Električni stroji: temeljna znanja [1 ed.] 9612430993, 9789612430993

Citation preview

DAMIJAN MILJAVEC

PETER JEREB

ELEKTRIČNI STROJI TEMELJNA ZNANJ�

Ljubljana, 2014

Električni stroji so poglavitni vir električne energije ko obratujejo kot genetratorji v elektrarnah in kot transformatorji v njenem prenosu in razdeljevanju. Poleg tega so električni stroji tudi pretežni viri mehanske energije, ko obratujejo kot motorji v najrazličnejših pogonih. Knjiga skuša posredovati bralcu temeljno znanje in razumevanje o delovanju električnih strojev, ki izkoriščajo magnetno polje za pretvorbo enerrgije.' Pri tem sta se avtorja trudila, da bi vsebina ostala na splošno dostopni teoretični ravni in s tem postala zanimiva za najširši krog strokovnjakov. Avtorja upata, da sta s to knjigo zapolnila občutno vrzel v slovenski strokovni literaturi o električnih strojih.

Električni stroji, električni generator, transformator, električni motor, ojačevalnik, asinhronski motor, asinhronski generator, sinhronski motor, sinhronski generator, komutatorski motor, enosmerni stroj, enofazni motor, trifazni motor, trifazni generator

Avtor Damijan Miljavec je doktoriral leta 1999 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Leta 2014 je bil na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani habilitiran v rednega profesorja. Poleg pedagoškega dela se raziskovalno ukvarja s posebnimi električnimi stroji, njihovim razvojem ter uporabo. Za svoje raziskovalno delo je skupaj s sodelavci v letu 2004 dobil od Gospodarske zbornice Slovenije zlato priznanje za inovacijo. Leta 2012 pa nagrado Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije za izjemen znanstveni dosežek na področju Električnih naprav.

Avtor Peter Jereb je doktoriral leta 1970 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Danes je redni profesor Fakultete za elektrotehniko v pokoju. Poleg pedagoškega dela na matični fakulteti je bil gostujoči profesor na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru in na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Njegovo pedagoško in raziskovalno področje so električni stroji in nihovo preizkušanje. Je avtor ali soavtor knjig Preizkušanje električnih strojev (4 izdaje), Osnove električnih strojev in Splošna teorija električnih strojev. ISBN 961 - 236- 851 -1

789612 368517

ELEKTRIČNI STROJI Temeljna znanja

KLJUČNA GESLA

DAMIJAN MILJAVEC

PETER JEREB

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 621.313/.314(075.8) MILJAVEC, Damijan Električni stroji : temeljna znanja / Damijan Miljavec, Peter Jereb. - l. izd. - Ljubljana : Fakulteta za elektrotehniko, 2014 ISBN 978-961-243-099-3 1. Jereb, Peter, 1928242647552

Copyright © 2014. All rights reserved. Razmnoževanje (tudi fotokopiranje) dela v celoti ali po delih brez predhodnega dovoljenja avtorjev prepovedano.

Recenzenta:

zasl. prof. dr. Božidar Hribernik prof. dr. Ivan Zagradišnik

Založila:

samozaložba, 2014

Natisnil: Ljubljana 3. izdaja

"Saj ni nič ne dobro ne slabo, takšno je šele z našim mnenjem"

William Shakespeare

Predgovor Strokovne knjige o električnih strojih so v slovenščini še vedno redke. Posebno pa se čuti, da strokovna javnost potrebuje knjižno delo, v katerem bi bilo na dovolj dostopen in matematično manj zahteven način opisano čim več različnih strojev. Na pobudo strokovnjakov iz gospodarstva in strokovnega šolstva sva se tako lotila pisanja te knjige in po večletnem delu je knjiga pri bralcih. Vsebino knjige sva zasnovala tako, da sva v obširnem uvodnem delu o pretvarjanju same električne energije ter o pretvarjanju električne energije v mehansko energijo poskusila čim nazorneje prikazati osnovno delovanje strojev. Pri tem sva se omejila samo na tiste vrste strojev, ki za svoje delovanje uporabljajo magnetno polje; transformatorji in tri vrste rotacijskih strojev: sinhronski, asinhronski in komutatorski. Opisala sva še vrsto različic posameznih stroje, ki so zanimivi za današnjo rabo. Pri vsakem osnovnem stroju sva dodala še nekaj temeljnih preizkušanj, ki so namenjena praktičnemu spoznavanju lastnosti stroja. Vsa obravnava je po najinem mnenju matematično manj zahtevna, saj je največ, kar zahteva od bralca, poznavanje kazalčnih diagramov pri izmeničnih tokih. Zahtevnost je razporejena tako, da se bralec lahko seznani z delovanjem stroja tudi tako, da njemu matematično težja poglavja samo preleti. Knjigo sva namenila najširšemu krogu bralcev, ki jih zanimajo električni stroji. Delo bodo lahko uporabljali tudi vsi višje in visoko šolani strokovnjaki, ki jim električni stroji niso osnovna dejavnost, tako pri študiju kot pri poznejšem strokovnem delu, ko se bodo srečali z električnimi stroji. Četudi je najina knjiga postala precej obsežna, pa se zavedava, da bodo strokovnjaki za električne stroje in elektromotorne pogone potrebovali še dodatno gradivo za svoje vrhunsko delo. Na tem mestu se zahvaljujeva obema recenzentoma tega dela, prof. dr. Božidarju Hriberniku in prof. dr. Ivanu Zagradišniku za skrben pregled in za zelo koristne napotke ter izboljšave. Lepa hvala obema. Brez Vajinega dela knjiga ne bi bila takšna kot je sedaj. Posebna zahvala pa velja tudi Vojku Ameršku, univ. dipl. inž. el., ki je skrbno korigiral rokopis in preverjal izvajanja. Vsem podjetjem slovenske elektroindustrije, ki so izdajo knjige podprla, se iskreno zahvaljujeva.

Avtorja

Kazalo

o.

1

Uvod

1

1.1. Pretok energije

l. Osnovni podatki

3

2. Skupne osnove

9

1.2. Napisna tablica 1.2.1. Nazivne vrednosti 1.2.2. Predpisi in priročniki 1.2.3. Izvedba stroja, zunanje konstrukcijske lastnosti 1.2.4. Izvedene vrednosti

2.1. Osnovno gibanje električnih strojev 2.1.1. Mirujoči in gibajoči se stroji 2.1.2. Kako se vrtijo električni stroji 2.2. Magnetno polje 2.2.1. Magnetni krog 2.2.2. Glavno in razsuto magnetno polje 2.2.3. Magnetno polje rotacijskih strojev 2.3. Induciranje napetosti 2.3.1. Transformatorska inducirana napetost 2.3.2. Gibalna inducirana napetost 2.4. Elektromagnetni navor 2.5. Pretvarjanje energije 2.5.1. Generator in motor 2.5.2. Transformatorji 2.6. Izgube in izkoristek 2.6.1. Izgube v navitjih 2.6.2. Prehodne tokovne izgube 2.6.3. Vzbujalne izgube 2.6.4. Izgube v železnem jedru 2.6.5. Mehanske izgube 2.6.6. Dodatne izgube 2.6.7. Stalne in spremenljive izgube 2.6.8. Izkoristek 2.7. Segrevanje električnih strojev 2.7.1. Ogrevnica 2.7.2. Dovoljeno segrevanje 2.7.3.Življenska doba in staranje izolacije 2.7.4. Vrste obratovanja 2.7.5. Kontrola segrevanja z učinkovitim bremenom

3. Transformatorji 3.1.

Enofazni transformator 3.1.1. Aktivni deli 3.1.2. Osnovno delovanje 3.1.2.1. Induciranje napetosti in napetostna prestava 3.1.2.2. Obremenitev in ravnotežje napetosti I

3 5 6 6 7

9 9 11 11 12 18 20 24 25 27 28 30 31 32 32 33 34 34 34 36 36 37 38 39 39 42 44 45 47

49

49 49 50 50 50

3.1.2.3. Ravnotežje magnetnih vzbujanj in tokovna prestava 3.1.2.4. Magnetilni tok 3.1.2.5. Prenešena moč 3.1.3. Nadomestno vezje 3.1.3.1. Reduciranje napetosti, tokov in upornosti za prestavo K=l 3.1.3.2. Izgube v navitjih in omske upornosti 3.1.3.3. Magnetna polja in induktivne upornosti 3.1.3.4. Izgube v železnem jedru 3.1.3.5. Sestava nadomestnega vezja za transformator 3.1.3.6. Poenostavitev nadomestnega vezja 3.1.3.7. Izvrednotenje nadomestnega vezja 3.1.4. Merjenje podatkov za nadomestno vezje 3.1.4.1. Transformator v prostem teku 3.1.4.2. Transformator v kratkem stiku 3.1.5. Obremenjen transformator 3.1.5.1. Omsko breme Zb=R 3.1.5.2. Induktivno breme Zb=XL 3.1.5.3.Kapacitivno breme Zb=Xc 3.1.5.4.Kappov diagram 3.1.5.5. Sprememba napetosti pri obremenitvi 3.1.6. Vklopni pojavi 3.1.6.1. Nenaden kratek stik 3.1.6.2. Vklop transformatorja 3.2. Trifazni transformator 3.2.1. Trifazno jedro 3.2.1.1. Tristeberno jedro 3.2.1.2. Petsteberno jedro 3.2.2. Vezave in označbe 3.2.2.1. Oznake priključkov transformatorjev 3.2.2.2. Vezave zvezda, trikot, cikcak in oznake 3.2.2.3. Vezne skupine 3.2.2.4. Izbira vezne skupine 3.2.3. Obratovanje trifaznega transformatorja 3.2.3.1. Simetrična trifazna obremenitev 3.2.3.2. Enofazna obremenitev z ničlovodom na obeh straneh 3.2.3.3. Enofazna obremenitev brez ničlovoda na primarni strani 3.2.4. Vzporedno obratovanje transformatorjev 3.2.4.1. Zahteve za vzporedno obratovanje 3.2.4.2. Prevezave transformatorjev različnih veznih skupin 3.2.4.3. Porazdelitev moči pri enakih kratkostičnih napetostih 3.2.4.4. Porazdelitev moči pri različnih kratkostičnih napetostih 3.3. Transformatorji za posebne namene 3.3.1. Autotransformator 3.3. l. l. Enofazni autotransformator 3.3.1.2. Trifazni autotransformator 3.3.2. Transformator z odcepi in regulacijski transformator 3.3.3. Podporni transformator ali booster 3.3.4. Merilni transformatorji 3.3.4.1. Napetostni merilni transformator 3.3.4.2. Tokovni merilni transformator II

51 52 52 52 52 54 54 55 56 56 58 61 62 64 67 67 68 68 69 71 74 74 76 79 79 79 80 81 81 83 85 88 89 89 89 90 94 94 94 96 97 97 97 97 99 100 101 103 103 104

3.3.5. Transformatorji za spreminjanje števila faz 3.3.5.1. Trifazno dvofazno transformiranje 3.3.5.2. Trifazno šestfazno transformiranje 3.3.5.3. Trifazno dvanajstfazno transformiranje 3.3.6. Varilni transformator 3.3.7. Transformator za spremenljive frekvence 3.4. Preizkušanje transformatorja 3.4.1. Preizkus prostega teka 3.4.2. Preizkus kratkega stika 3.4.3. Merjenje prestave in fazne številke 3.4.3.l. Merjenje s primerjalnim transformatorjem 3.4.3.2. Merjenje prestave po indukcijski metodi 3.4.3.3. Merjenje fazne številke 3.4.4. Preizkus segrevanja velikega oljnega transformatorja 3.4.4.1. Merjenje temperature olja 3.4.4.2. Merjenje temperature navitja 3.4.4.3. Postopek segrevanja v kratkem stiku 3.4.5. Preizkušanje izolacijske trdnosti 3.4.5.l. Preizkus z udarno napetostjo 3.4.5.2. Preizkus glavne izolacije 3.4.5.3. Preizkus ovojne izolacije 3.5. Gradnja transformatorjev 3.5.1.Železno jedro 3.5.1.1. Železno jedro velikega transformatorja 3.5.1.2. Železna jedra majhnih transformatorjev 3.5.2. Navitja transformatorjev 3.5.3. Hladilne naprave

4. Sinhronski stroji

4.1. Sinhronsko vrtenje 4.1.1. Stator in rotor 4.1.2. Moči, hitrosti vrtenja in uporaba 4.2. Rotor, magnetno kolo 4.2.1. Rotor z izraženimi poli 4.2.2. Cilindrični rotor 4.2.3. Rotor s trajnimi magneti 4.3. Stator z navitjem, indukt 4.3.1. Oblika utorov in namestitev vodnikov 4.3.2. Navitja 4.3.2.1. Enoplastna navitja 4.3.2.2. Dvoplastna navitja 4.3.2.3. Vezave navitij 4.4. Induciranje napetosti 4.4.1. Induciranje napetosti v eni tulja:vi 4.4.2. Inducirana napetost v fazni veji 4.4.3. Faktorji navitij 4.4.3.1.Utorovna zvezda 4.4.3.2.Faktor cone 4.4.3.3.Faktor skrajšanja 4.4.3.4. Faktor navitja III

106 106 108 109 110 112 115 115 117 118 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 128 128 129 130 131 133

135

135 135 135 136 136 138 139 140 140 141 142 144 148 149 150 151 152 152 153 157 158

4.4.3.5. Višji harmoniki polja Obratovanje 4.5.1. Prosti tek 4.5.2. Sinhroniziranje 4.5.3. Jalova obremenitev 4.5.3.1. Povečanje vzbujalnega rotorskega toka 4.5.3.2. Zmanjšanje vzbujalnega rotorskega toka 4.5.4. Delovna obremenitev 4.5.4.1. Gnan rotor, generator 4.5.4.2. Zaviran rotor, motor 4.5.5. Kratek stik 4.5.5.1. Trajni kratek stik generatorja 4.5.5.2. Statorsko vzbujanje in sinhronska reaktanca 4.5.5.3. Potierov trikotnik 4.5.5.4. Trajni kratek stik motorja 4.5.6. Obratovalne lastnosti 4.5.6.1. Kazalčni diagram in nadomestno vezje 4.5.6.2. Krivulje V 4.5.6.3. Moč, navor, meja stabilnosti 4.5.6.4. Krožni diagram 4.5.6.5. Obratovalni diagram 4.5.7. Posebnosti pri izraženih polih 4.5.7.1. Uvod v dvoosno d-q teorijo 4.5.7.2. Kazalčni diagram 4.5.7.3. Moč, navor in reluktančni navor 4.5.8. Vpliv nasičenja železa 4.5.8.1. Določitev vzbujalnega toka za nasičen stroj 4.5.8.2. Nasičena sinhronska reaktanca 4.5.9. Prehodni pojavi 4.5.9.1. Nenadni trifazni kratek stik 4.5.9.2. Reaktance in časovne konstante 4.5.9.3. Kolebanje sinhronskega stroja Posebne izvedbe sinhronskih motorjev 4.6. 4.6.1. Reluktančni motor 4.6.2. Preklopni reluktančni motor 4.6.3. Koračni motorji 4.6.3.1. Reluktančni koračni motor 4.6.3.2. Hibridni koračni motor 4.6.4. Histerezni motor 4.6.5. Alternator s krempljastimi poli 4.6.6. Frekvenčno vodenje sinhronskih motorjev 4.6.6.1. Obratovanje s spremnljivo frekvenco 4.6.6.2. Vezja spremenljive frekvence 4.6.6.3. Elektronsko komutiran motor 4.7. Preizkušanje sinhronskih strojev 4.7. l. Preizkus prostega teka 4.7.2. Preizkus trajnega kratkega stika 4.7.3. Preizkus obremenitve pri faktorju moči nič 4.7.4. Določanje sinhronske reaktance Xs 4.7.5. Določanje izkoristka

4.5.

IV

159 160 160 163 165 165 166 167 167 167 168 168 169 170 172 173 173 174 175 178 180 181 182 184 185 187 188 189 191 193 197 198 201 201 204 205 205 208 209 211 212 212 214 216 218 218 220 221 222 223

4.7.5.1. Posamične izgube iz prostega teka in kratkega stika 4.7.5.2. Metoda prevzbujanja in podvzbujanja

S. Asinhronski stroji

5.1 Statorsko vrtilno magnetno polje 5.1.1 Trifazno vrtilno polje 5.1.2 Dvofazno vrtilno polje 5.2 Rotor asinhronskega stroja 5.2.1 Rotor s kratkostično kletko 5.2.2 Rotor z drsnimi obroči in trifaznim navitjem 5.3 Inducirana napetost 5.3.1 Velikost inducirane napetosti 5.3.2 Inducirani napetosti pri mirujočem stroju 5.3.2.1 Prestava napetosti 5.3.2.2 Vrtilni transformator 5.3.3 Vrteč se rotor in slip 5.3.3.1 Slip 5.3.3.2 Velikost in frekvenca rotorske inducirane napetosti 5.3.3.3 Področja delovanja asinhronskega stroja 5.4 Delovanje asinhronskega stroja 5.4.1 Nadomestno vezje 5.4.1.1 Tok v rotorskem navitju 5.4.1.2 Nadomestno vezje rotorja 5.4.1.3 Nadomestno vezje celotnega stroja 5.4.1.4 Poenostavljeno nadomestno vezje 5.4.2 Pretok moči skozi stroj in izgube 5.4.2.1 Delitev moči v rotorju 5.4.2.2 Ostale izgube 5.4.2.3 Pretok moči v motorju 5.4.2.4 Pretok moči v generatorju 5.4.2.5 Pretok moči v zavori 5.4.3 Tok in navor 5.4.3.1 Tok v rotorju in statorju 5.4.3.2 Karakteristika navora 5.4.3.3 Nazivni navor, zagonski navor, omahni navor 5.4.4 Krožni diagram 5.4.4.1 Krožni diagram rotorskega toka 5.4.4.2 Krožni diagram statorskega toka 5.4.4.3 Značilnosti krožnega diagrama 5.4.4.4 Risanje krožnega diagrama 5.5 Zagon asinhronskega motorja 5.5.1 Direktni vklop in težave 5.5.2 Zagon motorja z drsnimi obroči 5.5.2.1 Dodatni upori v rotorskem tokokrogu 5.5.2.2 Rotorski zaganjalnik 5.5.3 Zniževanje napetosti pri motorju s kratkostično kletko 5.5.3.1 Zagon s preklopom zvezda-trikot, preklop Y-D 5.5.3.2 Zagon z autotransformatorjem 5.5.3.3 Zagon s preduporom 5.5.4 Težak zagon ali mehak zagon

v

224 225

227

227 227 227 229 229 231 232 232 232 232 233 234 234 234 235 237 237 238 240 242 243 244 244 245 245 246 247 248 248 249 251 253 253 255 256 258 260 260 260 260 262 264 265 267 268 269

5.5.4.1 Rotor z dvojno kratkostično kletko 5.5.4.2 Rotor z globokimi utori 5.5.4.3 Zagon z enofaznim preduporom 5.6 Krmiljenje hitrosti vrtenja 5.6.1 Spreminjanje slipa 5.6.1.1 Rotorski upori 5.6.1.2 Podsinhronska pretvorniška kaskada 5.6.1.3 Krmiljenje napetosti 5.6.2 Preklop števila polov 5.6.2.1 Dahlanderova vezava statorskega navitja 5.6.2.2 Kombinacija dveh statorskih navitij 5.6.3 Frekvenčno vodenje asinhronskega motorja 5.6.3.1 Obratovanje s spremenljivo frekvenco 5.6.3.2 Vezja spremenljive frekvence 5.7 Zaviranje asinhronskih motorjev 5.7.1 Mehansko zaviranje 5.7.1.1 Samodržna torna zavora 5.7.1.2 Zaviralni motor 5.7.2 Protitečno zaviranje 5.7.3 Koristno ali aktivno zaviranje 5.7.4 Enosmerno zaviranje 5.8 Vklopni in preklopni pojavi 5.8.1 Izgube ob preklopih 5.8.1.1 Izgube v statorskem navitju 5.8.1.2 Izgube v rotorskem tokokrogu pri neposrednem vklopu 5.8.1.3 Izgube pri zagonu dvohitrostnega motorja 5.8. l .4 Izgube pri frekvenčnem steku 5.8.1.5 Izgube pri protitečnem zaviranju 5.8.1.6 Izgube pri enosmernem zaviranju 5.8.1.7 Izgube pri zagonu obremenjenega motorja 5.8.1.8 Segrevanje kratkostične kletke 5.8.2 Vklop in izklop asinhronskega motorja 5.8.2.1 Vklopni tok stoječega motorja 5.8.2.2 Preostala napetost po odklopu 5.8.2.3 Hitri ponovni vklop 5.8.2.4 Čas steka 5.9 Enofazni asinhronski motorji 5.9.1 Trifazni motor kot enofazni 5.9.1.1 Odklop ene linije 5.9.1.2 Trifazni motor za enofazno obratovanje 5.9.2 Enofazni asinhronski motor s pomožno fazo 5.9.2. l Kondenzatorski motor 5.9.2.2 Motor z uporovno pomožno fazo 5.9.2.3 Motor z induktivno pomožno fazo 5.9.2.4 Motor z zasenčenimi poli 5.9.2.5 Dvofazni servomotor 5.1 O Trifazni asinhronski generator 5.10.1 Asinhronski generator na omrežju 5.10.2 Samostojni asinhronski generator 5.11 Preizkušanje asinhronskih strojev VI

269 270 271 272 272 272 274 275 275 277 278 278 280 281 281 281 282 282 283 283 286 286 287 288 289 290 291 291 292 293 293 293 295 296 297 298 298 298 300 301 302 304 305 305 306 308 309 310 311

311 5.11.1 Podatki navitja 3 11 5.1 1. 1.1 Določevanje priključnih sponk 312 5.11.1 .2 Merjenje upornosti navitij 5. 1 1.1.3 Merjenje prestave 313 5.11.2 Merjenje slipa 313 5.1 1.2.1 Merjenje slipa s tahometrom 3 13 315 5.11.2.2 Stroboskopsko določevanje slipa 3I7 5. 1 1.2.3 Določevanje slipa z rotorsko frekvenco 5. 11.3 Merj enje podatkov za nadomestno vezje in krožni diagram 318 3 18 5.11.3.1 Preizkus prostega teka in ločitev izgub 5.11.3.2 Preizkus kratkega stika z zavrtim rotorjem 320 322 5. 1 1.3.3 Preizkus kratkega stika z znižano frekvenco 322 5.1 1.3.4 Sestavljanje krožnega diagrama 5.11.3.5 Določitev podatkov nadomestnega vezja 324 5. 1 1.4 Določanje izkoristka 326 326 5. 1 1.4. 1 Preizkus obremenitve z zavoro 5.1 1.4.2 Direktno določanje izkoristka 330 5.11 4.3 Določanje posamičnih izgub in izkoristka z obremenitvijo 33 1 332 5. 1 1.4.4 Indirektno določanje izkoristka brez obremenitve

6. Komutatorski stroji 6. 1

Enosmerni stroji 6. 1. 1 Osnovno delovanje in glavni sestavni deli 6.1. 1. l Osnovno delovanje 6.1. 1.2 Sestavni deli 6. 1. 1.3 Označevanje priključkov in smer vretenja 6.1.2 Komutatorska navitja 6. 1.2. l Zankasta navitja 6.1.2.2 Valovita navitja 6. 1.3 Inducirana napetost in navor 6. 1.3. l Inducirana napetost 6.1 .3.2 Karakteristika prostega teka 6.1.3.3 Navor 6. 1.4 Reakcija indukta 6. 1.4. l Reakcija indukta ali rotorsko vzbujanje 6. 1.4.2 Vplivi rotorskega vzbujanja na glavno magnetno polje 6. 1.4.3 Premik ščetk iz nevtralne cone 6 .1 .4.4 Kompenzacijsko navitje 6. 1.5 Komutacij a 6. 1. 5. l Komutiranje rotorskega toka 6. 1. 5.2 Vrste komutacije 6. 1. 5.3 Ščetke z veliko prehodno upornostjo 6.1. 5.4 Komutacijski poli 6. 1.6 Vezave enosmernih strojev in obratovalne lastnosti 6. 1.6. 1 Tuje vzbujan stroj 6. 1.6.2 Vzporedno vzbujan stroj 6. 1.6.3 Zaporedno vzbujan stroj 6.1.6.4 Mešano vzbujan stroj 6. 1. 7 Preiskava komutacije

VII

333

333 333 333 33 5 336 338 339 341 342 342 343 344 34 5 34 5 34 7 350 352 352 353 354 355 356 358 3 59 364 368 372 374

6.2

6.1.7.1 Ugotavljanje nevtralne cone 6.1.7.2 Presoja komutacije po iskrenju 6.1.7.3 Mehanske preiskave pri slabi komutaciji 6.1.7.4 Električni vzroki slabe komutacuje 6.1.7.5 Ugotavljanje pospešene ali zakasnjene komutacije 6.1.7.6 Cona dobre komutacije Izmenični komutatorski motorji 6.2.1 Enofazni komutatorski motorji 6.2.1.1 Motor za električno vleko 6.2. 1.2 Univerzalni motor 6.2. 1.3 Repulzijski motor 6.2.2 Trifazni komutatorski motorji 6.2.2.1 Trifazni zaporedno vezani komutatorski motor 6.2.2.2 Motor Schrage

7. Strojni ojačevalniki in magnetni ojačevalniki 7.1

7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Enosmerni stroji z rotorskim vzbujanjem 7.1.1 Oblikovanje Pretvomiški metadin Metadin Amplidin Rototrol Magnetni ojačevalnki 7.6.1 Magnetni ojačevalnik v zaporedni in vzporedni vezavi 7.6.2 Amplistat ali magnetni ojačevalnik v samonasičeni vezavi

375 376 377 377 379 380 382 382 382 384 385 390 390 392

395

395 397 399 401 403 407 409 412 415

8. Literatura

419

9. Stvarno abecedno kazalo

421

VIII

O

UVOD

0.1

Pretok energije

Vsebina knjige je razdeljena na posamezna poglavja in podpoglavja, ki so ustrezno oštevilčena. Vsako poglavje uvaja besedilo, v katerem je pojasnjen osnovni namen vsebine poglavja. Poleg tega pa še morebitno predznanje, ki je potrebno za razumevanje. Temu uvodu sledi obravnava vsebine. Ta obravnava je pogosto razčlenjena na podpoglavja, tako da vsako podpoglavje vsebuje manjšo zaključeno celoto.

Električni stroji , tako kot jih danes razumemo, so naprave, ki s posredovanjem magnetnega polja pretvarjajo električno energijo iz ene oblike v drugo, električno v mehansko ter mehansko v električno. Njihovo delovanje temelji na dveh, za stroje temeljnih zakonih elektromagnetike. Na kratko ju lahko opišemo: časovno spreminjajoče se magnetno polje povzroči induciranje napetosti v navitjih ter pojav sile na vodnik s tokom v magnetnem polju. Vse druge oblike pretvornikov energije, ki za njeno pretvorbo ne uporabljajo magnetnega polja ne uvrščamo med električne stroje. To so n.pr. naprave močnostne elektronike, kjer izkoriščamo nelinearno delovanje polprevodniških elementov. Sem sodijo v glavnem tranzistorji in tiristorji, ki pretvarjajo eno obliko električne energije v drugo. Ravno tako ne štejemo med električne stroje naprav, s katerimi pretvarjamo s pomočjo električnega polja zelo majhno mehansko energijo v električno. Med električne stroje ne sodijo tudi naprave, ki izkoriščajo piezoelektričnost in magnetostrikcijo. V elektrotehniki so transformatorji pretvorniki, ki pretvarjajo eno obliko električne energije v drugo obliko električne energije. Električni motorji pretvarjajo električno energijo v mehansko, generatorji pa mehansko v električno. Na sliki 0. 1 vidimo vse možne pretvorbe energije, ki jih lahko opravimo z električnimi stroji. Med dvema električnima sistemoma pretvarjamo energijo s transformatorjem. V tem primeru sta električna sistema izmenična, eno- ali večfazna ter iste frekvence. En sam transformator lahko prenaša energijo v eno ali drugo smer. Kadar je en sistem izmeničen, drugi pa enosmeren, uporabljamo običajno skupek motor­ generator. Enako ravnamo pri povezovanju dveh sistemov različnih frekvenc. Redkeje se danes uporabljajo pretvorniki z enim samim strojem. Za takšne naloge vedno uspešneje uporabljamo statične pretvornike močnostne elektronike s polprevodniškimi elementi. Električni motorji in generatorji so večinoma rotacijski stroji, redkeje pa linearni s premočrtnim gibanjem. Isti stroj pogosto lahko deluje v motorskem ali generarorskem režimu. Običajno pa je namenska uporaba samo ena, ali kot motor ali kot generator. Včasih pa lahko tak električni stroj slučajno zaide v drugi režim delovanja. Na primer pri zelo dinamičnem pogonu, ko motor med aktivnim zaviranem dela kot generator. Motorji dvigal delajo pogosto pri dviganju kot motorji in pri spuščanju kot generatorji.

Pretvarjanje energije med dvema električnima sistemoma s transformatorjem ali pretvornikom(enokotveni, tiristorski, tranzistorski,.. ). Električni sistem 2

sistem 1

Pretvarjanje moči med električnima in mehanskim si stemom z enim ali dvema strojema sistem

l.

Slika 0. 1

OSNOVNI PODATKI

2

Za vsak električni stroj, ki ga hočemo uporabljati, moramo vedeti osnovne podatke. Po teh podatkih se ravnamo pri izbiri novega stroja glede na naše zahteve. Pri že izbranem stroju ali pri že delujočem stroju pa nam ti podatki povedo kakšne so njegove osnovne lastnosti. V poglavju bomo opisali tablico električnega stroja, ki je pritrjena na njegovo ohišje ter spoznali vse podatke, ki jih vsebuje. Seznanili se bomo tudi z nazivnimi vrednostmi strojev in njihovim pomenom.

1.1.

Napisna tablica

Vsak električni stroj mora biti opremljen z napisno tablico. Na njej morajo biti vsi važnejši podatki, ki opisujejo osnovne lastnosti stroja. Iz njih izvemo, kako bo stroj deloval in kako ga uporabljamo. Primer napisne tablice za rotacijski stroj je na sliki 1.1. V posamezna polja so vpisani nasledni podatki :

l .polje 2. polje 3. polje 4. polje 5. polje 6. polje 7. polje 8. polje 9. polje

10. polje 11. polje 12. polje 13. polje 14. polje 1 5. polje 1 6. polje

17. polje 18. polje 19. polje 20. polje 21. polje 22. polje 23. polje

Ime ali firma izdelovalca. Tip stroja, kot ga označuje izdelovalec, dopolnjen z velikostjo in obliko. Vrsta toka. N.pr. enosmerni, izmenični, mešani itd. Vrsta stroja. Glavni namen uporabe n.pr. gen., mot., itd. Serijska številka izdelave. Oznaka vezja navitja. Nazivna napetost navitja. Nazivni tok navitja. Nazivna oddana moč na gredi v kW za vse vrste motorjev ter za enosmerne in asinhronske generatorje. Za sinhronske generatorje in sinhronske kompenzatorje pa nazivna navidezna oddana moč na priključnih sponkah v kVA. Enota moči, n.pr. kW. Nazivna vrsta obratovanja, n.pr. prekinjevano obratovanje S 3. Nazivni faktor moči, cos (fJ • Smer vrtenja stroja. · Nazivna hitrost vrtenja v vrtljajih na minuto. Nazivna frekvenca toka in napetosti v Hz. Pri enosmernih in sinhronskih strojih, vzbujanje (n.pr. Exc., Err.). Pri asinhronskih strojih rotor (n.pr. Rot., Lfr.). Oznaka vezave rotorskega navitja. Tako v polju 6 za statorsko navitje. Pri enosmernih in sinhronskih strojih nazivna vzbujalna napetost. Pri asinhronskih strojih z drsnimi obroči mirovna napetost rotorja. Nazivni vzbujalni tok pri enosmernih in sinhronskih strojih. Nazivni rotorski tok pri asinhronskih motorjih z drsnimi obroči. Razred izolacije, n.pr. F. Zaščita pred vodo in prahom, n.pr. IP 44. Masa stroja v kg ali v t. Številka in letnica izdaje predpisov po katerih je stroj izdelan. 3

2

31

1 41

91

1 1 01

1 61

1 1 71

61

23

1 si

vi

1 71

Isol. ki.

1 21 1

si

IP

Nr. 1 21

1 ttl

sl

1 1 81

vi t 91

/min ! t s !

1 1 41

ni

20 1

Tip

1 22 1

AI

cos «1> 1

Hz l A

I

kg 1

Slika 1.1

Primer napisne tablice oljnega transformatorja s pretikalom za tri napetostne stopnje je na sliki 1.2. Na primeru te napisne tablice so označena samo tista polja, kjer so podatki, ki jih mora obvezno navesti izdelovalec transformatorjev.

Ti podatki so: Ime in znak izdelovalca transformatorja. 1. polje Oznaka tipa transformatorja, kot ga označuje izdelovalec. 2. polje Serijska številka izdelave transformatroja. 3. polje Leto izdelave transformatorja. 4. polje Oznaka predpisov po katerih je bil izdelan transformator, n.pr. VDE0532. 5. polje N azivna navidezna moč transformatorja v kVA. 6. polje Vrsta transformatorja. 7. polje Nazivna frekvenca napetosti in tokov v Hz. 8. polje 9., 10., N azivne napetosti v Voltih za vse tri položaje pretikala na, 11. polje visokonapetostni strani (VN), to je visokonapetostno navitje. 12. polje N azivni tok transformatorja na visokonapetostni strani v A. Nazivna napetost v V na nizkonapetostni strani (NN), to je 13. polje nizkonapetotostno navitje. N azivni tok v A na nizkonapetostni strani. 14. polje 1 5. polje Oznaka vezne skupine, n.pr. Yzn5. N azivna kratkostična napetost uk v %, n.pr. 4.2%. 16. polje Vrsta hlajenja transformatorja, n.pr. ONAN, oznaka pomeni naravno 17. polje kroženje olja in naravno kroženje zraka. Skupna masa transformatorja v tonah. 18. polje Masa olja v tonah. 19. polje 4

21

d

Tip 1 3 1

Nr.1

1 81

61

kVA I 7 1

1 01

vl 1 31

vi

AI 1 41

AI

91

111

1 21

1 61

vi

vi

11 .....___ I �

41

15

1 si

Hz l

t1 1s .._ I --� l --�I 19 ..._

Slika 1.2

Poleg teh obveznih podatkov pa najdemo na ostalih poljih še dodatne podatke. Z njimi izdelovalec sam ali na zahtevo uporabnika še bolj izčrpno opiše transformator. Takšni dodatni podatki so n.pr.: razred izolacije, vezalne sheme pri več navitjih in odcepih, izolirna tekočina, dovoljena nadtemperatura, vrsta odcepov, oznake dodatnega pribora na transformatorju n.pr.: termometri, transportna teža i.t.d. 1.1.1

Nazivne vrednosti

Vsak električni stroj je zmožen pretvarjati moč v najrazličnejših pogojih dela. Enkrat bo pretvarjal večjo, drugič spet manjšo moč, kakor se bo pač spreminjalo breme, ki mu ga naložimo. Konstruktor in uporabnik električnega stroja morata zato paziti, da ga bo prvi naredil in drugi uporabljal na tak način, da bo stroj ekonomsko upravičen. Če ga bo uporabnik bolj obremenjeval, bo stroj »živel« manj časa, če ga bo manj pa dlje. Nikakor ga ne smemo obremeniti preko največje moči ali navora, ki ga stroj sploh zmore. Stroj bo zmogel opravljati svoje delo in bo primemo dolgo živel, če bo obremenjen in bo priključen na določene vrednosti nekaterih veličin. S temi vrednostmi je sam stroj opredeljen, saj je bil tudi konstruiran za te vrednosti. Te vrednosti imenujemo nazivne ali nominalne vrednosti in so vedno napisane na napisni tablici stroja. Glavne nazivne vrednosti so: nazivna moč, nazivne napetosti vseh priključkov in odcepov, nazivni toki vseh priključkov, nazivni faktor moči (cosqJ) , nazivna frekvenca,

5

nazivna hitrost vrtenja in nazivna vrsta obratovanja. Pri generatorjih in transformatorjih so poleg naštetih še nazivni padci napetosti na notranjih upornostih stroja, kot n.pr. kratkostična napetost u k pri transformatorjih ali sinhronska reaktanca Xs pri sinhronskih strojih. Glavne nazivne vrednosti so večinoma predpisane že v številčni vrednosti s predpisi in standardi (n.pr. mednarodni IEC, nemški VDE, bivši jugoslovanski JUS, britanski BS i.t.d ). Mi se držimo IEC priporočil, v kolikor ni še novih domačih predpisov ali v kolikor se nista drugače dogovorila izdelovalec in uporabnik. Na primer, predpisane nazivne moči malih asinhronskih motorjev sledijo zaporedju 0,25 kW, 0,55 kW, 0,75 kW, 1,1 kW, 1,5 kW, 2,2 kW, 3 kW, 4 kW, 5,5 kW, 7,5 kW, 11 kW, 15 kW, 18,5 kW, 22 kW. Predpisane nazivne napetosti trifaznih asinhronskih motorjev za frekvenco 50 Hz so določene z vrednostmi : 125 V, 220 V, 380 V, 500 V, 3000 V, 5000 v, 6000 v, 10000 v, 15000 v. Delazmožnost stroja lahko opisujejo še druge nazivne vrednosti, n.pr. stečni oz. zagonski navor, največji oz. omahni navor, zagonski oz. stečni tok, izgube moči, tok prostega teka, izkoristek, i.t.d. Tudi te nazivne vrednosti so večinoma določene s predpisi. Podane so običajno kot deli ali odstotki glavnih nazivnih vrednosti. Tako mora, n.pr., imeti sinhronski motor nazivni omahni navor 1,5 kratni nazivni navor. Asinhronski motor s kratkostično kletko ima n.pr., stečni tok 6 kratni nazivni tok. Tranformator ima n.pr., nazivno kratkostično napetost 10 % nazivne napetosti. Asinhronski motor ima n.pr., nazivne dodatne izgube 0,5 % nazivne moči i.t.d. Predpisi tudi predvidevajo, da se dejanske vrednosti lahko nekoliko razlikujejo od predpisanih. To je običajno posledica toleranc izdelave. Govorimo o tolerancah, oz. o dovoljenih odstopanjih. 1.1.2 Predpisi in priročniki

Mnoge lastnosti električnega stroja so predpisane ali normirane. Ko stroj izdelujemo ali ga uporabljamo, moramo vedno upoštevati ustrezne predpise. Pri kakršnih koli sporih ali dogovorih se zato najprej opremo na predpise. Zbirke predpisov so zelo obsežne in daleč presegajo okvir tega učbenika. Najdemo jih v vsaki boljši knjižnici z elektrotehnično literaturo. Nekatere najbolj pogoste smo navedli že zgoraj. Tu naj poudarimo, da so mednarodni priporočila IEC (lntemational Electrical Cornission) danes osnova vsem nacionalnim predpisom. Elektrotehnik seveda ne more imeti pri sebi vedno vseh predpisov. Izvrstno oporo pa najdemo v priročnikih, ki so napisani z upoštevanjem vseh ustreznih predpisov. To so bolj ali manj obsežne knjige, v katerih so zbrani in na kratko opisani podatki in postopki, ki jih potrebujemo pri vsakdanjem delu. V njih ni razlag, za to so učbeniki in šola, temveč običajno samo kratka navodila za delo in tabelarično urejeni podatki. N amen priročnika ni, da bi se iz njega učili, temveč da ga imamo neprestano pri roki in da lahko vsak hip pogledamo vanj. Priporočljivo je, da bi si vsak elektrotehnik omislil priročnik na svoji delovni mizi, saj brez njega praktično delo skoraj ni mogoče. Trenutno je pri nas tak priročnik na voljo tudi v slovenščini.

6

1 .1.3

Izvedba stroja, zunanje konstrukcijske lastnosti

Kot smo že spoznali vsebuje napisna tablica vse pomembne podatke, ki povedo, kako je stroj izdelan. Poglejmo si primer izpolnjene napisne tablice (slika 1.1) motorja. V polju 2 sta poleg tipa navedeni še oznaki za velikost in obliko motorja. Velikost je označena n.pr. s številko 160M, kar pomeni, da v priročniku pod to oznako dobimo vse podatke za zunanje dimenzije motorja in za pritrditev. V istem polju je tudi oznaka za obliko, n.pr. IM B l O. V priročniku najdemo, da je to motor za vodoravni položaj, brez nog za pritrditev, pritrditev je s prirobnico na steno, ima dva ležajna okrova ter električna priključitev je na levi strani gledano na motor z glavne gredi. Dodana je še skica. V polju 6 je oznaka vezja navitja, n.pr. za trikotno vezavo D ali � .Tudi pomen teh oznak najdemo v priročniku. V polju 13 je označena smer vrtenja. Vrtenje v desno, pomeni v smeri urnega kazalca, če gledamo v čelno stran glavne gredi. Pri izstopu gredi na obeh koncih motorja, gledamo vedno v debelejšega. Če sta konca gredi enaka, gledamo s tiste strani kjer ni komutatorja ali drsnih obročev. V polju 20 je oznaka za razred izolacije. Ta določa največjo dovoljeno temperaturo, ki ji sme biti izpostavljena določena vrsta izolacije. Ko je izolacija vgrajena v stroj (n.pr. izolacijski lak), določa razred izolacije motorja tudi njen največji dovoljeni segretek, oz. nadtemperaturo nad okolico. N.pr., za razred F je dovoljena temperatura izolacije 155 °C ter dovoljena nadtemperatura trifaznega navitja 105 °c (največja dovoljena temperature okolice je 40 °C). V polju 21 je navedena vrsta zaščite tega motorja pred prahom in vodo. N.pr., oznaka IP32 pomeni, da v motor ne morejo prodirati tujki, ki imajo premer večji od 2 mm n.pr. žica, orodje in slično. Obenem je motor zaščiten pred vodo, ki kaplja pod kotom največ 15° od navpičnice. V polju 22 je podana masa motorja. Ta podatek je pomemben za oblikovanje temeljev in za pritrditev, saj je masa motorja pripravljenega za transport večja zaradi embalaže. Na enak način razberemo podatke o obliki in izvedbi transformatorja iz njegove napisne tablice na sliki 1.2. 1.1.4

Izvedene vrednosti

Iz nazivnih vrednosti, ki so na tablici, pogosto izračunamo še nekatere dodatne izvedene vrednosti. Za izkoristek stroja rt vemo, da je razmerje med njegovo oddano močjo Podd in njegovo sprejeto močjo P sp · Izračunamo ga po enačbi (1.1) en( l . l ) Primer l.: Trifazni asinhronski motor ima po napisni tablici velikost 160M, nazivno napetost UN = 380 V , nazivno hitrosti vrtenja nN = 1460 vrt/min , nazivno moč

PN = 11 kW, nazivni tok /N = 22,5 A in nazivni faktor moči cosq, = 0,84. Njegova nazivna moč je oddana mehanska moč na gredi. Njegova sprejeta moč pa je električna moč, ki priteka vanj in jo računamo po enačbi (1.2): 7

en(l .2)

Sprejeta moč je sedaj P,P = -v'3 · 380 · 22,5 · 0,84 =12439,6 W oz. 12,4396 kW. Izkoristek pri nazivni moči na gredi dobimo po enačbi ( 1 . 1 ), to je 11 = 0,8843. Če dobljeni izkoristek pomnožimo še s 100, ga izrazimo v 17 = �rld = P,p 12,4396 odstotkih, 17 = 88,43% . Za mehansko moč na gredi motorja velja enačba ( 1 .3): en( l .3)

pri tem je WN nazivna krožna frekvenca in MN nazivni navor motorja. Krožno frekvenco izračunamo iz znane hitrosti vrtenja n N s pomočjo enačbe (1.4): 2 1r nN en( l .4) _ [rad.s- l ]. a>N = __ 60 Iz enačbe (1.3) lahko izračunamo tudi nazivni navor motorja 60 MN = Pmeh N -- [Nm ]. ' 2;rr nN

en(l .3a)

Primer 2.: Motor iz prejšnjega primera ima nazivni navor MN po enačbi ( 1.3a) 60 60 MN = pmeh N -- = 11000 --- = 72 N m. ' 2;rr nN 2;rr 1460

8

2

SKUPNE OSNOVE ELEKTRIČNIH STROJEV

2.1

Osnovno gibanje električnih strojev

2.1.1

Mirujoči in gibajoči se stroji

V tem poglavju se bomo seznanili s fizikalnimi pojavi, ki so skupni vsem električnim strojem. To so magnetno polje, induciranje napetosti, sile in navori na vodnike v magnetnem polju, izgube moči in segrevanje. Spoznali bomo tudi osnovne sestavne dele električnega stroja, magnetno jedro, navitje, konstrukcijske dele in materiale.

V osnovi imamo mirujoče in gibajoče se električne stroje. Pri mirujočem stroju nimamo nobenega gibajočega se dela, ki bi sodeloval pri pretvarjanju moči. Magnetno polje z jedrom in vsa navitja v prostoru mirujejo. Ker ni gibanja, ni mehanske moči. Pretvarja se samo električna moč v električno. Tak stroj je transformator. V njem se giblje samo hladilni zrak ali hladilna tekočina ter morebiti še črpalke in ventilatorji, ki ju poganjajo. Pri gibajočem se stroju se giblje vsaj eden od delov stroja, ki sodeluje pri pretvarjanju moči. Z gibanjem dobimo lahko mehansko moč. Poznamo pa tudi gibajoče se stroje, ki pretvarjajo samo električno moč v električno, brez mehanske moči. To so vrteči se pretvorniki, n.pr. pretvomiški metadin. Gibljivi del se običajno vrti. To je vrteči se del ali rotor. Mirujoči del stroja pa je stator. Stroju tako pravimo vrteči se stroj ali rotacijski stroj. Stator in rotor sta nameščena drug ob drugem na različne načine. V vsakem primeru pa ju ločuje zračna reža. Pri stroju z zunanjim statorjem je stator votel valj. V izvrtini statorja je valjast rotor z gredjo, ki se vrti v ležajih. To je običajna oblika rotacijskega stroja. Vidimo jo na sliki 2.1. stator

desna smer

Slika 2.1 9

rotor /' zračna reža

/

stator

�-�

/

levo vrtenje Slika 2.2 stator

Slika 2.3 Pri stroju z zunanjim rotorjem je rotor votel valj in v njegovi notranjosti Je mirujoč stator. To je redkejša oblika rotacijskega stroja in je na sliki 2.2. Najdemo jo običajno tam, kjer je takšen rotor vgraj en na ali v vrtljivi del naprave. Nekateri gramofoni z direktnim pogonom imajo take motorje. Srečamo pa jih tudi kot generatorje na motornih kolesih, skuterjih, . . . . Pri stroju s ploščatim ali diskastim rotorjem sta rotor in stator oblikovana v obliki dveh okroglih plošč, ki sta nameščeni druga ob drugi kot na sliki 2.3. Ploščata oblika omogoča zelo tanke stroje z velikim premerom. Najdemo jih tam, kj er smo konstrukcijsko zelo utesnjeni, n.pr. optične glave pri laserskih tiskalnikih. Gibljivi del stroja se lahko premika tudi premočrtno. To je pri linearnem stroj u po sliki 2.4. Gibljivemu delu pravimo tekač ali sekundar. Ti stroji imajo običajno omej eno gibanje, saj se premaknejo samo od enega konca proge do drugega in nazaj. Tekač (sekundar) in stator (primar) sta ravna. Vsaj eden mora biti tako dolg, kot je dolga proga. To obliko uporabljamo za razne pomike, n.pr. za zapiranje in odpiranje drsnih vrat, tekoči trakovi v industriji, posebni industrijski obdelovalni stroji (razrez steklene volne).... 10

/ /

tekač, gibanje levo-desno

\

'stator Slika 2.4

2.1.2

Kako se vrtijo električni stroji

Smer, v katero se vrtijo električni stroji, vidimo s čelne strani gredi. Desna smer vrtenja je v smeri kazalcev na uri. Če ima stroj dva konca gredi, potem gledam v čelno stran debelejšega. Če ima stroj komutator ali drsne obroče gledamo v nasprotno stran. Večinoma se stroji vrtijo v desno in levo. Samo včasih srečamo stroj, ki se sme vrteti samo v eno stran, ker se v drugo ne more zaradi konstrukcije ali delovnega stroja s katerim je sklopljen. Večina električnih strojev se vrti samo z eno hitrostjo. Ta se pri obremenitvi in razbremenitvi sicer nekoliko spreminja, vendar na to ne moremo vplivati. Za grobo prilagajanje hitrosti vrtenja uporabimo stroj z dvema ali več hitrostmi vrtenja, ki jih vklapljamo v stopnjah. Za bolj točno prilagajanje zvezno spreminjamo hitrost vrtenja, to je brez stopenj. Hitrost vrtenja električnega stroja se lahko spreminja z obremenitvijo. Stroj je tog, če se hitrost nič ne spremeni. To so n.pr. sinhronski stroji, ki se vrtijo točno v ritmu frekvence napajanja. Če se pri obremenitvi hitrost vrtenja samo malo spremeni, je stroj trd. Takšni so večinoma asinhronski stroji in tuje vzbujani enosmerni stroji. Zelo močno se spremeni hitrost vrtenja pri obremenjevanju mehkih strojev. Takšni so komutatorski stroji s serijskim vzbujanjem. Seveda imajo stroji vse polno vmesnih lastnosti med temi glavnimi tremi. Te dosežemo po eni strani s konstrukcijo ali z vezavo, po drugi strani pa danes v ta namen posegamo vse bolj po krmilnih in regulacijskih napravah močnostne elektronike.

2.2

Magnetno polje

Magnetno polje je stanje prostora v katerem se pojavijo sile na feromagnetna telesa ter sile na električne toke. Enkrat ga opisujemo kot gostoto magnetnega pretoka, drugič kot magnetni pretok, lahko tudi z magnetno napetostjo ali magnetno poljsko jakostjo. Običajno pod imenom magnetno polje poznamo magnetni pretok. V električnih strojih posreduje magnetno polje pri pretvarjanju moči in jih zato imenujemo elektromagnetne naprave. Magnetno polje je lahko enosmerno, izmenično ali sestavljeno iz enosmerne in izmenične komponente. Naravo polja seveda določa vzbujalni tok magnetnega kroga. Iz več izmeničnih magnetnih polj sestavimo vrtilno magnetno polje. Magnetna polja v električnem stroj u vodimo in zaključimo v magnetnem jedru. Jedro je iz mehko magnetnega materiala, običajno iz železnega ali iz II

železovih zlitin oziroma kompozitov. Železno magnetno jedro ima namensko ali pa nenamensko vgrajeno zračno režo. Magnetno polje mora seveda to zračno režo prestopati in se po magnetno najugodnejši poti zaključevati. Pri rotacijskih strojih zračna reža deli stator od rotorja. To jima omogoča, da se lahko vrti en sam ali pa včasih tudi oba. Tudi pri mirujočih strojih se pogosto ne moremo izogniti zračni reži. Ta neželena zračna reža se pojavi pri sestavljanju magnetnih jeder. Jedra, ki vodijo enosmerna magnetna polja, so navadno iz masivnega železa. Pri izmeničnih poljih pa so sestavljena iz med seboj izoliranih pločevin (lamelirana) ali pa so praškasta (feritna, kompozitna). S tem se izognemo vrtinčnim tokom, ki bi dodatno segrevali jedro. 2.2.1

Magnetni krog

Preprosto magnetno jedro z zračno režo je na sliki 2.5. Takemu sestavu rečemo magnetni krog. Na levi steber jedra je navito vzbujalno navitje z N ovoj i. Ko na sponke navitja z N ovoj i priključimo enosmerno napetost U, steče po navitju enosmerni tok / velikosti I=UIR, kjer je R ohmska upornost navitja. Ta tok imenujemo tudi vzbujalni Iv ali magnetilni tok /m·

1-----1

1 r-----,t-,.,.... J___

u ��-

1

u

N

1 1

N

Slika 2.5

,--------1

1, lm, /y

,-----"""'-'-- l

U ......�-

1

,-------1 1

1

+

N

1

..--..-----,

------tt,,,,,j,,-..1

u

1

l

N

1

-

______..J

_______J

Slika 2.5.a

12

Vzbujalni tok skupaj z vzbujalnim nav11:jem tvorita t.i. magnetno napetost oziroma magnetno vzbujanje w

Jarem

-_...� Primarno navitje ...

1/

1�

1/

�

Oi

�

Steber

w

Sekundarno navitje

/

2W a)

Slika 3.25

b)

Za vse večje moči, ki jih potrebujemo v velikih elektroenergetskih omrežjih, postanejo tristebemi transformatorji previsoki. Ne moremo jih več prevažati po železnici skozi predore in čez mostove, pa tudi s cestnim prevozom imamo podobne težave. V takih primerih se odločimo za nižjo perstebemo obliko jedra. 3.2.1 .2

Petsteberno jedro

Transformator s prestebernim jedrom je na sliki 3.26. Srednji trije stebri so poviti z navitji. Na vsaki strani transformatorja je dodan še po en steber, ki pa ne nosi navitja. Vseh pet stebrov je zgoraj in spodaj povezanih z dvema jarmoma. Na označenih vozliščih magnetnih pretokov a,b in c se združijo po en magnetni pretok srednjih stebrov in po dva pretoka jarma. Pri simetrični gradnji jedra so pretoki v jarmih po velikosti enaki in njihov kazalčni diagram je na sliki 3.26.b. Iz kazalčnega diagrama vidimo, da so vsi jaremski pretoki po velikosti enaki. Pretoki v srednjih povitih stebrih pa je za faktor ..[3 večji: en(3.52)

Pri isti debelini vseh stebrov in jarmov ter pri isti gostoti magnetnega pretoka v vseh delih jedra je lahko vsak jarem nižji za ..[3 krat, ker se za toliko zmanjša potrebni prerez jarmov. Jedro in s tem cel transformator je tako nižji kot enakovreden tristeberni transformator. Za ..[3 imata manjši prerez tudi stranska nenavita stebra.

80

lU

IV

o /

a

r

�

... ,..JDL

rD 1

It

b

""" r r

Dc

1(

D,

•

2U

':!i.

-r

,,1.,.

U

«S

C:

· ;;;

(!)

>U

«S

(!)

E,em rt)

1,

Slika 4.2 1 Karakteristika prostega teka (k.p.t.) ne začne v izhodišču koordinatnega izhodišča temveč kaže že neko inducirano napetost E,em · Ta je posledica remanentnega magnetizma v rotorskem železnem jedru. Magnetno polj e v rotorju je enosmerno in zato v njem po prenehanju vzbujanj a, ko odklopimo rotorski tok ( I, = O ), ostane remanentno magnetno polje. Karakteristika se nato dviga in običajno blago preide v nasičenje. Če magnetne poti v železu ne bi bile nasičene, bi se napetost dvigala po karakteristiki zračne reže (k.z.r), ki j e premica in se sklada z naj strmej šim delom k.p.t. Nazivna točka napetosti UN je nekoliko v nasičenju. Rotorskemu toku Ir0 za nazivno napetost UN lahko pripišemo dve vrednosti. Nasičeno vrednost Ir0 dobimo od prave k.p.t., ta je nekoliko večj a od nenasičene vrednosti, ki j o dobimo od k.z.r. Dostikrat uporabljamo karakteristiko zračne reže, ker je premica in so izračuni enostavnejši. Seveda pa se moramo zavedati, da so v takih primerih izračunani rotorski toki premajhni. Med inducirano napetostjo, rotorskim tokom in magetnim poljem so časovni oz. fazni premiki, ki j ih razložimo s sliko 4.22. Na njej je shematično narisan stroj s slike 4.20. Na levi strani sta rotor in stator. Zračna reža med statorj em in rotorjem je enakomerna, cilindrični rotor, kar poenostavi prikaz. Na rotorju je enosmerni vzbujalni tok !" ki vzbudi enosmeren rotorski magnetni pretok N

Q)

P,

---•

«s

....

C:

....o

'g....

o

�

N

11 11 11 1 1 pvp p vp -H- 1>' ----11 11 11

,._

'

pmeh.gred ---

'' '

pu.vcnt

! Pcu,,=Pvps

Slika 5.21

247

Ko stroj deluje kot protitečna zavora, se vse v njega dotekajoče moči spreminjajo v toploto. Delovanje postane izrazito neekonomično, saj izgubljamo več energije, kot bi j o pri običajni mehanski zavori na trenje. Poleg tega pa toplotno ogrožamo vso izolacijo stroja. Zato se tega delovanja poslužujemo samo izjemoma in za čim krajši čas. 5.4.3

Tok in navor

Za izračun toka in navora v asinhronskem stroju uporabimo poenostavljeno nadomestno vezje na sliki 5 . 1 8. Vezj e je dovolj točno za večino primerov delovanja stroj a. Nekoliko prevelik magnetilni tok dobimo s tem vezjem samo pri zelo velikih slipih. V teh primerih so rotorski in statorski bremenski toki zelo veliki. Praktično je to samo ob zagonu, ko ima slip vrednost ena. 5.4.3.1

navitja

Tok v rotorju in statorj u

Iz nadomestnega vezja p o sliki 5 . 1 8 j e velikost toka v eni fazni veji rotorskega

( 'J2

en(5.3 1)

/, = -.=====u ='=====

R, +

in nj egov faktor moči

R,

-;-

+ (Xa, + Xa· , ) 2

R R + ,

cos q,, = -.======s====

en(5 .32)

( R, + :� J + {x + x:} , 0

Na velikost in fazni kot rotorskega toka vplivata tudi statorski upornosti R s in X, . Napetost, ki poganja rotorski tok, pa je na stator priključena napetost U, . /

l

cosq>

/',

-11

s

2 zavora

motor

Slika 5.22

Sr;

0

generator

-s

248

Statorski tok /5 je sestavljen iz rotorskega toka 1; in toka prostega teka /0 • Tok prostega teka sestavlj ata magnetilni tok Im in delovna komponenta /od · Vse tri toke je potrebno sešteti. Ker pa so ti toki izmenični, različnih faznih kotov in velikosti j ih moramo seštevati z metodo kazalcev ali z metodo kompleksnih števil. To bomo videli v poglavju o krožnem diagramu. Tu povejmo le toliko, da j e statorski tok nekoliko večji od rotorskega. V sinhronizmu, ko je slip nič in rotorski tok ravno tako nič, ima statorski tok vrednost toka prostega teka. Karakteristika obeh tokov je na sliki 5 .22. Dodani sta še karakteristiki statorskega in rotorskega faktorj a moči cos q,. in COS 0 s časovno konstanto prostega teka T0 • Poleg tega pa še zaradi zmanj ševanja hitrosti vrtenja. Počasnejše vrtenj e rotorj a in z nj im vrtečega se magnetnega pretoka ct>0 pozvroči tudi manjšo frekvenco m, preostale napetosti. Časovno bo preostala napetost Ep vedno bolj zaostajala za omrežno napetostjo U, . To se vidi v sliki 5.65, kj er je kazalčni diagram napetosti po odklopu in ponovnem vklopu.

296

u_, E;�§.r_v trenutku odklopa �. -· ·� ·· .... ""'-..

,,

.......

_

\ \ /

Ev ob ponovnem vklopu

Slika 5 .65

Po odklopu začne preostala napetost Ep vedno bolj zaostajati za omrežno napetostjo Us , obenem pa se tudi manj ša. Kazalec Ep potuje po črtkano narisani spirali. V diagramu se vrti s kotno hitrostjo, ki je enaka razliki obeh krožnih frekvenc, omre.tj a in preostale napetosti, m, - m, . Pri ponovnem vklopu se omrežna napetost in preostala napetost odštevata in tvorita skupaj vklopno napetost Uvklop · Ta postane največja takrat, ko sta Us in Ep v protifazi. Na sliki 5 .65 je sicer ponovni vklop protifazo nekoliko zamudil, vendar je Uvktop še vedno veliko večj a od Us . Tako velika vklopna napetost povzroči zelo velike tokovne sunke, s tem pa so zelo veliki tudi sunki navora in sunki sil na glave navitij . Vsi ti spremljaj oči poj avi lahko poškodujejo navitje, če motor ni posebej trdno graj en. To je razlog, da zahtevajo uporabniki visokonapetostnih asinhronskih motorjev velikih moči njihovo odpornost proti vklopu na dvojno nazivno napetost. Pri manjših močeh pa odpornost asinhronskih motorj ev proti vklopu na 1 ,4 kratno nazivno napetost. 5.8.2.4Čas steka

Asinhronski motor mora ves čas, od vklopa mirujočega rotorj a do polne hitrosti vrtenja, razvijati navor M, ki j e večj i od bremenskega navora Mb . Presežek motorjevega navora nad bremenskim (M - Mb ) pospešuje rotor in veča hitrost vrtenja. Za izračun časa, ki je potreben, da motor steče od mirovanja do nazivne hitrosti vrtenja n N si pomagamo s stečno časovno konstanto motorj a TJ . Ta j e enaka času, ki j e potreben z a pospeševanj e z nazivnim navorom MN neobremenj enega motorja od mirovanja do nazivne hitrosti vrtenja. Dana je z enačbo:

297

en(5.7 3 ) Čas steka določimo dovolj točno s pomočjo stečne časovne konstante T1 , če primerj amo povprečne navore med pospeševanjem z nazivnim navorom po enačbi: t,teka

MN = Ti --��Mpopr - Mb,popr

Razliko ( Mvov, - Mb, vovr ) poprečnega motorskega navora bremenskega navora Mb,popr dobimo po postopku na sliki 5 .6 1 .

5.9

en(5.74) Mpopr

m poprečnega

Enofazni asinhronski motorji

Osnova za delovanj e asinhronskega stroja je vrtilno magnetno polje, ki ga vzbudi večfazno navitje na statorju in v katerem se asinhronsko vrti rotor s svoj im navitjem. Statorsko navitje mora biti priključeno na večfazni sistem napajalnih napetosti, ki poženejo večfazne toke. To smo videli že v poglavju 5 . 1 za trifazni in za dvofazni sistem. Za uporabnike pa so zelo zanimivi asinhronski motorji, ki delujejo pri enofaznem priključku na omrežje. V izvedbi s kratkostično kletko na rotorju so to zelo robustni motorji, ki niso podvrženi okvaram. Uporabimo jih lahko povsod, kjer imamo vsaj enofazno omrežje, n.pr. v stanovanjih in podobno. Seveda so to motorji manj ših moči, ki jih potrošniško enofazno omrežje še prenese. Motorj ev, ki delujejo na enofaznem priključku, je danes več kot vseh drugih elektromotorj ev. Pri enofaznem priključku je potrebno poskrbeti, da se vzbudi vrtilno magnetno polje. To se da narediti na več načinov. Po njih so dobili enofazni asinhronski motorji tudi vsak svoje ime. 5.9.1

5.9. 1 . 1

Trifazni motor kot enofazni Odklop ene Unije

Pogosto zaide trifazni asinhronski motor v enofazno obratovanje, če se mu prekine en linijski dovod. Na primer, če mu pregori ena varovalka. Motor obvisi na dveh priključenih linijah, torej na enofazni medfazni napetosti. Priključeno pa ostane 2/3 navitja oziroma dve zaporedno vezani fazni veji v zvezdo vezanega navitja. Tako postane motor čisti enofazni motor z enofaznim navitjem in enofaznim priključkom na statorju. Če se je odklop enega linijskega dovoda dogodil med tem, ko je motor normalno trifazno obratoval, se bo motor vrtel naprej in bo tudi vlekel naprej svoje breme. Vrtel pa se bo nekoliko počasneje, močno bo brnel in močno se bo segreval. V tem primeru moramo motor odklopiti, da ga ne pregrejemo. Obnašanje trifaznega, a le enofazno priključenega motorja si pojasnimo tako, da ponazorimo njegovo magnetno polje z dvema vrtilnima magnetnima poljema, kot je to

298

na sliki 5 .66.a in b. Na levi sliki 5 .66.a vidimo razvit notranji obod dvopolnega statorja in porazdelitev gostote magnetnega pretoka, ki ga vzbudi izmenični tok v enofaznem navitju. Gostota magnetnega pretoka je sinusno porazdeljena vzdolž oboda in niha v ritmu izmeničnega toka. Magnetno polje se ne premika temveč stoji vedno na istem mestu oboda. To j e čisto enofazno utripajoče stoječe magnetno polje. Polna tanka sinusoida kaže največjo vrednost polj a. Tanke črtkane sinusoide kažejo, kako utripa polj e s frekvenco statorskega toka. Debelo izrisana sinusoida kaže polje v istem trenutku, kot je na sliki 5 .66.b. enofazno utripaj oče polje

B

B

skupno polje levo+desno

360 ° notranji obod statorja

a.

Slika 5 .66

b.

Na sliki 5 .66.b vidimo, kako lahko sestavimo sinusno porazdeljeno utripajoče in stoj eče polj e iz dveh sinusno porazdeljenih polj . Ti dve polj i imata vsaka amplitudo, ki je enaka polovici naj večje amplitude enofaznega utripaj očega polja. Vendar ti dve polji ne utripata temveč potuj eta, oziroma se vrtita s sinhronsko hitrostj o n s v nasprotnih smereh, eno polje v levo, drugo polje v desno. To sta dve vrtilni magnetni polji, levo in desno. Po IEC standardih ti dve polji imenuj emo tudi: negativni (levo) in pozitivno (desno). Enofazno utripajoče in stoječe magnetno polje lahko torej razstavimo na dve vrtilni magnetni polj i polovične amplitude, ki se s sinhronsko hitrostj o vrtita v nasprotnih smereh. Delovanje čistega enofaznega asinhronskega motorja smemo zato razložiti s tema dvema vrtilnima poljema. Čisti enofazni asinhronski motor ima dve vrtilni magnetni polji, ki se vrtita v nasprotnih smereh. Obe vrtilni polji, levo in desno, delujeta na isto kratkostično kletko rotorja in vsako polj e razvije svoj navor. Enofazna navoma karakteristika Menofazno j e tako sestavljena i n levega M1evi in desnega Mdesni navora, ki ju kaže slika 5 .67. Ker j e bil motor že pred odklopom ene linij e obremenjen z bremenskim navorom Mb in se je vrtel v desno smer, bo sedaj kot enofazni motor vlekel breme naprej . Vendar nekoliko počasneje, saj j e enofazna navoma karakteristika nižj a. Na sliki 5 .67 vidimo, da motor enofazno ne more steči, ker v mirovanju pri n = O nima navora. V prostem teku se ne zavrti do sinhronske hitrosti vrtenja n 8 temveč nekoliko počasneje. Pomembno pa j e, da motor enofazno deluje enako v obe smeri vrtenja, levo ali desno. Iz mirovanja sam ne bo startal, zavrtel pa se bo v tisto smer, v katero ga bomo zavrteli od zunaj . Trifazni motor z odklopljenim enim linijskim priključkom se bo seveda prekomerno segreval v takem enofaznem obratovanju. Približno isto moč bo sedaj dobival preko dveh priključkov. Tok v priključenih statorskih navitj ih se bo močno povečal, najmanj za faktor

.Jj. Izgube v teh dveh statorskih faznih vejah se povečajo za 299

najmanj trikrat. V celoti so izgube v statorskem navitju pri enofaznem obratovanju trifaznega motorj a najmanj dvojne. Nasproti vrteče se vrtilno polje deluj e zaviralno in močno povečuje tudi izgube v rotorskem navitju. Motor se bo pregreval. Zaščito moramo urediti tako, da se motor pri odklopu ene linije čim prej popolnoma izklopi in ustavi. V nasprotni smeri vrteče se polje povzroči tudi utripanje navora, kar j e vzrok močnemu hrupu pri enofaznem obratovanju trifaznega motorja.

.... ... Mb n,

Slika 5 .67 V praksi včasih potrebujemo čisto enofazno obratovanj e trifaznega motorja. V tem primeru ga smemo obremeniti samo s polovično močjo trifaznega stroj a. Motor bo imel seveda slabši izkoristek in slabši faktor moči kot pri trifaznem obratovanju. 5.9. 1.2

Trifazni motor za enofazno obratovanj e

Trifazni motorj i majhnih moči se pogosto uporabij o kot enofazni za enofazni priključek. Lastnosti se močno izboljšajo, če med priključek proste fazne veje statorskega navitja in linijo vključimo primeren kondenzator. Vezj e na sliki 5 .68 se pogosto uporablja v ta namen. Na Ul priključimo vedno linijo L I tako enofaznega kot trifaznega omrežja. Na V I priključimo ničlovod N za enofazno napetost 230V ali drugo linijo L2 za medfazno napetost 400V. Za enofazno priključitev sta uporabljena dva kondenzatorj a C A in C B , ki sta priključena med linij ski priključek L 1 in prosti fazno vej o W l . Velikost kondenzatorjev CA in CB določimo z enačbo 5 .75 : 300

• za napetost 230V: CB = 70[ :: • za napetost 400V: CB = 20[ :: •

]p , ]p , en(5 .75)

ter v obeh primerih CA = 2CB .

Kondenzatorja morata biti grajena za nazivno napetost najmanj 500V. Kondenzatorj a sta med zagonom in stekom priključena vzporedno. Ko motor doseže približno 80% nazivne hitrosti vrtenja, odklopi hitrostni rele [ n > ] zagonski kondenzator CA in motor teče naprej z obratovalnim kondenzatorjem C8 • Tak motor ima dober zagonski navor. V obratovanju dosega pri napetosti 400V do 90% , pri napetosti 230V pa približno 2/3 nazivne moči trifaznega stroja. Stator s tri faznim navitjem v zvezdi

Priklj učna plošča s sponkami

--+---------. L I Ul

VI

•---+--1----- -- N (L2)

cd

\V I

_s,

Slika 5.68 5.9.2

Enofazni asinhronski motor s pomožno fazo

V poglavju 5 . 1 .2 smo videli, da vzbudimo vrtilno magnetno polje že z dvema v prostoru premaknjenima faznima navitjema, ki ju priključimo na fazno premaknjeni napetosti oziroma napaj amo s fazno premaknj enima tokoma. Ta dejstva izkoristimo pri asinhronskem motorju s pomožno fazo. Enofazni asinhronski motor s pomožno fazo je grajen kot dvofazni asinhronski motor s kratkostično kletko na rotorju. Stator nosi dve fazni navitji, ki sta na njegovem obodu razmaknjeni za geometrij ski kot 90 ° pri dvopolni izvedbi. Pri večpolni izvedbi pa za ustrezno manjši kot, ki se večkrat ponovi. Ti dve navitj i že izpolnjujeta prvo zahtevo za vrtilno magnetno polje, to je prostorsko razmaknjena fazna navitj a. Pogosto zaseda eno navitje 2/3 oboda, drugo navitj e pa preostalo 1 /3 oboda na statorju. V takem primeru j e prvo navitje glavna faza, drugo pa pomožna faza. Pri priključku glavne in pomožne faze moramo nato poskrbeti, da bosta njuna toka fazno premakaj ena. S tem izpolnimo drugo zahtevo za vrtilno magnetno polje, namreč med seboj fazno premaknjene tokove. Fazno premaknitev med tokom glavne in pomožne faze dosežemo z vključitvij o kondenzatorjev, dušilk ali uporov zaporedno s pomožnim faznim navitj em. 301

5.9.2.1

Kondenzatorski motor

Vezje kondenzatorske vezave asinhronskega enofaznega motorj a s pomožno fazo je na sliki 5.69. V pomožnem faznem navitju je zaporedno vključen kondenzator kapacitivnosti C. Ta povzroči, da tok v tem navitju prehiteva priključeno napetost.

Stator z dvofaznim navitjem

C

Z!

UI

u

Ll

Priključna plošča s sponkami Slika 5.69

S tem sta izpolnjeni obe zahtevi za vzbujanje vrtilnega polja, prostorska premaknitev faznih navitij za geometrij ski kot 90 ° in časovna premaknitev faznih tokov. Tok v glavni fazni vej i Ig je vedno nekoliko induktiven, to j e običajno pri asinhronskem motorju, torej nekoliko zaostaja za priključno napetostjo U. Tok v pomožni fazni veji /P pri dovolj velikem kondenzatorju C postane kapacitiven in prehiteva priključno napetost U. Pri primemo izbrani kapacitivnosti C lahko dosežemo premaknitev med obema tokoma skoraj za eno četrtino periode. S tem dosežemo skoraj dvofazno simetrijo in toka bosta vzbudila krožno vrtilno polje kot pri trifaznem stroju. Pri obratovanju asinhronskega stroja se spreminja slip s in z njim tudi fazni kot med priključno napetostjo in statorskim tokom. To smo že videli pri trifaznem stroju. Vzrok je spremenlj iva induktivna upornost rotorja, ki se spreminja z rotorsko frekvenco. Kondenzator s konstantno kapacitivnostjo C bo lahko premaknil tok pomožne faze lp za eno četrtino periode proti toku glavne faze Ig samo v eni točki obratovanja, oziroma samo pri enem slipu. Če bi hoteli pri različnih slipih stalno prilagajanj e premaknitve toka s kondenzatorj em, bi morali imeti kondenzator, ki bi mu lahko s pomočjo posebnega regulatorja zvezno spreminjali kapacitivnost. To pa je za te majhne motorje veliko predraga rešitev. T ako bo imel enofazni motor enako vrtilno polj e kot trifami samo v eni točki obratovanj a. Pri vseh drugih pa bo polje sicer še vedno vrtilno, vendar bolj ali manj popačeno. Stroj bo zato deloval pri vseh ostalih obratovanjih z večjimi izgubami, slabšimi faktorji moči, večj imi toki in z nižj im navorom kot trifazni stroj. Razen seveda v izbrani točki obratovanja s prilagojenim kondenzatorjem. Običajno za prilagoditev kondenzatorja izberemo točko nazivnega navora. Pri tem j e kondenzator med obratovanj em stalno priključen. To j e motor z obratovalnim kondenzatorjem po sliki 5 .69. Potrebna navidezna moč kondenzatorj a je v razredu vrednosti po enačbi: 302

en(5 .76) Motor z obratovalnim kondenzatorj em ima sl abši zagonski navor kot enak trifazni motor, pri nazivnem obratovanju pa sta praktično enaka. Uporabljamo ga pri lahkih ali srednj e težkih zagonih. Pri težkih zagonih zahtevamo č im večj i zagonski navor. Kapacitivnost prilagodimo še v točki zagona oziroma mirovanja rotorj a. Obratovalnemu kondenzatorju dodamo še zagonski kondenzator C2 • Vezj e je na sliki 5 .70. To je dvokondenzatorski motor. Po končanem zagonu pri približno 80% nazivne hitrosti vrtenj a hitrostni rele [ n>] odklopi zagonski kondenzator in motor teče naprej z obratovalnim kondenzatorj em. Zagonski kondenzator določimo po enačbi 5 .77: CZ = 3 C.

en(5 .77)

Stator z dvofaznim navitjem

C

UI

-- C,

--+--.-] in motor teče naprej kot čisti enofazni motor. Ti motorji z uporovno pomožno fazo so običajno majhnih moči do nekaj sto wattov. 304

5.9.2.3

Motor z induktivno pomožno fazo

V tokokrog pomožne faze lahko vklopimo tudi dušilko z induktivnostjo. Tok Ip je bolj induktiven kot tok Ig in zopet sta fazno premaknjena, vendar sedaj tok JP fazno zaostaja. Tudi v tem primeru na moremo doseči premaknitve med tokoma za četrt periode. Dobimo sicer vrtilno polje, ki pa j e močno popačeno. Motor sicer steče pri lahkem zagonu, vendar moramo nato pri obratovanju pomožno fazo odklopiti in motor teče naprej kot čisti enofazni motor. Dušilka je razmeroma draga naprava in zato takšne motorje zelo redko srečamo. Raj e se odločimo za kodenzatorski motor. 5.9.2.4

Motor z zasenčenimi poli

Motorji z zasenčenimi poli so zelo enostavno graj eni in ceneni, vendar imaj o precej slabše lastnosti kot ostali enofazni asinhronski motorji. To je razlog, da jih srečamo sicer zelo pogosto, vendar samo za majhne moči do nekaj deset wattov. Osnovno zgradbo vidimo na sliki 5 .73 . Statorsko železno jedro je štancano iz pločevin v obliki izraženih polov. Pol nosi enofazno koncentrično navitje. Rotor je običaj en s kratkostično kletko. En del polovega čevlja j e obvit s kratkostičnim bakrenim obročem, ki je nameščen v žlebu na licu pola. Ta obroč magnetno "zasenči" skrajni del pola. Enofazno navitj e vzbudi izmenični magnetni pretok ce Ia stev11 a p p p v

6.1 .2.2

•

v

•

Valovita navitj a

Valovito navitje za štiripolni stroj p = 2 j e na sliki 6.7. Rotor ima dvoslojno navitje v Q = 1 9 utorih s t = 1 9 tuljavami, ki so priključene na K = 1 9 komutatorj evih lamel. Širina tuljave y1 = 5 utorov, vezalni korak y2 = 5 utorov in korak navitja y = y1 + y2 = 10 utorov. Prvi tuljavi pod prvim polovim parom sledi tulj ava pod naslednjim polovim parom, tej pa naslednja tulj ava pod prvim polovim parom in tako nadaljujemo. Navitj e je torej zgraj eno tako, da povežemo najprej vse prve tulj ave pod vsemi polovimi pari, nato druge in tako naprej , dokler ne izpolnimo vseh utorov. Ščetke razdelijo navitje na sliki 6.7 samo na dve 2a = 2 vzporedni veji. Zadostovali bi tako samo dve ščetki, ki sta razmaknj eni za eno polovo delitev 'p · Vendar namestimo vedno toliko ščetk, kolikor je polov. S tem posamezna ščetka prevaja manj ši tok. Na sliki 6.7 sta dve nujni ščetki narisani črno, ostali dve pa sivo. y, - širina tuljave

19

1 1 1 2 1 3 14

Yi - vezalni korak y - korak navitja 'tp - polova delit�v 16 1 7 1 8 1 9 11 1 1

'

1

'I'

poli statorja

Slika 6.7

Valovito navite lahko navijemo, če so izpolnjene naslednj e zahteve:

• širina tuljave y1 ;:z .!!:._ , oziroma najbližja cela lamela ali utor, 2p

34 1

• število komutatorskih lamel mora biti K = p y + m za nekrižano navitj e in K = p y - m za križano navitje z m obhodi, • korak navitja mora biti približno dve polovi delitvi, y = --- za nekrižano

K-m p

K+m v . . . . . navit.J e m y = --- za krizano naVItJe. p

Večhodno navitj e mora imeti primemo širše ščetke, da zajamejo vse vzporedne vej e. Za navitje na sliki 6. 7 lahko napišemo navijalno razpredelnico, ki je prikazana spodaj. lamela komutatorja

1

i 1

stranica zgoraj

Yi j 6

stranica soodaj lamela komutatoi:ia

Y2/ II

Y-

11

2

12

3

13

4

...

19

10

1

11

2

12

3

13

4

...

19

10

1

utor

16

7

17

8

18

9

...

5

15

6

utor

2

12

3

13

4

14

10

1

11

6.1 .3

Inducirana napetost in navor

6.1 .3.1

Inducirana napetost

Pri enosmernem komutatorskem stroju nastajata inducirana napetost E in navor M v tistih vodnikih, ki ležij o v utorih na zunanjem obodu rotorj a v magnetnem polju pod glavnimi poli. Osnova razlage je slika 6.8.

V vsakem vodniku v rotorskem utoru slike 6.8 se inducira gibalna napetost = v i B, kj er pomeni: v obodno hitrost s katero vodnik reže magnetno polje pri vrtenju rotorj a; B gostoto magnetnega polj a na mestu, kj er se trenutno nahaj a vodnik; / osno dolžino rotorskega pločevinastega paketa, ki je obenem dolžina vodnika v magnetnem polju. Evo dnika

Med ščetkama na komutatorju so vključeni vsi vodniki z. = _!,_ , ki pripadaj o eni

2a

vzporedni veji navitja, kj er je z število vseh vodnikov v vseh utorih rotorj a. Inducirana napetost med ščetkama E bo vsota vseh induciranih napetosti posameznih vodnikov ene vzporedne veje komutatorskega navitj a in sicer:

342

Slika 6.8

B 1 , B 2 , B 3 , • • • B za so različne gostote magnetnega polja glavnih polov na mestih, kjer se trenutno nahaj aj o pripadajoči vodniki. Porazdelitev gostote magnetnega pretoka pod polom je na levi strani slike 6.8. Vsoto različnih gostot v oklepaju nadomestimo s srednjo vrednostjo gostote B sr, ki je sedaj konstantna pod celotnim polom na dolžini Tp . fp

Bsr

=

(B1 + B + B + · · · + B,. ) 2

3

Za

!

B dx

= ..!!._

J TP

T P

en(6. I)

Upoštevamo še, da je obodna hitrost vodnikov v = 2p r n in dobimo za inducirano

z (/) z napetost E = 2 p rP l n -- = - p (/) n ter dalje izraz: 2a r l a

P

P

oziroma

E == kE (/) n kjer je kE == !.. p,

en(6.2a)

E = kq, OJ z kq, = � ep in OJ = 2 7r n. 27r

en(2.6b)

a

Enačbo 6.2a uporabljamo v primerih, ko spreminjamo tako magnetni pretok

. 'Ji..� ".:r:: · a�:'MM:::V::N;;:v':;;:v't:71�7-':r.;:;:�� �"��;:;;,j Yv'cl' ' in stroj bi postal nestabilen. Poj av j e podoben kot pri premočni reakciji indukta, kar smo opisali v poglavj ih 6. 1 .4.2 in 6.1 .7. 1 . Značilne karakteristike hitrosti vrtenja kompaundiranega motorja so na sliki 6.37. Bremenski tok v zaporedno vezanem vzbujalnem navitju tem bolj poveča glavni magnetni pretok čim bolj je stroj obremenj en. Povečano polje upočasni motor in karakteristika je bolj nagnjena. Takšen motor mehkeje sprejema sunke bremena. II

n ,.,

tuje vzbujan motor

kompaundiran motor

�--------------�------ Jm jmN

Slika 6.37 Kompaundiran motor nastane tudi iz motorja z zaporedno vezanim vzbuj anjem, če mu dodamo nekaj navitja za tuje vzbuj anje. Tak motor ima še vedno zelo mehko karakteristiko hitrosti vrtenja, podobno kot zaporedno vzbuj an. Vendar pri razbremenitvi ne bo pobegnil, ker bo tudi brez bremenskega toka ostalo tuje vzbuj anje in s tem tudi magnetno polje. Zavrtel se bo le precej hitreje kot pri nazivnem obratovanju. Vezj e kompaundnega generatorj a j e na desni strani slike 6.36. Zaporedno vezano vzbujalno navitj e magnetno podpira tuj e vzbuj anje. Z obremenitvijo se bo povečevalo magnetno polje in večala se bo inducirana napetost. Značilne napetostne karakteristike kompaundnega generatorja so na diagramu slike 6.3 8. Karakteristiko generatorja s tujim vzbujanjem že poznamo iz poglavja 6. 1 .7. 1 in slike 6.27. Za primerjavo j e prikazano tudi na sliki 6.38. Kompaundno vzbujanj e zaporednega vzbujalnega navitja dvigne karakteristiko. Kadar jo dvigne samo 373

nekoliko, j e to podkompaundiranj e. Izravnano kompaundiranje j e takrat, kadar se karakteristika toliko dvigne, da sta napetosti v prostem teku in pri nazivni obremenitvi enaki. S tem smo izničili notranj e padce napetosti v generatorju. Če j e zaporedno vzbujanj e še močnej še, se karakteristika dvigne nad napetost prostega teka v vsem območju obratovanja. To j e nadkompaundiranj e, s katerim lahko izničimo še padce napetosti v dolgem zunanj em vodu med generatorj em in bremenom. Zaporedno vezavo vzbuj alnega navitj a lahko tudi obrnemo, da vzbuja proti tuj emu vzbujanju. Z obremenitvijo se polj e močno manjša in napetostna karakteristika se močno nagne oziroma zmehča. To je protikompaudiranje.

E, U E,,

---

--

nadkompaundiranj e

- - --------------------------- -

--- - - - - - - - ---- - - - - - - - - - - - - - - - U.,., 11 = n ""

--------

-- - . -

' ....' .... : 1 1

izravnano kompaundiranj e podkompaundiranje tuje vzbujanje .......

protikompaundiranje

'-------------------'--------- 1 . /gN Slika 6.38 6.1.7

Preiskava komutacije

Pri obratovanju enosmernih strojev, pa tudi vseh drugih komutatorskih strojev, povzroča največ težav slaba komutacija. Ščetke se iskrijo, hitro se obrablj aj o in pogosto se poškoduj e tudi komutator. Tak stroj ni zanesljiv in j e pogosto v popravilu. Slaba komutacij a in težave z njo so glavni vzrok, da se pri elektromotornih pogonih vedno bolj izogibaj o enosmernim strojem. Komutacijo moramo oceniti in ugotoviti vzroke zakaj je slaba. Sama od sebe se komutacija ne izbolj ša, saj j e iskrenj e električni oblok. Če nič ne ukrenemo gre samo iz slabega stanja na slabše. Komutacijo vedno preiskujemo sistematično. Navadno se držimo naslednj ega vrstnega reda preiskav: l . Ugotavlj anje nevtralne cone. 2. Presoj a komutacije po iskrenju. 3 . Mehanski vzroki slabe komutacije. 4. Električni vzroki slabe komutacije. 5. Ugotavlj anje zakasnjene ali pospešene komutacije. 6. Ugotavlj anje cone dobre komutacije. Komutacij o preiskujemo pri nazivnih hitrostih vrtenj a z nazivnim ali celo večjim rotorskim tokom. Pri malih strojih delamo pri nazivni napetosti. Pri srednj ih in velikih strojih preskušamo komutacij o v kratkem stiku rotorskega navitja, ko stroj ženemo kot

374

generator. Pri stroju s komutacij skimi poli j e preskus komutacije v kratkem stiku enakovreden tistemu pri nazivni napetosti. V industriji ugotavljajo komutacijo tudi s trajnostnim preizkusom. To pomeni, da motorj e poganjaj o določeno število ur in ugotavlj ajo stanje ščetk in komutatorja. Ščetke menjujej o (različne tipe in različne proizvaj alce) in ugotavlj aj o katere so bolj še. Razlike so običajno občutne. 6.1 .7.1

Ugotavlj anje nevtralne cone

Pri vseh enosmernih strojih moramo ugotoviti nevtralno cono. Pri strojih s komutacijskimi poli ali kompenzacijskim navitj em postavimo ščetke točno v nevtralno cono. Le pri majhnih strojih brez komutacij skih polov premaknemo ščetke iz nevtralne cone, da glavno polj e pomaga pri komutaciji. Vendar je to samo zasilna rešitev. Indukcij ska metoda ugotavljanj a nevtralne cone je prikazana z vezji na sliki 6.39.

a.)

b. ) Slika 6.39

V"' c .)

Pri vezju 3 .39.a uporabljamo stikalo, akumulator in polariziran voltmeter. S stikalom vklaplj amo in izklapljamo akumulator v vzbujalno navitje. Magnetni pretok