DC mašine – mašine jednosmerne struje Mašina jednosmerne struje (DC mašina) može da se koristi kao motor ili kao generator. Ako je povezan naponski izvor, električna energija se transformiše u mehaničku i mašina se ponaša kao motor. Ako se mehanička sila primeni na osovinu (rotira je), mehanička energija se transformiše u električnu i mašina se ponaša kao generator. DC mašina se najčešće koristi kao motor, jer se DC generator danas najčešće realizuje korišćenjem naizmeničnog generatora i ispravljača. Glavne prednosti DC mašina su lako upravljanje brzinom i momentom. Danas, njihova primena je ograničena na pokretne trake, rudnike i vozove. Na primer, DC motori se mogu upotrebljavati u trolejbusima i podzemnoj železnici (metrou). Ostvareni napredak u energetskoj elektronici omogućava bolju kontrolu brzine motora naizmenične struje, pa DC motori postaju suvišni. Elektronski kontrolisani motori naizmenične struje postepeno zamenjuju DC motore u fabrikama. Na primer, u prošlosti (do 60tih godina), u automobile je ugrađivan DC dinamo za punjenje akumulatora, ali danas alternatori i ispravljači vrše tu funkciju. Životni vek DC motorima je produžila pojava nove klase motora koja koristi permanentne magnete, jer je korišćenjem retkih zemalja (neodijuma) moguće kreirati legure sa izuzetno jakim magnetnim poljem

Princip funkcionisanja - motor B Pravilo leve ruke navodi da će sila pokretati šipku sa leve na desnu stranu. I

Princip funkcionisanja - generator B Ako se šipka pomera sa desne na levu stranu, unutar magnetnog polja, generiše se struja i možemo izmeriti elektromotornu silu volmetrom V, , gde je v brzina pomeranja šipke. I

DC mašina - smer Flemingova pravila desne i leve ruke se koriste za utvrđivanje smera kretanja. Pravilo leve ruke koristi se za električne motore. Pravilo desne ruke se koristi za električne generatore. Palac predstavlja silu, F. Kažiprst predstavlja gustinu magnetnog fluksa, B. Srednji prst predstavlja električnu struju, I. F F B B I I Odvojena pravila se primenjuju za motore i za generatore, zbog različitih uzroka i posledica. Kod motora, struja i magnetno polje koji postoje (uzrok), dovode do sile koja proizvodi kretanje (posledica). Kod generatora, kretanje i magnetno polje postoje (uzrok), što dovodi do generisanja struje (posledica).

DC mašine – osnovni principi Najjednostavnija DC mašina sastoji se od jedne konture žice koja rotira unutar magnetnog polja oko fiksne ose. Magnetno polje stvaraju severni i južni polovi magneta. Najčešće, magnet nije stalan, već elektromagnet, čije magnetno polje nastaje usled proticanja električne struje (kroz zavojnicu obmotanu oko čeličnog jezgra). Rotor je rotirajući deo; Stator je stacionarni deo. Dve četkice (c,d) pritiskaju komutator (a,b) radi omogućavanja proticanja struje kroz kolo. Ako se kontura rotira ugaonom brzinom ω, ova mašina će se ponašati kao generator.

DC mašine Pol Jezgro Linije magnetnog polja Armatura Komutator Četkice Magnetno polje generiše zavojnica obmotana oko polova. Jezgro je čelično. Stator čine jezgro, polovi i namotaji. Armatura je napravljena od laminiranog gvožđa. Armatura, žice i osovina čine rotor. Tri osnovna dela DC mašine su stator, rotor i komutator.

Komutator Komutator sadrži izolovane bakarne segmente postavljene na izolovanu cev. Navoji armature povezani su na segmente komutatora, jedna žica na par segmenata. Četkice su najčešće grafitne. Dve četkice pritiskaju komutator kako bi omogućile proticanje struje. Četkice se postavljaju u neutralnoj zoni, gde je magnetno polje blisko nuli, da bi se smanjilo varničenje.

Praktični problemi pri komutaciji Komutator menja proticanje struje iz jednog smera kroz zavojnicu u suprotan smer. Komutacija zahteva prekid struje zavojnice. Zavojnica je induktivno opterećenje, pa je napon na zavojnici proporcionalan prvom izvodu struje kroz zavojnicu (pomnoženo sa induktivnošću). Nagle promene struje zavojnice stvaraju visoke napone. Visok napon uzrokuje pražnjenje i varničenje između segmenata komutatora i četkica. Kako većine mašina funkcionišu na gustinama fluksa bliskim zasićenju, na mestima površine polova gde se magnetomotorna sila (mms) rotora sabira sa mms polova dolazi do malog povećanja fluksa (zbog zasićenja), dok na mestima površine polova gde se mms rotora oduzima od mms polova dolazi do velikog smanjenja fluksa. Uopšteno, ukupan prosečni fluks ispod polova slabi. Slabljenje fluksa dovodi do smanjenja napona generatora. Kod motora, slabljenje fluksa dovodi do povećanja brzine motora. Povećanje brzine može da poveća opterećenje, što zauzvrat dovodi do dodatnog smanjenja fluksa ... što u krajnoj liniji može da dovede do kvara motora.

Rešenja problema komutacije Da bi se smanjio problem varničenja, četkice se postavljaju u neutralnu zonu, gde je magnetno polje blisko nuli. Još jedan način za smanjenje varničenja je smanjenje induktivnosti zavojnica. Nažalost, smanjenje induktivnosti zavojnica znači i smanjenje izlaznog napona, zbog čega se mora povećati broj namotaja. Povećanje broja namotaja otežava dizajn, jer iziskuje povećani broj segmenata komutatora. Najčešće rešenje za izbegavanje varnica na četkicama je uvođenje malih polova (komutacionih polova) između glavnih polova, kako bi napon na komutacionim žicama bio jednak nuli, jer oni proizvode fluks koji može da poništi napon na zavojnici. Komutacioni polovi ne menjaju princip rada mašine, jer su toliko mali da utiču na neznatni broj provodnika koji se komutira. Upotreba komutacionih polova je veoma česta jer reguliše problem varničenja u DC mašinama po maloj ceni.

Problem slabljenja fluksa može se rešiti postavljanjem kompenzacionih navoja u proreze na stranama polova paralelno provodnicima rotora. Kompenzacioni navoji se redno povezuju sa navojima rotora, pa kada dođe do promene opterećenja rotora, struja kroz kompenzacione navoje se takođe menja. Pošto se mms usled kompenzacionih navoja projektuje da bude jednaka i suprotnog smera mms rotora, ove dve mms se poništavaju, što dovodi do toga da se fluks unutar mašine ne menja. Glavni nedostatak kompenzacionih navoja je njihova cena. “Slabljenje fluksa” se naziva i “reakcijom armature” u literaturi.

Interakcija između pogona, DC generatora i opterećenja Mdc I + + m Pogon (npr. turbina) eind UL DC generator Opt. - Mpm eind je generisana elektromotorna sila UL je napon na opterećenju koji je jednak eind Mpm je momenat koji generiše pogon Mdc je suprostavljeni momenat generatora m je ugaona brzina osovine

DC motori – osnovni principi funkcionisanja

Interakcija između DC motora i mehaničkog opterećenja Ig Mload + + - Mehaničko opterećenje DC motor m eC Ug - MDC Ug je napon koji se dovodi eC je suprostavljana ems MDC je momenat koji razvija DC motor Mload je suprostavljeni momenat opterećenja m je ugaona brzina osovine

Ra je otpornost armature DC motor – suprostavljena elektromotorna sila E je suprostavljena ems Φ je fluks u motoru Ia je struja armature Ra je otpornost armature p – broj parova polova a – broj parova segmenata u armaturi (komutacionih parova) N – broj zavojnica po segmentu n – broj obrtaja po minuti ke – konstanta mašine koja zavisi od geometrije mašine Kada motor radi E≈U Pri pokretanju motora E≈0 →Ia može da dostigne veoma velike vrednosti

Momenat kod DC motora Svaka zavojnica u armaturi je pod uticajem iste sile jer: Momenat je proporcionalan broju zavojnica u armaturi N, dužini žica l, struji armature I, magnetnoj indukciji B i prečniku armature r. B najčešće nije fiksno, jer se stalni magneti retko kada koriste kao pobuda. Obično, momenat izražavamo kao funkciju fluksa Φ odnosno: gde S predstavlja površinu omotača armature ispod jednog pola

gde p predstavlja broj parova polova gde p predstavlja broj parova polova. Ako je a broj komutacionih parova, ukupna struja armature može se predstaviti kao: zamenom B i I u jednačini, momenat se može izračunati kao: km – konstanta motora

Brzina okretanja DC motora Ako se u KZN za DC motor suprostavljena ems izrazi svojom jednačinom: brzina okretanja se može izračunati kao:

DC motori – osnovni tipovi Postoji četiri osnovna tipa DC motora, u zavisnosti od tipa pobude: posebna pobuda paralelna (otočna) pobuda redna pobuda složena pobuda Različiti tipovi pobude proizvode različite momenat-brzina karakteristike DC motora U zavisnosti od momenat-brzina karakteristike biramo odgovarajući tip motora. Momenat-brzina karakteristika može da bude određena (npr. pumpe) ili veoma promenljiva (npr. dizalice, vozila). Dok su u prošlosti momenat-brzina karakteristike sa visokim stepenom efikasnosti bile prednost DC motora nad AC motorima, trenutno, napredak u energetskoj elektronici uklanja tu prednost

Posebna pobuda i otočna pobuda DC motora Posebna pobuda DC motora: Pobudno kolo napaja zaseban konstantni naponski izvor. Paralelna pobuda DC motora: Pobudno kolo dobija energiju sa terminala armature motora. Ako je napon koji se dovodi na pobudno kolo konstantan, praktično ne postoji razlika između ova dva tipa pobude. DC motori sa paralelnom pobudom imaju dobru regulaciju brzine, čak i kada se opterećenje menja, a tipična upotreba im je u industriji gde je potrebna podesiva brzina, poput mašinskih alata, navijanja/odvijanja ili u bilo kom scenariju gde je neophodna konstantna brzina.

Redna pobuda DC motora DC motor sa rednom pobudom je DC motor kod koga se navoji polja sastoje od relativno malo navoja povezanih na red sa kolom armature. Kod DC motora sa rednom pobudom, armatura i navoji polja povezani su na red sa zajedničkim jednosmernim izvorom struje. Brzina motora se menja kao nelinearna funkcija momenta i struje armature. Motor sa rednom pobudom ima veoma visok početni momenat i često se koristi kod opterećenja sa visokom inercijom, npr. kod vozova, liftova ili dizalica.

Složena pobuda DC motora Kod DC motora sa složenom pobudom, armatura i navoji polja povezani su kombinovanom redno-paralelnom vezom kako bi se uparile karakteristike redne i paralelne pobude DC motora. U zavisnosti od pozicije veza, postoji kratko-paralelno i dugo-paralelno povezani motori. Dodatno, navoji motora mogu se povezati na dva načina: kumulativno ili diferencijalno. Kumulativna složena pobuda povezuje redno polje da bi pomogla otočnom polju, koje pruža viši početni momenat uz manju regulaciju brzine. Diferencijalna složena pobuda je najčešće nestabilna i veoma retko se koristi.

Puštanje u rad motora sa paralelnom pobudom Kao što je rečeno ranije, tokom pokretanja motora ne postoji suprostavljena ems, tako da Ia može da dostigne veoma visoke vrednosti i prouzrokuje štetu motoru. Da bi se izbegao ovaj efekat, promenljiva otpornost Rp povezuje se redno armaturi. Ova otpornost ne dozvoljava da struja armature dostigne više od 50% svoje nominalne vrednosti. Kako rotor počinje da se okreće, javlja se suprostavljena ems, pa se preklopnik može pomeriti iz položaja 1 u položaj 2. U tom položaju, otpornost Rp isključena je iz kola i ne utiče na dalji rad. Promenljiva otpornost Rf koristi se za kontrolu brzine i najpre bi trebalo da je u položaju 3. U tom položaju, otpornost je isključena iz kola, pa je Φ maksimalno (dozvoljavajući maksimalni momenat).

Karakteristike motora sa paralelnom pobudom Može se izračunati da se momenat menja linearno u zavisnosti od struje armature. Kako se brzina okretanja malo menja za širok opseg promene momenta, ovaj motor se naziva i motorom sa konstantnom brzinom.

k predstavlja konstantu fluksa pobudnog kola (induktivnosti). Puštanje u rad motora sa rednom pobudom Pokretačka promenljiva otpornost Rp redno je vezana. Ona štiti motor od visoke početne struje. Kada se motor pokrene, suprostavljena ems se javlja, pa se preklopnik može pomeriti iz položaja 1 u položaj 2, tj. Rp ukloniti iz kola. Struja kroz pobudno kolo i posledično brzina može se kontrolisati korišćenjem Rf. Momenat je proporcionalan kvadratu struje motora. k predstavlja konstantu fluksa pobudnog kola (induktivnosti).

Karakteristike motora sa rednom pobudom Smer okretanja zavisi od smera struje (napona dovedenog na kolo). Ako je opterećenje jako malo, brzina okretanja može da dostigne ekstremno visoke vrednosti, pa osovina ovog tipa motora mora uvek da bude direktno povezana na osovinu opterećenja (ili preko nekog reduktora)

Pokretači DC motora Da bi DC motori radili ispravno, pokretači DC motora moraju da imaju posebnu upravljačku i zaštitnu opremu koja je sa njima u vezi. Svrha te opreme je: Da zaštiti motor od štete usled kratkih spojeva u opremi; Da zaštiti motor od štete od dugotrajnog preopterećenja; Da zaštiti motor od štete od prekomerne početne struje; Da pruži jednostavan način za upravljanje radnom brzinom motora. Svaki tip DC motora ima neke posebne slabe tačke, pa zaštita oprema mora da se planira na odgovarajući način.

Kontrola brzine u motorima sa otočnom pobudom Prethodno smo izračunali: Umesto brojem obrta u minuti n brzina se može predstaviti i kao ugaona brzina motora ωm. Prethodna formula tako postaje: Na osnovu prethodnih jednačina, može se zaključiti da:

Upravljanje naponom armature: Ra i If su konstantni Brzinom se može upravljati promenom nekog od parametara u prethodnoj jednačini. Postoji više metoda: Upravljanje naponom armature: Ra i If su konstantni Upravljanje poljem: Ra i U su konstantni Upravljanje otpornošću armature: U i If su konstantni

Kočenje kod DC motora Kočenje kod DC motora može se realizovati na više načina: mehaničko kočenje dinamičko kočenje regenerativno kočenje Svaka mašina koja se obrće ima inerciju i njena kinetička energija se troši tokom kočenja. Mehaničko kočenje troši kinetičku energiju, pa se koristi kod malih motora i kao pomoćni sistem kod velikih motora. Električno kočenje kod DC motora se realizuje kao dinamičko ili regenerativno kočenje. Električno kočenje koristi princip da se svaki motor ponaša kao generator. Korišćenjem komutatora, veze se menjaju i preostala kinetička energija se koristi za generisanje snage. Kočenje koje se ostvaruje na ovaj način je snažno i lako upravljivo. Upravljanje se postiže menjanjem generisane struje.

Regenerativno kočenje vraća snagu napajanju, dok dinamičko kočenje koristi otpornik da pretvori snagu u toplotu. Sistem za dinamičko kočenje prikazan je na slici. Dok motor radi, prekidač P je u položaju 1. Prebacivanje prekidača u položaj 2 razdvaja motor od napajanja i započinje kočenje. Kako motor usporava, generisana struja se smanjuje, pa je na kraju moguće primeniti mehaničko kočenje (ili sačekati da trenje završi postupak).

Klasifikacija AC mašina AC Mašine Klasifikacija AC mašina Sinhrone mašine: • Sinhroni generatori: Osnovni izvor electrične energije • Sinhroni motori: Koriste se kao motori i za kompenzaciju faktora snage (sinhroni kondenzatori) Asinhrone (Indukcione) mašine : • Indukcioni motori: Najčešće korišćeni električni motori kako u kućnim, tako i u industrijskim primenama. • Indukcioni generatori: Ove mašine se retko koriste kao generatori. Kod sinhronih mašina magnetno polje se napaja iz nezavisnog DC izvora; Kod indukcionih mašina magnetno polje se napaja korišćenjem magnetne indukcije

Generisanje momenta u indukcionom motoru AC Mašine Generisanje momenta u indukcionom motoru U konvencionalnim DC mašinama polje je stacionarno i provodnici kroz koje protiče struja rotriraju. Slični rezultati se mogu dobiti ako struktura koja generiše polje rotira dok su strujni provodnici stacionarni. U indukcionom motoru the konvencionalno 3-fazno napajanje generiše rotirajuće magnetno polje (RMP) dok rotor nosi strujne provodnike. EMS a odatle i struja se indukuju u rotoru usled razlike u brzini između RMP i rotora. Ova struja generiše momenat koji smanjuje razliku u brzini između RMP i rotora.

Klizanje u indukcionom motoru AC Mašine Klizanje u indukcionom motoru Međutim, ova razlika u brzini ne može pasti na nulu, jer bi to dovelo do prekida u genrisanju struje odnosno momenta. Parameter klizanje ‘s’ je mera ove relativne razlike u brzini Ugaona učestanost klizanja i učestanost klizanja na kojoj se napon indukuje u rotoru je data sa:

Asinhroni motor Gde predstavlja ugaonu brzinu klizanja Pošto namotaj obrazuje zatvoreno strujno kolo u njemu teče neka struja i2

- elektromotorna sila namotaja rotora u miru (s=1) - pri nominalnom radu klizanje je malo pa je

Postoji odgovarajuće R2 za koje je početni momenat maksimalan - veliko R2 → veliki gubici

Karakteristike - jednofazni asinhroni motor

Step motor Dati motor punu rotaciju obavi nakon 100 koraka. 1 korak: Gornji elektromagnet (1) je uključen i privlači najbliži zub, nazubljenog rotora. Kada su zubi rotora poravnati sa elektromagnetom 1, biće blago pomereni u odnosu na sledeći, desni elektromagnet (2). 2 korak: Gornji elektromagnet (1) se isključuje, a desni electromagnet (2) dobija napajanje i privlači zub rotora dok se ne postigne poravnanje. U ovom primeru to dovodi do rotacije od 3,6°. 3 korak: Desni elektromagnet se isključuje, a donji elektromagnet (3) dobija napajanje što dovodi do nove rotacije od 3,6°. 4 korak: Proces se ponavlja gašenjem trećeg i uključivanjem četvrtog elektromagneta, što dovodi do nove rotacije od 3,6°. Proces se vraća na prvi korak, a rotor se pomerio za jedan zub.