MAINE JEDNOSMERNESTRUJE

2

SADRAJ

1 MAINE JEDNOSMERNE STRUJE ........................................................................... 3

1.1 Osnovni delovi............................................................................................................ 3

1.2 Princip rada................................................................................................................. 4

1.3 Namotaji indukta ........................................................................................................ 5

1.4 Namotaji pobude ........................................................................................................ 7

1.5 Elektromotorna sila indukta ....................................................................................... 8

1.6 Obrtni momenat.......................................................................................................... 9

1.7 Brzina obrtnja ........................................................................................................... 10

1.8 Reakcija indukta ....................................................................................................... 10

1.9 Komutacija ............................................................................................................... 12

1.10 Generatori jednosmerne struje .............................................................................. 15

1.11 Karakteristike momenta motora............................................................................ 17

1.12 Pokretanje maina jednosmerne struje.................................................................. 18

1.13 Regulisanje brzine nezavisno pobuenog motora jednosmerne struje ................. 18

1.14 Kratak osvrt na prelazne pojave i raspobuivanje ................................................ 20

1.15 Univerzalni motor ................................................................................................. 20

1.16 Literatura............................................................................................................... 21

31 MAINE JEDNOSMERNE STRUJEMaine jednosmerne struje (jednosmerne maine) su zbog svojih veoma dobrihfunkcionalnih karakteristika nekada predstavljale esto reenje u elektrinim postrojenjimai pogonima. Zbog vee cene, sloenijeg i skupljeg odravanja, manje pouzdanosti i kraegveka trajanja, danas se motor jednosmerne struje sve vie potiskuje od strane jeftinijih,jednostavnih i robustnih elektrinih motora za naizmeninu struju upravljanihmikroprocesorima i napajanih energetskom elektronikom.

Slika 1-1 Motor jednosmerne struje

Generatori jednosmerne struje su praktino potisnuti poluprovodnikim ispravljaima.Meutim, generator jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom, zbog svojih veomadobrih karakteristika se esto koristi kao konica u laboratorijama za ispitivanje elektrinihmaina.

1.1 Osnovni deloviOsnovni elementi maine su mirujui deo (stator) i obrtni deo (rotor). Izmeu mirujueg iobrtnog dela nalazi se meugvoe (vazduni procep, zazor). Magnetsko kolo imarotacionu simetriju. Stator je nainjen od jarma u obliku upljeg valjka od masivnoggvoa, na ijoj su unutranjoj periferiji privrena 2p istaknuta pola sloenih odferomagnetskih limova. Na polovima statora je smeten koncentrisan pobudni namotaj(induktor), povezan izmeu polova na odreeni nain i izveden na dva prikljuna kraja.Rotor je cilindrinog oblika i sastavljen od tankih feromagnetskih limova i ravnomerno jeoljebljen po svom obimu. Paket limova rotora vrsto je spojen sa vratilom maine.Namotaj na rotoru (indukt, armatura) je raspodeljen, smeten u lebovima i zatvoren samsa sobom.

Komutator (kolektor) je sastavljen od bakarnih segmenata (kriki) koji su izolovanimeusobno i u odnosu na masu. Postavljen je sa jedne strane rotora i obre se zajedno sanjim. Na povrinu komutatora nalee izvestan broj dirki (etkica), koje su smetene nasimetrali meu polovima, u "neutralnoj zoni" i nepomine (mehaniki uvrene za stator),spojene na dva prikljuna kraja na statoru. Segmenti komutatora su u elektrinoj vezi sanamotajem indukta, svaki segment indukta spojen je sa istim tolikim brojem taakanamotaja indukta.

4JS

PN

NP

2

NZ

+K1

AK

Slika 1-2 ematski presek pojednostavljene dvopolne maine jednosmerne struje (oznake odgovaraju generatorskom reimu rada) J jaram, S i N glavni polovi, P- pobudni namotaj,PN- polni nastavci , A- indukt, K- komutator (kolektor), - etkice, NZ- neutralna zona (osa), 1 i 2 -

pojednostavljeni namotaj rotora

1.2 Princip radaPrincip rada maine za jednosmernu struju pojednostavljeno emo objasniti na primerugeneratora (Slika 1-2). Kada se kroz provodnike namotaja statora pusti jednosmerna struja,ona e stvoriti stalno magnetsko polje pobude, , odgovarajueg polariteta, vezanog zasmer struje. Ovo polje je periodino, sa periodom jednakom duini dvostrukog polnogkoraka, i funkcija je samo prostorne koordinate (poloaja na obimu maine).

Kada se pomou neke pogonske maine rotor obre konstantnom brzinom, n, u njegovimprovodnicima e se usled presecanja magnetnog fluksa indukovati odgovarajuaelektromotorna sila, po zakonu e=Blv. Budui da je u prethodnoj jednaini samomagnetska indukcija promenljiva, oblik ems e biti isti kao i oblik magnetskog polja(indukcije B). U pojedinim provodnicima koji sainjavaju navojak, ems e biti suprotne isabirae se, poto su oni vezani na red. Kada je navojak u poloaju da je kroz njega fluksmaksimalan, prema jednaini:

e = d / dt, u njemu e indukovana ems biti jednaka nuli, i taj poloaj nazivamo neutralnom zonom(horizontalni poloaj navojka na slici). Meutim, zahvaljujui delovanju kolektora,polaritet ems, pa prema tome i struje, u odnosu na spoljanje kolo, nee se menjati jer, uznepromenjeni smisao obrtanja, dirke su uvek istog polariteta jer su preko kolektorapovezane sa provodnicima koji prolaze ispod istog magnetnog pola. Prema tome, pomoukolektora se naizmenine struje u provodnicima "ispravljaju", to ima za posledicujednosmernu struju u spoljnjem elektrinom kolu.

51.3 Namotaji indukta Namotaj indukta nalazi se na rotoru, a po tipu je obino valjkasti (doboasti, bubnjasti,cilindrini). Nekada se namotaj izvodio u obliku prstena, ali ovo reenje je naputeno jer jezbog potrebe za runim motanjem vreme izrade bilo veliko, a i potronja bakra je bila veajer provodnici na unutranjem delu prstena nisu aktivni i ne uestvuju u stvaranju ems.

Dva provodnika treba spojiti u navojak tako da indukovana ems u navojku budemaksimalna, tj. tako da navojak obuhvata sav fluks po polu. Navojni deo (sekciju) ini vienavojaka vezanih na red postavljenih u dva leba, i to u gornjem sloju jednog leba idonjem sloju drugog leba.

Prema nainu vezivanja provodnika u navojne delove moemo valjkasti namotaj dapodelimo uglavnom na etiri vrste: prost omasti namotaj, sloeni omasti namotaj, prostvaloviti namotaj i sloen valoviti namotaj. Ovde e biti date samo osnove izvoenjanamota ilustrovane na prostom omastom i prostom valovitom namotaju.

Osnovni princip izvoenja namotaja je da se vezuju dva provodnika koji se nalaze u istomili priblino istom poloaju pod dva razliita pola. Kod izvoenja omastih namotaja prvopovezujemo sve navojke ili navojne delove koji se nalaze pod jednim parom polova, tenamotaj ima oblik ome, po emu je i dobio ime. Rastojanje izmeu ulaznog i izlaznogprovodnika, poto ih veemo sa zadnje strane (sa strane suprotne komutatoru) naziva sezadnji navojni korak ( 1y ). Sada izlazni provodnik vezujemo sa prednje strane (stranekomutatora) preko lamele za sledei ulazni. To rastojanje se naziva prednji navojni korak( 2y ). Zadnji i prednji navojni koraci su delimini navojni koraci. Ukupni navojni korak( y ) kod omastog namotaja je:

21 yyy = .Ako je 12 yy < onda dobijamo neukrteni namotaj, a ako je 12 yy > onda dobijamo ukrtenomasti namotaj. Ukrteni omasti namotaji se obino ne prave.

1y

2yy y2y

1y

a) neukrteni b) ukrteni

Slika 1-3 Prosti omasti namotaj

Kod valovitog namotaja kada obrazujemo navojak nastavljamo sa vezivanjem na red popoloaju slinih navojaka pod svim polovima maine. Ovo povezivanje svih slinihnavojaka pod svim polovima vrimo tako da pri zavretku jednog obilaenja doemo dosusedne lamele na komutatoru. U zavisnosti od toga, da li smo idui u smeru namotavanjadoli do lamele ispred ili iza poetne, razlikujemo neukrtene namotaje (slika 1-4a) i

6ukrtene namotaje (slika 1-4b). I kod prostih valovitih namotaja ukrtanje se izbegava,zbog ipak neto vee potronje bakra. Ukupni navojni korak kod valovitih namotaja je:

21 yyy += .

1y 2yy

Slika 1-4 Neukrteni i ukrteni prost valovit namotaj

Izmeu "pozitivnih" i "negativnih" etkica nalazi se celi namotaj indukta. Na slici 1-5 jeprikazan namotaj kao ema otpora. Budui da je otpor svake od a2 paralelnih granajednak ( a je oznaka za broj pari paralelnih grana), struja u provodniku ili grani je:

aII ap 2

= ,

gde je aI ukupna struja indukta.

U

pI

aI

a2

+ _

Slika 1-5 ema otpora namotaja indukta

Ako je ukupan broj provodnika u namotaju N , uz a pari paralelnih grana, onda jednojstrujnoj grani, koja aktivno uestvuje u stvaranju napona, pripada aN 2 provodnika. Za

7ukupni otpor indukta, aR , uvaavajui da je ukupni otpor a21 puta manji od otpora jednegrane, imamo:

ppa RaNR

aN

aR

2

21

221

== ,

gde je pR otpor jednog provodnika.

1.4 Namotaji pobude Prema nainu spajanja namotaja pobude u odnosu na namotaj indukta, razlikujemo sledeeosnovne vrste pobude:

nezavisna pobuda, kod koje je namotaj pobude spojen na poseban spoljnji izvor napona,koji je potpuno nezavisan od prilika u maini. Pobudni namotaj je dimenzionisan prematom spoljnjem naponu. Vrednost pobudne struje moe se podeavati, nezavisno odmaine, ako u strujnom kolu pobude postoji promenljivi otpornik. Ovo je danas najeereenje, a jednosmerni pobudni napon se dobija iz naizmenine trofazne mree, prekoispravljaa.

otona (paralelna) pobuda, kod koje je pobudni namotaj spojen paralelno na namotajindukta. Pobudna struja kree se u granicama 1 do 5% struje indukta, pri emu se manjavrednost odnosi na maine veih snaga. Za postizavanje potrebne magnetopobudne sile,poto je struja magneenja mala, potrebno je da paralelni namotaj ima veliki brojnavojaka. Otpor paralelnog namota je velik.

redna (serijska) pobuda, kod koje je pobudni namotaj spojen na red sa namotajemindukta. Za dimenzionisanje namotaja merodavna je struja indukta. Za postizanjeodgovarajue magnetopobudne sile, poto je struja velika, broj navojaka namotaja rednepobude ne mora biti velik. Tei se da otpor rednog namotaja bude to manji, kako bi padnapona na njemu bio to manji.

sloena pobuda, gde pored glavnog, nezavisnog ili paralelnog, postoji i pomoni, rednipobudni namotaj. Uee pojedine pobude u ukupnoj mps uslovljavljava spoljnjakarakteristika maine, tj. zahtevana zavisnost napona na prikljucima od strujeoptereenja za generator, odnosno brzine obrtanja o razvijenom momentu (za motore). Uzavisnosti od toga da li su glavni i pomoni pobudni namotaj izvedeni tako da im sefluksevi potpomau ili suprotstavljaju, razlikujemo aditivnu, odnosno diferencijalnu,sloenu pobudu.

U upotrebi su sledee oznake za krajeve pojedinih namotaja:

Tabela 1-1 Oznake krajeva namotaja maina jednosmerne struje

namotaj nova oznaka stara oznaka

indukt A1, A2 A, B

pomoni polovi B1, B2 G, H

kompenzacija C1, C2 G, H

redna pobuda D1, D2 E, F

paralelna pobuda E1, E2 C, D

nezavisna pobuda F1, F2 I, K

8+L L

A1

A2E2

E1

M

Slika 1-6 Motor sa otonom pobudom

1.5 Elektromotorna sila indukta Elektromotrna sila indukta (napon rotacije), E , u reimu generatora daje napon:

aa IRUE += ,dok u reimu motora dri ravnoteu naponu napajanja:

aa IREU += ,gde je aR ukupni otpor indukta u koji su ukljueni galvanski otpori svih namotaja u koluindukta nR , i prelazni otpor na etkicama.

Ukupni otpor indukta moemo prikazati na sledei nain:

a

na I

URR += ,

gde je U pad napona na etkicama, koji je funkcija gustine struje. Pri naznaenoj strujipad napona na etkicama priblino iznosi V2 .

Jednaina naponske ravnotee, uz posebno navoenje pada napona na etkicama imasledei oblik:

( )an UIRUE +=gde se predznak "+" odnosi na generatore a "-" na motore.

Da bi se stekao oseaj za veliine, naveemo primer za generator:VUVIRVUVE an 28220230 ++= .

Analizirajmo sada detaljnije napon usled rotacije, E . Trenutna vrednost ems jednogprovodnika na rotoru je:

bvle spr =gde je ls svedena (aktivna) duina provodnika (onaj deo duine provodnika koji presecamagnetsko polje).

9Ems se obino izraava preko srednje vrednosti fluksa po polu :srssrp BlBS == ,

gde je polni korak, a srB srednja vrednost indukcije.Za polni korak imamo:

pd2 = .

Za obodnu brzinu imamo:

30602

60602

22npnpndnddv m

===== .gde je m mehanika ugaona brzina rotora.Srednja vrednost ems jednog provodnika je:

===3030

npl

nplBvlEs

ssrspr

.

Za ems izmeu etkica imamo:

==== nknNapnp

aNE

aNE Epr 603022

.

Dakle, napon izmeu etkica je proporcionalan sa brzinom obrtanja i srednjom vrednostifluksa. Konstantna propocionalnosti, Ek , zavisi od konstrukcionih podataka (broja paripolova i paralelnih grana, te broja provodnika).

Ovaj napon nazivamo naponom rotacije, jer, uz postojanje fluksa, postoji samo kada serotor obre ( 0n ).

1.6 Obrtni momenat Obrtni momenat, M , u reimu motora obezbeuje pogon radnog mehanizma, dok ureimu generatora dri ravnoteu (deluje protiv) momenta pogonske maine.

Izraz za obrtni momenat moemo najlake da dobijemo ako posmatramo reim motora.Mehaniku snagu na vratilu za pogon radnog mehanizma i pokrivanje gubitaka usled trenjai ventilacije obezbedjuje odgovarajui elektrini ekvivalent aIE .

Dakle, moemo da piemo:

30 nMMIE ma == .

Koristei prethodno izveden izraz za napon rotacije, imamo:

3060nMInN

ap

a = , iz ega za obrtni momenat sledi:

aMa IkIN

apM == 2 .

10

Dakle, obrtni momenat je proporcionalan sa srednjom vrednosti fluksa i strujom indukta.Konstantna propocionalnosti, Mk , zavisi od konstrukcionih podataka (broja pari polova iparalelnih grana, te broja provodnika).

1.7 Brzina obrtnjaIzraz za brzinu obrtanja sledi iz prethodnih naponskih jednaina:

,== E

aa

E kIRU

kEn

gde se predznak "- "odnosi na motore, a predznak "+" na generatore.

1.8 Reakcija induktaU praznom hodu u maini postoji samo magnetsko polje pobude, dok pri optereenju,usled struje indukta ("reakcije indukta"), javlja se i magnetsko polje indukta. Mps induktaje popreno postavljena u odnosu na mps induktora. Talas mps pobude ima oblikpravougaonika, dok je talas mps linearna funkcija obima indukta i ima oblik trougla.Reakcija indukta utie kako na prostornu raspodelu fluksa u vazdunom zazoru tako i naveliinu rezultantog fluksa po polu.

Definiimo sada jo jedan znaajan pojam, strujni obuhvat, A , koji predstavlja podunugustinu ampernavojaka po obimu maine:

a

a

a

p

DaIN

DIN

A 2== ,

gde je aD prenik indukta.

Oznaimo sa x rastojanje po obimu, pri emu uzmimo da je u osi glavnih polova 0=x . Uposmatranoj taki vrednost mps indukta je xAF 2= .Rezultanta raspodela fluksa je karakterisana poveanjem fluksa pod jednim krajem polnognastavka i smanjenjem pod drugim krajem. Zbog zasienja, ovo poveanje fluksa je manjeod smanjenja, tako da se rezultatni fluks zbog reakcije indukta ipak smanjuje.

Slika 1-7 Reakcija indukta

a) polje pobude b) reakcija indukta c) rezultantno polje

11

Nepovoljne posledice koje prate reakciju indukta, a vezane su za izoblienje rezultantnogfluksa su:

gubitak na elektromotornoj sili usled smanjenja rezultantnog fluksa, loija komutacija (funkcionisanje komutatora) usled pomeraja neutralne ose (zone).

Navojni deo se prilikom komutacije jo uvek nalazi u poloaju u kojem ga zahvata jedandeo rezultantnog, deformisanog, magnetskog polja. Do promene smera struje dolazi unepovoljnom naponskom stanju navojnog dela, to za posledicu ima lou komutaciju(varnienje).

poveanje maksimalne indukcije izaziva vee gubitke u gvou i poveanje napona meususednim lamelama komutatora. U provodnicima indukta su naizmenine struje, a ugvou indukta se prostire naizmenino magnetsko polje. Gubici u gvou zavise, poredostalog, i od kvadrata maksimalne indukcije (B2). Indukovana ems izmeu dve susednelamele je linearno proporcionalna sa maksimalnom indukcijom. Dozvoljena maksimalnavrednost ove ems zavisi od otpora navojnog dela i kod maina srednjih snaga iznosi oko35V. Ako vrednost ems pree dozvoljenu maksimalnu vrednost, moe doi izmeu dvesusedne lamele do preskoka varnice, odnosno uspostavljanja malog luka zbog gorenjaugljene praine. Poto se maina obre, svi navojni delovi dolaze u poloaj najveeindukcije, pa se mali lukovi izmeu susednih lamela pretvaraju u veliki luk po itavomobimu (tzv. kruna vatra). Poto je otpor luka neznatan, nosai etkica suprotnogpolariteta dolaze u kratak spoj.

x x x x x x x x x x x x x x x

polni korak irina pola

mps induktora

mps indukta

indukcija u meugvouinduktor

indukt

rezultanta indukcija

uzimajui u obzir zasienjene uzimajui u obzir zasienje

N S

GM

Slika 1-8 Reakcija indukta oblik rezultantnog magnetskog polja

12

Mere koje su preduzimaju u cilju suzbijanja ovih nepovoljnih posledica su: pomeranje dirki u stvarnu neutralnu zonu. Ovo je najstarija i praktino naputena metoda.

Pomou posebne poluge se celi nosa dirki stavlja u stvarni poloaj neutralne zone. uvoenje dadatnih namotaja ija mps ima zadatak da poniti delovanje reakcije indukta.

Za ponitenje reakcije indukta u prostoru ispod glavnog pola se upotrebljavajukompaundni i kompenzacioni namotaj. Kompaundni namotaj je najjednostavnije inajjeftinije reenje, ali koje deluje samo na izbegavanje gubitaka u indukovanoj ems.Sastoji se od nekoliko navojaka ice velikog preseka namotanih oko glavnih magnetskihpolova. Kroz taj namotaj putamo struju indukta u istom smeru kao i struju pobudnognamotaja. Kompenzacioni namotaj je najbolje, ali najskuplje reenje. Smeten je u lebovena polnim nastavcima statora, kroz provodnike se puta struja indukta, ali tako da je smerstruja supotan. Za ponitenje reakcije indukta u prostoru izmeu glavnih polovaupotrebljava se namotaj pomonih polova, koji je fiziki smeten na simetrali izmeuglavnih polova. Glavna funkcija namotaja pomonih polova je poboljanje komutacije.Mps kompenzacionog namotaja mora biti jednaka i suprotna mps indukta, dok kodnamotaja pomonih polova mps mora biti takva da prvo poniti mps indukta, a zatim dastvori jedno suprotno polje radi poboljanja komutacije.

kompaundninamotaj

pobudni namotaj

kompenzacioninamotaj (KN)

namotaj indukta(armatura)

namotaj pomonihpolova (PP)

mps indukta

mps PP, KN

Slika 1-9 Namotaji maine jednosmerne struje

1.9 KomutacijaPod komutacijom podrazumevamo proces promene smera ems, odnosno struje prilikomprolaska navojka ili navojnog dela kroz neutralnu osu. Za vreme trajanja komutacije, Tk,dirke kratko spajaju navojak ili navojni deo. Vreme za koje je struja konstantna oznaimo

13

sa Ti. Struja provodnika (grane) sa vrednosti pI+ prvo pada na vrednost nula, a zatimraste u suprotnom smeru do vrednosti pI . Kvalitet komutacije ocenjuje se prema njenimposledicama, koje se manifestuju u pojavama varnienja izmeu komutatora i dirki. Loakomutacija se ogleda u znatnom iskrenju kod naznaenog optereenja ili kod manjihpreoptereenja. Komutacija bez varnienja je neophodan uslov sigurnog i dugog radamaine jednosmerne struje. Uzroci loe komutacije mogu biti mehaniki (neokruglost iistroenost komutatora, vibracije komutatora, povrinsko oteenje dirki i komutatora, loevoenje etkica u draima, neispavan pritisak ili smer pritiska na etkice itd.) i elektriki(uticaj otpora i ems usled samoinduktivnosti i meuinduktivnosti). U elektrinom pogledu,na komutaciju najvie utie otpor etkica, poloaj etkica u odnosu na neutralnu osu idelovanje pomonih polova.

lamelaetkica

pI pI

aI

i

v

Slika 1-10 Navojni deo u komutaciji

pI

pI+ pI+i

iT kTkT

i

Slika 1-11 Vremenska promena struje u navojnom delu

Promenu struje prilikom komutacije i(t) oznaili smo, za poetak, pravom, crtkanomlinijom. Uz odreena pojednostavljenja i pretpostavke, moe se doi do analitikih izrazakoji priblino opisuju promenu struje prilikom komutacije. Budui da je ostvarenje dobrekomutacije vie rezultat iskustva nego naune analize, ovde se neemo bavitikvantitativnom analizom, ve emo definisati uticajne veliine prilikom komutacije inavesti mere koje se preduzimaju u cilju poboljanja komutacije.

Veliine koje utiu na oblik krive komutacije su sledee:a) otpori

14

prelazni otpor etkica, otpor kratkospojenog navojnog dela koji komutira, otpor spojnih vodova (veza) izmeu navojnog dela i lamele komutatora.

b) ems

spoljnjeg kola, ek, koji se u navojnom delu indukuje kada etkica ne stoji strogo u linijineutralne ose,

usled samoinduktivnosti navojnog dela eL i usled meuinduktivnosti, eM, koja se javlja ako irina etkice premauje irinu

komutatorske lamele b>bl i ako se komutacija deava u vie navojnih delova.Slika 1-12 prikazuje oblike krivih komutacije za sledee sluajeve:

crtkano idealna otporna komutacija, uzet je u obzir samo prelazni otpor etkica, dok suostale uticajne veliine zanemarene,

taka-taka otporna komutacija kod koje su uzeti u obzir svi otpori, a zanemaren uticajems,

puna linija komutacija kod koje su uzeti u obzir i ems usled samoinduktivnosti eL. Sa idje oznaena dodatna struja komutacije usled ems, koja se superponira na struju idealneotporne komutacije.

pI+

pI

1

23

kT

di

i

Slika 1-12 Krive komutacije uz odreene vrednosti uticajnih veliina

Ems usled samoinduktivnosti eL spreava promene struje u kolu (u analogiji mehanikih ielektrinih kola induktivnost predstavlja inerciju), pa deluje u smislu usporavanjakomutacije. Ems usled meuinduktivnosti, eM, je slina po svojoj prirodi eL, dok emsspoljneg kola, eK, moe da ima razliite predznake, tj. moe da deluje u jednom ili drugomsmeru, zavisno u kakvom se polju po polaritetu, severnom ili junom, nalazi navojni deokoji komutira.

Nepovoljni sluaj, koji se izbegava, jeste pojava preterano velike gustine struje na jednomdelu povrine etkice, to moe da izazove cepanje opne i varnienje u toj taki. Pogotovoje opasna velika gustina struje na zadnjim (izlaznim) krajevima etkica, kod usporenekomutacije, jer varnienje na njima moe da dovede do pojave krune vatre, za razliku odvarnienja na prednjim krajevima etkica kod ubrzane komutacije, koje je ipak manjeopasno jer sama etkica predstavlja prepreku za prenoenje varnica po obimu komutatora.Ems usled samoinduktivnosti, eL, znaajno pogorava komutaciju, te bi kod maina maloveih snaga ak i onemoguila rad, kada je ne bismo suzbili.

15

Sa "linearnom" komutacijom, (Slika 1-13, karakteristika 2), kod koje se kontaktna povrinaravnomerno koristi za prolaz struje, odnosno kod koje je gustina struje po povrini etkicekonstantna tokom celog procesa komutacije, mogli bismo biti uglavnom zadovoljni.Idealna bi bila ona komutacija kod koje je na izlaznoj ivici etkice gustina struje to manja(karakteristika 3 i 4).

pI+

pI

1

2

4

5

3

Slika 1-13 Krive komutacije

Prvi uslov za dobru komutaciju je relativno veliki prelazni otpor etkica, u odnosu na otporveza (dovoda) i navojnih delova, to se postie upotrebom etkica od ugljena odnosnografita. Poboljanje komutacije na ovaj nain je mogue samo kod maina malih snaga, do1kW. Za maine veih snaga se primenjuju dodatna sredstva, pre svega pomoni polovi.

Pomoni polova imaju zadatak da suzbiju ems usled samoinduktivnosti eL. Magnetskopolje pomonih polova izaziva u navojnom delu suprotnu ems u odnosu na eL, pa je na tajnain neutralie. Pomoni polovi moraju da budu pravilno dimenzinisani kako bi se dobilaodgovarajua komutacija. Slika 1-13, kriva 5 prikazuje komutaciju uz prejako delovanjepomonih polova.

Jedna od mera za poboljanje komutacije je i pomeranje dirki u stvarnu neutralnu osu.

Problem vezan za komutaciju, odnosno postojanje sistema komutatora i dirki, uslonjavaodravanje maina za jednosmernu struju i iskljuuje ih u podrujima primene sazapaljivom i eksplozivnom okolinom.

1.10 Generatori jednosmerne strujeSavremeni razvoj ide u pravcu eliminisanja elektine maine jednosmerne struje kaogeneratora, ali ih jo uvek ima u upotrebi kada se trai jako gladak napon, to se ne moepostii sinhronim alternatorom sa diodama ili mrenim ispravljaem. U laboratorijama zaispitivanje elektrinih maina esto se upotrebljava generator jednosmerne struje sanezavisnom pobudom, koji slui za optereivanje ispitivanih maina.

Nezavisno pobuen generator ima tvrdu karakteristiku (sa porastom struje naponrelativno malo opada). To opadanje napona izazvano je:

smanjenjem rezultantnog fluksa, , usled reakcije indukta, a time i indukovaneems = nkE E ,

poveenjem pada napona na otporu indukta usled poveanja struje indukta.

16

Paralelno pobuen generator ima samopobuivanje (sam vri svoju pobudu), ali poduslovom da je iz prethodnog rada preostao izvesni remanentni magnetizam, odnosno napon

remE . Da bi dolo do samopobudjivanja, ukupni radni otpor kola paralelne pobude mR nesme da bude previsok, odnosno pravac pm iR mora da see karakteristiku magneenja

)( pifE = . Da bi se osiguralo samopobuivanje, odnosno stabilnost napona, na glavnimpolovima se postave prorezi na kojima je presek magnetskog kola jako smanjen (tzv.istmusi), pa zasienje nastupa ve kod vrlo malog fluksa. Time karakteristika magneenjadobija dva kolena, od kojih je prvo usled istmusa, sa veim nagibom, ime se osigurava dapravac pm iR sigurno preseca karakteristiku )( pifE = . U delu do nI5,1 karakteristika ovoggeneratora je slina karakteristici nezavisno pobuenog generatora, ali je neto meka .Kod odreene vrednosti struje linearni deo krive )( pifU = poklopi se sa pravcemsamopobuivanja, to fiziki predstavlja razbuivanje maine, pa kriva napona naglo padai ide po donjoj grani karakteristike.

Redno pobuen generator nije pogodan za upotrebu jer mu se napon prvo poveava, azatim opada sa porastom struje indukta. Nije primenjen u praksi, ali se ovde pominje zbogtoga to se ovaj nain pobuivanja primenjuje u sloeno pobuenim (kompaundiranim)generatorima.

Sloeno pobueni (kompaundovan) generatori imaju nezavisnu (ili paralelnu) i rednupobudu. Uobiajen zahtev je da se napon na krajevima (prikljucima) odrava na stalnojvrednosti, bez obzira na veliinu struje indukta (apsolutno tvrda karakteristika). Poto bigradnja generatora sa takvom karakteristikom bila neekonomina, obino se delovanjapojedinih pobuda podese tako da se pri naznaenoj struji indukta dobije naznaenavrednost napona na prikljucima.

Na slici 1-14 prikazane su spoljnje karakteristike generatora )( aIfU = , pri .constn= zarazne vrste pobude generatora.

U

aIkfIkdI

a

b

e

c f d

Slika 1-14 Spoljnje karakteristike generatora jednosmerne struje

17

Legenda slike 1-14:

a) nadkompaundovan,

b) kompaundovan (karakteristika see crtkanu liniju u taci ),( 0UI nc) nezavisno pobuen d) paralelno pobuene) protivkompaundovan f) redno pobuen,

Odgovarajue struje kratkog spoja su oznaene indeksom k .

1.11 Karakteristike momenta motoraKarakteristike momenta motora (mehanike karakteristike) predstavljaju zavisnostmomenta od brzine obrtanja, M=f(n). Kod motora jednosmerne struje njih prvenstvenoodreuje sistem pobude, i one mogu biti:

"tvrde" kod kojih se brzina obrtanja vrlo malo menja sa promenom momenta optereenja,koju sreemo kod otono (paralelno) pobuenih motora, oznaka na slici OP;

"meke" kod kojih se znaajno menja brzina obrtanja sa promenom momenta optereenja,koju sreemo kod redno pobuenih motora, oznaka na slici RP;

celo podruje izmeu ove dve karakteristike moe da se ostvari primenom jednosmernihmotora sa sloenom aditivnom pobudom, oznaka na slici AP.

OP

RP

M

n

AP

0n

Slika 1-15 Karakteristike momenta motora jednosmerne struje

Nezavisno pobuen motor se najee primenjuje u elektromotornim pogonima. Redno pobuen motor se u praksi najee primenjuje u elektrinoj vui. Ovaj motorpredstavlja veoma fini menja brzine (bez skupih sklopova zupanika). Iz mehanikekarakteristike se vidi da je veoma opasno ostaviti redni motor neoptereen ( 0M ,

n ), jer tada moe doi do eksplozije rotora. U mehanici se to postie sklopovimazupanika. Kod jako velikih snaga nemogue je napraviti tako veliki menja, pa se tada semora pristupiti elektrinom reenju prenosa snage. Tako npr. kod dizel elektrinihlokomotiva dizel motor pogoni protivkompaundovani generator, a redni motorijednosmerne struje u tokovima pokreu lokomotivu.

18

1.12 Pokretanje maina jednosmerne strujeZa reim generatora nema naroitih problema prilikom putanja u rad. Sa pogonskommainom generator se dovede na naznaenu brzinu obrtanja. Generatori sa paralelnompobudom se sami pobude, ako im otpor pobudnog kola nije prevelik. Generatori sanezavisnom pobudom se prikljuuju na pobudu pre ili posle zaleta. Sa regulacionimotpornikom pobuda se podesi tako da odgovara onom naponu koji se zahteva u radu. Kadase generator optereti, onda se pobuda podeava tako da u mrei jednosmerne struje vladaeljeni napon.

Putanje motora jednosmerne struje iz stanja mirovanja je sloeniji problem. Ako se radi onezavisno pobuenom motoru onda je pre prikljuka strujnog kola indukta motor potrebnopobuditi punim fluksom , kako se ne bi pojavila mogunost pobega (velikog poveanjabrzine) motora usled slabog fluksa. Dakle, tek kod potpuno pobuenog motora indukt seprikljuuje na napon izvora (mree).

Prilikom putanja u rad u motoru se mogu javiti veoma velike struje, to se moe videti izjednostavne analize koja sledi. U trenutku putanja u rad imamo: 00 == En . Iznaponske jednaine motora aa IREU += sledi naka IRUII >>== . Dozvoljena polaznastruja ograniena je vrednou koju motor moe da komutuje bez varnienja ilidozvoljenim optereenjem mree odnosno prikljuaka za napajanje motora. Za ogranienjestruje prilikom putanja motora u rad koriste se specijalni otpori prikljueni na red sanamotajem indukta. Oni su tako odabrani da struja u putanju u rad ne bude mnogo vea,npr. najvie dva puta, od naznaene. Otpornici za putanje u rad mogu ponekad i da slueza regulisanje brzine obrtanja, ali tada moraju da trajno izdre punu struju optereenjamotora. Ako slue samo za pokretanje, onda su dimenzionisani za kratkotrajni rad i kaotakvi su znatno jeftiniji.

Kod motora manjih snaga relativne vrednosti otpora indukta su vee, tako da nije potrebnokoristiti otpornike za putanje u rad jer je struja putanja neznatno vea od naznaene.

Redni motori su pogodniji u odnosu na otone kada se putanje u rad vri pri tekimuslovima, npr. kada je potrebno da motor razvije vee polazne momente pri istoj struji(kranovi, dizalice, elektrina vozila), kao i tamo gde je potrebno jako veliko preotereenjemotora ( nM3 ).

1.13 Regulisanje brzine nezavisno pobuenog motora jednosmerne strujeMotor jednosmerne struje je mogunost kontinualnog regulisanja brzine obrtanja u irokimgranicama odrala u konkurenciji sa naizmeninim motorima kod pogona sa promenljivombrzinom obrtanja. Prema ranije navedenom izrazu,

,== E

aa

E kIRU

kEn

brzinu obrtanja motora jednosmerne struje moemo vriti na tri osnovna naina: promenom napona napajanja, promenom magnetnog fluksa pobude, tj. struje pobude i promenom otpora u kolu indukta.

Od ova tri navedena naina, praktino se primenjuju prva dva naina.

Regulacija naponom je efikasna poevi od brzine obrtanja jednakoj nuli, pa do brzine kojaodgovara naznaenom naponu motora, uz neku konstantnu, obino naznaenu pobudu. To

19

je veliki opseg regulacije, i kod maina sa nezavisnim hlaenjem, u odnosu na brzinuobrtanja, motor se u celom ovom opsegu moe opteretiti konstantnom strujom, odnosnokonstantnim momentom (uz konstantnu pobudu), tako da je snaga motora proporcionalnabrzini obrtanja, odnosno priblino proporcionalna sa naponom. Kod motora hlaenihventilatorom, kod manjih brzina se mora smanjiti struja, odnosno momenat, da ne bi dolodo pregrevanja.

Regulacija poljem se sprovodi tako da se prikljueni napon dri na konstantnoj vrednosti, amagnetsko polje se smanjuje smanjenjem struje pobude. Opseg regulacije je otprilike 2:1za motore normalne izvedbe, tj. sa regulacijom brzine se moe ii do dvostruke vrednosti uodnosu na brzinu kod punog magnetnog fluksa. Daljnje smanjenje fluksa se ne praktikuje,jer bi rad motora mogao da postane nestabilan, te moe lako da pobegne (eksplozijakolektora), nastupaju potekoe kod komutacije, jer se smanjuje vreme komutacije Tk, amora se voditi rauna i o mehanikim naprezanjima usled cetrifugalnih sila koja rastu sakvadratom brzine obrtanja

Za regulaciju brzine motora jednosmerne struje prirodno je da se konstantni momenatpostie regulacijom napona, dok se konstantna snaga postie regulacijom poljem.Konstantnu vrednost struje Ia moemo da obezbedimo samo nezavisnom ventilacijom.

reg. naponom reg. poljem n

M

P UaI

Slika 1-16 Princip regulacije brzine obrtanja

Vard-Leonardova grupa predstavlja klasian nain upravljanja motorom jednosmernestruje (Slika 1-17). Grupu maina sainjavaju asinhroni motor, koji pokree generatorjednosmerne struje koji, pak, napaja motor jednosmerne struje ijom brzinom obrtanjaupravljamo. Pobudom generatora regulie se napon motora, dok se menjanjem pobudemotora sprovodi regulacija poljem. Danas je Vard- Leonardova grupa uglavnom potisnutapogonom sa tiristorskim konvertorom umesto generatora sa asinhronim motorom.

20

AM G MaU

aI

fU gU

Slika 1-17 Vard-Leonardova grupa

Ako je za napajanje motora za jednosmernu struju na raspolaganju izvor jednosmernestruje (akomulatorska baterija ili neregulisani ispravlja) kontinualno podeavanje naponamoe se vriti pretvaraem jednosmernog napona u jednosmerni (oper).

1.14 Kratak osvrt na prelazne pojave i raspobuivanje Pri prelaznim pojavama dolazi do izraaja uticaj induktiviteta. Kolo nezavisne (otone)pobude ima veliki induktivitet (mnogo navojaka tanke ice) i veliku vremensku konstantu.Znaajno manja je vremenska konstanta indukta (armature), priblino je

205 =induktapobude TT , tako da je lake upravljati prelaznim pojavama u elektrinom koluindukta, nego u kolu pobude. Rotor sa radnim mehanizmom unosi odreenu mehanikuinerciju u prelazni proces.

Pod raspobuivanjem (demagnetisanjem) podrazumevamo proces smanjivanja pobudnestruje, pi , do vrednosti jednake nuli. Kod paralelno pobuenog generatora to se vriukljuivanjem sve veeg otpora u strujno kolo pobude, dok se ono potpuno ne otvori, tj.dok se pobudno kolo ne prekine. Taj proces ne sme da se odvija prebrzo, a pogotovo ne

trenutno, zbog jer bi se zbog velikog induktiviteta, prema jednaini tiLe

dd= , mogli

pojaviti visoki (pre)naponi koji bi mogli da probiju izolaciju pobudnog namotaja ili da

izazovu luk. Koliko god bile male struje u trenutku iskljuenja, vrednost ti

dd jo uvek

moe da bude opasna, tako da se u trenutku konanog iskljuenja pobudni namotaj kratkospaja.

1.15 Univerzalni motorUniverzalni motor je kolektorski motor koji se moe prikljuiti i na jednosmerni i nanaizmenini izvor napajanja. Zbog male cene, dobrih pogonskih karakteristika ijednostavnog odravanja, nalazi se u primeni u stotinama sitnih elektromotornih pogona,posebno u aparatima u domainstvima.

Ovde se koristi injenica da se sa promenom polariteta prikljuenog napona (i napobudnom namotaju i na etkicama) ne menja se smer obrtanja motora jednosmerne struje.Dakle, u principu se motor jednosmerne struje moe prikljuiti na naizmeninu

21

(jednofaznu) mreu i on e imati iste fizike osobine kao i da je prikljuen na jednosmernumreu. Da bi tehniki iskoristili ovu mogunost, potrebno je da celo magnetsko kolo(statora i rotora) bude napravljeno od tankih feromagnetskih limova.

Za sasvim male snage (ispod 0,5kW) izrauju se, po pravilu dvopolni, redni motori bezpomonih polova (i bez kompenzacionog namotaja) za brzine obrtanja preko 10000 ob/minza rune alate i druge rune elektromotorne ureaje, oko 15000 ob/min i vie za usisivae imiksere, te oko 30000 ob/min za mlinove za kafu. Vano je primeniti da su brzine obrtanjasa napajanjem jednosmernom strujom neto vee nego sa napajanjem naizmeninom.Karakteristika momenta im je ogranieno meka, tako da obino mogu da izdre prazni hod.Na svakom polu imaju po jednu etkicu, koje u radu varnie plaviasto. Zbog varnienja iiroke opte upotrebe, univerzalni motori izazivaju radio i televizijske smetnje, koje seograniavaju dogradnjom kondenzatora ili prigunica.

1.16 Literatura

[1] B. Mitrakovi: Maine za jednosmernu struju, Sl. list SFRJ, Beograd, 1981.[2] M. Petrovi, Elektrine maine i postrojenja, Nauna knjiga, Beograd, 1988.[3] B. Jurkovi, Z. Smoli, Kolektorski strojevi, kolska knjiga, Zagreb, 1986.

MAINE JEDNOSMERNE STRUJEOsnovni deloviPrincip radaNamotaji induktaNamotaji pobudeElektromotorna sila induktaObrtni momenatBrzina obrtnjaReakcija induktaKomutacijaGeneratori jednosmerne strujeKarakteristike momenta motoraPokretanje maina jednosmerne strujeRegulisanje brzine nezavisno pobudenog motora jednosmerne strujeKratak osvrt na prelazne pojave i raspobudivanjeUniverzalni motorLiteratura