepena kompresije spadaju oto benzinski i gasni motori, dok u motore visokog stepena kompresije spadaju dizel motori. Podela prema vrsti korišćenog goriva

U zavisnosti od primenjenog goriva svi motori se dele na: • motori na pogon gasnim gorivom, • motori na pogon tečnim gorivom, • dvogorivni motori na pogon sa gasnim ili tečnim gorivom,i • višegorivni motori.

• Podela prema načinu hladjenja • Prema načinu hladjenja termički opterećenih površina motora svi motori se dele na: • motore sa vodenim hladjenjem i • motore sa vazdušnim hladjenjem.

Pored ovih već navedenih, u specijalnoj literaturi vezanoj za motore sa unutrašnjim sagorevanjem postoje još neke podele u zavisnosti od nenavedenih konstruktivnih ili eksploatacionih osobina motora.

VRSTE GORIVA I OSNOVNE KARAKTERISTIKE TIH GORIVA ZA PRIMENU U MOTORIMA SUS

Sagorevanje goriva kod motora SUS vrši u cilindru motora, pa je zbog toga potrebno da to gorivo poseduje odredjena svojstva i da njegovi produkti sagorevanja ne sadrže čvrste čestice. Zbog toga i pored mnogih eksperimentalnih pokušaja, nije uspešno rešena primena ugljene prašine kao goriva u motorima SUS, već se i danas koriste samo tečna i gasovita goriva, čije sagorevanje protiče praktično bez ostataka. Osnovni hemijski elementi tečnih i gasovitih goriva su ugljenik i vodonik. Varijacijom broja i medjusobnog rasporeda atoma vodonika i ugljenika dobijaju se ugljovodonici različitih osobina. Pri sagorevanju dolazi do vezivanja vodonika i ugljenika sa kiseonikom iz vazduha uz istovremeno oslobadjanje znatne količine toplote. Goriva za motore SUS treba da zadovolje sledeće osnovne zahteve:

• Da imaju visoku toplotnu moć, kako bismo sa zadanom količinom goriva dobili što veći efekat,

• Da su lako isparljiva, kako bi se omogućilo brzo i lako mešanje sa vazduhom u cilju stvaranja gorive smeše,

• Da ne sadrže sastojke koji omogućavaju koroziju pri skladištenju, odnosno da prilikom sagorevanja ne stvaraju štetne sastojke ni čvrste ostatke,

• Da su postojana pri transportu i skladištenju, naročito pri niskim temperaturama, • Da imaju veliku brzinu sagorevanja, ali bez usputnih detonatnih pojava, • Da su postojana i otporna na detonaciju (kod oto motora), odnosno sklona ka samoupaljenju

(kod dizel motora), i • Da se može vršiti pogodno snabdevanje potrošača, pri svim temperaturama.

Danas se kod motora SUS najviše koriste tečna goriva, jer najbolje zadovoljavaju sve postavljene zahteve. Tečna goriva sadrže u 1 kg najveću količinu hemijski vezane energije, lako se mešaju sa

21

vazduhom i stvaraju homogenu gorivu smešu, imaju veliku brzinu sagorevanja, ne stvaraju štetne sastojke prilikom sagorevanja, i što je posebno važno lako i jednostavno se transportuju i skladište. Osim toga je i njihova trajnost pri uskladištenju velika. U motorima SUS se danas praktično koriste samo veštačka tečna goriva dobijena preradom nafte u rafinerijama. U zavisnosti od željenih količina pojedinih frakcija, primenjuje se odredjeni postupak rafinacije nafte. U oto motorima se najviše koriste benzini, a u dizel motorima dizel goriva. Gasovita goriva su takodje pogodna za korišćenje u motorima SUS, jer se lako mešaju sa vazduhom, sagorevaju praktično bez dima i čadji, obezbedjuju brzo i lako startovanje, ali su nepogodna za transport i skladištenje, pa samim tim i za sigurno snabdevanje potrošača, te zbog toga nemaju veliku primenu. Prirodno gorivo je prirodni (zemni) gas, koje se najvećim delom sastoji od metana CH4. Bez neke posebne pripreme se može koristiti u motorima SUS. Od veštačkih gasovitih goriva interesantni su samo gasogeneratorski gas, svetleći gas i tečni gasovi propan i butan. Već je naglašeno da se u oto motorima najviše koristi benzin. Benzin predstavlja najisparljiviji destilat nafte i karakteriše se postojanjem komponenata čija temperatura ključanja ne prelazi 200°C. Donja toplotna moć benzina je oko 45000 kJ/ kg. Medjutim, na snagu motora veliki uticaj ima, ne toplotna moć benzina, već njegove smeše sa vazduhom koja iznosi oko 3800 kJ/m3. Važna osobina benzina je njegova isparljivost, čak i na niskim temperaturama. Ona utiče na brzinu i kvalitet pripreme smeše, a naročito na start motora. Pri normalnom sagorevanju benzina u cilindru motora, brzina prostiranja plamena pri sagorevanju smeše iznosi od 25 do 40 m/sec. Veća brzina sagorevanja doprinosi poboljšanju odvijanja radnog ciklusa, a samim tim i vrednosti njegovog stepena korisnosti. Medjutim, pri povećanju stepena sabijanja radne smeše brzina prostiranja fronta plamena može naglo porasti, tako da dodje do pojave detonacije. Detonacija je naglo, burno sagorevanje jednog dela smeše koji se nalazi ispred fronta plamena, pri čemu dolazi do povećanja brzine sagorevanja čak do 2000 m/sec. Detonacija dovodi do pogoršanja procesa sagorevanja, izaziva udare koji mogu da dovedu i do loma pojedinih elemenata motora. Otpornost goriva, prema pojavi detonacije se definiše oktanskim brojem. Za merenje otpornosti goriva prema detonaciji, odnosno za odredjivanje vrednosti oktanskog broja koriste se danas posebni jednocilindrični motori kod kojih je moguće u toku ispitivanja menjati stepen kompresije. Pri tome se kao etalon gorivo koristi smeša izooktana C8H18, koji je veoma otporan prema detonaciji (oktanski broj 100) i normalnog heptana C7H16 koji je potpuno neotporan prema detonaciji (oktanski broj 0). Pod oktanskim brojem goriva podrazumevamo sadržaj izooktana u zapreminskim procentima one smeše, koja je po detonacionim svojstvima ista, kao i ispitivano gorivo. Što je viši oktanski broj, to je gorivo otpornije prema detonaciji, te je moguć veći stepen sabijanja. Za povećanje oktanskog broja benzinu se dodaju specijalne supstance tzv. antidetonatori (tetraetil olova, tetrametil olova itd.). Samim tim se omogućuje veći stepen sabijanja, a time i veća ekonomičnost i snaga motora. Postoji više metoda za odredjivanje oktanskog broja u zavisnosti od vrste i namene goriva. U našoj zemlji se koriste dve vrste benzina: premium (86-88 oktana) i super (97-99 oktana). Pored već navedenih, važne osobine benzina su temperatura samozapaljenja (temperatura do koje treba zagrejati gorivo u prisustvu vazduha, da bi se ono zapalilo samo od sebe i dalje sagorevalo), granice upaljivosti (donja-granica siromaštva smeše kada je toliko razredjena sa vazduhom da ne postoji mogućnost njenog upaljenja i gornja-granica bogatstva smeše, kada je ona toliko bogata da ne postoji dovoljno kiseonika za njeno sagorevanje). Kod oto motora je

22

takodje važna temperatura samopaljenja, kako se u procesu sabijanja ne bi stvorila mogućnost samoupaljenja goriva smese ili pojava detonacije ispred fronta plamena. Njena vrednost iznosi oko 500°C za benzin. Postojanost benzina kod niskih temperatura je veoma velika. Tek ispod -100°C nastupa promena agregatnog stanja. Medjutim, ukoliko se voda nalazi u benzinu, nastupa smanjenje postojanosti benzina na niskim temperaturama. Pored toga voda štetno deluje korozijom na materijale od kojih je sagradjen motor i njegovi agregati. Sumpor takodje veoma štetno deluje na materijal motora, te sadržaj sumpora u benzinu ne bi smeo da predje 0,2 %. U dizel motorima se upotrebljavaju različita dizel goriva u zavisnosti od vrste i namene motora. Toplotna moć dizel goriva se kreće od 42000 do 44000 kJ/kg. Zahtevi koji se postavljaju pred dizel goriva su dosta različita u odnosu na benzin. Najvažnije karakteristike dizel goriva su sklonost ka samoupaljenju, temperatura samoupaljenja, viskoznost, sposobnost stvaranja koksa, temperatura stinjavanja, sadržaj sumpora i nečistoća u gorivu. Kao pokazatelj sklonosti dizel goriva ka samoupaljenju koristi se cetanski broj. Odredjuje se u specijalnirn opitnim motorima uz pomoć etalon goriva. Kao etalon gorivo služi mešavina cetana C16H34 (cetanski broj usvojen 100), kao veoma sklon samoupaljenju i alfa-metilnaftalina C11,H10 sa vrlo malom sklonosti ka samozapaljenju (cetanski broj usvojen 0). Procenat cetana u onoj smeši sa alfa-metilnaftalinom, koja pokazuje isto zakašnjenje paljenja, odnosno dužinu perioda pritajenog sagorevanja (vremena koje protekne od momenta kada započne ubrizgavanje goriva do momenta kada nagli porast pritiska manifestuje burnije sagorevanje) , kao i ispitivano gorivo u opitnom motoru, predstavlja cetanski broj. Što je viši cetanski broj, to je lakša samopaljivost goriva, a samim tim, pri ostalim istim uslovima, mirniji je bešumniji rad. U našoj zemlji standardi definišu četiri vrste dizel goriva za dizel motore: 1. Vrlo lako dizel gorivo D1, JUS B.H2.411. Za motore motornih vozila sa preko 800 o/min. 2. Lako dizel gorivo D2, JUS B.H2.412. Za industrijske dizel motore i teška vozila. 3. Srednje dizel gorivo D3, JUS B.H2.413. Primenjuje se za stabilne i brodske motore. 4. Lako dizel gorivo (sa malim sadržajem sumpora) D2S, JUS B.H2.416. Temperatura samoupaljenja treba da bude što niža kako bi se obezbedilo sigurno samoupaljenje goriva, naročito kod hladnog motora pri niskim spoljnim temperaturama. Za dizel goriva ta temperatura se kreće oko 330°C. To je veoma važna osobina zbog kvaliteta ubrizgavanja goriva i njegovog raspršivanja, naročito pri niskim temperaturama. Kao karakteristika savršenosti sagorevanja i sklonosti dizel goriva na stvaranje dima i čadji u produktima sagorevanja služi tzv. koksni broj, koji pokazuje količinu koksa (u težinskim procentima) dobijenu pri zagrevanju goriva u specijalnim aparatima bez prisustva vazduha. Dizel goriva imaju tu vrednost od 0,1 do 0,3. Temperatura stinjavanja (data u tablici 2.1) predstavlja temperaturu kod koje dizel gorivo više ne teče, čak ni u sudu pod uglom od 45° u toku jednog minuta. Visoke vrednosti te temperature nisu povoljne, jer zgusnuta goriva veoma teško cirkulišu kroz elemente napajanja, otežano je filtriranje i može doći čak do prestanka rada motora. Pojava sumpora u dizel gorivu, kao i prisustvo vode i mehaničkih primesa može da dovede do pojave korozije, oštećenja i začepljenja elemenata za ubrizgavanje goriva, te se o tome mora posebno voditi računa. Pored navedenih i razmatranih goriva, u motorima SUS se mogu primeniti i neka druga goriva, ali to su već motori specijalne namene, te se u okviru ovog kursa neće razmatrati.

23

OPIS RADA ČETVOROTAKTNOG I DVOTAKTNOG MOTORA Već je naglašeno da postoje dve osnovne podele motora: podela prema načinu ostvarivanja ciklusa na četvorotaktne i dvotaktne motore, i podela prema principu paljenja na oto i dizel motore. Samim tim sve motore možemo da podelimo u četiri osnovne grupe:

1. Četvorotaktni oto motor, 2. Četvorotaktni dizel motor, 3. Dvotaktni oto motor, 4. Dvotaktni dizel motor.

Analiza indikatorskih dijagrama stvarnih motora, jasno pokazuje da postoje velike razlike izmedju četvorotaktnih i dvotaktnih motora, dok su razlike izmedju oto i dizel motora znatno manje. Najveće razlike u dijagramima oto i dizel motora postoje u maksimalnim pritiscima. Kod dizel ciklusa ti pritisci su znatno viši zbog samoupaljenja goriva i vrh dijagrama u blizini SMT je znatno obliji, jer proces sagorevanja teče i posle SMT. Na slici 9. a) i b), dati su indikatorski dijagrami četvorotaktnog oto i dizel motora gde se navadene razlike lako mogu pratiti. Zbog toga je i moguće analizirati četvorotaktne oto i dizel motore, kao i dvotaktne oto i dizel motore, na bazi istog dijagrama, vodeći računa o specifičnostima rada oto i dizel motora

24

Slika 9. Indikatorski dijagram četvorotaktnog motora a) oto motori b) dizel motori c) analiza rada

OPIS RADA ČETVOROTAKTNOG OTO I DIZEL MOTORA Kod četvorotaktnih motora ceo radni ciklus se obavi za četiri takta (hoda) klipa, odnosno dva obrta kolenastog vratila. Proučićemo na slici 3.c tok linije pritiska u toku odvijanja radnog ciklusa:

I takt-usisavanje Linija usisavanja započinje od tačke r, završne tačke prethodnog radnog ciklusa kojoj odgovara pritisak izduvavanja. Kretanjem klipa od SMT ka UMT, u cilindru se stvara podpritisak koji omogudava da se usisava smeša goriva i vazduha (kod oto motora) ili čist vazduh (kod dizel motora). Pri tome je otvoren usisni, a zatvoren izduvni ventil, kako se izduvni gasovi iz predhodnog

25

ciklusa ne bi vraćali u cilindar. Pritisak usisavanja je nešto niži od atmosferskog, te je linija usisavanja r-a.

II takt-sabijanje Sabijanje nastaje pri obratnom kretanju klipa odUMT ka SMT. U tom periodu su oba ventila zatvorena, te kretanje klipa povećava pritisak gorive smeše (kod oto motora), odnosno svežeg vazduha (kod dizel motora). Na dijagramu proces sabijanja je pretstavljen krivom a-c. U blizini SMT celokupna sveža radna materija je sabijena u prostor sagorevanja V , te su odgovarajući pritisci i temperature veoma visoki. Kod motora veličina pritiska na kraju procesa sabijanja zavisi u osnovi od stepena sabijanja, odnosno od vrste motora. Kod dizel motora se sabija čist vazduh, pa se u njega ubrizgava gorivo koje mora da se zapali po principu samoupaljenja. Zbog toga i odgovarajući pritisci i temperature, a samim tim i stepeni sabijanja, moraju imati visoke vrednosti. Uobičajene vrednosti stepena sabijanja ε su od 14 do 22, pritisaka od 25 do 40 bar, a temperature od 550°-650°C. Te vrednosti omogućavaju nesmetano samoupaljenje dizel goriva u trenutku njegovog ubrizgavanja. Kod oto motora zbog opasnosti samopaljenja gorive smeše i pojave detonacije smo ograničeni sa vrednošću stepena sabijanja, a samim tim i vrednostima pritisaka i temperatura na kraju procesa sabijanja. Uobičajene vrednosti stepena sabijanja kod oto motora se kreću od 6 do 9, pritisaka od 6 do 12 bar, temperatura od 300 do 400°C, odnosno znatno manje nego kod dizel motora. Nešto pre SMT, u tački p, dolazi do paljenja gorive smeše električnom varnicom (kod oto motora), odnosno do ubrizgavanja goriva u zažareni i sabijeni vazduh (kod dizel motora). Proces sagorevanja se obavlja u neposrednoj blizni SMT, pri čemu pritisak naglo raste po liniji p-z, dostižući u tački z maksimalnu vrednost (kod oto motora od 25 do 50 bar, a kod dizel motora od 50 do 90 bar). Sagorevanjem se oslobadja znatna količina toplote koja se predaje produktima sagorevanja tako da njihova temperatura dostiže i 2000°C. Proces sagorevanja u motoru u zavisnosti od osobina goriva i brzohodnosti motora traje od 0,01 do 0,001 sec. Zbog toga je i potrebno da se omogući što bolja priprema gorive smeše, njen što homogeniji i rasprašeniji sastav, kako bi se omogućilo da svaki molekul goriva dobije dovoljnu količinu vazduha, odnosno kiseonika za potpuno sagorevanje.

III takt-širenje ili ekspanzija Već je naglašeno da se proces sagorevanja završio u tački z, nešto iza SMT, na početku takta širenja. Energetski opterećeni produkti sagorevanja potiskuju klip ispred sebe, pri čemu dolazi do širenja produkata sagorevanja, povećanja njihove zapremine i pada pritiska. Potiskivanjem klipa ostvaruje se rad koji se putem motornog mehanizma predaje kolenastom vratilu i dalje potrošačima. Ovo je jedini radni takt koji omogućuje pokrivanje sopstvenih gubitaka motora tokom ostala tri takta i predaju mehaničke energije potrošačima. Proces se odvija po liniji z-b, U toku takta ekspanzije zatvorena su oba ventila.

IV takt-izduvavanje Nešto pre dolaska klipa u UMT otvara se izduvni ventil,te dolazi do pada pritiska produkata sagorevanja, kako bi se oni odstranili pod što manjim pritiskom. U toku takta izduvavanja klip se kreće od UMT ka SMT potiskujući ispred sebe energetski iskorišćene produkte sagorevanja u izduvni vod, a zatim u spoljnu atmosferu. Na dijagramu proces izduvavanja je predstavljen krivom b-r, sa pritiskom koji je nešto viši od atmosferskog (1,05 do 1,25 bar), te je za izduvavanje gasova potrebno utrošiti izvestan rad.

26

Pri daljem kretanju klipa započinje novi radni ciklus. Rad četvorotaktnog motora se sastoji u periodičnom ponavljanju radnih ciklusa koji se odvijaju na opisani način. OPIS RADA DVOTAKTNOG OTO I DIZEL MOTORA Iz analize radnog ciklusa četvorotaktnog motora vidi se, da u njemu, pored taktova sabijanja i širenja, koji su neophodni kod svakog toplotnog motora u kome se ostvaruje kružni proces, postoje i taktovi usisavanja i izduvavanja, u toku kojih toplotni motor radi pri niskim pritiscima u cilindru i igra ulogu pumpe. Na taj način četvorotaktni motor više od polovine vremena trajanja radnog ciklusa, tj. više od dva takta ili jednog obrta kolenastog vratila, koristi za izmenu radne materije. Želja da se bolje iskoristi neophodno vreme za obavljanje radnog ciklusa i da se eliminišu taktovi usisavanja i izduvavanja-pumpni taktovi, doprinela je razvoju dvotaktnih motora. Kod dvotaktnih motora se radni ciklus obavi za dva takta-takt sabijanja i takt širenja, odnosno za jedan obrt kolenastog vratila. Zbog toga je potrebno obezbediti da se izmena radne materije može da obavi za što kraće vreme, jer za nju nam stoji na raspoloženju samo oko 20 do 30% vremena trajanja radnog ciklusa, odnosno završni deo takta širenja i početni deo takta sabijanja. Da bi se taj proces mogao u tako kratkom vremenu izvršiti predvidja se predsabijanje radne materije i posebni načini ispiranja, o čemu će biti detaljnije diskutovano u kasnijim poglavljima. Na slici 10 data je šema dvotaktnog motora sa poprečnim ispiranjem i predsabijanjem u motorskoj kućici sa odgovarajućim p-v radnim dijagramom.

Slika 10. Šema dvotaktnog motora sa indikatorskim dijagramom

I takt-sabijanje ili kompresija Pri svom kretanju od UMT ka SMT, od trenutka kada su zatvoreni i izduvni i ulazni kanal (tačka a, u p-v dijagramu) klip svojom čeonom stranom vrši sabijanje radne materije (gorive smeše kod oto motora, a čistog vazduha kod dizel motora), pri čemu se u motorskoj kućici stvara potpritisak koji

27

omogućuje otvaranje automatskog ventila i ulaz sveže radne materije. Isto kao i kod četvorotaktnog motora, tako se i kod dvotaktnih motora vodi računa o maksimalnim vrednostima pritiska i temperature na kraju procesa sabijanja, kako ne bi došlo do pojave detonacije (kod oto motora) odnosno kako bi se obezbedilo sigurno samoupaljenje goriva (kod dizel motora). Takt sabijanja ide po krivoj a-c. Nešto pre SMT, isto kao i kod četvorotaktnih motora, u tački p dolazi do paljenja gorive smeše (kod oto motora), odnosno započinje proces brizganja (kod dizel motora). Proces sagorevanja ide po krivoj p-z pri čemu se u tački z postiže maksimalni pritisak i temperatura.

II takt-širenje ili ekspanzija Klip se pod dejstvom energetski opterećenih produkata sagorevanja kreće od SMT ka UMT, pri čemu se dobija rad koji se putem motornog mehanizma prenosi potrošačima. Ovo je radni takt dvotaktnog motora, predstavljen linijom z-b". Dok se u cilindru vrši ekspanzija produkata sagorevanja, donjom stranom klipa se vrši sabijanje prethodno usisane sveže radne materije u motorskoj kućici. Na taj način se vrši predsabijanje sveže radne materije, čime se omogućuje da se izvrši brza izmena radne materije. Izmena radne materije se, kao što je naglašeno, vrši u završnom delu takta širenja (linija b"-b'-b) i početnom delu takta sabijanja (linija b-a'-a), tako da čisto sabijanje traje od a do p, a čisto širenje od z do b". Nailaskom klipa u položaj b", on započinje gornjom svojom ivicom da otvara izduvni kanal i produkti sagorevanja počinju da izlaze iz cilindra motora. Iako je pritisak u tački b" dosta visok (3 do 5 bar), usled malog protočnog preseka i velikog prigušivanja, pritisak ne pada naglo, sve dok se ne poveća protočni presek. U tački b' započinje otvaranje ulaznog kanala. Dok smo u periodu b"-b' imali period čistog isticanja, otvaranjem ulaznog kanala nastaje period ispiranja tokom koga su otvorena oba kanala (linija b'-b-a'). Ovo nameće potrebu da ulazeća sveža radna materija bude tako usmerena da se onemogući njeno mešanje sa produktima sagorevanja ili isticanje kroz otvoreni izlazni kanal. Zato se na čelu klipa postavlja deflektor ili se ulazni otvori postavljaju sa odgovarajućim nagibom. Pri ovome je važno da se stvori takva struja sveže radne materije koja bi kao neki "gasni klip" potiskivala ispred sebe produkte sagorevanja i samim tim doprinela što boljem ispiranju cilindra motora, a da se pri tome izgubi što manja količina sveže radne materije, jer od toga u prvom redu zavise snaga i ekonomičnost dvotaktnih motora. Pri dolasku klipa u tačku a' zatvara se ulazni kanal, ali je još uvek otvoren izlazni kanal. Samim tim prestaje doticanje sveže radne materije, ali sve do tačke a postoji mogućnost isticanja pomešanih produkata sagorevanja i sveže radne materije. Taj period se naziva periodom naknadnog isticanja i ima veliku važnost, jer omogućava hladjenje termički jako opterećenih površina kod dvotaktnih motora, ali negativno utiče na ekonomičnost rada. Nakon tačke a klip će započeti proces sabijanja narednog radnog ciklusa. Rad dvotaktnog motora se sastoji u periodičnom ponavljanju radnih ciklusa za čije obavljanje je, kao što se vidi, potrebno samo dva takta, odnosno jedan obrt kolenastog vratila. Rad motora po dvotaktnom ciklusu dovodi do znatnog povećanja njegove snage. Uzimajući u obzir povećanje broja radnih ciklusa, mogli bi se očekivati da će se snaga povećati za dva puta. Medjutim, zbog lošije izmene radne materije i zbog korišćenja jednog dela radnog takta za izmenu radne materije, litarska snaga je veća za 50 do 60% od litarske snage četvorotaktnog motora, pri jednakim dimenzijama cilindra i jednakim brojevima obrta razmatranih motora.

28

Karakteristike rada motora Za ocenu rada motora primenjuju se određeni tehno-ekonomski parametri. Oni određuju mogućnosti motora u pogledu razvijanja snage, njegove efikasnosti i ekonomičnosti pri različitim uslovima rada.Postoje tri osnovne grupe parametara:

– Indikatorski pokazatelji rada motora – Efektivni pokazatelji rada motora – Kompleksni pokazatelji rada motora

Indikatorski pokazatelji rada motora su: – Srednji indikatorski pritisak – Indikatorska snaga – Indikatorski stepen korisnosti – Specifična indikatorska potrošnja goriva

Efektivni pokazatelji rada motora su:

– Srednji efektivni pritisak – Efektivna snaga – Efektivni stepen korisnosti – Specifična efektivna potrošnja goriva –

Kompleksni pokazatelji rada motora su: – Litarska snaga – Klipna snaga – Specifična snaga – Specifična masa

Indikatorski pokazatelji rada motora Srednji indikatorski pritisak je fiktivni pritisak konstante vrednosti koji bi delujući na klip u toku jednog hoda, izvršio isti rad dobijen delovanjem promenljivih pritisaka u toku odvijanja jednog ciklusa Indikatorska snaga je snaga koju motor razvija u cilindrima motora kao rezultat odvijanja radnih ciklusa Specifična indikatorska potrošnja goriva predstavlja količinu goriva u gramima utrošenu po jednom indikatorskom kWh. Karakteristika je ekonomičnosti odvijanja radnog procesa Indikatorski stepen iskorišćenja predstavlja odnos toplote ekvivalentne indikatorskoj snazi prema toploti dovedene gorivom

– Kod Otto motora 0.25-0.37 – Kod Diesel motora 0.38-0.50

Efektivni pokazatelji rada motora Efektivna snaga je snaga koja je raspoloživa na spojnici motora Srednji efektivni pritisak je fiktivni pritisak konstantne vrednosti analogan srednjem indikatorskom pritisku koji bi delujući na klip u toku jednog hoda radnog ciklusa obavio efektivni rad ciklusa

29

Specifična efektivna potrošnja goriva predstavlja količinu goriva koju motor troši po jednim efektivnom kilovatčasu Efektivni stepen iskorišćenja predstavlja odnos toplote ekvivalentne efektivnoj snazi prema količini toplote dovedene gorivom Indikatorska snaga koja se razvija u cilindrima motora delimično se troši na razne gubitkre, pa je snaga na vratilu motora koja se predaje potrošačima manja od indikatorske za vrednost tih gubitaka. Kompleksni pokazatelji rada motora Litarska snaga predstavlja merilo iskorišćenja radnog prostora motora, odnosno odnos efektivne snage motora i ukupne zapremine motora. Pokazatelj je efektivnosti motora Klipna snaga motora je odnos efektivne snage jednog cilindra i površine klipa. Pokazatelj je forsiranosti motora Specifična snaga motora predsatvlja odnos efektivne snage i mase motora (važna je kod avionskih motora) Specifična masa motora predstavlja odnos mase motora i njegove efektivne snage Konstrukcija motora Glavni delovi motora, svrstavaju se u grupu nepokretnih i grupu pokretnih delova. U nepokretne delove motora spadaju: cilindarski blok, glava i karter. Cilindarski blok treba da je pogodan za montažu, da dobro odvodi toplotu, da omogućava jednostavnu regulaciju i kontrolu mehanizma koji se nalaze na motoru. Cilindarska glava zatvara motor sa gornje strane. Njena konstrukcija zavisi od oblika komore sagorevanja, broja i rasporeda: ventila, svećica ili brizgača i sistema hlađenja. Karter zatvara motor sa donje strane, služi kao rezevoar za ulje i štiti mmotor od prašine i nečistoća. Pokretni delovi motora (motorni mehanizam) sastoje se od kolenastog vratila, klipa i klipnjače. Ovi delovi pretvaraju tranlatorno kretanje klipa u rotaciono krivajnog mehanizma. Za normalan rad motora neophodni su sledeći uređaji (sistemi):

• Sistem za razvod radne materije koji omogućuje odstranjivanje produkata sagorevanja i punjenje svežom radnom materijom

• Sistem za napajanje motora koj služi za pripremu gorive smeše i napajanje oto motora, odnosno za dopremu goriva i vazhuha za cilindre dizel motora

• Sistem za hlađenje koji služi za odvođenje toplote od zidova cilindra, cilindarske glave i ostalih temički opterećenih mesta motora,

• Sistem za paljenje (kod oto motora) koji obezbeđuje sigurno i blagovremeno paljanje smeše, • Sistem za podmazivanje koji obezbeđuje sigurno podmazivanje svih pokretnih delova • Sistem startovanja motora

Pored navedenih postoje i drui sistemi (sistem za regulisanje snage i broja obrtaja, sistem za prehranjivanje motora, sistem prenosa snage i reversa itd). Na slikama 11 - 14 prikazani su detalji pokretni i nepokretni delovi motora, kao i motori u celini.

30

1. cilindarska glava, 2.otvor za prolaz rasfladnog fluida, 3. komora sagorevanja, 4. goli zavrtanj, 5. cilindarski blok, 6) cilindar, 7) sedište ventila, 8) otvori u bloku za prolaz rashladnog fluida, 9) usisni i izduvni kanali, 10) ventilska kućica, 11) otvor za bregasto vratilo, 12) cilindarska košuljica, 13) karter, 14) prednji poklopac bloka, 15) donji deo kartera, 16) zaptivka, 17) kućište zamajca, 18) zaptivka glave motora.

Slika 11. Blok, glava cilindra i karter. a), b) cilindarski blok linijskog motora, c) cilindarski blok V

motora.

1. spojnica za obrtanje ventila, 2. remenica ventilatora, 3. pogonski zupčanik zupčastog razvoda, 4. vratilo, 5. aksijalni ležaj, 6. posteljica položaja klipnjače, 7. klipnjača, 8. navrtka sa rascepkom, 9. zavrtanj klipnjače, 10. klizni ležaj male pesnice klipnjače, 11. prstenasti osigurač, 12. osovinica klipa, 13. klip, 14. mazajući klipni prsten, 15. i 16. kompresioni klipni prstenovi, 17. kolenasto vratilo, 18. zamajac, 19. zupčasti venac za pokretanje motora, 20. posteljica oslonačkog ležaja, 21. polutka osnovnog ležaja, 22. polutka ležaja velike pesnice.

Slika 12. Detalji mehanizma motora.

31

Slika 13 Poprečni presek dizel motora

Slika 14 Poprečni presek motora

Blok motora (glava motora)

Ventilski sklop

Injektor

Cilindar

Klip

Klipnjača

Radilica

Prednja strana motora – prednji razvod

Bregasto vratilo sa pratiocima bregova

Motorna kočnica

Turbokompresor

Izduvna grana

32

Tendencije daljeg razvoja motora SUS Savremene tendencije u razvoju dizel motora za potrebe rudarstva idu u dva pravca: izgradnja što lakših motora sa vćom snagom i izgradnja motora sa povećanim stepenom zaštite životne sredine (smanjena emisija štetnih gasova). Lakše konstrukcije motora postižu se primenom specijalnih materijala za izgradnju elemenata motora. Takođe, konstruisani su novi oblici klipa i komore za sagorevanje uz težnju za maksimalnim smanjenjem habajućih površina. Posebna pažnja posvećuje se ubrizgavanju goriva. Pritisak ubrizgavanja kreće se i do 2300 bari čime se postiže bolja disperzija goriva i potpunije sagorevanje, a time se i smanjuje emisija štetnih gasova. Drugi važan faktor je regulacija količine i temperature vazduha. To se postiže ugradnjom turbokompresora i međuhladnjaka čime se omogućava usisavanje optimalne količine vazduha u svim režimima rada motora. Posebno mesto u nadzoru i regulaciji rada motora ima elektronika. U motore se ugrađuju senzori koji permanentno prate stanje rada motora (temperatura, pritisak, usis goriva i vaduha, emisija gasova i dr) a pomoću elektronike vrše se korekcije parametara rada motora pri različitim režimima rada. Danas su najveći proizvođači motora Cummins, Caterpillar, Detroit Disel i dr. Catelpillar je razvio motore za rudarsku opremu u serijama 3000, 3100, 3200, 3300, 3400 i 3500. U dozere Caterpillar ugrađuje motore snage od 52 kW (70 HP) do 574 kW (770 HP), a u kamione od 194 kW (260 HP) do 1534 kW (2057 HP).

33

1.2 ELEKTROMEHANIČKO PRETVARANJE ENERGIJE

• OSNOVNI PRINCIPI PRETVARANJA ENERGIJE

Uređaji za elektromehaničko pretvaranje energije predstavljaju vezu između jednog električnog i jednog mehaničkog sistema. Stvaranjem sprege ta dva sistema moguće je vršiti pretvaranje energije iz jednog oblika u drugi.

Električni motori pretvaraju električnu energiju, dovedenu sa nekog izvora struje, u mehaničku energiju (sl.15). Kao primer pretvaranja električne energije u mehanički rad može poslužiti upotreba elektične mašine za pogon neke mašine radilice u rudniku (bušilice, izvozne mašine, bageri, pumpe i slično).

Slika 15. Proces konverzije električne energije u mahaničku

Električnim generatorom pretvara se mehanička energija u električnu (sl.16). Na primer, kada vodena turbina obrće električnu mašinu, tada se mehanički rad vodene turbine, pomoću električne mašine, pretvara u električnu energiju. Grupa mašina iz navedenog primera (vodena turbina - električni generator) naziva se hidrogenerator. Na sličan način, pomoću električnog generatora, pretvara se mehanička energija parne trurbine u električnu. Parna turbina i električna mašina, u ovom slučaju, čine turbogenerator.

Slika 16. Proces konverzije mehaničke energije u električnu

U većini slučajeva, u zavisnosti od načina pogona, ista mašina može da da se koristi kao motor ili generator.

Sprega između električnog i mehaničkog sistema ostvaruje se pomoću magnetnih i električnih polja. Pretvaranje energije je reverzibilan proces i pored toga što se jedan deo energije pretvara u toplotu u obliku gubitaka. Elektromehaničko pretvaranje energije kod mašine jss zasniva se na sledećim pojavama: 1) Na provodnik, kroz koji protiče električna struja i koji se nalazi u magnetnom polju, deluje mehanička sila. Između električnih provodnika, kroz koje protiče električna struja, međusobno deluje mehanička sila. Postoji i reverzibilna pojava, odnosno, u provodniku, koji se nalazi i kreće u rezultantnom magnetnom polju, indukuje se elektromotorna sila (ems); 2) Na feromagnetni materijal u magentnom polju deluje mehanička sila, koja teži da ga dovede u

34

pravac delovanja magentnog polja, odnosno na mesto najgušćeg magnetnog polja. U slučaju da je magnetno polje stvoreno delovanjem namotaja kroz koji protiče struja, proces je reverzibilan, odnosno kretanjem feromagnetnog materijala dolazi do promene fluksa kroz namotaj i u njemu se indukuje ems.

Postoji širok opseg snaga elektromotora, od dela vata, kod mikromotora u regulacionim mehanizmima, do motora snage reda 50 MW koji se upotrebljavaju za pogon pumpi i ventilatora. Za razliku od električnih generatora, snage veće od 1000 MW, koji se mogu videti u termoelektranama i drugim velikim industrijskim pogonima, uređaji koji svoj rad zasnivaju na dielektričnom, piezoelektričnom i magnetostrikcionom efektu ograničeni su na nivo snage od nekoliko vata.

• ELEKTROMOTORNA SILA I OBRTNI MOMENAT

Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, u električnom provodniku koji se nalazi u magnetnom polju promenjivog fluksa, indukuje se elektromotorna sila (ems), čiji se opšti izraz može napisati u oblicima:

vdx

dΦ

dt

dx

dx

dΦ

dt

dΦe −=−=−= ,

gde je v - relativna brzina kretanja provodnika u magnetnom polju.

Ems u namotajima može se indukovati kao rezultat mehaničkog obrtanja namotaja u magnetnom polju, ili mehaničkim obrtanjem magnetnog polja pored nepokretnih namotaja. U oba slučaja fluks se menja periodično, pa je takva i priroda indukovane ems.

Promena fluksa u namotaju, kod obrtnih električnih mašina, postiže se relativnim kretanjem obrtnog dela mašine (rotora) u odnosu na nepokretni deo (stator). Jedan od ova dva dela proizvodi osnovno magnetno polje i naziva se induktor. Drugi deo, koji se naziva indukt, nosi provodnike u kojima se indukuje napon i nastaje struja, uz nastanak magnetnog polja indukta.

Osnovni deo svakog namotaja je navojak, koji se sastoji od dva provodnika. Veći broj navojaka čini sekciju, a više sekcija, koje su tako povezane da se ems ili struje koje u njima postoje sabiraju, čine namotaj indukta ili induktora.

Slika 17. Navojak bakarne žice, koji se obrće u magnetnom polju stalnog magneta.

Neka se jedan navojak izolovane bakarne žice obrće konstantnom ugaonom brzinom ω, između

35

magnetnih polova N i S (sl.17). Obrtanjem navojka, njegove horizontalne strane (a i b, na slici) seku linije magnetne indukcije i u njima se indukuje ems. Kako se položaj navojka, pri obrtanju, naizmenično menja u odnosu na magnetne polove N i S, to se i smer i veličina ove indukovane ems stalno naizmenično menja.

Ako se sa Φm označi maksimalna vrednost magnetnog fluksa, a sa α - ugao za koji se navojak obrne u nekom vremenu t. Kako je α =ω t, jer je položaj navojka u magnetnom polju određen ugaonom brzinom njegovog obrtanja, za indukovanu ems, dobija se:

αcosmΦΦ = .

I indukovana elektromotorna sila menjaće se po sinusoidalnoj zavisnosti:

tEe ωsinm=

Krajevi navojka spajaju se sa bakarnim prstenovima, koji su čvrsto naglavljeni na osovinu, ali su od nje izolovani. Pri obrtanju osovine, zajedno sa prstenovima i navojkom, prstenovi klize po dvema ugljenim četkicama, preko kojih se vezuje prijemnik i zatvara strujno kolo. U ovako dobijenom zatvorenom kolu pojavljuje se naizmenična električna struja, čija je vremenska zavisnost:

tIi ωsinm= .

• MAGNETNO POLJE I OBRTNI MOMENAT

Da bi se razumele osobine, koje su zajedničke za sve mašine za elektromehaničko pretvaranje energije, najbolje je posmatrati princip nastanka obrtnog momenta mašina. Pri analizi obrtnog momenta i principa delovanja magnetnog polja, nije važno na koji su način su oni nastali, jednosmernom ili naizmeničnom strujom, odnosno o kojoj vrsti obrtne mašine je reč.

Magnetno polje najlakse je opisati na primeru dva magneta (sl.18), od kojih je jedan nepokretan a drugi ima mogućnost obrtanja. Kao rezultat međusobnog privlačenja raznoimenih polova i odbijanja istoimenih, dolazi do stvaranja momenta, koji teži da poravna ose oba magneta.

Slika 18. Momenat u dvopolnoj obtrnoj mašini.

Struje, koje postoje u namotajima mašine, stvaraju magnetni fluks u vazdušnom zazoru između statora i rotora i kroz gvožđe statora i rotora zatvara se magnetno kolo. Na ovaj način, na statoru i na rotoru mašine postoje magnetni polovi. Ose magnetnih polja su kod mašina za jednosmernu struju nepokretne u prostoru, a kod mašina za naizmeničnu struju obrću se konstantnom brzinom.

36

Slika 19. Ose magnetnih polja statora i rotora kod dvopolne mašine.

Kako bi došlo do formiranja obrtnog momenta i elektromehaničkog pretvaranja energije, obrtne mašine moraju imati jednak broj polova statora i rotora. U slučaju bilo koje kombinacije različitog broja polova statora i rotora, rezultujući moment mašine jednak je nuli.

• KONSTRUKCIJA NAMOTAJA Kod prvih konstrukcija električnih mašina (Gramova mašina za jednosmernu struju, Teslina mašina za naizmeničnu struju) namotaji indukta bili su namotavani oko prstenastog jezgra indukta (sl.20.a). Danas se provodnici indukta smeštaju u žlebove, kao dvoslojni namotaji (sl.20.b), koji su međusobno odvojeni zubcima i paralelno postavljni prema osi obrtanja. Ove dve konstrukcije namotaja identične su u pogledu indukovane ems i momenta. Osnovni razlog korišćenja indukta sa žlebovima je činjenica da u tom slučaju mehanička sila ne deluje direktno na provodnike već na zupce.

Slika 20. Namoti indukta: a) namotani oko prstenastog jezgra, b) u žlebovima.

Samo kod nekih vrsta manjih mašina, polovi induktora se izrađuju kao permanentni magneti. Kod većih mašina, polovi induktora su po pravilu elektromagneti sa odgovarajućim pobudnim namotajima, čime se omogućuje dobijanje jakog magnetnog polja u zazoru. Mašina može imati proizvoljan broj pari polova p.

• PREGLED ELEKTRIČNIH MAŠINA

Pobudni namotaj može biti: sa neistaknutim polovima (raspoređen u žlebove) ili sa istaknutim polovima (koncentrisan i potpuno obuhvata magnetni pol).

Struja pobude, u zavisnosti od vrste obrtne mešine, može biti: jednosmerna i naizmenična (jednofazna ili višefazna).

Prema vrsti struje indukta i induktora, električne obrtne mašine dele se na sledeći način:

37

Mašine jss Sinhrone mašine Asinhrone mašine

Pobudna struja jednosmerna jednosmerna naizmenična

(jednofazna ili trofazna)

Struja indukta

naizmenična (u induktu)

naizmenična (jednofazna ili trofazna)

naizmenična (jednofazna ili trofazna)

Kod mašina jednosmerne struje magnetni fluks se proizvodi konstantnom jednosmernom strujom i one daju ili primaju struju preko kolektora (komutatora). Posebnu prednost imaju kao pogonske mašine vozila, ili u slučaju kada je potrebna jednostavna regulacija broja obrtaja. Često nalaze primenu i za punjenje akumulatora.

Princip funkcionisanja mašina naizmenične struje zavisi od vrste struje. Sinhrone mašine rade sa konstantnim magnetnim fluksom i električna energija se prenosi u obliku monofazne ili trofazne struje. Monofazne mašine imaju samo jedan namotaj, dok trofazne mašine imaju tri različita namotaja, po jedan za svaku fazu, koji su smešteni na rotoru. Mašine imaju klizne prstenove preko kojih se rotorskim namotajima dovodi struja magnetizacije. Sinhrone mašine nalaze primenu kao generatori, na primer turbogeneratori, u pumpnim stanicama ili u valjaonicama, gde je potreban veliki obrtni momenat.

Kod asinhronih mašina magnetno polje se stvara superpozicijom više naizmeničnih magnetnih polja. Obrtno magnetno polje nastaje kao rezultat fazno pomerenih namotaja. Namotaji su postavljeni po grupama, čije je napajanje pomereno u fazi i koje se magnetišu jedna za drugom. Veza sa mrežom napajanja ostvaruje se preko kliznih prstenova. Ovakvi asinhroni motori koriste se kao servo-motori i kada je potrebno postići kontinualnu regulaciju broja obrtaja. Jedna vrsta ovih mašina su kratkospojeni asinhroni motori.

1.2.1. MAŠINE JEDNOSMERNE STRUJE

Prednosti jednosmerne struje u odnosu na naizmeničnu, sastoje se u tome što se ona može primeniti, osim za osvetljenje, grejanje, motorni pogon i slično, može upotrebiti i tamo gde naizmenična struje ne može: za punjenje akumulatora, vršenje elektrolize i slično. Mašine jednosmerne struje, ili dinamo mašine, dele se na dve grupe: generatori i motori jednosmerne struje.

Slika 21. Motor jednosmerne struje.

Prvu mašinu, odnosno prvi električni generator u kome se indukovala naizmenična struja i usmeravala

38

u jednosmernu, sagradio je belgijski radnik Gram 1870. godine. Pre pojave električnih mašina, korišćeni su hemijski izvori električne energije kao izvori jednosmerne struje. Razvoj u konstrukciji mašina za jednosmernu struju, doveo je do toga da su one postale najčešće rešenje u električnim postrojenjima i pogonima.

Motori jednosmerne struje, veće cene, složenijeg i skupljeg održavanja, manje pouzdanosti i kraćeg veka trajanja, danas su u velikoj meri potisnuti od strane jeftinijih, jednostavnih i robustnih električnih motora za naizmeničnu struju, kojima se upravlja mikroprocesorima i koji se napajaju energetskom elektronikom.

Generatori jednosmerne struje danas su u većini primena potisnuti poluprovodničkim ispravljačima. Međutim, generator jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom, zbog svojih veoma dobrih karakteristika se često koristi kao kočnica u laboratorijama za ispitivanje električnih mašina.

• OSNOVNI DELOVI

Kao i kod ostalih obrtnih električnih mašina, osnovni delovi mašine jednosmerne struje su: nepokretni deo (stator) i obrtni deo (rotor). Stator, koji je ovde induktor, sastavljen je od jarma u obliku šupljeg valjka od masivnog gvožđa. Na unutrašnjoj periferiji statora pričvršćena su 2p istaknuta pola (na sl.22 predstavljena je pojednostavljena slika sa samo jednim parom polova) koji su obično složeni od limova određene debljine. Na polovima statora smešten je koncentrisan pobudni namotaj (induktor), povezan između polova na određeni način i izveden na dva priključna kraja.

Slika 22. Presek dvopolne mašine jednosmerne struje.

Rotor, indukt kod mašina jednosmerne struje, cilindričnog je oblika, sastavljen je od tankih feromagnetskih limova i ravnomerno je ožljebljen po svom obimu. Dinamo limovi, od kojih je izrađen indukt, debljine su 0.3 do 0.5 mm, izolovani su lakom, hartijom ili slojem oksida, u cilju smanjenja vrtložnih struja, koje nepotrebno zagrevaju indukt. Paket limova rotora čvrsto je spojen sa osovinom mašine. U cilju hlađenja indukta, u njemu se izrađuju i kanali za hlađenje, u pravcu osovine, a na rotoru se često nalazi i ventilator, koji se obrće zajedno sa njim i pospešuje strujanje vazduha kroz kanale za hlađenje. Namotaj indukta čine izolovani bakarni provodnici, koji su, kod savremenih mašina jednosmerne struje, postavljeni u žlebove rotora, u dva sloja, paralelno osi obrtanja. Bez obzira na svoju vrstu, namotaj indukta je uvek raspodeljenog tipa i sastavljen iz većeg broja na red vezanih sekcija (navojnih delova). Provodnici mogu biti kružnog (žični) ili pravougaonog preseka (štapni).

Kako se rotor obrće između magnetnih polova statora, između ova dva dela postoji vazdušni

39

prostor debljine reda nekoliko milimetara, koji se naziva međugvožđe (vazdušni procep, zazor).

Komutator (kolektor) je sastavljen od bakarnih segmenata (lamela), koji su izolovani međusobno i u odnosu na osovinu. Postavljen je sa jedne strane rotora i obrće se zajedno sa njim. Na površinu komutatora naleže izvestan broj četkica, koje su mehanički su učvršćene za stator, nepomične su i spojene sa dva priključna kraja na statoru. Četkice su smeštene na simetrali između polova, u tzv. neutralnoj zoni. Segmenti komutatora su u električnoj vezi sa namotajem indukta, tako što je svaki segment spojen sa istim tolikim brojem tačaka namotaja indukta.

• PRINCIP RADA MAŠINE JEDNOSMERNE STRUJE Princip rada mašine jednosmerne struje moguće je objasniti na primeru generatora jednosmerne struje sa jednim parom polova. Proticanjem jednosmerne struje kroz provodnike namotaja statora, stvara se stalno magnetno polje pobude. Ova struja, zbog toga se naziva pobudnom strujom ili strujom ekscitacije. Ako se pomoću neke pogonske mašine rotor obrće konstantnom brzinom, provodnici indukta presecaju magnetno polje statora i, kada kroz njih protiče struja, ostvaruju elektrodinamičku vezu između statora i rotora i time stvaraju uslove za rad mašine.

Slika 23. Princip rada generatora jss.

U namotaju indukta indukuje se periodična ems i njena učestanost je srazmerna brzini obrtanja rotora. Struja koja protiče kroz namotaj indukta, takođe je naizmeničnog karaktera i ona se pomoću komutatora usmerava u jednosmernu struju. Usmeravanje se postiže tako što se indukovana struja promenjivog smera prekida u onim trenucima kada je jačina struje jednaka nuli, odnosno kada naizmenična struja teži da promeni smer i, odgovarajućom promenom veze, struja se primorava da teče u istom prvobitnom smeru.

Ovo prekidanje i promena smera struje indukta može se objasniti na primeru jednog navojka u magnetnom polju statora (sl.23), pri čemu se komutator sastoji iz dva, međusobno izolovana, bakarna poluprstena, na koje su vezani krajevi navojka. Komutator je učvršćen za osovinu generatora i obrće se kao i rotor, dok četkice, za koje su vezani krajevi spoljnog kola, stoje mirno naležući na lamele kolektora.

Ako se strana a navojka nalazi pod severnim polom N (kao na sl.23) i obrće se u naznačenom smeru, indukovana struja u njoj ima smer naznačen na slici. Ako se navojak obrne za ugao od 90° i ravan navojka postane normalna na osu magnetnih polova N i S, struja u strani a biće jednaka nuli,

40

jer se navojak nalazi u neutralnoj ravni magneta. Pri daljem obrtanju navojka u istom smeru, u strani a navojka pojaviće se struja suprotnog smera od prvobitnog. Pošto se obrtanjem navojka, obrće i komutator, u istom smeru, za ugao obrtanja veći od 90° od položaja na slici, lamela 1 komutatora koja je bila u dodiru sa minus četkicom, doći će pod plus četkicu. Analogno važi i za stranu b navojka.

Na ovaj način, iz plus četkice će uvek izlaziti struja istog smera u spoljnje kolo, zbog čega ova četkica predstavlja pozitivan pol generatora, a minus četkica - negativan pol generatora. U spoljenjem kolu dobiće se jednosmerna pulsirajuća struja, čiji je vremenski dijagram prikazan na sl.24.b.

Slika 24. Dobijanje pulsirajuće struje u navojku indukta.

Ovako dobijena pulsirajuća struja, koja potiče samo od jednog navojka, nije pogodna za upotrebu, zbog svoje nejednolikosti. Međutim, na rotoru generatora nalazi se veći broj navojaka, koji se međusobno pomereni jedni u odnosu na druge za neki mali ugao i obrtanjem obrtanjem rotora u magnetnom polju statora, indukovane struje u njima imaju fazno kašnjenje, srazmerno rastojanju provodnika po obimu indukta.

Slika 25. Dobijanje rezultujuće usmerene struje (b)

kao rezultat tri fazno pomerene struje (a). Rezultujuća jednosmerna usmerena struja, u sppljnjem delu kola, u slučaju većeg broja navojaka znatno je ravnijeg oblika (sl.25).

41

• POBUĐIVANJE MAŠINE JEDNOSMERNE STRUJE

Prema načinu pobuđivanja, odnosno spajanja namotaja induktora u odnosu na namotaj indukta, razliku se :

• nezavisna, • otočna (paralelna), • redna (serijska) i • složena pobuda.

Kod nezavisne pobude (sl.26.a), namotaj induktora (pobude) spojen je na poseban spoljnji izvor napona (na primer na akumulatorsku bateriju) potpuno nezavisno od prilika u mašini. Pobudni namotaj je dimenzionisan prema tom spoljnjem naponu. Vrednost pobudne struje može se podešavati, nezavisno od mašine, ako u strujnom kolu pobude postoji promenljivi otpornik. Ovo je danas najčešće rešenje, a jednosmerni pobudni napon se dobija iz naizmenične trofazne mreže, preko ispravljača.

Otočna, ili paralelna pobuda (sl.26.b) je ona kod koje je pobudni namotaj spojen paralelno na namotaj indukta. Pobudna struja kreće se u granicama 1% struje indukta (kod manjih mašina) do 5% struje indukta (kod mašina većih snaga). Pošto je struja magnećenja mala, da bi se postigla dovoljna magnetopobudna sila, otočni namotaj ima veliki broj navojaka. Otpor paralelnog namota je velik.

Kod redne, ili serijske pobude (sl.26.c), pobudni namotaj je spojen na red sa namotajem indukta. Kako je struja indukta velika, broj navojaka namotaja redne pobude ne mora biti veliki da bi se postigla odgovarajuća magnetopobudna sila. Otpor rednog namotaja treba da je što manji, kako bi pad napona na njemu bio što manji.

Složena pobuda (sl.26.d) podrazumeva postojanje jednog glavnog, nezavisnog ili paralelnog namotaja, kao i jednog pomoćnog, rednog pobudnog namotaja. U kojo meri mašina ima karakteristike jedne ili druge pobude, zavisi od njihovog učešća u ukupnoj magnetopobudnoj sili. U zavisnosti od toga da li su glavni i pomoćni pobudni namotaj izvedeni tako da im se fluksevi potpomažu ili suprotstavljaju, razlikuju se aditivna i diferencijalna složena pobuda.

Slika 26. Vrste mašina jednosmerne struje prema pobudi.

U upotrebi su sledeće oznake za krajeve pojedinih namotaja:

Namotaj Stara oznaka

Nova oznaka

Indukt A, B A1, A2

Nezavisna pobuda I, K F1, F2

42

Redno vezan pobudni namotaj E, F D1, D2

Otočno vezan pobudni namotaj

C, D E1, E2

Pomoćni polovi G, H B1, B2

Kompenzacija G, H C1, C2

1.2.2. MOTORI JEDNOSMERNE STRUJE

• REAKCIJA INDUKTA

Kod opterećene mašine jss kroz namotaj indukta protiče struja, stvarajući izvesno magnetno polje indukta, kojim se slabi i izvija magnetno polje induktora, koje potiče od struje u pobudnom namotaju mašine. Ova pojava naziva se magnetopobudna sila indukta, ili reakcija indukta.

Slika 27.Reakcija indukta: a) polje pobude, b) reakcija indukta,

c) rezultujuće polje.

Rezultujući msgnetni fluks, koji se dobija superpozicijom flukseva induktora i indukta (sl.27), ima povećanu raspodelu pod jednim krajem polnog nastavka i smanjenu pod drugim krajem.

Izobličenje krive polja dovodi do sledećih nepovoljnih pojava:

• zbog smanjenja rezultujućeg fluksa dolazi do gubitka na elektromotornoj sili,

• kao rezultat pomeranja neutralne ose, do promene smera struje dolazi u nepovoljnom naponskom stanju navojnog dela, što nepovoljno utiče na komutaciju, zbog čega dolazi do pretarong varničenja,

• povećanje magnetne indukcije dovodi do povećanja gubitaka u gvožđu i do povećanja napona među susednim lamelama.

U cilju poboljšanja komutacije, odnosno otklanjanja teškoća koje nastaju usled reakcije indukta koriste se pomoćna sredstva, kao što su: pomeranje četkica (danas skoro potpuno napuštena metoda), postavljanje pomoćnih magnetnih polova (za poništenje poprečnog magnetnog polja i kompenzaciju štetnog dejstva varničenja) i kompenzacionih i kompaundnih namotaja (za poništenje uzdužnog magnetnog polja reakcije indutka, najbolje, ali najskuplje rešenje).

43

Slika 28. Raspored glavnih i pomoćnih magnetnih polova u mašini jss.

• KARAKTERISTIKE MOTORA JEDNOSMERNE STRUJE U režimu motora, ems indukta drži ravnotežu naponu napajanja:

aaa IREU += .

Pošto je smer indukovane ems suprotan smeru napona na krajevima motora, ova indukovana ems u motoru jednosmerne struje naziva se protiv (kontra) elektromotorna sila.

Redni motor jednosmerne struje naziva se tako, jer su mu namotaj indukta (rotora) i namotaj induktora (magnetnih polova) vezani na red. Ukupna struja Ia, koja protiče kroz namotaj rotora rednog motora, protiče takođe i kroz namotaj induktora (sl.28). Pošto kroz namotaj induktora rednog motora protiče velika jačina struje, to ovaj namotaj ima mali broj navojaka, većeg preseka, što je dovoljno za razvijanje potrebnog magnetnog polja. Na sl.29 namotaj induktora označen je sa rm, a sa Rw je obeležen pokretački otpornik, čiji otpor je moguće menjati.

Slika 29 . Šema rednog motora jednosmerne struje.

Redni motor je motor sa jako promenjivom brzinom obrtanja. Sa sl.30.a) vidi se da zavisnost brzine obrtanja motora od struje opterećenja n = f (Ia) predstavlja hiperbolu. U praznom hodu brzina mu je ograničena jedino gubicima i nedozvoljeno je velika, zbog čega se ne sme puštati u rad neopterećen. Sa povećanjem opterećenja, brzina opada. Redni motori se odlikuju veoma promenjivom brzinom, kao i sposobnošću da delovanje momenta pri preopterećenjima ublaže znatnim smanjenjem brzine.

44

Slika 30 . a) Zavisnost )( aIfn = i b) mehanička karakteristika rednog motora.

Mehanička karakteristika motora pokazuje zavisnost promene momenta sa brzinom, odnosno M = f (n). Kao što se vidi sa dijagrama (sl.30.b) redni motor jednosmerne struje ima veliki pokretni momenat, što u velikoj meri određuje njegovu primenu.

Prema tome, primena rednog motora naročito je pogodna za pogone u kojima je potreban veliki momenat pokretanja, a pri većim opterećenjima manja brzina motora. Upotrebljava se u električnoj vuči, za pogon dizalica, električnih lokomotiva, tramvaja, prenosnica i slično. Na primer, kod dizalica, velika brzina odgovara malim teretima zbog povećanja produkcije, a mala brzina pri velikim teretima - zbog potrebne preciznosti rukovanja. U železničkoj vuči pri prelasku i na usponima traži se mala brzina, a na ravnoj trasi, kada momenat opadne, potrebna je veća brzina. Takođe, redni namotaj induktora napravljen je od žice većeg preseka u odnosu na otočni motor i samim tim je izdržljiviji u mehaničkom pogledu.

Otočni motor jednosmerne struje ima pobudni namotaj induktora vezan paralelno (otočno) sa namotajem rotora (sl.31). Pošto pobudna struja i, koja protiče kroz pobudni namotaj ne daje direktno nikakav rad, već samo povećava gubitke snage motora, to ona treba da je što manje veličine, svega oko 5% od ukupne jačine struje otočnog motora. Pobudni namotaj kod otočnih motora izrađuje se sa velikim brojem navojaka, tanjeg preseka.

Slika 31 . Šema otočnog motora jednosmerne struje.

Broj obrtaja motora sa otočnom pobudom menja se od praznog hoda do punog opterećenja samo za nekoliko procenata i može se smatrati da otočni motor pri raznim opterećenjima ima stalan broj obrtaja. Otočni motor je po osobinama sličan asinhronom motoru. Njegova osnovna prednost u odnosu na asinhroni motor je što mu se brzina može jednostavno menjati, pomoću promene otpora pobudnog namotaja, u granicama 1:4, što znači da se na ekonomičan način može postići 4 puta veći broj obrtaja od nominalnog.

45

Slika 32 . a) Zavisnost )( aIfn = i b) mehanička karakteristika otočnog motora.

Mehanička karakteristika otočnog motora predstavlja linearnu zavisnost sa velikim negativnim nagibom. Pokretni momenat otočnog motora manji je u odnosu na motor sa rednom pobudom.

Složeni motor jednosmerne struje, koji se takođe i naziva i kompaund motor, ima dva pobudna namotaja induktora, od kojih je jedan vezan otočno rm1, a drugi redno rm2, sa namotajem rotora (sl.33). Sa Rw označen je kombinovani pokretački i pobudni otpornik.

Slika 33 . Šema složenog motora jednosmerne struje.

Od ova dva pobudna namotaja složenog motora, obično otočni namotaj stvara jači magnetni fluks, nego redni namotaj. Redni pobudni namotaj složenog motora može se vezati tako da pomaže otočnom pobudnom namotaju i takav motor naziv se aditivni složeni motot. Ukoliko struja u rednom namotaju teče u suprotnom smeru od struje u otočnom pobudnom namotaju, motor se naziva diferencijalni složeni motor.

Karakteristike složenog motora jss obuhvataju celo područje između karakteristika rednih i otočnih motora jss. Diferencijalni složeni motor može se pogodno upotrebiti u onim pogonima u kojima se traži motor, čiji se broj obrtaja povećava sa porastom opterećenja. Aditivni složeni motor upotrebljava se mnogo više i on ima sledeće karakteristike: • sa promenom opterećenja, broj obrtaja aditivnog motora više se menja nego kod otočnog, a

manje nego kod rednog motora, • obrtni momenat pri pokretanju aditivnog motora veći je nego kod otočnog motora, a manji nego

kod rednog motora, • aditivni složeni motor može se podesiti tako, da mu se sa porastom opterećenja smanjuje broj

obrtaja, koliko je potrebno i korisno za pogon, što je od značaja za mašine radilice sa velikim zamajnim masama.

46

Slika 34. Karkateristika )( aIfn = motora jednosmerne struje.

Aditivni motor jss upotrebljava se u onim slučajevima kada se opterećenje naglo i jako menja, što je najčešće slučaj u pogonima. Ovaj motor pogodno je koristiti kod pogona gde se zahteva da motor u početku ima veliki obrtni momenat, a dalje da radi sa stalnim brojem obrtaja. Primena aditivnog složenog motora jednosmerne struje naročito je pogodna za mašine radilice sa velikim zamajcem, kao što su: prese, valjaoničke mašine, teške mašine alatljike, velike štancne, izvozne mašine u rudnicima i slično.

Slika 35. Mehanička karkateristika motora jednosmerne struje.

• KARAKTERISTIČNA RADNA STANJA MOTORA JSS

Osim rada pri nominalnom opterećenju, za sve motore jednosmerne struje karakteristična su sledeća njihova radna stanja:

a) pokretanje motora, b) regulisanje brzine, c) promena smera obrtanja, d) kočenje.

Pokretanje motora jednosmerne struje predstavlja poseban problem, s obzirom da je polazna struja motora nedozvoljeno velika u većini slučajeva. Za pokretanje motora koriste se specijalni

47

otpornici, priključeni na red sa namotajem indukta i koji se uključuju samo pri pokretanju motora, zbog čega se nazivaju pokretački otpornici, ili anlaseri (RW na šemama motora). Čim motor počne da se obrće, struja induktora se smanjuje, te se postepeno može smanjivati i otpor pokretačkog otpornika. Kada motor dostigne puni (nominalni) broj obrtaja, otpor pokretačkog otpornika se sasvim isključuje i motor dalje radi dalje njega.

Krajevi namotaja pokretačkog otpornika označavaju se sa R, L. Pokretački otpornik R, L i pobudni otpornik RM često se ugrađuju u jedan aparat, čiji krajevi nose oznake L, R, M. Ukoliko pokretački otpornik služe i za regulisanje brzine, on se mora tako dimenzionisani da trajno izdrži struju opterećenja motora. Ako služe samo za pokretanje, pokretački otpornici su dimenzionisani za kratkotrajni rad i kao takvi su znatno jeftiniji.

Redni motori su pogodniji u odnosu na otočne kada se puštanje u rad vrši pri teškim uslovima, na primer kada je potrebno da motor razvije veće polazne momente pri istoj struji (kranovi, dizalice, električna vozila), kao i tamo gde je potrebno jako veliko preoterećenje motora.

Otočni motor se može puštati u rad neopterećen, jer i pri najmanjim opterećenjima njegov magnetni fluks ostaje stalan

Aditivni složeni motor sme se puštati u rad neopterećen, jer mu je broj obrtaja ograničen magnetnim fluksom, koji potiče od otočnog pobudnog namotaja, te nema opasnosti od dobijanja prekomerno velikog broja obrtaja.

Regulisanje brzine broja obrtaja motora jednosmerne struje može se ostvariti: • promenom struje pobude Ia (pomoću otpornika u kolu pobude, ovaj način regulisanja je

ekonomičan sve do odnosa broja obrtaja nmax : nmin = 4 : 1 i predstavlja glavnu osobinu otočnih i motora jednosmerne struje sa složenom pobudom),

• promenom napona napajanja U (regulisanje brzine u širokom opsegu, danas se ostvaruje pogonom sa tiristorskim konvertorom, pri čemu sa automatskim elektronskim podešavanjem izlaznog napona) i

• promenom otpora u kolu indukta Ra (uključenjem otpora u glavno kolo indukta, predstavlja složen način regulacije zbog izrade ovih otpornika, a i gubici snage pri regulisanju na ovaj način su veliki).

Smer obrtanja motora jednosmerne struje zavisi od smera magnetnog polja i smera struje u namotaju rotora. Ako se jedan od ova dva smera promeni, promeniće se i smer obrtanja motora. Ako se oba smera promene, neće se promeniti smer obrtanja motora.

Smer magnetnog polja zavisi od smera pobudne struje, koja protiče kroz pobudni namotaj induktora. Prema tome, smer obrtanja motora jednosmerne struje može se promeniti ili kada se promeni smer struje u namotaju rotora, ili kada se promeni smer pobudne struje, oko magnetnih polova.

Ako je potrebno često menjati smer obrtanja motora, tada se to uvek obavlja promenom smera struje u namotaju rotora, jer se time automatski menja i smer struje u namotaju oko pomoćnih magnetnih polova. U praksi, kao normalan smer obrtanja motora sa kaišnikom usvaja se smer obrtanja kaišnika udesno, ako se kaišnik posmatra sa spoljne strane u pravcu vratila motora.

Na sl.22 prikazane su šeme veza rednog motora sa pomoćnim polovima (NPP) za desni (a) i levi (b) hod. Razlika u šemama je u spajanju stega (klema) A, E i H na priključnoj pločici motora. Ako treba češće menjati smer obrtanja motora, prevezivanje motora vrši se naročitim prebacivačem.

48

Slika 36. Veze rednog motora za desni i levi hod.

Kočenje motora predstavlja poseban režim rada u kojem motor radi u ulozi generatora, koji mehaničku energiju kočenja pretvara u električnu. Ova električna energija može se utrošiti u nekom otporniku (otporno kočenje) ili vratiti u mrežu na koju je motor priključen (rekuperativno kočenje).

Zaustavljanje motora jednosmerne struje može se ostvariti na četiri načina: a) Isključivanjem napajanja - motor se zaustavlja kao rezultat delovanja sile trenja; b) Generatorskim kočenjem - povećanjem pobudne struje, poveća se ems Ea i kada ona postane

veća od napona na krajevima namotaja rotora U, struja kroz namotaje menja smer i motor postaje generator, a momenat je kočni;

c) Kočenje kontravezom - vrši se promenom smera pobudne struje (i ovde obrtni momenat menja smer);

d) Elektrodinamičko kočenje - ostvaruje se tako što se motor isključi sa mreže, u kolo rotora dodaje se otpornik, a pobuda ne menja smer. Na ovaj način, u kolu postoji samo ems, suprotnog smera od napona, kroz kolo teče struja u suprotnom smeru, momenat menje smer i postaje kočni.

49

ASINHRONI MOTORI

Princip rada

Slika 37.

Ako se obrće permanentni magnet NS, obrtaće se i bakarna ploča, koja se nalazi ispod njegovih polova. Obrtanje ploče i magneta biće u istom smeru. Ovu pojavu otkrio je fizičar Arago i nazvao „rotacioni magnetiam". Ona se objašnjava na sledeći način: Sa magnetom obrću se i njegove linije magnetne indukcije, koje seku bakarnu ploču i u njoj indukuju struje. Njihove putanje su kružne, jer je ploča masivan provodnik. Na provodnik u kome teče struja deluje elektromagnetna sila, kada se on nalazi u magnetnom polju.

Kad bakarna ploča počne da se obrće, relativna brzina obrtanja magneta prema ploči je umanjena, a i brzina kojom linije magnetne indukcije seku ploču. Usled toga se smanjuju i indukovane struje. Ako bi se izjednačile brzine obrtanja ploče i magneta, linije magnetne indukcije ne bi sekle bakarnu ploču, pa se u njoj ne bi indukovale struje, nestala bi elektromagnetna sila, pa bi ploča počela da se zaustavlja. Ali sa zaustavljanjem, ploču bi linije magnetne indukcije sekle sa većom brzinom, te bi se opet indukovale struje.

Krajnji rezultat je da se brzina obrtanja ploče veoma približava brzini obrtanja magneta, ali je uvek manja od nje. Ploča i magnet ne obrću se sinhrono (u taktu), već asinhrono.

Aragova sprava nije elektromotor, jer se magnet mora na neki način obrtati. Nikola Tesla je uspeo da obrtno magnetno polje dobije bez obrtanja magneta, pomoću nepomičnih kalemova kroz koje su proticale naizmenične struje, međusobno fazno pomerene. Ovaj veliki pronalazak nazvan je asinhroni ili indukcioni motor.

50

Slika 38. Teslin Elektro-motor (indukcioni motor)

Stvaranje obrtnog magntnog polja

Obrtno magnetno polje stvoreno dvofaznom strujom

Slika 39.

Za stvaranje obrtnog magnetnog polja potrebne su najmanje dve naizmenične struje fazno pomerene jedna prema drugoj. Ako se posmatra stator asinhronog motora sa najjednostavnijim dvofaznim namotajem, svaki fazni namotaj ima samo jedan zavojak (odnosno po dva aktivna provodnika u žljebovima statora). Sa U i X ozačeni su početak i kraj prvog faznog namotaja, a sa V i Y isto za drugi fazni namotaj. U i V su počeci, a X i Y završeci faznih namotaja. Na dijagramu su struje u namotajima, koje se fazno razlikuju za 90°.

Slika 40.

51

Magnetni polovi N i S obrtnog magnetnog polja obrću se zbog promena smerova struja u faznim namotajima UX i VY. Namotaj statora tako je raspoređen, da obrtno polje ima dva magnetna pola (severni N - mesto odakle izlaze linije magnetne indukcije i južni S - gde linije indukcije ulaze). Takvo dvopolno obrtno magnetno polje dobija se, ako su provodnici faznog namotaja UX i namotaja VY na međusobnoj udaljenosti od 1/2 unutrašnjeg obima statora.

Polje načini jedan obrt za vreme jedne periode. Za vreme od 50 perioda u sekundi, obrtno magnetno polje obrnuće se 50 puta u sekundi, ili 60 ⋅ 50 = 3000 puta u minutu.

Namotaj na statoru može biti i tako raspoređen, da obrtno polje ima četiri magnetna pola. Takvo četvoropolno obrtno magnetno polje dobija se, ako fazni namotaj UX ima 4 provodnika koji su udaljeni jedan od drugog za 1/4 unutrašnjeg obima statora. Isto važi i za provodnike faznog namotaja VY.

Slika 41.

Struje kroz ove fazne namotaje iste su kao i u prethodnom slučaju.

Ako se hoće da dobije šestopolno obrtno magnetno polje, provodnici svakog faznog namotaja treba da su udaljeni za 1/6 unutrašnjeg obima statora, a kod osmopolnog obrtnog polja za 1/8 i tako dalje. Četvoropolno magnetno polje načini za vreme jedne periode 1/2 obrta, ili za frekvenciju od 50 per/sek obrnuće se 25 puta u sekundi, ili 60 ⋅ 25 = 1500 puta u minutu. Uopšte, broj obrta obrtnog magnetnog polja zavisi od frekvencije f (broj perioda u sekundi) i od broja pari p magnetnih polova. Ako se sa n1 obeleži broj obrta obrtnog magnetnog polja u minutu tada je:

1

60 fn

p

⋅=

Ovaj broj obrta naziva se sinhroni broj obrta obrtnog polja.

Obrtno magnetno polje stvoreno trofaznom strujom

Trofazne struje stvaraju, po intenzitetu, ravnomernije obrtno magnetno polje od dvofaznih struja. Stator ima tri fazna namotaja UX, VY i WZ. U ovom primeru svaki od njih ima po 4 provodnika, tako da se dobija četvoropolno obrtno magnetno polje.

52

Slika 42.

Na dijagramu su struje u namotajima, koje se fazno razlikuju za 120°.

Slika 43.

53

Osnovni delovi asinhronog motora

Asinhroni motor se sastoji iz dva glavna dela: statora i rotora. Stator je izrađen u vidu šupljeg valjka, na čijem se unutrašnjem obimu nalaze žljebovi u kojima je smešten namotaj statora. Kroz ove namotaje protiču višefazne struje, koje stvaraju obrtno polje.

Slika 44.

Rotor je kao puni valjak smešten u šupljinu statora. Na spoljnoj površini rotora nalaze se žljebovi u koje se smešta namotaj rotora. Pod dejstvom obrtnog magnetnog polja u provodnicima namotaja rotora indukuje se struja, na njih deluju elektromagnetne sile, pa se rotor obrće u istom smeru kao i obrtno magnetno polje.

54

Slika 45.

TROFAZNI ASINHRONI MOTOR SA KRATKOSPOJENIM ROTOROM

Trofazni asinhroni motor sa kratko spojenim rotorom je najjednostavniji motor. Sastoji se iz nepokretnog dela (statora), koji je načinjen u vidu šupljeg valjka, sastavljenog od dinamo limova na čijoj se unutrašnjoj strani nalaze žljebovi sa namotajima. Ovi limovi su međusobno izolovani, da bi se smanjili gubici usled vrtložnih struja, odnosno gubici u gvožđu. Kroz namotaje protiču trofazne struje, koje stvaraju obrtno magnetno polje.

U šupljini statora nalazi se rotor, načinjen (u magnetnom pogledu) kao puni valjak, na čijoj se spoljnoj površini nalaze žljebovi sa namotajem rotora. I telo rotora izrađeno je od tankih gvozdenih limova (dinamo limovi), iz istog razloga kao i telo statora.

Pod uticajem struje iz mreže, dovedene u namotaj statora, indukuje se struja u namotaju rotora (otuda i drugi naziv za ove motore – „Indukcioni motori“). Do indukovanja dolazi, jer linije obrtnog magnetnog polja presecaju provodnike na rotoru.

Pošto je kolo rotora je zatvoreno, u njegovim provodnicima javiće se struje. Kako se oni nalaze u magnetnom polju, na njih će delovati elektromagnetne sile, pa tako dolazi do obrtanja rotora u smeru obrtanja magnetnog polja.

55

Slika 46.

Rotor se ne može obrtati istom brzinom kao i obrtno polje. Kada bi rotor dostigao sinhronu brzinu, ne bi postojala relativna brzina između njegovih provodnika i obrtnog magnetnog polja, ne bi bilo indukovanih struja, niti elektromagnetne sile, pa bi rotor počeo da usporava. Tada bi opet došlo do povećanja relativne brzine između rotora i polja, indukovanja struje i pojave sile. Kao krajnji rezultat, rotor asinhronog motora obrće se sa nešto manjim brojem obrta n, nego što je broj obrta n1 obrtnog magnetnog polja.

Obrtno magnetno polje se obrće sa sinhronim brojem obrta n1, koji zavisi od frekvencije f struje i broja pari p magnetnih polova:

⋅=1

60 fn

p

Rotor motora se obrće sa asinhronim brojem obrta n, koji je nešto manji od sinhronog broja obrta. Razlika između sinhronog i asinhronog broja obrta naziva se klizanje K asinhronog motora:

= −1K n n

Klizanje se najčešće izražava u procentima sinhronog broja obrta n1:

−= ⋅

1

1

100n n

Kn

.

Primer: Trofazni dvopolni (p = 1) asinhroni motor priključen je na mrežu frekvencije f = 50 Hz.

Iz kataloga je nađeno da je, pri određenom opterećenju, njegov broj obrta n = 2 900 o/min. Klizanje ovog motora je:

− −= ⋅ = ⋅ =

1

1

3000 2900100 100 3,3%

3000

n nK

n.

U žljebovima rotora smešteni su namotaji u vidu neizolovanih štapova od bakra ili aluminijuma. Ovi štapovi su na obe čeone strane rotora međusobno kratko spojeni bakarnim prstenovima. Takav namotaj rotora ima oblik kaveza, te se naziva „kavezni namotaj". Ova vrsta elektromotora je najjednostavnija, najtrajnija i najjeftinija. Pri radu ovih motora, samo su ležišta izložena trošenju.

Namotaj kratkospojenog rotora Presek kratkospojenog rotora

Slika 47.

56

Promena jačine struje sa opterećenjem. Na provodnike rotora, kroz koje protiče indukovana struja I2 dejstvuje obrtno magnetno polje 1 vučnom silom, odnosno obrtnim momentom M, čija veličina zavisi od jačine struje I2 i veličine obrtnog magnetnog polja 1. Strogo uzevši, obrtni moment M zavisi od struje I2 i fluksa rezultujućeg obrtnog magnetnog polja rez koje se dobija vektorskim sabiranjem obrtnog magnetnog polja 1 i obrtnog magnetnog polja 2 koje potiče od struje I2 u namotaju rotora. Ako se pretpostavi, da je veličina rezultujućeg magnetnog polja rez približno jednaka za razna opterećenja motora, tada pri povećanom opterećenju motora mora kroz namotaj rotora, da protiče veća jačina struje I2, da bi se postigao veći obrtni momenat M, koji odgovara tom opterećenju. Ta promena struje I2 u namotaju rotora, u zavisnosti od opterećenja motora dešava se automatski. Na primer, pri praznom hodu motor je rasterećen i njegov rotor ima najveći broj obrta n koji je skoro jednak sa sinhronim brojem obrta n1 obrtnog magnetnog polja. Zbog toga je, pri praznom hodu mala relativna brzina, sa kojom linije magnetne indukcije seku bakarne štapove namotaja rotora, te je mala indukovana elektromotorna sila i jačina struje I2 u namotaju rotora. Prema tome mali je i obrtni momenat M, koji baš odgovara praznom hodu. Sem toga, pri praznom hodu malo je i klizanje K = (n1 - n) koje iznosi za male motore od 0,5% do 1%. Međutim, pri velikom opterećenju motora broj obrta se smanjuje, pa raste relativna brzina kojom linije magnetne indukcije seku bakarne štapove namotaja rotora. Usled toga raste elektromotorna sila i jačina struje I2 u narnotaju rotora, pa se razvija i veći obrtni moment M, što je i potrebno pri većem opterećenju. Klizanje pri punom opterećenju motora veće je i iznosi 3% do 8%.

Mehanička karakteristika

Mehanička karakteristika je zavisnost obrtnog momenta od od broja obrta.

Slika 48. Tipična mehanička karakteristika asinhronog motora

Pokretanje kratkospojenih motora

Pri pokretanju kratkospojenih motora, njihov rotor se nalazi u mirnom stanju (n = 0), dok obrtno

57

magnetno polje već puni sinhroni broj obrta n1. Pri pokretanju motora najveća je relativna brzina polja u odnosu na provodnike rotora, pa je i struja, indukovana u rotoru, veoma velika. Pri pojavi velike jačine struje I2 u namotaju rotora, pri pokretanju motora, mora se takođe pojaviti velika jačina struje I1 u namotaju statora, koju motor uzima iz mreže (slično kao što se dešava i u transformatoru). Usled velike jačine struje I1 koju pri pokretanju uzimaju kratkospojeni motori iz mreže, pojavljuju se, naročito kod velikih motora, takozvani „udari" struje, koji izazivaju neugodne varijacije napona u mreži. Ove smetnje naročito su neprijatne u mrežama u kojima se kratkospojeni motori često pokreću i zaustavljaju. Zbog toga, motori sa kratkospojenim rotorom smeju se pokretati samo na propisani način.

Da bi se smanjila velika jačina struje, koju kratkospojeni motor uzima iz mreže prilikom pokretanja, primenjuju se razna pomoćna sredstva — pomoćni aparati — koji se nazivaju pokretači motora. Trofazni asinhroni motori male snage do 1,1 kW mogu se puštati u rad bez pomoćnih pokretačkih aparata. Razume se i oni će pri pokretanju povući iz mreže veću jačinu struje Imax nego što im je nominalna jačina struje In. Odnos između Imax i In je: Imax = do 6 puta In. Zbog toga osigurači ovih motora moraju biti za nominalnu jačinu struje In, ali sa „usporenim dejstvom", što znači da treba, da izdržavaju kratkotrajnu, veliku jačinu struje Imax pri pokretanju motora, ne prekidajući strujno kolo.

Slika 49. Delovi trofaznog motora (AEG Typ dAM)

1. Unutarnji poklopac ležišta 2. Valjčasti ležaj 3. Poklopac za ventilaciju 4. Ventilator 5. Spoljni poklopac ležišta 6. Zaštitnik ležišta 7. Stator sa rebrima za hladenje 8. Grivna za nošenje 9. Postolje motora

10. Kavezasti rotor sa vratilom 11. Namotaj statora 12. Zaštitnik ležišta 13. Spoljni deo za zašrafljivanje 14. Pojačano rebro za pomeranje

motora pri učvršćivanju postolja

15. Priključna ploča sa neprodornom zaštitom

58

16. Priključna kutija sa kablovskom glavom

17. Poklopac priključne kutije

Slika 50. Jednofazni kratkospojeni motor snage 250 W

TROFAZNI ASINHRONI MOTORI SA KLIZNIM PRSTENOVIMA

Kod ovih motora, namotaj rotora izveden je kao i namotaj statora, to jest, kao višefazni namotaj. Ako je na rotoru takav trofazni namotaj, njegova tri kraja vezana su za tri mesingana prstena, koji su učvršćeni na osovini motora. Veza namotaja rotora može biti u „zvezdu" ili „trougao". Prstenovi se obrću zajedno sa osovinom i rotorom. Ovi se motori nazivaju trofazni asinhroni motori sa kliznim prstenovima. Kod ove vrste motora postoji veza namotaja rotora sa okruženjem. U kolo rotora mogu se uključiti promenljivi otpori. Pri pokretanju, može se uključiti potrebna veličina promenljivih otpora, da jačina struje ne bude veća od nominalne vrednosti. Pošto dodati otpori najčešće služe samo za pokretanje motora, to se aparat sa ovim otpornicima naziva pokretački otpornik ili anlaser. Pri pokretanju motora, u kola namotaja rotora uključene su maksimalne veličine otpora. Sa porastom broja obrta motora, oni se otpori postepeno smanjuju i na kraju sasvim isključuju. Tada je namotaj rotora kratko spojen preko kliznih prstenova.

59

Slika 51.

Regulacija brzine

Pre razvoja uređaja energetske elektronike, bilo je teško menjati frekvenciju struje motora, što je dosta ograničavalo upotrebu asinhronih motora. Sada ni relativno loša momentna karakteristika ni otežana regulacija brzine nisu više problem.

Na brzinu obrtanja motora može se uticati:

• Promenom broja pari polova p (polno preklopivi motori);

• Promenom klizanja s: o promenom statorskog napona, o u kolu rotora dodavanjem rotorskih otpornika ili primena uređaja energetske

elektronike, • Promenom frekvencije f napona napajanja motora (frekventna regulacija).

Od svih navedenih načina, najefikasnija je frekventna regulacija.

Da bi momenat motora bio konstantan, potrebno je istovremeno menjati i napon i frekvenciju. Ovo je posebno pogodno kada je dobar odnos momenta motora i opterećenja. Ako to nije slučaj, korisno je primeniti frekventnu regulaciju.

Slika 52. Dobar odnos momenta Slika 53.Loš odnos momenta

60

motora i opterećenja motora i opterećenja

Slika 54. Frekventnom regulacijom dobija se bolja momentna karakteristika u širokom spektru brzina

Zahvaljujući frekventnoj regulaciji asinhroni motor je danas našao veoma veliku primenu u regulisanim elektromotornim pogonima.

Za kontrolu broja obrtaja asinhrone mašine koriste se invertori. Invertor je uređaj koji konvertuje jednosmerni napon u naizmenični, pogodan za rad motora. Osnovni elementi invertora su poluprovodnički prekidači, koji mogu kontrolisati frekvenciju i amplitudu napona. Glavni deo su kontrolisani poluprovodnici smešteni u tri grane. Tiristorski invertori zamenjeni su tranzistorskim. Prednost tranzistora je da se oni mogu učiniti provodnim i neprovodnim u bilo kom trenutku, dok kod tiristora to nije moguće. Prekidačka frekvencija tranzistora kreće se u opsegu od 300 Hz do 15 kHz. Upravljanje poluprovodničkim prekidačima vrši se iz upravljačkog kola.

Slika 55. Principijelna šema invertora

61

Najviše korišćena tehnika za regulaciju frekvencije je impulsno-širinska modulacija PWM (Pulse Width Modulation). Pošto invertor pretvara jednosmerni napon u naizmenični, pogodnim izborom perioda provođenja jednosmernog napona dobijaju se pravougaoni impulsi određene širine i učestanosti. Ovom metodom je moguće regulisati i vrednost napona koji će se dovesti na motor, jer mašina zahteva konstantan obrtni moment, koji zavisi od odnosa kvadrata napona i frekvencije. Sinusoidni napon potreban za ispravan rad asinhrone mašine izdvaja se pomoću filtara..

Rad sa invertorima prati pojava visokih naponskih impulsa, pa se zbog toga preporučuje upoteba asinhronih motora posebno izrađenih za tu svrhu, koji imaju bolju izolaciju namotaja.