softstart asinhronih mašina

Meki start asinhronih mašina Madeško Mirsad

Sažetak

U radu je prezentiran sistem upravljanja asinhrone mašine za obezbjeđenje mekog starta mašine. U prvom dijelu dat je osvrt na elektromotorne pogone, historijat, s prefiksom na asinhrone mašine kao i izumitelja ovih strojeva Nikole Tesle.

U nastavku obrađene su asinhrone mašine, konstrukcijska izvedba, princip i režimi rada, zatim nadomjesne sheme i vrste pokretanja.

Struktura i opis pretvarača za napajanje mašine za naponsko upravljanje razmarta se u trećem dijelu. Sklop koji vrši naponsko upravljanje naziva se softstarter, a njegov najvažniji dio je tiriac. Triac predstavlja tiristore u antiparalelnom spoju tj. sklop koji se naziva tiristorski ac/ac pretvarač. Tiristorski ac/ac pretvarač može biti jednofazni i trofatni, te može biti priključen na razna opterećenja koja su opisana u ovom poglavlju, opterećenje koje je značajno za ovu temu je radno-induktivno jer to predstavlja motor. Motor može biti upotrebljern u razlicite svrhe, tj. da pogoni ventilator, pumpu, kompresor, pokretnu traku itd. Za lakse pokretanje jednog i više motora upotrebljava se softstarter odnosno vrši se naponsko upravljanje. Ukoliko se vezuje više motora s jednim softstarterom moraju se postovati pravila i poznavati način vezivanja. Takođe je potrebono postovati pravila i poznavati kada je riječ o nacinu konekcije s mrezom, te kako odabrati softstarter za različito opterećenje(aplikaciju).

U posljednjem poglavlju izvršena je sinteza sistema upravljanja u jednoj fazi u programskom paketu PSIM, te su u istom programskom paketu urađena simulacija tiristorskog ac/ac pretvarača na različita opterećenja.Simulaciju softstarta moguće je izvršiti poznavanjem ostalih gotovih besplatnih softverskih riješenja velikih tvrtki kao što su Simens i ABB, te je opisano korištenje i izvršena simulacija Simensovog softvera pod nazivom win-softstarter i ABB-ovog softrvera koji se naziva ProSoft3.

Na kraju su dati komentari dobivenih rezultata i zaključak.

1


Abstract

In this document it s presented system of directing and controlling asynchronous machine which is used to creat and preaper sofstart. First chapter presents review of electromotive drivers, history, with prefix of asynchronous machine and their constructor Nikola Tesla.In continuation are wrought asynchronous machines, construction, on what pricips and on what way it s working, circuitrys and kind of starting up.

Structure and description convertor for power supply mashine for voltage control has been considered in thered chapter. Union which is perform voltage control is called softstarter, in and importest part of softstarter is tiriac. Tiriac presents thyristor anti-parallel fasion, which it's called thyristor ac/ac convertor and it can be monofase or threefase. It can be conected to diffrent kind of loadings descripted in this chapter. Loading which is importest for this theme is called resistance -inductive becouse it is presents the motor. The motor can be used in diffrent cause such as moving fan, pump, compresor, convery belt etc. For easier starting one or more motors it is use softstart, or concerning voltage controll. If more motors has to conected to one softstart there are rules how has to respect other ways conecting cant be done, besies this rules the ways of conecting has to be knowen. Rules has to be respected when it s about of way of conection , and the way the softstart is choosen for diffrent application.

Last chapter analysis controlling system of one fase in program pack calle PSIM, and in this same program pack simulacija symulasion of thyristor ac/ac convertor on diffrent loadings has done. Symulation of softstarta is possible to finish when its possible to use free sofstart solution s big companies such as Siemens, ABB ,which description of using sofstart and where is completion symulation of siemens software called win - softstarer and ABB s software called Prosoft3.

At the end, discussion of results and conclusions have been included.

2


SADRŽAJ

I UVOD..................................................................................................................................... ..5.

II Opis i karakteristike asinhrone mašine..............................................................................7.

2.1. Uvod................................................................................................................................ 7.

2.2. Konstrukcijska izvedba...................................................................................................8.

2.3. Princip rada...................................................................................................................10.

2.4. Režimi rada.................................................................................................................... 13.

2.4.1. Motorski rad............................................................................................................. 13.

2.4.2. Generatorski rad.......................................................................................................14.

2.4.3. Elektromagnetna kočnica..........................................................................................14.

2.5. Nadomjesne sheme.......................................................................................................15.

2.6. Pokretanje i kočenje .....................................................................................................19.

2.7. Pokretanje motora direktnim spajanjem na mrežu (Direct online start) ................19.

2.8. Pokretanje motora pomoću sklopke zvijeda-trokut.................................................. 20.

2.9. Pokretanje motora pomoću autotransformatora........................................................21.

III Struktura i opis pretvarača za napajanje mašine za naponsko upravljanje..............22.

3.1. Uvod...............................................................................................................................22.

3.2. Opis pojedinih dijelova..................................................................................................24.

3.3. Tiristorski ac/ac pretvarač.............................................................................................. 25.

3.3. Jednofazni tiristorski pretvarač napona.........................................................................25.

3.4.1 Radno opterećenje....................................................................................................26.

3.4.2. Radno induktivno opterećenje ................................................................................26.

3.5. Trofazni tiristorski pretvarač napona...............................................................................28.

3.6. Primjena softstarta na opterećenje................................................................................29.

3.6.1. Centrifugalni ventilator .............................................................................................29.

3.6.2. Centrifugalna pumpa ...............................................................................................30.

3.6.3. Kompresor................................................................................................................ 31.

3.6.4. Pokretna traka.......................................................................................................... 32.

3


3.7. Vrijeme pokretanja, zaustavljanja i početni napon .........................................................34.

3.8. Načini vezivanja motora sa softstarterom ......................................................................34.

3.8.1. Paralelni start ............................................................................................................34.

3.8.2. Sekvencijalni start .....................................................................................................35.

3.9. Načini konekcije motora .................................................................................................35.

3.9.1. In line ........................................................................................................................ 35.

3.9.2. Inside delta ................................................................................................................35.

3.10. Kako izabrati softstarter ................................................................................................37.

IV Simulacija sklopova u programskim paketima..............................................................38.

4.1. Simulacijske vježbe u programskom paketu PSIM....................................................38.

4.1.1. Jednofazni AC pretvarači napona omsko opterećenje............................................ 39.

4.1.2. Jednofazni AC pretvarači napona induktivno opterećenje...................................... 40.

4.1.3. Softstart asinhrone mašine u jednoj fazi ................................................................42.

4.2. Simulacija softstarta u Siemens-ovom programskom paketu Winsoft......................44.

4.3. Simulacija softstartera u ABB-ovom programskom paketu Prosoft3.........................45.

V Zaključak.......................................................................................................................... 47.

VI Literatura......................................................................................................................... 48.

4


UVOD

Jedan od osnovnih sklopova u industrijskoj praksi za pretvorbu električne energije u mehanički rad jesu elektromotorni pogoni, pomoću kojih pokrećemo strojeve u industrijskoj praksi i eksplataciji mineralnih sirovina te u preradi mineralnih sirovina. Elektromotorni pogon je svaki onaj koji je pokrenut elktričnim motorom . Što je veća količina mehaničkog rada proizvedenog strojevima, to je veći standard jedne zemlje. Nagli razvoj i napredak čovječanstva u posljednja dva stoljeća zasniva se na činjenici da su pronađena tehnička rješenja kojima su rezerve energije sadržane u prirodi mogu pretvoriti u koristan mehanički rad. Strojevi za proizvodnju mehaničkog rada mogu se pokretati vodom, toplinskom ili električnom energijom. Električni motor je povjesno najmlađi među strojevima za proizvodnju mehaničkog rada. Prvi elektromotorni pogon ostvario je Jacobi 1838. godine (slika 1.).

Slika 1.Razvoj i upotreba elektromotora tekli su veoma brzo, koji potiskuje sve ostale motore gdje

god je to moguće. Udio elektromotora 1890. god. u ukupnoj instaliranoj snazi iznosio je 5% , do 1927. penje se na čak 75% , dok u savremenoj današnjici zauzima više od 95%. Nagli razvoj i potiskivanje ostalih davalaca mehaničkog rada temelje se na izvanrednim tehničkim svojstvima i ekonomičnosti elektromotornog pogona. Najbolje dokaze o tome pruža tehnička praksa jer se elektromotor uvodi i u takve pogone gdje je drugim motorom ostvareno iskorištavanje mehaničkog rada npr. Kod dizelske električne lokomotive ili dizelsko-električne i turbinsko-električne propulzije brodova. Pa i u cestovnom prometu, gdje danas dominiraju toplinski motori s unutrašnjim sagorijevanjem. Prvi elektromotorni pogoni bili su vrlo jednostavni, kao i sami elektromotori. Njegovi osnovi parametri su:

- Snaga- Moment- Brzina vrtnje

Motori su u trajnom stacionarnom pogonu tjerali radni mehanizam konstantom brzinom vrtnje. Zaletu motora posvećivalo se samo toliko pažnje koliko je to imalo značenja za dovođenje pogona u radnu brzinu, dok danas zalet motora je jedna od najvažnijih karika jedne mašine, o čemu će se i govoriti u narednim poglavljima.Pogon s tajnim dinamičkim stanjima nije se upotrebljavao. U prvoj fazi koja se vremenski poklapa s početkom prošlog stoljeća, dominantnu ulogu imali su motori istosmijerne mreže.

5


Elektromotorni pogon je osim male tehničke mogućnosti bio karakteriziran i relativno visokom cijenom mehaničkog rada.

S razvojem tehnike općenito rasla je i upotreba elektromotornog pogona za sve veći broj radnih mehanizama. Revolucionarni obrat donosi trofazni izmjenični sistem s jeftinim asinhronim motorom (slika 2.), za što je najviše zaslužan jugoslovenski fizičar Nikola Tesla . (1)

Motor se sastojao od dva dijela: stator i rotor. Stator na unutrašnjoj strani imao je tri odvojena kalema (kola). Rotor se nalazio unutar na osovini, imao oblik malog cilindra sa omotačem od paralelnih bakarnih šipki. Na kraju tih šipki su po jedan bakarni prsten koji ih povezuje.Kada se struja propusti kroz kalemove statora nastaje obrtno magnetno polje. To magnetno polje indukuje struju u provodnicima rotora i tada se rotor ponaša kao elektomagnet. Prateći rotaciono magnetno polje, rotor se kreće kružno sa nešto manjim brojem obrtaja. Taj manji broj obrtaja nastaje zbog toga što postoji trenje njegove osovine. Kako se rotor ne mora obrtati sa istim brojem obrtaja u minuti, ovaj motor se naziva – asinhroni.

Mogućnost porasta snage energetskih izvora (generatora) povećana je približno stotinu puta, prijenos energije više od hiljdau puta, elektromotor pojeftinjuje od dva do tri puta, čime je stvoren snažan poticaj za razvoj elektromotornih pogona. Asinhroni motor potiskuje istosmjerni u postojećim jednostavnim elektromotornim pogonima. To su osnovne karakteristike razvoja u drugoj fazi, za približno prvih 40 godina prošlog stoljeća.

Danas moderni elektromotori dostupni su u mnogim različitim formama, karakteristikama i preformansama kao: Jednofazni, trofazni, asinhroni, sihroni , kočni, dvobrzinski, trobrzinski itd. Za svaki tip motora postoje različite izvedbe , metode hlađenja od onih jednostvnih koji se hlade zrakom do složenijih motora koji se hlade vodom, odnosno kombinacijom vode i zraka. Sve više elektromotornih pogona obavlja različite cikluse radnih operacija u kojima nastupaju raznovrsna dinamička stanja (zaleti, kočenja, ubrzanja), a ponekad i samo dinamička stanja kod kojih je elektromotor stalno u prijelaznoj pojavi. Po svemu izgleda da budućnost donosi eru široke automacije procesa i cijelih tvornica, s osnovnim elementom jednostavnim trofaznim asinhronim motorom i širokom primjenom transfiguracije priključnog napona, na što će se posebno fokusirati u ovemo radu.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

(1) Jugoslovenski naučnik Nikola Tesla (1856-1943) - Pronalazač koji je izumio točak modernog doba. Nikola Tesla je konstruisao svoj čuveni elektromotor 1887. godine. Najveću primjenu ima njegov asinhroni elektromotor koji može raditi koristeći monofaznu ili trofaznu struju. Radi na

6

Slika 2.


principu obrtnog elektromagnetnog polja (Tesla je otkrio obrtno elektomagnetno polje 1882. godine).

Opis i karakteristike asinhrone mašine2.1. Uvod

Asinhroni strojevi su najčešće korištena vrtsta električnih strojeva. U literaturi se za asinhroni stroj, zbog načina rada povezanog s induciranjem napona u rotoru, često koristi u naziv indukcioni stroj. Skup njegovih tehničkih i ekonomskih karakteristika stavlja ga u cijelom mnoštvu primjena na prvo mjesto. Kao i svi ostali, i ovi strojevi mogu raditi kao motori i generatori. Asinhroni motori se grade u različitim izvedbama i za opseg snaga od nekoliko vata do 30MW. Na slici 3. je prikazan izgled asinhronog motora s naznačenim dijelovima.

Slika 3.

Jednofazni asinhroni motori napona mreže 230V koriste se za manje snage. Ova vrsta motora proizvodi se u velikim serijama i koristi se u različitim vrstama npr. Kućanskim aparatima (perilice, hladnjaci itd.)

U području srednjih i najvećih snaga koriste se trofazni asinhroni motori. Trofazni asinhroni motori priključuju se na torfaznu mrežu napona 400V, ili za najveće snage na mrežu napona 6kV ili 10kV. Trofazni motori koriste se za različite svrhe u industriji, transportnim sistemima, zanastvu (pumpe, komtresori, mlinovi, mješalice, dizalice, elktrična vozila, žičare itd.)

Glavni nedostatak asinhronog motora je mala mogućnost podešenja brzine vrtnje koja je često vezana za frekfenciju električne mreže na koju je motor priključen. Međutim, primjenom odgovarajućih pretvarača napona i frekfencije moguće je efikasno upravljati brzinom vrtnje asinhronog motora, u širokom opsegu, čime se znatno poširuju mogućnosti korištenja ove vrste strojeva. Što će se i razmatrati u narednim poglavljima.

7


2.2. Konstrukcijska izvedba

Osnovni i najvažniji djelovi dijelovi asinhrone mašine jesu rotor i stator. Jezgra statora sastavljena je od željeznih limova čija debljina iznosi od 350μm do 500μm, koji su povezani na način koji nazivamo statorsi paket. Statorski paket pričvršćen je u željeznom oklopu, koji ima zadatak da štiti mašinu od neželjenih uticaja. Rotor je pričvršćen na osovinu i izveden u formi paketa željeznih limova s utisnutm utorima u koje se postavlja namot. Limovi rotorskog i statorskog paketa su međusobno izlolirani i lakom ili pak nekom drugim izolacijslim materijalom koji ima slična svojstva laka. Izolacijski materijal igra veliku ulogu prvenstvano, jer smanjuje gubitke u željeznoj jezgri koji su izazvani pojavom vrtložnih struja i histereze. Zračni raspor između rotora i statora treba da bude što manji, tj. takav da da ne ometa vrtnju rotora, radi boljeg ulančenja magnetnih tokova. Širina zračnog raspora, ovisi o dimenzijama stroja. Na slici 4. je prikazani si izgledi statora, asinhronog motora.

Slika 4.

U statorski paket se najčešće postavlja trofazni namot čiji krajevi mogu biti povezani u spoj zvijezda ili trokut. Za jednofazne motore u stator se postavlja jednofazni namot.

Postavljanje vodiča u rotorski paket limova može se izvesti na dva načina:a) Utori rotora ispunjavaju se provodnim štapovima od bakra, bronze ili aluminija. Na čeonim

stanjima postavljeni su prstenovi koji kratko spajaju štapove. Kod manjih strojeva, ako se rotor izvodi od aluminija, štapovi u utorima i spojni prstenovi izlijevaju se zajedno. Kod većih strojeva štapovi rotora se vare za kratkospojne prstenove. Rotorski štapovi imaju izgled kaveza, pa se stroj s ovakvim tipom rotora naziva i kavezni stroj.Na slici 5. Prikazan je izgled kaveza i rotora.

8


Slika 5.

b) Vodiči umetnuti u utore rotora međusobno su povezani u trofazni namot čiji se krajevi povezuju u spoj zvijezda. Zvjezdište obično nije pristupačno. Početci namota su preko tri klizna prstena i metalno grafitnih četkica izvedeni na kućište motora. Kod rada motora početci namota moraju biti kratko spojeni: direktno ili preko odgovarajućih otpornosti. Stroj s ovakvim rotorskim namotima naziva se stroj s namotanim rotorom, klizno kultni stroj ili s kliznim prstenovima (slika 6.).

Slika 6.

9


2.3. Princip rada

Princip rada asinhronog stroja bit će objašnjen na osnovu razmatranja rada stroja u režimu motora. Priključkom trofaznog namota statora na mrežu simetričnog trofaznog napona

frekvencije , kroz statorski namot poteku struje. Struje stvaraju trofazno okretno magnetno

polje koje se u zračnom rasporu stroja vrti električnom ugaonom brzinom vrtnje .

Mehanička ugaona brzina vrtnje okretnog polja naziva se sinhrona brzina vrtnje i označava . Mehaničku i električnu ugaonu brzinu vrtnje okretnog polja statora povezuje relacija:

2.3. 1.

u kojoj je p broj izvedenih pari polova u statorskom namotu.U inženjerskoj praksi je uobičajeno da se mehanička brzina vrtnje rotora označava s n i

izražava u okretajima u minuti. U skladu s tim, mehanička sinhrona brzina vrtnje okretnog polja označava se s ns. Veza mehaničke sinhrone ugaone brzine vrtnje , u radijanima u sekundi, i mehaničke sinhrone brzine vrtnje ns, izražene u okretajima u minuti, data je izrazom:

2.3. 2.

Iz prethodnih izraza slijedi mehanička sihrona brzina vrtnje okretnog polja ns može zapisati kao:

2.3. 3.U vodičima rotora, koji na početku rada strojamiruju, okretno magnetno polje, prema zakonu elektromagnetne indukcije, inducira napon. Za induciranje napona postoje uvijeti jer je okretno magnetno polje, za mirujuće vodiče rotora, promjenljivo polje. U zatvorenom namotu rottora inducirani napon uzrokuje struju. Struje koje teku kroz namot rotora dovode do pojave magnetnog polja rotora, koje zajedno s već postojećim okretnim magnetnim poljem statora formira rezultantno magentno poljeu stroju. na vodiče rotora kroz koje teku struje, kojes e nalaze u magnetnom polju, prema zakonu djelovanja sile, djeluju mehaničke sile. Mehaničke sile koje djeluju na vodiče prenose se na strane utora u koje su oni smješteni, odnosno mehaničke sile koje djeluju na vodiče prenose se na željeznu jezgru rotora. Umnožak mehaničke sile koja djeluje na

10


vodič (fv) i poluprečnika rotora (r) predstavlja mehanički moment (me = fv r) kojim vodič djeluje na jezgru rotora. Mehanički momenti svih vodiča se zbrajaju i rezultantni moment svih vodiča pokreće rotor stroja. Nakon određenog vremena rotor postiže mehaničku brzinu vrtnje n, ali nikad ne dostiže mehaničku sinhronu brzinu vrtnje okretnog polja statora ns. Ako bi se rotor vrtio mehaničkom brzinom koja je jednaka mehaničkoj brzini vrtnje okretnog polja statora (n = ns), u rotorskim vodičima se ne bi inducirao napon koji je uzrok pojavi struje, sile i momenta. Dakle, mehanička brzina vrtnje okretnog polja statora i mehanička brzina vrtnje rotora nisu jednake -sinhrone, nego različite - asinhrone, po čemu je ova vrsta strojeva dobila ime. Na slici 7. pokazan je opisani princip nastanka induciranih napona, struja i sila u štapovima rotorskog kaveza.

Slika 7.

Trofazno okretno magnetno polje predstavlja pol N koji se vrti mehaničkom sinhronom brzinom okretnog magnetnog polja ns, odnosno kreće linijskom brzinom v, s obzirom na to da je na slici kavez razvijen u ravninu. Linijska brzina v i mehanička brzina vrtnje ns povezane su relacijom:

2.3. 4.

U izrazu D predstavlja prečnik šupljine (provrta) stroja u koju se smješta rotor.

Smjer induciranih napona u štapovima rotorskog kaveza određuje se primjenom pravila desne ruke, a smjer djelovanja mehaničke sile primjenom pravila lijeve ruke. Struja ima smjer induciranog napona. Treba napomenuti da se struje koje teku kroz vodiče rotora s trofaznim namotom mogu mjeriti, a dodavanjem odgovarajućih otpornosti u ro-torski krug i podešavati, čime se može utjecati na karakteristike stroja. Kod motora s kaveznim rotorom struje koje teku kroz kavez ne mogu se niti mjeriti niti podešavati.

Kod razmatranja rada asinhronog stroja važni su odnosi između mehaničke brzine vrtnje okretnog polja statora ns, mehaničke brzine vrtnje okretnog polja rotora nr i mehaničke brzine vrtnje rotora n.

Razlika između mehaničke sinhrone brzine vrtnje okretnog polja ns i mehaničke brzine vrtnje rotora n naziva se brzina klizanja:

2.3. 5.

11


Mehaničke brzine vrtnje ns i n definiraju se u odnosu na neku nepokretnu tačku na statoru.Relativna razlika brzina vrtnje ns i n naziva se klizanje:

2.3. 6.

Prema tome, mehaničke brzine vrtnje rotora n i mogu se zapisati preko klizanja:

n = ns (1 - s)

2.3. 7.

Frekvencija induciranih napona i struja u rotoru f2 srazmjerna je brzini klizanja i može se zapisati preko frekvencije mreže f1 i klizanja s. S obzirom na izraze vrijedi:

2.3. 8.

Brzina vrtnje magnetnog polja rotora u odnosu na rotor koji se vrti je:

2.3. 9.

Brzina vrtnje magnetnog polja rotora u odnosu na stator jednaka je zbroju mehaničke brzine vrtnje rotora n i brzine vrtnje okretnog polja rotora nrr:

nr = nrr + n = s ns + ns(l — s) = ns 2.3. 10.

Iz prethodnog izraza slijedi da se rotorsko okretno magnetno polje vrti jednakom brzinom kao i statorsko okretno magnetno polje.

Klizanje s određuje brzinu vrtnje i frekfenciju induciranih napona i struja u rotoru te predstavlja najprikladniji parametar za definiranje režima rada asinhronog stroja.

12


2.4. Režimi rada

Asinhroni stroj priključrn na električnu mrežu može raditi kao motor, generator ili u takozvanom režimu elektromagnetne kočnice (slika 8.). Režimi rada asinhronog stroja određen je vanjskim mehaničkim momentom na osovini stroja. Međutim, određenim postupcima koji se poduzimaju na samom stroju npr. zamjena redosljeda priključaka faza , također se mogu mijenjati karakteristike stroja. Na sljedećoj slici biti će prikazana mehanička karakteristika asinhrone mašine.

2.4.1. Motorski rad

13

Slika 8.

Slika 9.


Priključkom statora na el. mrežu nastaje motorski režim rada asinhronog stroja(slika 10.). U motorskom režimu rada stroj proizvodi mehanički moment kojim se može savladati mehanički moment nekog radnog stroja proključenog na osovinu. Električna snaga preuzeta iz mreže pretvara se u stroju u mehaničku snagu i predaje na osovinu. Klizanje stroja, definirano jednačinom, mjenja se od vrojednosti s=1 kod mehaničke brzine n=0 do vrijednosti klizanja s=0 pri vrtnji rotora mehaničkom brzinom koja je jednaka sinhronoj brzini (n=ns).

Stroj ne može imati klizanje jednako nuli (s≠0), odnosno mehaničku brzinu vrtnje jednaku brzini vtrnje okretnog magnetnog polja (n≠ns)Ove vrijenosti samo označavaju teorijsko stanje i granične vrijednosti kod razmatranja rada asinhronog motora.

2.4.2. Generatorski rad

Generatorski režim rada nastaje u slučaju kad se na osovini stroja privede mehanička snaga iz vanjskog izvora, odnosno kad se vanjskim mehaničkim momentom rotor stroja zavrti brzinom n većom od brzine vrtnje okretnog polja statora ns (slika 11.).Asnihroni stroj će tada pretvarati mehaničku snagu privedenu nna osovinu u električnu snagu i redavati je u električnu mrežu. Klizanje ima vrijednost manju od nule (s < 0), a mehanička brzina vrtnje rotora veća je od brzine vrtnje okretnog polje statora (n>ns).

2.4.2. Elektromagnetna kočnica

Režim rada u kojem stroj uzima električnu snagu iz mreže, a na osovinu se provodi mehanička snaga iz vanjskog izvora, naziva se režim elektromagnetne kočnice (slika 12.). U režimu elektromagnetne kočnice vanjski mehanički moment vrti rotor stroja brzinom n u smijeru koji je suprotan smjeru brzine vrtnje okretnog polja statora ns. To je kočni režim u kojem stroj proizvodi vlastiti elektromagnetni moment koji se suprpstavlja vanjskom mehaničkom momentu. Stroj može raditi u režimu elektromagnetne kočnice samo ako je vanjski mehanički moment dovoljan da nadvlada elektromagnetni moment stroja i rotor vrti konstantnom brzinom n u smjeru koji je suprotan smjeru brzine vrtnje ns.

14

Slika 10.

Slika 11.

Slika 12.


2.5. Nadomjesne sheme

Ukoliko uzmemo u razmatranje samo jedne faze statora i jedne faze rotora, asinhrona mašina može se predstaviti s dva električna kruga povezana zajedničkim magnetnim tokom u zračnom rasporu, kako je i prikazano na slici 13.

Slika 13.Uvodeći u razmatranje radne otpornosti i reaktancije, sheme statorskog i rotorskog kruga asinhronog stroja mogu se pokazati na način pokazan na slici 14.:

Slika 14.Statorski krug predstavljen je istom shemom kao i krug primarne strane transformatora. U

statorskom krugu zajednički magnetni tok Φ inducira napon .

Rotorski krug mora biti zatvoren, da bi napon , induciran zajedničkim tokom Φ, u rotorskom

krugu uzrokovao struju koja teče kroz otpornost i rasipnu reaktanciju . Važno je

uočiti da su inducirani napon rotora i rasipna reaktancija rotora veličine ovisne o klizanju, odnosno frekfenciji f2, što će biti vidljivo iz relacija koje će biti izvedene u nastavku.

15


Efektivne vrijednosti napona E1 i E2s, induciranih u namotima statora i rotora zajedničkim magnetnim tokom Φ, mogu se odrediti korištenjem relacije rotora s zajedničkim magnetnim tokom Φ, mogu se odrediti iz relacija:

2.5. 1.

U jednačinama Φ predstavlja zajednički magnetni tok, Nlph i N2ph su brojevi zavoja namota faza statora i rotora, ξ1 i ξ2 su faktori namota faza statora i rotora, a f1 i f2 su frekvencije napona i struja statora odnosno rotora.

Inducirani napon rotora može se, zapisati u obliku:

2.5. 2.

U zrazu:

2.5. 3.

napon koji bi se inducirao u namotu rotora u slučaju da rotor miruje (n = 0, s = 1). Odnos napona induciranih u statoru i mirujućem rotoru iznosi:

2.5. 4.

Rasipna reaktancija rotora ovisna o frekfenciji f2. S obzirom na to da je f2=s f1, može se pisati:

2.5. 5.

Gdje je rasipna reaktancija za mirujući motor, a rasipna induktivnost rotora.

Struja u rotorskom krugu određena je izrazom:

2.5. 6.

16


Vrijednost induciranog napona i rasipne reaktancije u prethodnom izrazu su ovisne o klizanju.Iz prethodnih izraza struja u rotorskom krugu može se pisati kao:

2.5. 7.

Struja zapisana je preko konstantnih vrijednosti induciranog napona E2 i rasipne reaktancije mirujućeg rotora X2σ te radne otpornosti rotora R2/s ovisne o klizanju. Zapis je formalan, jer se pri vrtnji rotora stvarno mijenja inducirani napon E2s i rasipna reaktancija rotora X2σ. Iz struje u rotorskom krugu moguće je konstruisati shemu koja je prikazana na slici 15.

Slika 15.Za povezivanje shema statora i rotora u jedinstvenu nadomjesnu shemu, potrebno je rotorske veličine, slično kao kod transformatora, preračunati na statorsku stranu. Inducirani napon rotora može se preračunati na stranu statora kao što je prikazano izrazom:

2.5. 8.Iz uvjeta da protjecanja koja proizvode stvarna struja rotora s brojem faza m2 i struja rotora preračunata na statorsku stranu s brojem faza m1 moraju biti ista:

2.5. 9.Iz prethodnog uvjeta dobiva se izraz za preračunavanje rotorske struje na statorsku stranu:

2.5. 10.Izrazi za preračunavanje radne otpornosti i rasipne rektancije rotora na statorsku stranu izvode se iz uvjeta jednakosti gubitaka u bakru i jednakosti reaktivnih snaga rasipanja koje proizvode stvarne i preračunate struje:

2.5. 11.

2.5. 12.Iz ovih uvijeta slijedi:

17


2.5. 13.

2.5. 14.Nakon preračunavanja rotorskih veličina na statorsku stranu, prema prethodnim izrazima sheme rotorskog i statorskog kruga sa slike 15. mogu se povezati u jedinstvenu shemu koja je ujedno i potpuna nadomjesna shema i prikazana je na slici 16.

Radna otpornost rotora u nadomjesnoj shemi sa slike 16., rastavljena je na dva dijela i prikazana kao zbroj jedne konstantne otpornosti i otpornosti ovisne o klizanju:

2.5. 15.

Slika 16.

18


Reaktancije i predstavljaju rasipne tokove statora i rotora, reaktancija glavni ili

zajednički magnetni tok Φ , a radna otpornost RFe gubitke u željeznim jezgrama. Otpornost

predstavlja toplinske gubitke PCu2 u namotu rotora, a otpornost predstavlja mehaničku snagu Pmeh.

S obzirom na to da kod izvođenja nadomjesne sheme asinhronog stroja nisu u obzir uzeti gubitci koji nastaju usljed trenja i ventilacije kod vrtnje stroja, korisna mehanička snaga P2, koja se predaje na osovinu stroja, dobiva se oduzimanjem dijela snage potreben za pokrivanje gubitaka snage usljed trenja i ventilacije od mehaničke snage Pmeh. Nadomjesna shema asinhronog stroja izgleda kao nadomjesna shema transformatora na čiji je sekundar priključena

otpornost . Kod idealnog praznog hoda (s→0, /s →∞) sekundarna strana nadomjesne sheme ostaje otvorena. Za slučaj kada je klizanje s= 1, nadomjesna shema asinhronog stroja izgleda kao nadomjesna shema transformatora u kratkom spoju.

Zračni raspor stroja utiče da se veličine parametara nadomjesne sheme znatno razlikuju od onih koje se odnose na transformator. Npr., vrijednost struje I0 kod asinhronog stroja može iznositi od 30% do 50% nazivne vrijednosti In, a kod transformatora ona iznosi svega 1% - 5% nazivne struje. Vrijednost glavne reaktancije magnetnog kruga Xμ je manja u usporedbi s transformatorom, ali je rasipna reaktancija X1σ znatno veća od rasipne reaktancije transformatora.

Utjecaj gubitaka u željeznoj jezgri na prilike asinhronom stroju nije značajan te se oni u praktičnim proračunima zanemaruju. Zanemarenjem gubitaka u željeznoj jezgri, koje u shemi predstavlja radna otpornost RFe, dobiva se pojednostavljena i za proračune praktičnija nadomjesna shema prikazana na slici 17.

Slika 17.

Naponske jednačine Naponske jednačine statora i rotora, zapisane u fazorskoj formi, glase:

2.5. 16.

2.5. 17

2.6. Pokretanje i kočenje

19


Pitanje vezana za pokretanje i kočenje asinhronih motora imaju vema važan praktični značaj. Najvažnije veličine koje se razmatraju kod pokretanja i kočenja su vrijednosti momenta i struje motora. Pored njih važni su i vrijeme trajanja pokretanja i kočenja, gubitci energije, odnosno zagrijavanje namota, te vrsta i ekonomičnost uređaja za pokretanjei kočenje.

Da bi se motor mogao pokrenuti, potrebno je da vriejdnost momenta motora u trenutku pokretanja bude veća od vrijenosti momenta opterećenja na osovini stroja. Struje kod pokretanja motora mogu biti 5-10 puta veće od vrijednosti nazivne struje. Velike polazne struje dodatno zagrijavaju motor i uzrokuju padove napona koji mogu smetati drugim trošilima priključenim na istu mrežu. Radi toga se pokretanje motora direktnim spajanjem na mrežu (Direct on line start) provodi samo za motore manjih snaga. Za pokretanje motora većih snaga potrebno je poduzimati različite postupke kao npr:

- Pokretanje pomoću sklopke zvijezda – trokut- Pokretanje pomoću autotransformatora- Mehki start (softstart)-

2.7. Pokretanje motora direktnim spajanjem na mrežu (Direct on line start)

Ovo je daleko najveći startni metod dostupan u prodaji. Startna oprema sadrži samo glavni kontakt i zaštitni relej slika 18. Nedostatak ovog metoda je da daje najveću moguću početnu struju. Normalna vrijednost je između 6 i 7 puta nazvine struje motora, ali vrijednost ide i do 9 ili 10 puta nazvine struje. Osim početne struje postoji i egzistiranje maksimalne sturje koja se može popeti do 14 puta od nazivne struje budući da motor nije pobuđen prvog trena startanja. Vrijednost zavisi od dizajna i veličine motora, ali generalno manji motori daju veće vrijednosti nego veći motori.Za vrijeme D.O.L (direct on line starta) početni moment je takođe veliki i veći nego što je potrebno za većini aplikacija. Momen je isti kao i sila i nepotrebno velika sila daje nepotrebno veliko opterećenje na spojnicama i na pobudnim uređajima. Prirodno, postoje slučajevi gdje startni (ovaj metod) radi perfektno. Na slici 19. Prikazane su karakteristike D.O.L. starta, struje u odnosu na brzinu i momenta u odnosu na brzinu.

20

Slika 18.


Slika 19. 2.8. Pokretanje pomoću sklopke zvijezda – trokut

Kod pokretanja većih kaveznih motora, s spojem namota statora u trokut, strujni udari u mreži mogu biti znatni. Kako nema mogućnosti dodavanja otpornosti u rotorski krug, smanjenje struje pokretanja vrši se sniženjem napona u namotima statora. Prespajanjem namota statora u zvijezdu, pri nepromijenjenom naponu mreže, napon na motoru će biti za √3 puta niži od napona koji bi se na namotu imao kod spoja u trokut, a struja koja iz mreže teče u motor će se smanjiti tri puta. Polazni moment će se također smanjiti za tri puta jer je moment srazmjeran kvadratu napona na namotu. Smanjenje polaznog momenta može postati problem kod pokretanja motora s teretom priključenim na osovinu. Nakon što se motor pokrene i dostigne određenu brzinu, namoti se ponovo spajaju u spoj trokut što omogućuje motoru da dostigne radnu tačku u kojoj može razviti nazivnu snagu i na osovinu predati nazivni moment.

Slika 20.Upotrebom posebno izvedene sklopke, koja se naziva sklopka zvijezda- trokut, moguće je automatski provesti opisani proces pokretanja motora. Principilna izvedba sklopke zvijezda trokut, kao i dijagrami napona i momenta pokazani su na slikama 20. i 21.

21


Kod pokretanja, kad je namot spojen u zvijezdu, ukljuceni su prekidači KM1 i KM3. Nakon završenog pokretanja isključuje se prekidač KM3, a uključuje se prekidač KM2, čime se namot statora spaja u trokut.

Slika 21.

2.9. Pokretanje pomoću autotransformatora

Za pokretanje motora mogu se koristiti i regulacijski autotransformatori. Shema spoja autotransformatora postavljenog u statorski krug prikazana je na slici 22.

Slika 22.

Kod pokretanja uključeni su prekidači KM1 i KM2, a isključen je prekidač KM3. Nakon završetka pokretanja uključeni su prekidači KM1 i KM3, a isključen je prekidač KM2, čime je motor priključen na nazivni napon mreže. Struja pokretanja motora smanjuje se srazmjerno sniženju napona na stezaljkama motora, koja ovisi o prijenosnom odnosu autotransformatora. Ovakav način pokretanja primjenjuje se ako je na osovinu priključen mali moment tereta.

Struktura i opis pretvarača za napajanje mašine za naponsko upravljanje3.1. Uvod

22


Impulsno upravljanje naponom vrši se npr. isključujući i uključujući određene elemente nekom sklopkom, mijenjamo mehaničke karakteristike kaveznih motorane ulazeći pri tome ni u karakter upravljačke sklopke ni u primjenljivost rezultata. Tako u spoju prema slici 23. Kod trajno uključenog tropolnog prekidača S (ε1=1) motor ima svoju normalnu mehaničku karakteristiku slika 24.

Uz stalno isključen prekidač motor,dakako, stoji( ε4=0) slika 24. Za sve ostale interminacije motor kao da je priključen na sniženi napon i pokazuje odgovarajuće smanjenje mehaničke karakteristike. Prema tome se može teorijski zamisliti da se odgovarajućim podešavanjem ili regulacijom impulsa motor pri određenom momentu tereta „uhvati“ na nekoj bilo kojoj tački brzine vrtnje, i da na tu tačku zadrži. Praktično značenje ta mogućnost jedva da ima, zbog visokih gubitaka, ali se načelno može postići. Sličnu mogućnost pruža i spoj prema slici 25

Slika 25.Uz trajno zatvoren prekidač S(ε1=1) motor ima normalnu mehaničku karakteristiku. Pri trajno otvorenome tropolnom prekidaču S(ε3=0) imati će onu vanjsku karakteristiku koja odgovara

23

Slika 23. Slika 24.


smanjenome naponu priključenom naponu zbog pada napona na predotporima. Za sve ostale vrijednosti ε koje su između graničnih vrijednosti 1 i 0. Slika 26. sadrži načelnu skicu impulsnog podešavanja vanjskih karakteristika asinhronog motora na osnovi impulsnog mijenjanja smjera okretnom polju. Ako je u jednom položaju četveropolnog preklopnika motor priključen na vrtnju u jednom smjeru, onda je u drugom položaju, zamjenom dviju faza motor uključen za vrtnju u drugom smjeru. Uz trajni priključak preklopnika S u prvom položaju (kao na slici 26.) motor ima svoju normalnu mehaničku karakteristiku(ε1=1). Pri trajnom priključku preklopnika S u drugom položaju motor ima istu normalnu mehaničku karakteristiku, samo s obratnim smjerom vrtnje. Za sve ostale ε, između 0 i 1 tj. kad je motor priključen čas na jedan čas na drugi smjer vrtnje, mehaničke karakteristike su između dvije granične vrijednosti.

Slika 26.Ne ulazeći u sve mane kontaktnog prekidanja strujnih krugova, utvrdimo činjenicu da su ih danas u ovakvim pogonima potpuno istisnuli bezkontaktni prekidači, dakle, općenito tiristori i čoperi. No u izmjeničnom krugu potreban je u svakoj fazi par obrnuto spojenih tiristora, te se ovakav sistem naziva softstarter slika 27..

Slika 27.

24


Softstart ima različite karakteristike od drugih startnih metoda. Softstarterima radna upotreba zasniva se na činjenici kad je napon motora nizak tokom starta, također su i struja i startni moment imaju malu vrijednost.

3.2. Opis softstartera i pojedinih dijelova

Softstarter je gradjen od nekoliko glavnih komponenata kao što su: štampana ploča, tiristori, rashladni profil, kućište, ventilator.Softstarter je opremljen sa ugrađenim elektronskim relejom, što zamijenjuje konvencionalni bi-metalni relej koji se obično koristi. Elektronski releji su precizniji od standardnih konvencionalnih releja, s obzirom da su vrijednosti određene elektronski. Potreba i za komunikacijom između različitih uređaja je svakim danom sve veća, te su danas mnogi softstarteri opremljeni sa ulazom za komunikaciju koji sadrže nekoliko vlaknastih optičkih kablova.

Štampano kolo se koristi da kontroliše paljenje tiristora koji zavise od struje i napona te i za kalkulaciju raznih vrijednosti.

Rashladni profil se koristi da se otkloni toplota u uređaju prouzrokovana strujom u tijeku startanja, sposobnost rashladnog uređaja utiče i na kapacitet pokretanja

Ventilator se koristi da se poveća sposobnost hlađenja rashladnog profila. Koristi se veći broj ventilatora u zavisnosti od veličine i dizajna softstartera, dok kod manjih softstartera uopšte nije potreban ventilator, softstarter sasvim dovoljno se hladi iz rashladnog profila.

Kućište može biti napravljeno od plastike, metala ili kombinacijom ovih materijala. Funkcija mu je da zaštiti unutrašnje komponente od mehaničkih i električnih oštećenja, kao i prašine i ostalih nečistoća koji nagomilavanjem prave preskoke koje vode kratkom spoju.

Tiristori su poluprovodnički elementi sa četiri ili više slojeva poluprovodnika različitog tipa provodnosti sa najmanje tri PN spoja i sa najmanje dva izvoda (elektrode). Osnovna funkcija tiristora je da upravljaju strujom velike jačine pomoću male struje u pobudnom kolu. Tiristori se najčešće koriste kao beskontaktni prekidači, ali su veoma pogodni za kontinuirano regulisanje električne snage. Upotrebljavaju se za:

• usmjeravanje naizmjeničnih struja (usmjerivači);• pretvaranje jednosmjernih u naizmjenične struje (inventori);• u promjenu frekvencije naizmjeničnih struja (pretvarači frekvencije, itd.).

U novije vrijeme veoma se često koriste za regulisanje jačine struje u razičitim uređajima, kao što su punjači akumulatorskih baterija, elektrohemijski aparati i sistemi za osvjetljavanje.

25


Najvažniji dio svakog softstartera je tiriac tj. tiristori u antiparalelnom spoju. Tiristori u antiparalelnom spoju predstavljaju sklop koji se naziva tiristorski ac/ac pretvarač.

3.3. Tiristorski AC/AC pretvarač

Naizmjenični ili AC-AC pretvarači povezuju naizmjenični izvor sa opterećenjem koji se napaja naizmjeničnim naponom i regulišu tako napon/struju i srednju snagu opterećenja. U suštini, oni pretvaraju naizmjenični napon/struju jednog nivoa u naizmjenični napon/struju drugog nivoa, ili naizmjenični napon jedne frekvencije u naizmjenični napon druge frekvencije. Perema tome dijele se na:

Naizmjenične pretvarače napona Naizmjenične pretvarače frekfencije.

AC-AC pretvarači mogu da budu jednofazni ili višefazni, te se najčešće susreću u praksi.

Naizmjeniči pretvarači napona regulišu efektivnu vrijednost napona opterećenja, pri konstantnoj frekfenciji. Najčešće se koriste za regulaciju snage grijača ili startovanje AC motora.

Dok naizmjenični pretvarači frekvencije mijenjaju frekvenciju struje/napona opterećenja u odnosu na frekvenciju izvora. Mogu da budu direktni i indirektni. AC-AC pretvarači frekvencije koriste se za regulaciju brzine naizmjeničnog motora ili za indukciono grijanje.

3.4. Jednofazni AC pretvarači napona

Jednovazni naizmjenični pretvarač napona s induktivnim opterećenjem sastoji se od para antiparalelnih (inverzno paralelnih) tiristora Th1 i Th2, upravljačkog sklopa slika 1.1.Umjesto tiristora Th1 i Th2 može se koristiti jedan triac(slika 1.2).

Tiristor Th1 vodi u toku jednog dijela pozitivne, a tiristor Th2 u toku dijela negativne poluperiode ulaznog napona.U principu,ugao vodjenja α može se regulisati u granicama: 0<α<π. Struja opterećenja posioji u toku svake periode kada je jedan od tiristora provodan, tj. za: α ωt π i π+α ωt 2π.

U opštem slučaju, uglovi vođenja tiristora ne moraju da budu jednaki. Efektivna vrijednost napona ili struje opterećenja reguliše se promjenom ugla upravljanja α tiristora Th1 i Th2. Stoga je ovaj princip regulacije poznat pod imenom fazni metod pretvaranja naizmjeničnog napona-

Uslovi i karakteristike AC-AC pretvarača:

- Tiristori nesmiju voditi istovremeno. Jedan vodi u toku dijela pozitivne, a drugi u toku negativne poluperiode ulaznog napona. Tiristor koji provodi se isključuje u strujnoj nuli radi promijene smjera.

- Napon opterećenja jednak je ulaznom naponu u toku vođenja jednog od tiristora, dok je za vrijeme zakočenja oba tiristora napon opterećenja jednak nuli.

- Srednja vrijednost struje izvora i opterećenja jednaka je nuli kada su uglovi vođenja isti.- Napon na tiristorima jednak je nuli u toku jednog od tiristora, dok kada su oba isključena,

njihov napon Vth jednak je ulaznom naponu.

26


- Srednja vrijednost struje svakog tiristora veća je od nule jer tiristor vodi samo u jednom smjeru. Ako su uglovi vođenja tiristora isti, onda je efektivna vrijednost struje svakog od

njih puta efektivna vrijednost struje opterećenjaUpravljački sklop generiše impulse koji preko gejtova okidaju tiristore. Upravljački sklop je tako sihronizovan da impuls dolazi na gejt tiristora Th1 za vrijeme pozitivne, ana gejt Th2 za vrijeme negativne poluperiode napona izvora. Upravljački sklop određuje uglove vođenja tiristora. Kada su uglovi jenaki tada se govori o simetričnom upravljanju. 3.4.1. Radno opterećenje

U slučaju čistog radnog opterećenja izlazni napon V0 i struja i0 slika. Ako je ulazni napon prostoperiodična funkcija vremena Vi = Vmsin(ωt), onda je izlazni napon u toku jednog perioda:

¸

3.4.1. 1.

Pošto je upravljanje simetrično, srednje vrijednosti struja izvora i opterećenja jednake su nuli. Srednje vrijednosti struja tiristora su:

3.4.1. 2.

gdje je RL otpornost opterećenja.Budući da su talasni oblici izlaznog napona u toku pozitivne i negativne poluperiode

simetrični, njegova efektivna vrijednost je:

3.4.1. 3.

Zavisnost efektivne vrijednosti izlaznog napona od ugla vođenja tiristora predstavlja upravljačku karakteristiku AC-AC pretvarača napona slika. Za α=0, napon opterećenja je sinusna funkcija

jednaka efektivnoj vrijednosti napona izvora . Ako je, pak , oba tiristora su stalno isključeni, pa je izlazni napon jednak nuli.

3.4.2. Pretežno induktivno opterećenje

Pod pretežno induktivnim opterećenjem podrazumijeva se R-L opterećenje sa dominantnim uticajem induktivnosti što je slučaj kod asinhronog motora, češći naziv za ovu vrstu motora je induktivni motor. Induktivnost unosi promjene u karakter struje i napona na opterećenju. Za razliku od čistog omskog opterećenja, kod koga su struja i napon u fazi, ovdje induktivnost L usporava promjenu struje opterećenja. Stoga postoji i fazno kašnjenje struje u odnosu na napon opterećenja. Drugim riječima, struja i0 teče kroz opterećenje i odgovarajući tiristor i poslije prolaska napona izvora kroz nulu dostižući nultu vrijednost, pri uglu ωt=β, u narednoj poluperiodi ulaznog napona Vi zbog toga je ugao vođenja tiristora povećan na β-α, a izlazni napon ima i pozitivnu i negativnu skokovitu promjenu u toku jedne poluperiode (sl 28.)

27


Neka je, pri ωt=α na gejt tiristora Th1 primijenjen pozitivni okidni impuls. Tada Th1 postaje provodan. Zanemarujući pad napona na njemu može se pisati:

3.4.2. 1.

gdje je impedancija tereta , te fazni ugao .Ugao ωt=β, pri kojem struja opterećenja dostiže nultu vrijednost određuje se iz uslova:

3.4.2. 2.

Efektivna vrijednost napona na opterećenju određena je sa:

3.4.2. 3.Ovaj napon ima najveću vrijednost ako je ugao α takav da se odgovarajući tiristor okoda kada drugi prestaje da vodi. Taj ugao se naziva kritični ugao upravljanja αc = γ = β – π.Pri α = αc, ugao vođenja svakog tiristora je , tako da promjene struje i napona opterećenja neprekinute i sinusne, pa je efektivna vrijednost . Isti režim postoji i za 0<α< αc. Ako je α< αc, okidni impuls mora da bude dovoljno širok da postoji u trenutku β/ω kada se drugi

28 Slika 28.Slika 29.


tiristor isključuje, tj.: ∆ t >¿ (αc- α)/ω, gdje je ∆ t širina okidnog impulsa. Ukoliko je pak ∆ t <¿ (αc- α)/ω , impuls za okidanje drugog tiristora završava se prije nego što prestaje teći struja kroz uključeni tiristor. Stoga taj tiristor ostaje isključen, odnosno preskoči se njegovo uključenje. Pri α≤ αc , efektivna vrijednost izlaznog napona jednaka je efektivnoj vrijednosti napona izvora, tj. . stoga se područje α≤ αc naziva neupravljivom zonom pretvarača u kojoj promjena ugla α ne utiče na promjenu efektivne vrijednosti napona i struje opterećenja.

3.5. Trofazni pretvarači

Trofazni naizmjenični pretvarači mogu se posmatrati kao kombinacija tri jednofazna regulatora. Opterećenje može da bude spojeno u zvijezdu ili u trougao. Struja kroz faze opterećenja reguliše se uglom α uključenjem svakog tiristora. Trenutna vrijednost napona svake faze opterećenja zavisi od toga koji tiristori su provodni, što, opet zavisi od uključenja tiristora. Ako je 0<α<π/3 uvijek provede dvije ili tri faze, ako je π/3<α<2π/3 uvijek provede dvije ili jedna faza i ako je 2π/3<α<π može provoditi samo jedna faza.

Kada su tri tiristora provodna(jedan po svakoj fazi), sve tri faze opterećenja spojene su na mrežu. Napon svake faze opterećenja jednak je odgovarajućem faznom naponu. Tako, na primjer, ako su provodni tiristori Th1, Th4, Th6, onda su: Van = VRN, Vbn=VSN, Vcn=VTN.Ako su dva tiristora uključena, linijski napon ovih faza dijeli se između spojenih otpornosti opterećenja. Na primjer ako su provodni Th1 i Th6 , onda su Van = VRN/2, Vbn=0, Vcn= VTN/2.

Struja u nultom vodu zavisi od kombinacije provodnih faza(tiristora):

Ako su provodne sve tri faze, struja u nultom vodu je nula.

Ako provode dvije faze, onda je struja nultog voda jednaka struji koja bi proticala kroz fazu koja ne provodi kada bi ona provodila.

U slučaju da provodi samo jedna faza, struja nultod voda jednaka je kroz tu fazu.

Kada je ugao uključivanja tiristora u granicama: π/3<α<π/2, samo dva tiristora provode u bilo kom trenutku. Ako je α= , stanje tiristora je sljedeće(slika c). Neposredno prije α= , vode Th4 i Th5, pa je Van =0. Th1 se uključuje, pri α= . Tiristor Th4 nastavlja da vodi, a Th5 se isključuje jer je napon VTN negativan. Tada je VAN = VRS/2. Pri ωt= , pa je Van=0. Za rad pretvarača u oblasti <π< karakteristično je to da se uključenjem jednog para tiristora drugi isključuje i da je napon opterećenja jednak nula ili polovini linijskog napona.

Efektivna vrijednost izlaznog napona mijenja se od maksimalne vrijednosti, pri α=0, koja odgovara direktnom spoju opterećenja i izvora, do nule, pri α=. Za α> ne postoji interval vremena kada je neki tiristor direktno polarisan dok je primijenjen okidni impuls na njegovom gejtu. Stoga je izlazni napon jednak nuli.3.6. Primjena softstartera na opterećenja

29

Slika 30.


Upotreba motora se veže za pokretanje i rad raznih opterećenja (centrifugalni ventilator, centrifugalna pumpa, kompresor, transportna traka) o kojem govori ovo poglavlje.Različite primjene motora javljaju se kao rezultat različitih uslova opterećenja motora, te u razmatranje ulaze dva bitna faktora.

- Moment opterećenja pri kidanju, direktna sila samog prekida na osovinu motora, da bi se motor mogao pokrenuti mora biti veći moment motora od momenta opterećenja. Moment ubrzanja predstavlja razliku momenta motora i momenta tereta.

Mu = Me –MtMe - elektromagnetni moment motora [me = f(ωmeh)]

Mt - mehanički moment radnog mehanizma [mt = f(ωmeh)] Mu - mehanički moment ubrzanja - usporenja [mu = f(ωmeh)]

- Kao drugi faktor javlja se moment inercije, koji takođe utiče na start motora, veća inercija znači duži start za neke motore.

3.6.1. Centrifugalni ventilator

Karakteristika ovisi o kvadratu brzine M=k*n2

D.O.L. startCentrifugalni ventilatori su jedni od najčešćih pogona. Tokom D.O.L. imaju tendenciju da klize. Razlog tome je da ovaj tip ventilator ima veliki zamajac. U slučaju da se ventilator pokrene bez opterećenja, tj. da se nalati u praznom hodu, zamajac će biti prisutan. Remen klizi u zavisnosti od početnog momenta motora. Ukoliko je početni moment veliki u tom slučaju remen nije u mogućnosti prebaciti silu na opterećenje. Uobičajan problem je nastanak visokih troškova održavanja kao i gubitaka pri zaustavljanju stroja radi mijenjanja remenova ili ležaja. Slici 31. Prikazan je moment i struja u odnosu na brzinu tokom D.O.L. starta.

Slika 31.

30


SoftstartRješenje ovih problema jeste reduciranje startnog momenta. Na slici 32. prikazan je moment i struja u odnosu na brzinu tokom softstarta gdje se vidi očigledno smanjenje struje i momenta.

Slika 32.

3.6.2. Centrifugalna pumpa

Postoji mnogo različitih vrsta pumpi kao npr: klipna pumpa, centrifugalna pumpa, zavojna pumpa itd. Najčešće upotrebljivana je centrifugalna pumpa, o kojoj će se i razmatrati tokom D.O.L starta i softstartera.

D.O.L. start

Pri puštanju u rad, kaveznom motoru pumpa ne predstavlja problem, problem je u trošenju i kidanju pumpe kada se motor pokreće i zaustavlja prebrzo. Tokom D.O.L. starta motor daje previsok polazni moment što rezultira ubrzanjem motora pri čemu motor dostiže nazivnu brzinu jako brzo. Takođe ovaj polazni moment daje i maxsimalnu moguću polaznu struju slika 33.

31


Slika 33.

Softstarter

U ovom slučaju napon se reducira tijekom sekvencijalnog starta što rezultira reduciranjem i momenta motora. Sekvencijalnim startom povecava se i napon tako da motor postaje dovoljno snažan da ubrza pumpu do nominalne brzine bez momenta.Takodje tijekom sekvencnog zaustavljanja softstart je najbolje riješenje. Jer softstarter reducira napon, tj. snižava ga postepeno tako da motor postaje sve slabiji i slabiji do samog zaustavljanja slika 34.

Slika 34.

3.6.3. Kompresor

32


Manji kompresori su najčešće od klipnih tipova i moment kompresora ovisi linearno o brzini. Zavojni kompresori se koriste u slučaju potrebe sturanja zraka, dok kod ovakvih tipova moment ovosi o kvadratu brzine.

Direct-on-line start

Kompresori koji su pušteni u rad D.O.L. startom izloženi su visokom mehaničkom stresu na samom kompresoru, ali također i na zupčastom remenu kao i na spojnicama. U slučajevima gdje se koristi remen, često se desi da remen sklizne u toku starta. Uzrok ovog problema je viski startni moment i struja primjenjeni tokom puštanja u rad kompresora slika 35.

Slika 35.

Softstart

Ukoliko se koristi pokretanje pomoću softstartera moguće je podesiti startni(početni) moment na nivo pogodan za sve tipove opterećenja. Rezultat toga je manji stres na spojnicama, nosačima, klizanja remenova(kaiša) tokom starta.

Slika 36.3.6.4. Pokretna traka

33


Postoji mnogo različitih vrsta pokretnih traka, ali sve imaju isti moment opterećenja. Moment opterećenja je konstantan, a može biti s niskim i sa viskokim momentom kočenja koji zavisi od težine opterećenja.Na sljedećim slikama je prikazan moment i struja u odnosu na brzinu tokom D.O.L. starta i softstarta za mali moment i veći moment slike na lijevoj strani predstavljaju mali dok na desnoj veliki.

D.O.L.

Softstarter

34


3.7. Vrijeme pokretanja, zaustavljanja

Vrijeme pokretanja- je vrijeme od uključenja softstartera odnosno motora dok se ne dostigne maksimalan napon. Ovo vrijeme ne smije biti predugo, jer dolazi do pregrijavanja mora.Vrijeme zaustavljanja- je vrijeme kada softstarter zaustavlja motor, npr. pumpu ili pokretnu traku. Početni napon – je vrijeme od kada softstarter počinje ili zaustavlja rampu. Moment motora će opasti s kvadratom napona i ako je napon prenizak npr. 20% moment starta će postati samo 0,22=0,04=4% , te motor neće krenuti od samog početka.

35


3.8. Načini vezivanja motora s softstarterom3.8.1. Paralelni start motoraUkoliko koristimo meki start za pokretanje nekolicine motora u isto vrijeme potrebno je provjriti dva važna parametra:

- Softstart mora biti u mogućnosti da savlada sve motore zajedno s nominalnom strujom.

- Softstarter mora biti u mogućnosti da savlada sve motore zajedno dok nedostigne nominalnu brzinu startnom strujom

Primjer:Start dva motora strujom Ie=100A

Ralativna struja starta je

Startno vrijeme je 10s

Startna struja je 3.8.2. Sekvencijalni start motora

Ukoliko se softstart koristi za pokretanje motora jedan po jedan važno je porvjeriti dali može softstarter savladati svaki motor startnom strujom.

36


Primjer:

Start tri motora strujom Ie=100A

Ralativna struja starta je Startno vtijeme motra:Motor 1 = 5sMotor 2 =10sMotor 3 = 8s

Startna struja je dok je vrijeme startanja 5+10+8=23s

3.9. Načini konekcije softstartera

Postoje 2 različita načina konekcije softstartera a to su:- In – line koja je ujedno i najčešća metoda - Inside delta koja je pogodna za nekolicinu softstartera

3.9.1. In-line konekcija

Ovo je najlakši i najčešći način softstart konekcije. Sve tri faze su konektovane u seriji (slika 37.)sa relejom i glavnim prekidačem. Odabrani uređaji za in-line konekciju moraju biti odabrani tako da savladaju nominalnu struju motora. Inside delta konekcija

Inside delta konekcija omogućava da se softstart premjesti u trokut i na taj način može zamijeniti postojeći zvijezda- torkut starter(slika 38.).

Kada je softstarter u ovoj vrsti konekcije tada je izloženo 58% in line struje, odnosno za je manja struja. Stoga je moguće smanjiti broj uređaja u cilju postizanja efektivnijeg rješenja.Motor upotrebljen za inside delta konekciju mora biti u mogućnosti da se delta konektuje tijekom kontinuiranog korištenja.

37


Slika 38.

Upotrebom softstratera s inside delta konekcijom za mjesto glavnog prekidača postoje dvije opcije:

- U inside delta krugu kod kojeg je motor je pod pritiskom, i izbor glavnog prekidača je

prema 58% ili 1/ nominalne struje .- I van delta kruga kod koga izbor glavnog prekidača zavisi od nominalene struje motora.

Slika 39. Slika 40.3.10. Kako izabrati softstarter

38

Slika 37.


Obično se softstarter bira prema osnovnoj snazi motora i u nekim slučajevima nužno je izabrati brži meki start u odnosu na osnovnu snagu motora u zavisnosti od uslova pokretanja. Snaga pokretanja softstarta u velikoj mjeri zavisi od kapaciteta tiristora i od rashladnog uređaja.

Kod normalnog starta, za. Centrigalna pumpa, pokretna traka itd. izbor softstartera se vrši na osnovu nominalne snage motora, za jednice s ugrađenim preopterećenjem potrebno je odabrati klasu 10.

Kod starta pod teskim opterećenjem za opterećenja kao npr. Centrifugalni ventilator, mlin itd. Izbor sofstarta se vrši prema osnovnoj snazi motora dok kod istog opterećenja pri normalnim uslovima odabir soststarta se vrši na osnovu jedne veličine veće od nominalne snage motora.

Simulacija sklopova u programskim paketima

39


4.1. Simulacijske vježbe u programskom paketu PSIM

PowerSim (PSIM) je program koji je namijenjen simuliranju elektroničkih sklopova energetske elektronike i različitih elektroničkih sustava za upravljanje električnih strojeva. Pomoću ovog programa moguće je simulirati rad većine analognih i digitalnih elektroničkih sklopova. Takođe je moguće simulirati različita trošila i na taj način unaprijed razmotriti većinu problema koji nastaju kod projektiranja i realizacije sklopa. Program radi u Windows okruženju i koristi SPICEmodele za modeliranje linearnih i nelinearnih komponenata. Korisnik programa može birati između idealnog i realnog modela elektroničke komponente ili pak može sam kreirati svoj model.Program PSIM se sastoji od tri osnovna modula.

Prvi se modul naziva «Motor Drive Module» i sadrži modele svih električnih strojeva, te omogućuje modeliranje različitih mehaničkih i električkih opterećenja strojeva.Drugi modul «Digital Control Module» sadrži modele sklopova za digitalno upravljanje sklopova energetske elektronike. Ovaj modul sadrži diskretne funkcijske blokove kao digitalne filtre, sklopove za uzorkovanje signala, i slično. Treći modul se naziva „SimCoupler Module“, omogućava povezivanje modela sklopova razvijenih u PSIM-u s programskim paketom Matlab/Simulink. Matlab/Simulink predstavlja jedan od najmoćnijih i najkompleksnijih simulacijskih paketa i omogućuje simulaciju najrazličitijih tehničkih sustava. Povezivanjem modela razvijenih u PowerSimu s Matlabom moguće je dobiti cjeloviti alat pogodan za simulaciju i najsloženijih sustava energetske elektronike.PowerSim program se sastoji od tri podprograma:

• Potprogram za crtanje sheme (PSIM Shematic),• Potprogram za simulaciju (PSIM Simulator),• Potprogram za prikaz valnih oblika napona i struja sklopa (SIMVIEW).

4.1.1. Jednofazni AC pretvarači napona omsko opterećenjeShema spoja

40


Rezultati simulacije

Napon mreže i napon na tiristorima.

41


Izlazni napon i izlazna struja

4.1.2. Jednofazni AC pretvarač napona induktivno opterećenjeShema spoja

42


Rezultati simulacijeNa slici je prikazan napon mreže (Vi) odnostno napon ulaza i napon na tiristorima Tth.

Vo i Io predstavljaju izlaznu struju i izlazni napon.

4.1.3. Softstart asinhrone mašine u jednoj fazi

43


Shema spoja

Rezultati simulacijeNa slici je prikazana izlazna struja Io i ulazni napon V.

Napon na izlazu Vo:

44


Napon na tiristorima Vth:

4.2. Simulacija softstarta u Simens-ovom programskom paketu Win-soft starter

45


Win-soft starter predstavlja jedan od simensovih softverskih rješenja za simulaciju i laksi odabir simensovih softstartera. Za izvršenje simulacije potrebno je proći kroz četiri osnovna dijela, a to su selektiranje projekta, odabira mreže, motora i tereta kao što je i prikazano na slici 41.

Slika 41.U prvom dijelu potrebno je popuniti određena polja (slika 42.)

Slika 42.U drugom dijelu potrebno je odabrati iznos napajanja iz mreže i frekvenciju(slika 43.).

Slika 43.Na kraju se odabere jedna od četiri vrste opterećenja (slika 44)

46


Pritiskom na tipku Next dobijaju se određena rješenja za ovaj tip opterećenja i ostale parametre koje su navedene. Grafičko rješenje može biti u odnosu na vrijeme ili na brzinu.

4.3. Simulacija softstartera u ABB-ovom programskom paketu Prosoft3

Prosoft3 je softver iz ABB-ove produkcije za simulaciju i odabir softstartera.Nešto jednostavniji za korištenje od prethodnog simensovog softvera.Ovaj softver se sastoji samo od kontrolne table gdje se postavljaju određeni parametri

kao npr: max temperatura, mrežni napon, frekfencija, broj polova, nazivna snaga te tip opterećenja kako je to i prikazano na slici:

47


Pritiskom na tipku Next dobijaju se rezultati koji su prikazani sljedećoj slici. važno je napomenuti da oba ova programska rješenja imaju i mogućnost slanje rezultata na print, te u druge softvere tj. u Word ili u PDF.

48


Zaključak

U radu je prezentiran sistem upravljanja asinhrone mašine za obezbjeđenje mekog starta mašine, cilj je obezbjediti i sintezirati menki start u jednoj fazi. Nakon obrađivanja asinhronih mašina te njenih parametara obrađen je i opis pretvarača uz naponsko upravljanje pod nazivom softstarter. Uviđene su velike prednosti priključivanjem ovog sklopa u odnosu na direktno povezivanje s mrežom D.O.L. start. Tiristorski ac/ac pretvarač pogoni određena opterećenja i on igra glavnu ulogu, na početku pušta mali napon kasnije sve više i više ga povećava, te tako dobija softstart koji je i prikazan na slici:

Sa slici je vidiljivo naponsko upravljenje koje vrši lakše pokretanje raznih motora npr: pumpe, ventilatora, komprasora , pokretne trake itd.Isplativost softstartera je nemonovna, naročito ukoliko poštujemo određena pravila i poznajemo vezivanje softstartera, tj. njegovom mogućnosti vezivanja s više motora i mogućnosti konekcije s mrežom.

49


Literatura

[1] ABB: SOFTSTARTER HANDBOOK

[2] prof.dr. Šemsudin Mašić: Električni strojevi, 2006

[3] Allen-Bradley: Comprehensive Guide to Understanding Motor Fundamentals

[4] prof.dr. Berislav Jurković : Elektromotorni pogoni

[5] Naizmjenični pretvarači, Energetska elektronika

[6] Alija Džigal, Elektronika za Elektrotehničke škole

[7] prof.dr. Nijaz Hadžimejlić : predavanja energetska elektronika

[8] www.siemens.com

[9] www.abb.com

50

http://www.abb.com/

http://www.siemens.com/

softstart asinhronih mašina

Documents