3.0 pogonski strojevi za bps-e (dio 1. - em pogoni) filepogonski strojevi za bps-e_ nastavni...
TRANSCRIPT
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 1
3.0 POGONSKI STROJEVI ZA BPS-e (dio 1. - EM pogoni)
Pogonski strojevi proizvode mehaničku energiju koja je potrebna za rad nekog brodskog
stroja ili uređaja. Zavisno o obliku energije koja se koristi za proizvodnju mehaničke energije,
pogonski strojevi se dijele na prvopokretače i pretvarače energije. Prvopokretači (lat. Primus
movens) su strojevi koji pretvaraju primarni oblik energije u mehaničku energiju, a pretvarači
energije pretvaraju neki od sekundarnih oblika energije u mehaničku energiju. Pogonski strojevi
(sustavi) za BPS-e su :
Prvopokretači :
parno- turbinski sustavi i parni sustavi sa stapnim parnim strojem,
plinske turbine,
motori s unutrašnjim izgaranjem.
Pretvarači energije :
hidraulički pogoni,
elektromotorni pogoni,
pneumatski pogoni .
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 2
3.1 Elektromotorni pogoni
Brodski elektromotorni pogon je sastavljen od električnih strojeva i uređaja koji koristeći i
trošeći električnu energiju proizvode mehaničku energiju. Elektromotorni pogon se sastoji od
elektromotora, sustava za napajanje i sustava za upravljanje i regulaciju (Slika 3.1). Zajedno s
ostalim skupinama brodskih električnih strojeva i uređaja čine elektroenergetski sustav broda
(Slika 3.2).
Slika 3.1 Sastav brodskog elektromotornog pogona
Slika 3.2 Sastav brodskog elektroenergetskog sustava
Karakteristike brodskih elektromotornih pogona su:
- jednostavan prijenos i pretvorba energije,
- trenutna raspoloživost pogona,
- velika pouzdanost i dugotrajnost,
- pogodnost održavanja,
- pogodnost oblika, mase i dimenzija,
- jednostavno upravljanje i regulacija,
- stabilna pogonska karakteristika,
- čisti rad, minimalno zagađenje okoline,
- opasnost od strujnog udara,
- opasnost izazivanja požara iskrenjem ili pregrijavanjem,
- osjetljivost na uvjete u kojima rade na brodu.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 3
Elektromotori
Elektromotori su rotacijski električni strojevi koji koriste i troše električnu energiju da bi
proizveli mehaničku energiju. Prema vrsti struje koja se koristi za njihovo pokretanje dijele se na
istosmjerne i izmjenične elektromotore.
Osnovna podjela elektromotora prikazana je na Sl.
3.
Sl. 3.3 Podjela elektromotora
Istosmjerni elektromotori
Princip rada i veza između osnovnih radnih značajki (parametara) prikazana je na Sl. 3.4.
Slika 3.4 Prikaz principa rada istosmjernog elektromotora
Prema vrsti spoja između uzbudnog i armaturnog namota razlikujemo serijske, paralelne i
kompaudne istosmjerne elektromotore (Sl.3.5)
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 4
Slika 3.5 Vrste spajanja uzbudnog i armaturnog namota kod istosmjernih EM
Radni uvjeti
Uvjeti okoline i pogonski uvjeti na brodu razlikuju se od uvjeta na kopnu. Elektromotorni
pogoni izrađeni za rad na kopnu ne mogu (ili vrlo rijetko) koristiti za rad na brodu. Klimatske
prilike na brodu, a naročito na palubama, mijenjaju se ovisno o godišnjem dobu i geografskom
području plovidbe. Propisi zahtjevaju da brodski elektromotorni pogoni moraju zadovoljavajuće
raditi u temperaturnom području 248 K T 318 K (-25 0C t +450C). Morski zrak je vlažan i
sadrži soli. Relativna vlažnost zraka iznosi na palubi 70-95%, a u unutrašnjosti broda 40-70%.
U 1m3 zraka nalazi se 2-5 mg soli. Zrak u strojarnici sadrži ulje (5-20 mg/ m3), metalne čestice i
čestice čađe. Vlažna sol se taloži na metalnim dijelovima, koji zbog elektrolitskog djelovanja jako
korodiraju. Prevlaka od vlažne soli, metalnih čestica i čađe izaziva na izolatorima, vodičima i
ostalim električki aktivnim dijelovima strojeva i uređaja pojavu “puzajućih struja” ili proboj
izolacije. Propisi zahtjevaju da brodski elektromotorni pogoni moraju pouzdano raditi i u uvjetima
posrtanja do 100 , trajnog pramčanog ili krmenog trima od 50, trajnog poprečnog nagibanja
broda do 150 i bočnog ljuljanja od 22,50 . Pored toga na brodu su prisutne vibracije različitih
frekvencija kao posljedica uzajamnog djelovanja pogonskog stroja, opreme, vijka i trupa broda.
Zavisno o tipu i namjeni broda postoje vjerojatnosti mehaničkih udaraca po elementima
elektromotornog pogona, dodira dijelova pod naponom, ulaska vode, upadanja različitih
mehaničkih tijela i prašine u elemente pogona. Često se elektromotorni pogon mora smjestiti u
prostor gdje su prisutne eksplozivne smjese, kao što su brodska skladišta za potrošne zapaljive
materijale ili teretni prostori za prijevoz zapaljivih i lako zapaljivih tereta. Pogonske karakteristike
brodskih pomoćnih strojeva su vrlo različite. Potrebno ih je detaljno poznavati da bi smo mogli
izvršiti pravilan izbor elektromotornog pogona. Za primjer, na Sl. 3.6 i Sl.3.7 prikazane su dvije
tipične pogonske karakteristike BPS-a.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 5
Slika 3.6 Izgled tipične pogonske karakteristike centrifugalne pumpe
Sl. 3.7 Tipična pogonska karakteristika sidrenog vitla
Standardi i propisi za izradu i ugradnju brodskih elektromotornoh pogona
Radi povećanja sigurnosti broda, sigurnosti života i zaštite života i pomorskog okoliša,
različite međunarodne i nacionalne institucije (IMO, IACS, EFTA, ILO, Klasifikaciona društva i
dr.) donose međunarodne i nacionalne propise koji definiraju relevantne tehničke uvjete i ostale
zahtjeve koje moraju ispunjavati elektromotorni pogoni da bi se ugradili na brod. Tako je
Međunarodna pomorska organizacija IMO (International Maritime Organisation) donijela
Međunarodnu konvenciju o sigurnosti života na moru SOLAS 1974 (International Convention for
the Safety of Life at Sea 1974) , koja definira minimalne zahtjeve bitne za sigurnost ljudskih
života i materijalnih dobara na moru. Niz pravila iz te konvencije odnose se i na brodske
električne uređaje.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 6
Pojedine tehničke karakteristike elektromotornih pogona : vrsta struje napajanja, veličina
napona, frekvencija, vrsta pogona, stupanj zaštite, vrsta hlađenja, oblik i dr. su standardizirane.
Klasifikaciona društva (Registri) propisuju standardne i dopuštene iznose napona zavisno o vrsti
sustava napajanja, namjeni i vrsti broda. Kod istosmjernog sustava napona standardni iznos
napona brodske mreže je 220V, a najviši dopušteni iznos napona je 500 V. Iznimno se može
dozvoliti iznos napona i do 1200V za napajanje motora istosmjerne struje za pogon propelera.
Kod izmjeničnih sustava napona danas prevladavaju trofazni sustavi kao osnovni (temeljni).
Jednofazni napon i svi ostali niži iznosi napona (sigurnosni napon, napon za slučaj nužde i dr.)
dobivaju se razdiobom ili transformacijom iz osnovnog sustava. Kod jednofaznih sustava
standardni napon iznosi 220V ili 250V ovisno o frekvenciji struje koja može biti 50 ili 60 Hz.
Brodska mreža sa trofaznim sustavom ima standardni linijski napon 380V i frekvenciju 50Hz
(Evropa) ili standardni linijski napon 440V i frekvenciju 60Hz ( Sj. Amerika). Za napajanje
elektromotornih pogona velikih snaga, a naročito kod visokonaponskih elektromotora za pogon
propelera (električna propulzija) koriste se viši naponi. Time se postiže smanjivanje struje
opterećenja i struje kratkog spoja, a to utječe na relativno smanjenje troškova izgradnje
elektromotornog pogona i sustava za razvod električne energije. Kod primjene viših napona
koriste se standardni iznosi napona do 500V ili do 1000V. Uobičajeni iznosi napona za
elektromotorne pogone su 600V ili 660V. Za više napone od ovih koristi se srednjenaponsko
postrojenje sa standardnim iznosima napona 3/3,3 kV , 6/6,6 kV , 10/11 kV kod nazivne
frekvencije 50 Hz ili 60 Hz. Najviši iznos napona na brodovima, koji dopuštaju klasifikaciona
društva, iznosi 11 kV.
Pogonska karakteristika elektromotornog pogona mora biti prilagođena vrsti pogona. Vrste
pogona su standardizirane karakteristike opterećenja pogonskog stroja, u stacionarnim i u
nestacionarnim uvjetima rada. Označavaju se standardnim oznakama S1 do S7 koje znače:
S1- trajni pogon,
S2- kratkotrajni pogon,
S3- intermitentni pogon,
S4- intermitentni pogon sa utjecajem polazne stuje,
S5- intermitentni pogon sa utjecajem polazne stuje i struje kočenja,
S6- neprekidni pogon sa intermitentnim opterećenjem,
S7- neprekidni pogon sa utjecajem struje ubrzavanja i struje kočenja.
Dijagrami pogonskih karakteristika S1, S2 i S3 prikazani su na slikama Sl.3.8; Sl.3.9; i Sl.3.10
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 7
Sl.3.8 Pogonska karakeristika elektromotornog pogona S1
Sl.3.9 Pogonska karakeristika elektromotornog pogona S2
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 8
Sl.3.10 Pogonska karakeristika elektromotornog pogona S3
.U svrhu zaštite od klimatskih, mikroklimatskih i mehaničkih utjecaja i zaštite ljudi od udara
električne struje, elektromotorni pogoni moraju imati odgovarajući stupanj mehaničke zaštite.
Stupnjevi mehaničke zaštite su stadardizirani i nose oznaku IP (IP - International Protection).
Potrebni stupanj mehaničke zaštite zavisi o smještaju elektromotornog pogona. Na primjer za
električnu opremu koja je smještena na otvorenoj palubi najniži stupanj mehaničke zaštite treba
iznositi IP56 (brojčana oznaka na prvom mjestu(5) označava stupanj zaštite ljudi od dodira
dijelova pod naponom i pokretnih dijelova unutar kućišta, a brojčana oznaka na drugom
mjestu(6) označava stupanj zaštite od ulaska vode u kućište). U brodskim zatvorenim ili
poluzatvorenim prostorima, u kojima može doći do stvaranja eksplozivne mješavine para,
plinova ili prašine sa zrakom, dopušteno je korištenje električne opreme
samo ako je izvedena sa odgovarajućim stupnjem protueksplozijske zaštite. Prostorije i prostori
koji su opasni zbog mogućnosti eksplozije ovise o tipu i namjeni broda, a precizno su definirani
u pravilima klasifikacionih društava (registara). Dijele se prema stupnju opasnosti od eksplozije
na tri zone :
zona opasnosti 0 - eksplozivna smjesa je trajna ili postoji duže vrijeme,
zona opasnosti 1 - eksplozivna smjesa se očekuje samo u normalnom radu tijekom
tehnološkog procesa,
zona opasnosti 2 - eksplozivna smjesa normalno nije prisutna, a ako se i pojavi traje
kratko vrijeme.
Oprema mora biti konstruirana, proizvedena i ispitana prema zahtjevima IEC (International
Electrotechnical Commision) i mora imati potvrdu o provedenom tipskom ispitivanju od
ovlaštene ustanove. Vrste i oznake protueksplozijske zaštite elektromotora su:
Exd – elektromotori s neprodornim oklopom,
Exe – elektromotori s povećanom sigurnošću,
Exp – elektromotori s kućištem pod tlakom.
Od svih brodskih električnih uređaja zahtjeva se da zadovoljavajuće rade u čitavom području
temperatura okoline koje mogu biti imeđu –250 C do +450 C. Ako elektromotori rade u strojarnici
broda tada temperatura okoline može dosegnuti i 600 C. Zbog gubitaka koji se javljaju kod
pretvaranja električne energije u mehanički rad stvara se određena količina topline koja dovodi
do povećanja temperature na pojedinim dijelovima električnog stroja ili uređaja. Kod visokih
temperatura okoline, može doći do nedozvoljenog porasta temperature tih dijelova. Razlika
između trenutačne temperature električnog stroja i temperature okoline naziva se
nadtemperatura. Dopuštena nadtemperatura određena je klasom izolacije. Prema preporuci IEC
dopuštena nadtemperatura električnog stroja Td određena klasom izolacije, treba se smanjiti
za toliko stupnjeva za koliko je temperatura okoline T0 viša od 400 C:
Td, = Td + 40 - T0 ,
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 9
gdje je Td, umanjena vrijednost dopuštene nadtemperature, kada temperatura okoline prelazi
vrijednost od 400 C. Vrste hlađenja elektromotora također su standardizirane, a označavaju se
sa standardnom oznakom IC (International Cooling) i sa dvije znamenke. Npr. oznaka IC41
označava da elektromotor ima vlastito hlađenje zrakom iz okoline po vanjskoj površini. Oblici
elektromotora su također standardizirani. Standardna oznaka nosi predznak IM (International
Mounting) . Na pr. :
IM B3 – elektromotor sa nogama za pričvršćenje
IM B5 – elektromotor sa prirubnicom
Osnovni kriteriji za izbor elektromotornog pogona BPS-a
Elektromotorni pogoni su najzastupljenija vrsta pogona kod velike većine suvremenih vrsta
brodova. Primjenjuju se za :
pogon većine standardnih brodskih pomoćnih strojeva u gotovo svim brodskim sustavima
(pumpe, kompresori, ventilatori, sidrena, pritezna i teretna vitla, kormilarski strojevi …)
pogon specijalnih brodskih pomoćnih strojeva (vodonepropusna i protupožarna vrata,
mrežna vitla ribarskih brodova, dizalice za ratnu opremu kod ratnih brodova, specijalne
dizalice za kontejnere, bagerske pumpe…)
pogon propulzora ( glavni brodski vijak, propulzori za aktivno upravljanje smjerom plovidbe,
propulzori za manevar…)
Već se iz prikaza primjene može zaključiti da elektromotorni pogoni moraju zadovoljavati čitav
niz različitih zahtjeva u svim režimima plovidbe, odnosno rada broda (plovidba, manevar, rad u
luci). Najznačajniji su slijedeći zahtjevi :
raspoloživa snaga pogona za različite režime rada,
raspoloživo područje brzine vrtnje i mogućnost regulacije i upravljanja,
vanjska karakteristika
vrsta pogona
stupanj automatiziranosti,
oblik i gabariti,
vrsta napajanja,
uvjeti okoline,
mogućnosti pogona za slučaj nužnosti,
pouzdanost, raspoloživost i pogodnost održavanja.
Naravno da sa jednim izborom elektromotornog pogona nije moguće istovremeno ispuniti sve
zahtjeve na najbolji način. Izbor je uvijek rezultat određenih kompromisa na koje se treba
odlučiti tek nakon višekriterijske analize mogućih rješenja. Međutim, bez obzira koje od mogućih
rješenja prihvatili, svako rješenje mora osiguravati da elektromotorni pogon ima stabilnu radnu
karakteristiku i da je prilagođen vrsti pogona (S1 –S7).
Prema značajkama radne karakteristike BPS-i mogu se podjeliti na :
BPS-e s konstantnim momentom, Mt = konstanta, Mt f(n) ,
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 10
BPS-e s promjenjivim momentom, kod kojih se moment mijenja linearno Mt n, Mt = f(n),
ili s kvadratom broja okretaja, M
).
13).
t n2 , Mt = f(n2
Kada je Mt = konstanta, snaga stroja Pt raste linearno s kutnom brzinom, Pt . U toj grupi
strojeva se nalaze vitla , dizalice, kompresori, klipne pumpe i dr.(Sl. 3.11). Kada je Mt
snaga stroja Pt raste s kvadratom kutne brzine, Pt 2. U toj grupi se nalazi npr. kormilarski
stroj (Sl.3.12). Kada je Mt 2 snaga stroja Pt raste s trećom potencijom kutne brzine, Pt 3.
U toj grupi se nalaze centrifugalne pumpe, vijčane pumpe, centrifugalni ventilatori i dr.(Sl.3.
Sl.3.11 Radna karakteristika BPS sa konstantnim momentom
Sl.12 Radna karakteristika BPS sa karakteristikom MT ~ ω
Sl.13 Radna karakteristika BPS sa karakteristikom MT ~ ω2
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 11
Prema radnim karakteristikama pogonjenih strojeva odabiru se karakteristike elektromotornih
pogona, odnosno pogonskih elektromotora. Elektromotor treba imati odgovarajuću vanjsku
karakteristiku koja će omogućiti stabilan rad sustava i pogonske karakteristike koje odgovaraju
vrsti pogona (S1-S7).
Vanjska karakteristika elektromotora ovisi o vrsti elektromotora. Općenito, elektromotorni pogon
treba imati sljedeće karakteristike :
u čitavom opsegu brzina do radne točke mora biti moment elektromotora MEM veći od
momenta tereta MT , MEM MT
radna točka mora biti stabilna,
vrijeme zaleta elektromotora tz mora biti što kraće, da ne bi došlo do pregrijavanja
elektromotora.
Na Sl.3.14 prikazan je dijagram rada asinhronog trofaznog EM i BPS-a koji ilustrira
zadovoljavanje navedenih kriterija za pravilan izbor elektromotornog pogona. .
Sl. 3.14 Dijagram zajedničkog rada brodskog pomoćnog stroja i eletromotora
Veličina momenta elektromotora, u trenutku pokretanja iz stanja mirovanja, definira se kao
potezni moment MP . Potezni moment mora biti veći od momenta tereta u stanju mirovanja, da
bi elektromotor mogao krenuti.
Serijski istosmjerni motori su pogodni za pogone gdje je potreban veliki potezni moment
(Sl.3.15). Pored toga iz karakteristike M=f(I) i n=f(I), (Sl.3.16) vidi se da je ova vrsta
elektromotornog pogona vrlo pogodna za pogone s promjenjivom brzinom vrtnje. Npr. u
području rada s relativno malim strujama ( I < ) ako se od motora zahtjeva veličina momenta
vrtnje koja je četiri puta veća od neke trenutne veličine, tada će toj vrijednosti momenta
odgovarati dvostruko veća veličina struje opterećenja, odnosno dvostruko manja brzina vrtnje.
Dakle, serijski istosmjerni motor odgovara na povećano mehaničko opterećenje smanjenjem
brzine vrtnje, a opterećenje savladava s relativno malom strujom.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 12
Sl.3.15 Pogonska (radna) karakteristika serijskog istosmjernog EM
Sl.3.16 Pogonska i električna karakteristika serijskog istosmjernog EM
Prema izgledu karakteristike istosmjernog paralelnog motora (Sl.3.16, Sl.3.17)), može se
zaključiti da se jakost armaturne struje povećava s povećanjem momenta EM, a regulacijska
karakteristika broja okretaja je „tvrda“, tj. relativno se malo mijenja broj okretaja s promjenom
armaturne struje.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 13
Sl.3.16 Pogonska (radna) karakteristika paralelnog istosmjernog EM
Sl.3.17 Regulacijska karakteristika paralelnog istosmjernog EM
Pogodnost regulacije brzine vrtnje elektromotornog pogona veoma je važna pogonska
karakteristika, posebno za pogon brodskih strojeva, kod kojih se zavisno o režimu plovidbe
broda mijenjaju i uvjeti rada strojeva i uređaja.
Broj okretaja n kod istosmjernih elektromotora definiran je izrazom :
1K
RIEn AAA
gdje su:
EA – napon između stezaljki armaturnog namotaja,
IA – jakost struje kroz armaturni namotaj,
RA – omski otpor armaturnog namotaja,
K1 – karakteristika motora,
- jakost magnetskog toka.
Promjena broja okretaja moguća je :
a) promjenom veličine napona EA,
b) promjenom veličine otpora u krugu armaturnog namota,
c) promjenom veličine magnetskog toka .
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 14
Zato kažemo da je regulacija brzine vrtnje istosmjernih elektromotora moguća ili regulacijom
veličine napona (a i b) ili regulacijom veličine magnetskog polja (c).
Regulacija veličine napona, uključivanjem regulacionog promjenjivog otpornika u armaturni krug
elektromotora, omogućava samo smanjivanje broja okretaja u odnosu na nazivni broj okretaja.
Vrlo je neekonomična, jer se na regulacionom otporniku jedan dio električne energije pretvara u
nekorisnu toplinsku energiju. Gubitak snage zbog dodatnog otpora iznosi Pgub.= IA2R, a to
uvećava ukupne gubitke. Zato je korisnost elektromotora EL kod primjene ove vrste regulacije
niska. Bolja se korisnost postiže kombinacijom regulacije veličine napona i veličine magnetskog
polja.
Općenito se može reći da je broj okretaja sinhronih i asinhronih elektromotora konstantan i
neovisan o veličini opterećenja u radnom području elektromotornog pogona. Sinhroni
elektromotori imaju “tvrdu” karakteristiku jer se, za bilo koju vrijednost jakosti struje I unutar
radnog područja, elektromotor vrti sa sinhronim brojem okretaja.
Broj okretaja asinhronog elektromotora definiran je izrazom:
sp
fsnn S
1
601
gdje su:
n – broj okretaja elektromotora,
nS – sinhroni broj okretaja (brzina vrtnje rotacionog magnetskog toka),
s - skliz,
f - frekvencija struje napajanja,
p - broj parova polova
Asinhroni elektromotori imaju “mekšu” karakteristiku, jer se kod nominalne veličine opterećenja
elektromotor vrti brzinom koja je manja od sinhrone brzine. Veličina brzine vrtnje određena je
veličinom skliza s koji je definiran izrazom:
S
S
n
nns
Kod kaveznih asinhronih elektromotora veličina skliza s najčešće iznosi od 46% nS .
Općenito, regulacija broja okretaja asinhronih elektromotora moguća je :
a) promjenom frekvencije,
b) promjenom broja parova polova,
c) promjenom napona,
d) uključivanjem dodatnog otpora,
e) kaskadnim spojem elektromotora.
Za postupak regulacije brzine promjenom frekvencije potreban je uređaj koji se zove
pretvarač frekvencije. Regulacija je kontinuirana i u relativno širokom području radnih brzina.
Ako se istovremeno regulira i veličina napona tako da se izbjegne pogoršavanje radne
karakteristike elektromotora, tada je ova vrsta regulacije veoma prikladna za elektromotorne
pogone brodskih strojeva koji zahtjevaju kontinuiranu promjenu broja okretaja.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 15
Regulacija brzine promjenom broja parova polova primjenjuje se kod kaveznih asinhronih
elektromotora. Regulacija je gruba i stupnjevita.
Promjenom veličine primarnog napona mijenja se momentna karakeristika motora. Moment
se mijenja sa kvadratom promjene napona. Regulacija brzine svodi se na uspostavljanje
ravnoteže između vanjskog momenta tereta i momenta motora. Regulacija je kontinuirana,
ali su gubici snage relativno veliki.
Uključivanjem otpora u strujni krug rotora mijenja se momentna karakteristika motora i
klizanje, a time i položaj radne točke. Regulacija je kontinuirana, ali su veliki gubici snage na
otpornicima.
Kod kaskadnog spoja direktno su povezana vratila dvaju ili više električnih strojeva. Struja
koja se inducira u rotoru jednoga elektromotora odvodi se na drugi elektromotor, gdje se
pretvara u koristan mehanički rad. Kod ove vrste regulacije izbjegava se toplinski gubitak
koji se javlja kod otporničke regulacije. Regulacija je stupnjevita.
Karakteristika asinkronih elektromotora je relativno mala veličina poteznog momenta (Sl.3.18) .
Sl.3.18 Radna karakteristika asinkronog elektromotora
Da bi se povećao potezni moment, kod asinhronih elektromotora se često koristi upućivanje
pomoću “kontrolera”, uređaja pomoću kojega se regulira veličina struje u strujnom krugu rotora.
Time se ujedno smanjuje veličina potezne struje (Sl. 3.19)
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 16
Sl.3.19 Princip rada „kontrolera“
Kod istosmjernih serijskih motora potezni moment je najveći kod pokretanja , ali je zbog velikih
poteznih struja ( IP = 1033 IN), za snage PN 1 kW potrebno regulirati veličinu struje upuštanja
pomoću uređaja koji se zovu “upuštači”.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 17
Sl.3.20 Princip rada „upuštača“
Dakle i kod istosmjernih i kod izmjeničnih elektromotora potrebno je u fazi upuštanja u rad,
regulirati veličinu potezne struje. Kavezni asinhroni elektromotori snaga Pn 2 kW smiju se
priključiti direktno na mrežu , dok se za snage Pn 2 kW mora primjeniti jedan od načina
pokretanja :
pokretanje pomoću transformatora
pokretanje pomoću statorskih pokretača
pokretanje pomoću sklopke zvijezda – trokut
pokretanje pomoću centrifugalnih remenica ili spojki
Kod stabilnog rada elektromotornog pogona krivulja momenta (vanjska karakteristika) kaveznog
asinkronog motora MEM i krivulja momenta tereta MT sijeku se u točki A koja se zove radna
točka (Sl. 3.14). U točki A broj okretaja elektromotora i pogonjenog stroja (tereta) je jednak i
iznosi nA. U području broja okretaja od n=0 do n=nA , MEM MT , odnosno MEM - MT = M = MZ
, gdje je MZ moment zaleta elektromotora. Posljedica djelovanja momenta zaleta MZ je
ubrzavanje elektromotora i pogonjenog stroja. Vrijeme, koje je potrebno da se postigne broj
okretaja nA, koji odgovara radnoj točki A , zove se vrijeme zaleta tz . Vrijeme zaleta možemo
izračunati pomoću izraza :
dt
dJMZ
gdje su :
J - ukupni moment inercije svih rotirajućih masa reduciranih na os pogonskog vratila,
- kutna brzina pogonskog vratila elektromotora.
Ako je u području od n=0 do n=nA , MZ konstanta , može se pisati :
.konstdt
d
odnosno :
Z
Z M
Jt
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 18
Vrijeme zaleta je veoma važno, naročito kod kaveznih asinhronih motora. Naime, sve do
trenutka dok se ne uspostavi ravnoteža u radnoj točki A elektromotor radi s velikim sklizom i
povlači iz električne mreže struju koja je 5-7 puta veća od nazivne struje IN što dovodi do velikog
toplinskog opterećenja namotaja elektromotora i uređaja za napajanje strujom . Sa povećanjem
veličine MZ smanjuje se vrijeme zaleta tz , a sa time i opasnost od oštećenja odnosno kvara
elektromotora. Na Sl.(3.14) principijelno je prikazana radna karakteristika elektromotora sa
"stabilnom karakteristikom". Ako se u tijeku rada smanji broj okretaja stroja od nA na vrijednost
nB , razlika momenata MEM - MT =M 0 , ubrzava stroj do trenutka kada se ponovno
uspostavlja ravnoteža u točki A. Ako se u tijeku rada poveća broj okretaja stroja od nA na
vrijednost nC , razlika momenata MEM - MT =M 0 , usporava stroj do trenutka kada se
ponovno uspostavlja ravnoteža u točki A. Dakle i u jednom i u drugom slučaju pogonska grupa
osigurava stabilnost pogona.
Ward-Leonardova pogonska grupa (Sl.3.21)
Elektromotorni pogon koji u sebi objedinjava dobre karakteristike izmjeničnih asinhronih
elektromotora i istosmjernih elektromotora , a istovremeno osigurava mogućnost kontinuirane ,
ekonomične i pouzdane regulacije broja okretaja poznat je pod nazivom Ward-Leonardov
elektromotorni pogon. Osnovni sastav pogona prikazan je na Sl. 3.21. Trofazni asinhroni
elektromotor napaja se izmjeničnom strujom iz trofazne brodske mreže i pokreće istosmjerni
generator. Uzbudni namotaj generatora napaja se istosmjernom strujom iz istosmjernog izvora
(mreže) preko regulacionog otpornika R. Promjenom veličine uzbudne struje, mijenja se veličina
induciranog napona generatora, a time i veličina napona na stezaljkama pogonskog
istosmjernog elektromotora. Tako se ostvaruje mogućnost regulacije brzine vrtnje promjenom
napona . Na taj način regulira se brzina vrtnje od n=0 do n=nnom. Uzbudni namotaj istosmjernog
elektromotora napaja se iz istosmjernog izvora preko regulacionog otpornika R. Promjenom
veličine uzbudne struje, mijenja se veličina magnetskog toka , a posljedica toga je promjena
brzine vrtnje. Tako se ostvaruje mogućnost regulacije brzine vrtnje i promjenom magnetskog
toka. Na taj način regulira se brzina vrtnje n nnom. Ward-Leonardov spoj je vrlo pogodan za
pogon brodskih pomoćnih strojeva jer omogućava pretvaranje trofaznih izmjeničnih
elektromotornih pogona s lošom karakteristikom regulacije brzine vrtnje u istosmjerne
elektromotorne pogone sa dobrim pogonskim karakteristikama.
Pogonski strojevi za BPS-e_ nastavni predložak_EM pogoni) 19
Sl.3.21 Principijelna shema Ward-Leonardove pogonske grupe
Izbor vrste elektromotornog pogona prema osnovnim kriterijima
OSNOVNI KRITERIJ VRSTA ELEKTROMOTORNOG POGONA NAPOMENA
n = konstantno kavezni, asinhroni EM
2-4 stupnja brzine kavezni, asinhroni EM polnopreklopivi EM
n, P, MP kolutni, asinhroni EM n , pogodna din. i
stat. pogonska karakteristika
Ward-Leonardova pogonska grupa pogonski motor za BPS je
istosmjerni EM
n izmjenični, sinhroni i asinhroni EM regulacija brzine vrtnje pomoćupretvarača frekvencije i mikroproc. upravlj. sklopova
OSNOVNI KRITERIJ VRSTA ELEKTROMOTORNOG POGONA NAPOMENA
Ward-Leonardova pogonska grupa pogonski motor za BPS je istosmjerni EM Pn, n
istosmjerni EM napajanje iz trofazne mreže preko elektroničkog ispravljača
Veličina snage P=100–300 W jednofazni asinhroni kavezni EM
P 100 kW trofazni asinhroni kavezni EM
P 200-300 kW, n trofazni asinhroni EM kontinuirana promjena brzine vrtnje pomoću pretvarača frekvencije
P 800 kW, n trofazni asinhroni kavezni EM polnopreklopivi EM
P 1-1,5 MW kavezni asinhroni EM napajanje EM-a iz posebnog sinhronog generatora
P 500 Kw, n-stupnjevito
kolutni asinhroni EM EM su u kaskadnom spoju