4.3. POKRETAČI (UPUTNICI)

U odjeljcima 4.1. i 4.2, raspravljajući o dovođenju istosmjernih i asinhronih motora na nazivnu brzinu vrtnje, spomenuto je da su pokretači aparati koji služe toj svrsi. Pomoću njih se elektromotor u nekome elektromotornom pogonu samo dovodi do nominalne brzine vrtnje i oni nisu dimenzionirani za podešavanje brzine vrtnje. Pokretači se, naime, nakon izvršenog pokretanja isključuju. U odjeljcima 4.1. i 4.2. teorijski je potpuno razloženo pokretanje, pa će u ovom odjeljku biti riječi uglavnom o pokretaču kao aparatu, o njegovu ispravnom izboru za određeni pogon. Mnogobrojnost raznih tehničkih uvjeta koji mogu, u raznim varijacijama, nastupiti u pogonu elektromotorom doveli su do stanovite standardizacije pojmova i elemenata u internacionalnim i raznim nacionalnim propisima, sa svrhom da se postigne ekonomičnost gradnje i upotrebe pokretača. U ovom odjeljku prikazat ćemo te elemente onako kako ih daju razni standardi, pri čemu se najviše upotrebljavaju VDE-propisi.

4.3.1. Definiranje pojmova — propisi o dimenzioniranju pokretača

Od pokretača se osim njihove glavne zadaće da dovode do nominalne brzine vrtnje, zahtijeva još:

— da drže struju upuštanja u dopuštenim granicama;

— da se postigne mekano pokretanje;

— da se pri pokretanju asinhronih strojeva može dosegnuti maksimalni pokretni moment;

— da se iz rotora prenese najveći dio omskih gubitaka u pokretač

Moment motora i u pokretanju valja da svlada momente: Mm = Ma + + M0 + Mt. Moment ubrzanja Mu i tereta Mt obrađeni su već prije. Moment otpora trenja u vlastitim ležajima M0 potpuno je zanemariv ako je riječ o valjnim (kugličnim) ležajima. U kliznih ležaja on će biti izražen samo u času pokretanja i onda ga možemo računati na osnovi empirijskih formula:

Pri tome je G [kp] težina rotora motora i onog dijela radnog mehanizma koji opterećuje promatrani ležaj.

Čim se rotor okreće, moment M„ pada na zanemarivo malu vrijednost. Koeficijent trenja /u u mirovanju iznosi 0,25, a u pogonu 0,005.

Prema propisima za standardne se izvedbe pokretača razlikuju tri vrste težine pokretanja:

1. Mt < 0,5 Mn »pokretanje s pola tereta«;

2. Mt < 1,0 M„ »pokretanje s punim teretom«;

3. Mt < 1,3 M„ »teško pokretanje«.

Kad se pokretač dimenzionira, dodaje se za ubrzavanje masa (prema propisima) još 30% snage za pokretače s kliznim kontaktima, odnosno još 50% za pokretače s valjkastim kontaktima i elektrolitske pokretače. Budući da možemo računati kako je u asinhronih motora struja rotora, a kod istosmjernih motora struja armature (uz konstantni mrežni napon) proporcionalna momentu tereta, bit će:

Gdje je Isr srednjanja vrijednost struje pokretanja. Ta srednja vrijednost struje za vrijeme pokretanja morat će biti 30% veća od one koja bi odgovarala teretu kad je pokretač s kliznim kontaktima, a 50% veća ako je on s valjnim kontaktima. Na primjer, pri teškom pokretanju, ako se uzme pokretač s kliznim kontaktima, srednja će vrijednost struje pokretanja iznositi:

Proračun trajanja pokretanja određen je propisima pri pokretanju bez tereta, ili s konstantnim momentom tereta, jednadžbom:

Po propisima računa se ovo trajanje za snage do 200 kW još i pomoću empirijske jednadžbe (pokretač se ne smije dimenzionirati za kraće trajanje):

gdje jeP snaga motora u [kW],

Odatle izlazi:snaga motora P = 10kW 50 kW 100 kW 200 kW trajanje pokretanja tz — 10,3 s 18 s 24 s 32 s.

Broj z je broj uzastopnih pokretanja s pauzom od 2tz, nakon čega ne smije pokretač premašiti propisima dozvoljenu nadtemperaturu zagrijanja. Taj broj praktički ovisi samo o sposobnosti akumulacije topline u pokretaču jer se u tome kratkom vremenu može zanemariti odvod topline, tj. hlađenje pokretača. Uljni pokretači imaju veću masu od zračnih pa im je i veća mogućnost akumulacije topline, a stoga i veći broj z. Razlika u broju z ipak nije velika jer je, s druge strane, propisima dozvoljena nadtemperatura za uljni pokretač mnogo manja od one za zračni pokretač.

Standardima se za zračne pokretače dopušta da nadtemperatura zraka koji izlazi iz kućišta pokretača bude najviše 175°C, a uz maksimalnu temperaturu okoline od 35°C ona ne smije biti veća od 125°C. Za uljne pokretače određuje se da ulje na najtoplijem mjestu ne smije premašiti nadtemperaturu od 80°C.

Broj h je broj pokretanja na sat u jednakim vremenskim razmacima, uz koje se pokretač ne smije zagrijati na vrijednost višu od propisane nadtemperature. On ovisi o sposobnosti hlađenja pokretača. Zračni se pokretači bolje hlade jer imaju veću rashladnu površinu. Budući da im je i veća dozvoljena nadtemperatura, to je h za njih veći nego kod uljnih pokretača.

Na si. 1. dijagram je zagrijanja za pokretač s karakterističnim brojevima: z = 3 i h = 1,5.

Broj m je broj kontakata pokretača. Za motore do 200 kW snage upotrebljava se gotovo isključivo pokretač s metalnom otpornom žicom, pa se zato pokretanje može obavljati samo u stupnjevima s kontaktima. Kontakti preko kojih klizi metalna četka priključeni su na otcjepe otpornika.

Što je veći broj kontakata, to manje se mijenja struja u toku pokretanja, ali je zbog toga pokretač sve skuplji. Po standardima propisan je minimalni broj kontakata za određenu snagu, prema tablici:

Snaga Najmanji broj kontakata m

Do 3 kW 2 3— 6 3 6—15 4 15—30 5

Više od 30

6

O strujama pokretanja valja reći da je najveća struja pokretanja ona koja se još može dopustiti. To je npr. maksimalna struja na si. 4.1. — 1,

gdje je pokretanje već prije objašnjeno. Nazovimo je 7max pokretača. Najmanja struja pokretanja je ona koju smo u odjeljku 4.1.1. zvali strujom prespajanja a vidi se na si. 4.1 — 1. Nazovimo je ovdje /min. Srednju struju definiramo iz omjera:

Omjer struja Imax/Imin označimo s Isr/In, pa je prema tome:

Da kod velikih motora ne bismo dobili odmah jak udarac struje /max, propi¬sima se određuju predstupnjevi, pomoću kojih možemo struju postepeno povećavati do pune vrijednosti /max. Pretpostavljamo da su te struje (kod predstupnjeva) pre¬malene da se pokrene motor, pa će struja u skokovima rasti do /max, prebacivanjem na iduće kontakte, a da pri tome motor stoji. Kad struja postigne vrijednosti /max, motor će krenuti i dalje upuštanje će se odvijati normalno, kao bez predstupnjeva. Na si. 2. struje su tih predstupnjeva označene s /pl i Ip2• Pri manjim snagama, do 3,1 kW, prema propisima nema predstupnjeva. U si. 2. dva su predstupnja i osam stupnjeva pokretanja, te zato tu označujemo broj kontakata s:

m = 2 + 8

4.3.3. Pokretači za asinhrone kolutne motore

Kod asinhronih motora otpornici za pokretanje ne uključuju se u glavni primarni strujni krug, kao u istosmjernih, već u strujni krug rotora. Postiže se ipak ista svrha kao kod istosmjernih strojeva, kako je obrazloženo u odjeljku 4.2.1. Time se smanjuje strujni udarac iz mreže pri pokretanju. Iako se otpori uključuju u rotorski krug, oni se načelno mogu računati jednako kao kod istosmjernih motora, što izlazi iz razmatranja koje donosimo.

Na si. 5. ekvivalentna je shema, a na si. 6. prikazan je kružni dijagram asin-hronog motora. Srednja struja pokretanja pri nazivnom teretu s kliznim kontaktima trebalo bi da iznosi 130°o nazivne struje, pa njoj odgovara neka srednja pogonska točka pokretanja koja je u kružnom dijagramu približno 30°0 iznad pogonske točke nazivnog tereta. Za vrijeme pokretanja na bilo kojem stupnju otpornika stvarna se pogonska točka kreće neznatno gore-dolje po kružnom dijagramu, i to za iznos određen maksimalnom i minimalnom strujom pokretanja. Srednja pogonska točka ne mijenja se, dakle, u toku pokretanja. Naprotiv, mijenja se znatno točka Pk jer se uključujući otpor pokretača u strujni krug rotora ta točka seli kru¬gom prema točki P0. Iz slike se zapaža kako je struja u praznom hodu I0 relativno mala prema struji pokretanja 7, (i 12) pa se stoga može zanemariti. S time smo zapravo brisali poprečnu granu u ekvivalentnoj shemi, tj. I2 smo izjednačili s I1.

Također se dadu zanemariti primarni otpori Rl i X, jer su maleni prema sekundarnim R2’/s+X2, koji uključuju u sebi i omski otpor pokretača i ekvivalentni omski otpor za mehaničku snagu motora. Dalje možemo vidjeti kako je I2’ praktički radna struja jer je kut fi2 vrlo malen, što znači da je i induktivni otpor X2', malen u usporedbi sa sekundarnim ukupnim omskim otporom R2/s, pa možemo izostaviti još i induktivni otpor X2’.

Dakle, zanemarili smo otpore statora R1 i X1,. struju u praznom hodu (bri¬sali smo paralelnu granu u ekvivalentnoj shemi R0 i X0) i još induktivni otpor rotora X'2. Na taj smo način dobili pojednostavnjeni strujni krug sa samo omskim otporima, koji u sebi uključuje: radni otpor namota rotora R2n, ekvivalentni radni otpor za mehaničku snagu (R2n + Rd) • (1-s)/s i otpor pokretača Rd. Shema

je prikazana na si. 7. Na pojednostavnjeni strujni krug asinhronog motora može se sada primijeniti jednak način računanja otpora pojedinih stupnjeva pokretača kao kod istosmjernih strojeva. Naravno, cijeli taj račun provodi se za rotorski krug, tj. uzima se napon medu kliznim kolutima E20, linijska struja rotora I2 i fazni otpori rotorskog kruga R2 i R2 (1-s)/s uz R2 = R2n + Rd

Struja I2 može se točno dobiti iz formule:

Tu prvi izraz izlazi iz fizikalne slike, a drugi je matematički preinačen kako bi se izbjegao promjenljivi induktivni otpor X2. Nakon što se zanemari induktivni otpor rotora X2 pojednostavljuje se izraz na oblik:

Kao što se iz ovih izlaganja zapaža, cijeli račun se provodi za rotorski krug asinhronog motora, kod kojeg je izbor napona slobodan jer nema standarda za rotorski napon. Zbog toga se rotorski napon može sasvim po volji odabrati, pa on varira kod raznih proizvođača i u motora koji imaju jednaku snagu i jednak sta- torski napon. Ti različiti naponi stvaraju teškoće proizvođaču pokretača jer bi za svaki motor valjalo izvesti posebno dimenzioniran pokretač. No, da se ta ne¬prilika ipak izbjegne, pokretači su propisima standardizirani pomoću tzv. karakteristične brojke, koja je zapravo omjer uji, tj. omjer rotorskog napona mjerenoga među kliznim kolutima pri klizanju s = 1 i srednje struje upuštanja Isr podijeljene s 1,3 za klizne i s 1,5 za valjne ne pokretače.

Pri pokretanju uz nominalni teret bit će Isr = 1,3 • I2n, pa izlazi:

Karakteristični brojevi, tj. omjeri u/i , svrstani su u sedam grupa:

Tako su praktički obuhvaćeni svi mogući omjeri uji kod različitih asinhronih motora. Za jednu skupinu radi se jedna izvedba pokretača. Taj pokretač je proračunat za srednju vrijednost karakterističnog broja odredene grupe, ali još ipak odgovara i za granične vrijednosti. Na primjer, pokretač za grupu I, su/i= 13—24, proračuna se za karakteristični broj u/i= 18,5, a strujno i naponski je tako dimenzioniran da odgovara za sve karakteristične brojeve od 13 do 24.

Umnožak rotorskog napona i rotorske struje u*i izračuna se iz formule:

Tu je P snaga u [kW], a faktor 1,05 dodatak je zbog omskih gubitaka u rotoru i gubitaka zbog trenja i ventilacije. Pomoću te jednadžbe možemo, ako je poznat samo napon rotora (ili smo ga izmjerili), izračunati približnu struju rotora:

Trofazni normalni pokretači (i istosmjerni) grade se po standardima za ove standardizirane snage motora:

3,1 kW, 6,2 kW, 12,5 kW, 25 kW, 50 kW, 100 kW.Tipna snaga pokretača određena je veličinama iz karakterističnog broja, tj.:

Za jedan te isti motor, ali za različitu težinu pokretanja potrebno je uzeti pokretač s različitim karakterističnim brojem. Ako je težina pokretanja veća, onda se uzima pokretač s manjim karakterističnim brojem, i obrnuto. Na primjer, pokretač za motor od 25 kW, E20 = 107 V i I2n = 140 A za pokretanje uz nominalni teret imat će:

gdje je:

Pri pokretanju s pola tereta izlazi:

Znači da za isti motor pokrećemo li ga s nazivnim teretom, valja uzeti pokretač s karakterističnim brojem 0,764, tj. VI grupu, a kod pola tereta onaj s dva puta ve¬ćim karakterističnim brojem — 1,528, tj. V grupu.

Iz dosadašnjih izlaganja očito je kako se lako proračunaju otpori pojedinih stup¬njeva pokretača na jednak način kao za istosmjerne motore. U trenutku uklapanja napisat ćemo da je:

Pri tome je s /max označena maksimalna struja rotora tokom pokretanja, a s Rm cjelokupni stvarni radni otpor rotorskog kruga, tj. uključuje i otpor «2-tog stupnja pokretača. Rotor u prvom momentu miruje, dakle je klizanje sm = 1, pa onda uz poznatu dopuštenu maksimalnu rotorsku struju /max i napon E20 odredimo otpor Rm:

ali je njegova proračunska snaga 30% veća od tipne, dakle je pokretač dimenzioniran za snagu pokretanja:

S tim otporom motor će krenuti i struja I2 će padati linearno s klizanjem do vrijednosti Imin, do minimalne struje u toku pokretanja. Za taj trenutak možemo napisati:

Ili uz poznato Imin izračuna se: sm-1=…str 258

U tom trenutku moramo prebaciti pokretač na stupanj m — 1, gdje se opet dobiva struja:

Motor će se tad dalje ubrzavati s otporom Rm-1 } a struja I2 će opet padati do vrijednosti Imin, pa možemo napisati da je:

Na osnovi toga izračuna se:

Za faktor X vrijedi ista relacija kao kod istosmjernih nezavisno uzbuđenih motora, tj.:

Tu su p postotni gubici u bakru rotora, koji su numerički jednaki nominalnom klizanju sn, a m je broj stupnjeva pokretača.

Upravljanje zaletom vremenskim relejima

Vremenski način kraćenja je najrasprostranjeniji oblik kraćenja (slika 6.3.) i predstavlja korak naprijed u odnosu na ručno upravljanje. Primjenjuje se tamo gdje nije potrebna međusobna zavisnost brzine kraćenja i brzine pogonjenog stroja. Prespajanje stepena rotorskog otpornika se vrši prema izračunatom vremenu za svaki stepen i obezbjeđuju dosta tačno određeno vrijeme pokretanja, pri poznatom teretu. Ovo prespajanje ostaje konstantno prema proračunatom vremenu i ne može se smanjiti iako se moment tereta pri određenim režimima smanjuje.

Vrijeme upuštanja i izbor krivih, odnosno, broj kraćenja zavisi od zamašnih masa mD2 pokretanog stroja, težine zaleta, vrste tereta i veličine motora. Osnovni nedostatak ovog načina upravljanja je u tome Što se dinamika i vrijeme pokretanja računa za puni teret, te je ono fiksno i kod bilo kojeg drugog opterećenja.

Osnovni nedostatak je ipak ako se pojave tereti veći nego što su projektom predviđeni, jer su onda strujni udarci izvan željenih vrijednosti. Zbog toga se u posljednje vrijeme prelazi na kraćenje otpornika uz vjernije praćenje promjene opterećenja.