Školska godina 2020. / 2021

Školska godina 2020. / 2021.

ELEKTRIČNI STROJEVI

Ex Cathedra, Split, 22.2.2021. 1

Sadržaj

→ Uvod

→ Osnovni dijelovi

→ Gubitci i učinkovitost

→ Vrste električnih strojeva

→ sinkroni strojevi

→ asinkroni strojevi

→ spoj trokut zvijezda

→ ugradnja i održavanje

→ usporedba


→ električni strojevi – uređaji koji pretvaraju električnu u mehaničku i obratno, uz stvaranje

gubitaka (trenje ležajeva, toplina, trenje na ventilatoru),

→ prema smjeru pretvorbe:

- motori i generatori,

→ principijelno nema razlike između navedenih uređaja,

→ osnovni elementi su stator i rotor


Uvod


Osnovni dijelovi

Osnovni dijelovi


→ stator – željezna jezgra i namot smješteni su u kućište,

→ rotor – željezna jezgra i namot smješteni na osovinu,

→ ležajevi – uležišćuju rotirajuće elemente unutar statora,

→ zračni raspor – prostor između statora i rotora,

→ ventilator,

→ vodiči,

→ namoti – uzbudni (stvara magnetski tok) i

– armaturni (inducira napon zbog promjene magnetskog toka),


Namoti i vodiči

→ namoti se smještaju na polove ili u utore željezne jezgre,

→ vodiči namota i cijeli namoti su međusobno izolirani i izolirani su prema željezu,

→ krajevi namota ili izvodi dovode se do priključne kutije,

→ vodiči imaju dobru električnu vodljivost G = 1

𝑅[S], jedinica je Siemens,

→ materijali vodiča su bakar, aluminij,

→ jezgra statora i rotora uz mehaničko držanje namota, provode magnetski tok,

→ materijal jezgre je feromagnetičan – dobra magnetska vodljivost λ = μ·𝑆

𝑙[H], jedinica je

Henry

Gubitci

→ trenje (ležaji, ventilator) stvara mehaničke odnosno toplinske gubitke,

→ ventilator odvodi nastalu toplinu,

→ ukupni gubitci snage Pg = Pws+PwR+PFeR+PFeS [W],

→ veća količina toplina odvodi se korištenjem složenijih rashladnika,

→ pr. prikaz lijevo – zahtjev izlaza je 20% snage elektromotora,


Učinkovitost elektromotora



Vrste električnih strojeva

→ izmjenični napon (AC) – sinkroni i asinkroni strojevi,

→ istosmjerni napon (DC) – kolektorski,

→ sinkroni – brzina vrtnje rotora jednaka je vrtnji magnetskog polja kojeg stvaraju struje

statora, najčešća upotreba za generatore,

→ asinkroni (indukcijski) – brzina ovisi o opterećenju, najčešća upotreba za motore,

→ kolektorski - -//-, najčešća upotreba za motore,


Sinkroni strojevi - primjena

→ Sinkroni motori su se prije koristili samo za pogone s konstantnom brzinom vrtnje,

→ područje primjene su 3 fazni generatori, male brzine motora (<500 [min ⁻¹]) i snage 35-2500 [kW],

→ danas se koriste u reguliranim pogonima, te u reverzibilnim hidroelektranama gdje rade

kao generatori kad je potrebno proizvoditi električnu energiju, a u vrijeme kad postoji

višak električne energije rade kao motori (tlače vodu u akumulacijsko jezero,

→ Prema vrsti pogonskog stroja razlikuju se: Prema izvedbi:

– turbogeneratori, - s cilindričnim rotorom,

– hidrogeneratori, - s istaknutim polovima,

– dizelski generatori,

– kompenzatori i

– motori.


Sinkroni strojevi - stator

→ stator – armaturni namot simetrično raspoređen u utorima oboda (statorski paket),

→ statorski paket – međusobno izolirani paralelni magnetski limovi debljine 0,35/0,5/0,63 [mm],

→ jaram statora – kružni vijenac između utora i vanjske površine statorskog paketa,

→ oblici statorskih utora – poluzatvoreni, poluotvoreni i otvoreni (srednji prikaz utori s

vodičima),


Sinkroni strojevi - rotor

→ rotor – uzbudni namot na posebno oblikovanim – istaknutim polovima (za manje brzine)

i u utorima rotora, u uzbudnom namotu je istosmjerna struja koja stvara uzbudno

odnosno magnetsko polje, materijal – masivno željezo ili limovi,

→ uzbuda rotora u okretanju stvara magnetsko polje koje se okreće i u vodičima statora

stvara elektromotornu silu (EMS) te po opterećenju stroja poteku struje,

→ dijelovi: osovina, jaram i polovi s uzbudnim namotom (jednoslojni i višeslojni – prikaz desno),

→ kod strojeva s istaknutim polovima – svaki pol ima:

- jezgru, uzbudni namot i polnu papuču (oblikuje zračni raspor),

jednoslojni višeslojni


Sinkroni strojevi - rotor

→ u polnoj papuči se mogu izraditi uzdužni utori unutar kojih se ugrađuju štapovi koji se

kratko spoje s prstenima – formiranje prigušnog kaveza,

→ jaram rotora je magnetičan te dimenzioniran da vodi magnetski tok ali i izdrži centrifugalnu silu

vrtnje,

→ uzbudni sustav – prethodne izvedbe s istosmjernim uzbudnikom dok je danas u upotrebi statička

uzbuda (koristi statički ispravljač – struja iz izmjeničnog izvora ispravlja se

tiristorskim ispravljačem) dalje na klizne kolute,

→ klizni prsteni i četkice (problemi u radu),


Sinkroni strojevi – osnovni podatci

→ izvedbe sinkronih motora (prema pozicijama magneta),

→ frekvencija , određuje je brzina vrtnje i broj polova,

→ regulatori održavaju stalne vrijednosti (brzina vrtnje, napona),

→ sinkrone brzine vrtnje za različite polaritete:


Sinkroni strojevi – način rada

→ pojednostavljeni prikaz – crtaju se samo osi pojedinih faza,

→ unutar statora smješten je rotor koji je uzbuđen istosmjernom strujom i vrti konstantnom

brzinom,

→ magnetsko polje rotora inducira u namotima pojedinih faza EMS određenom frekvencijom,

EMS su pomaknute za 120°, sve faze su simetrične,

→ sinkronizacija je ispunjenje zahtjeva prije priključenja na mrežu:

– frekvencije stroja i mreže jednake, – naponi stroja i mreže jednaki po iznosu,

– redoslijedi faza jednaki i – fazni kutovi između napona pripadnih faza

stroja i mreže jednaki nuli,

Ex Cathedra, Split, 22.2.2021.

→ po ulaznoj kontroli (materijali, tehnologija i načini izrade) potrebno je izvršiti ispitivanje

sklopa – simetričnost rotora i pokus vitlanja – balansiranje rotora,

→ vizualni pregled, mehanička i električna ispitivanja,

→ vizualni pregled sklopa – četkice, klizači, prsteni, ventilator, zategnutost vijčanih spojeva,

→ pokus vitlanja izvodi se na najvećim brzinama pogona – provjera mehaničke čvrstoće,

→ ispitivanje zagrijavanja i hlađenja - termografsko ispitivanje,

→ provjera zračnosti rotora i

→ ispitivanje izolacije između namota i mase i ispitivanje otpora,

→ provjera napona prije pokretanja, poslije i pri najvećem opterećenju,

→ provjera struje nakon sinkronizacije prije najvećeg opterećenja i pri najvećem opterećenju,

→ provjera brzine okretanja prije sinkronizacije, vrijeme potrebno za sinkronizaciju,

Sinkroni strojevi - ispitivanje

16

→ pouzdani i jednostavni, najčešće se koriste kao kavezni asinkroni motori,

→ proizvodnja je u velikim serijama, drugi naziv je indukcijski motor,

→ podjela prema izvedbi rotora:

- kavezni i

- kolutni,

→ pri pokretanju asinkronih motora nema problema kao kod sinkronih,

→ ako je moment tereta manji od poteznog momenta motora, priključkom na mrežu

motor će krenuti i ubrzati do brzine koja odgovara ravnoteži momenata,


Asinkroni strojevi - osnove


Asinkroni strojevi – način rada

→ ako se trofazni statorski namot spoji na mrežu napona UL i frekvencije fL njime će poteći

struja, koja stvara okretno protjecanje konstantnog iznosa i brzine vrtnje,

→ to polje se zatvara i kroz rotor pa u se namotu rotora inducira EMS, ali samo uz uvjet da

se rotor ne vrti istom brzinom kao okretno polje statora,

→ ako bi se rotor vrtio istom (sinkronom) brzinom kao okretno polje statora, ne bi bilo

relativnog gibanja vodiča u odnosu na magnetsko polje, pa ne bi bilo ni inducirane EMS,

→ inducirane EMS jednake su faznim naponima mreže (UA,UB,UC),

→ stator je sličan sinkronom stroju pa se zamjenom rotora lako zamjene,

→ osnovi dijelovi statora:

- statorski paket – oblik šupljeg valjka s prstenastim međusobno izoliranim

magnetskim limovima debljine 0,5 i 0,63 [mm],

- namot – višefazni simetrični, najčešće trofazni (3f~), spojen u trokut ili zvijezdu, i

- kućište – nosač i zaštita željeznog paketa i namota stroja,

→ više namota ugrađuje se u višebrzinske motore,

→ kućište ima rebra za poboljšanje hlađenja, materijali: lijevano željezo, valjani čelik, aluminij,

→ poklopci kućišta su ležajni štitovi,


Asinkroni strojevi - stator


→ Rotor se sastoji iz:

- rotorskog paketa – valjak međusobno izoliranih magnetskih limova ,

- namota – oblik svitka (kolutni) ili štapića (kavezni) po tome se razlikuju asinkroni

strojevi i

- osovine

→ rotorski namot izvodi se kao višefazni,

→ napon se u vodičima rotorskog namota inducira okretnim magnetskim poljem statora, jer

je n ≠ ns i kad se stroj optereti poteku struje i u rotorskom namotu,

Asinkroni strojevi - rotor


Asinkroni strojevi – kolutni

→ kolutni asinkroni motor ima po rotoru višefazni namot (najčešće 3f~),

→ početci namota spojeni su u zvijezdu, a krajevi izvedeni do kliznih koluta,

→ pomoću sklopa klizni koluti - četkice uključuje se dodatni otpor što utječe na karakteristike

momenta i struje asinkronog motora,

→ prikaz – smještaj rotorskog namota kolutnog motora,

→ klizni koluti (prsteni) su smješteni na osovini i međusobno su izolirani, po njima klize četkice

koje preko vanjskih otpornika spajaju rotorski namot.

→ najčešći u upotrebi – jednostavan i ekonomičan,

→ u svakom utoru rotora je po jedan vodič u obliku štapa,

→ štapovi su sa svake strane rotora kratko spojeni prstenima – višefazni rotorski namot,

→ utori jednoliko raspoređeni po obodu i štapovi su međusobno jednaki – simetričan namot,

→ izrada kaveznog namota je jednostavna - nema namatanja i ne treba izolirati namot,

→ kavezi mogu biti uložni i lijevani,

→ promjena smjera vrtnje – promjena faza na stezaljkama,

→ pokretanje – zvijezda-trokut/ prigušnica/ auto ili blok transformator/ tiristorsko napajanje


Asinkroni strojevi – kavezni


Osnovni podatci i energetska bilanca asinkronih strojeva

→ proizvođač, godište, oznaka tipa, izvedbeni oblik, spoj statorskog namota, klasa izolacije,

nazivni podatci stroja (Pn, Un, In, fn, nn i cos 𝜑),

→ Pn – nazivna snaga stroja je mehanička snaga na osovini,

→ motor uzima električnu snagu iz mreže Pin, dio se troši na gubitke statorskog namota Psn,

i na gubitke u željezu statora PFes, ostaje snaga zračnog raspora P𝛿 koja se prenosi na

rotor,

→ rotorska snaga se dalje grana na električne gubitke Pdr i mehaničke gubitke trenja i

ventilacije i gubitke magnetskog polja,


Označavanje motora


Spoj trokut – zvijezda

→ potezna struja može biti višestruko veća od nazivne, jedan od načina da se udarci na mrežu

smanje je pokretanje zvijezda-trokut - privremeno, za vrijeme pokretanja kavezni motor

možemo spojiti u zvijezdu,

→ spojem u zvijezdu naponi pojedinih faza su 3 puta manji - fazna struja je 3 puta manja i

jednaka linijskoj struji – privremeni spoj u zvijezdu 3 puta smanjuje poteznu struju,

→ za pokretanje manjih pogona preklapanje zvijezda-trokut provodi se posebnim sklopkama

s dva položaja, u industrijskim pogonima većih snaga i čestog pokretanja to se obavlja

pomoću tri sklopnika – automatizirano,


Pokretanje i kočenje asinkronih strojeva

→ pokretanje nije problem (kao kod sinkronih) ako je teret manji od poteznog momenta

motora,

→ spoj namota i stezaljki motora (lijevi prikaz – spoj u zvijezdu, desno – spoj u trokut),

zagrijavanje, mijenjanjem napona mjeri se veličina struje i snage koju motor vuče iz mreže,

→ pokretanje kolutnih motora – korištenjem upuštaća (promjenjivi otpornik spojen preko

kliznih prstenova na rotorski namot),

→ kočenje – asinkroni stroj prima mehaničku energiju preko rotora (protustrujno kočenje i

generatorski rad) – gubitci/zagrijavanje, zahtjev kod dizalica – spuštanje tereta,


Ispitivanja asinkronih strojeva

→ ispitivanja:

- spoj i izolacija namota,

- ispravnost mehaničkog rada,

→ provjera ispravnosti izolacije namota – ispitni napon između namota i mase,

→ provjera ispravnosti mehaničkog rada – rad stroja u praznom hodu, provjerava se buka,

zagrijavanje, mijenjanjem napona mjeri se veličina struje i snage koju motor vuče iz mreže,

→ ispitivanje: - u praznom hodu, - u kratkom spoju, - pod opterećenjem


Reverziranje, kočenje

→ pokretanje, kočenje i promjena vrtnje (reverziranje) su najjednostavniji zahtjevi,

→ za promjenu smjera potrebna je promjena smjera okretnog magnetskog polja odnosno

zamijeniti dvije faze statorskog namota,

→ kočnica – napon napajanja 24/48 [V] DC, zračni raspor (pozicija 2) između kočnice i potisne

ploče I=0,3-0,45 [mm] – podešava se vijkom (pozicija 3),


Klase izolacije Opterećenje kabela


Ugradnja motora

→ osigurati prostora za odvođenje topline - hlađenje/ventilaciju,

→ minimalno udaljenost od otvora ventilacije motora > osne visine motora,

→ povećane temperature okoline – oznaka „Tropicalized” (primer strojarnice, kotlovnice),

→ spajanje s elementima prijenosa snage/okretnog momenta uz primjenu naprava ili grijanjem

elementa – udarci i primjena prekomjerne sile nije dopušteno (oštećenje ležajeva i Ex zaštite),

→ protueksplozijska zaštita Ex – oznake pločice motora (primjena prostori zapaljivih tekućina,

prašina),

→ vijke treba pritegnuti na zadani moment i osigurati od odvrtanja (M6/M8/M10 – 5/9/15[Nm])

→ za remenski prijenos osigurati propisanu nateznu silu remena i okomitost osi,


Ugradnja motora

→ priključnu kutiju motora treba zaštiti od udaraca, a motor od kratkog spoja, preopterećenja,

→ motore sa zaštitom od pregrijavanja (bimetali, termoprotektori, ručna ponovna ukapčanja)

i automatskim ponovnim ukapčanjem primijeniti tamo gdje dopuštaju sigurnosni uvjeti (ne

kod stolarskih uređaja, mlinova, kosilica, brusilica) --- jednofazni motori,

→ jednofazne motore s kondenzatorima nije preporučljivo startati preko 20 puta – uništenje

kondenzatora,

→ uvodnice kabela (brtvljenje) – stručan način izvođenja instalacija (sprječavanje prenošenja

mehaničkih opterećenja na priključke motora), za Ex prostore posebne uvodnice,

→ prije priključenja motora na mrežu treba provjeriti (prikladnost – oznake pločice motora,

propisno spajanje priključaka, usklađenje zaštite motora s propisom), vodič uzemljenja (presjek),


Održavanje električnih strojeva

→ periodičko čišćenje (interval prilagoditi uvjetima prostorije), odstupanje nazivnih veličina

(povećana struja, temperatura, vibracija, buka, miris izolacije, aktiviranje zaštite), ispitati/servisirati,

→ provjera ležajeva – standardna veličina kuglični jednoredni, 2Z ili 2RS, zračnost C3, (2Z - 2 štitnika,

2RS - 2 brtve, C3 – unutarnja radijalna zračnost veća od normalne), podmazani su za predviđen

vijek trajanja (25.000 – 40.000 rs), ako je potrebno naknadno podmazivanje ispunjava se 2/3

prostora, korištenje masti – INA LIS-2, SKF, ShellAlavaniaG3, litijeve masti područja -20° do 150[°C],

→ mjesta povećane vlažnosti – ispuštanje kondenzata iz najniže točke kućišta (ležajni štit),


Otkaz ležajeva


Kvarovi motora


Usporedba

Sinkroni motor Asinkroni motor

Brzina okretanja je konstantna neovisno o povećanju opterećenja

Brzina okretanja se smanjuje povećanjem opterećenja

Bez mogućnosti kontrole okretanja Mogućnost kontroliranja brzine okretanja

Nije samo-pokretni motor; treba vanjski izvor za postizanje sinkrone brzine

Motor je samopokretan, od mirovanja do pune brzine ide bez vanjskog utjecaja

Potrebna je odvojena DC uzbuda namota rotora

Nije potrebna DC uzbuda

Okretni moment se ne mijenja promjenom napona

Okretni moment se mijenja promjenom napona

Primjena u sporookretnim strojevima Za brzookretne strojeve

Skuplji i kompliciraniji visoke učinkovitosti zahtijevaju održavanje

Jeftiniji u usporedbi s sinkronim, manja učinkovitost i održavanje

Školska godina 2020. / 2021

Documents