Elektromehaničko pretvaranje energije

1 

УВОД

1.1 

Енергетски

претварачи

и

електричне

машине

Електричне

машине

су

енергетски

претварачи

, 

направе

које

претварају

је

-

дан

вид

енергије

у

други

. 

Енергетски

претварачи

стварају

механички

рад

користећи

електричну

енергију

, 

претварају

електричну

енергију

система

са

једносмерним

струјама

у

електричну

енергију

система

са

наизменичним

струјама

, 

претварају

механички

рад

у

електричну

енергију

, 

или

трансфор

-

мишу

електричну

енергију

једног

система

напона

и

струја

у

енергију

дру

-

гог

система

. 

1.1.1  

Обртни

енергетски

претварачи

Електричне

машине

које

претварају

електричну

енергију

у

механички

рад

називају

се

електричним

моторима

или

електромоторима

. 

Машине

које

претварају

механички

рад

у

електричну

енергију

називају

се

електричним

генераторима

. 

Механички

рад

се

најчешће

јавља

у

виду

обртног

кретања

, 

тако

да

се

електрични

мотори

и

генератори

називају

и

обртни

енергетски

претварачи

или

обртне

електричне

машине

. 

Процес

претварања

електрич

-

не

енергије

у

механички

рад

назива

се

електромеханичко

претварање

или

електромеханичка

конверзија

. 

За

разлику

од

обртних

претварача

, 

енергет

-

ски

трансформатори

су

електричне

машине

које

немају

покретних

дело

-

ва

и

који

претварају

електричну

енергију

једног

система

наизменичних

струја

у

енергију

другог

система

наизменичних

струја

. 

Два

система

имају

струје

једнаке

учестаности

, 

али

је

напонски

ниво

другачији

услед

тран

-

сформације

. 

У

оквиру

ове

књиге

проучавају

се

обртне

електричне

машине

, 

електрични

генератори

и

мотори

, 

док

су

енергетски

трансформатори

дати

у

другим

уџбеницима

. 

Електричне

машине

имају

струјна

кола

, 

које

чине

изоловани

проводни

-

ци

, 

као

и

магнетска

кола

, 

начињена

од

феромагнетских

материјала

. 

Маши

-

не

стварају

механички

рад

захваљујући

дејству

електромагнетских

сила

на

проводнике

и

феромагнетике

који

се

налазе

у

магнетском

пољу

. 

Услед

2      1 

УВОД

промене

магнетског

поља

долази

до

индуковања

електромоторних

сила

у

проводницима

, 

што

омогућује

да

се

генерише

електрична

енергија

. 

Рад

енергетских

трансформатора

заснива

се

на

електромагнетској

спрези

при

-

марних

и

секундарних

намотаја

који

обухватају

исто

магнетско

коло

1.1.2  

Статички

енергетски

претварачи

Поред

електричних

машина

, 

постоје

и

енергетски

претварачи

чији

рад

није

базиран

на

електромагнетској

спрези

нити

на

спрезању

струјних

кола

уз

помоћ

магнетског

кола

. 

Претварачи

који

садрже

полупроводничке

прекидаче

снаге

познати

су

под

именом

статички

енергетски

претварачи

или

уређаји

енергетске

електронике

. 

Један

од

примера

је

диодни

испра

-

вљач

, 

који

има

четири

снажне

полупроводничке

диоде

повезане

у

мост

. 

Напајан

наизменичним

напоном

, 

диодни

исправљач

на

својим

излазним

прикључцима

даје

напон

који

има

једносмерну

компоненту

. 

Дакле

, 

диодни

исправљач

обавља

претварање

електричне

енергије

наизменичних

струја

у

електричну

енергију

једносмерних

струја

. 

Претварање

електричне

енергије

једносмерних

струја

у

електричну

енергију

система

наизменич

-

них

струја

врше

инвертори

, 

статички

претварачи

који

садрже

полупровод

-

ничке

прекидаче

у

виду

транзистора

или

тиристора

начињених

за

велике

струје

и

напоне

. 

Статички

енергетски

претварачи

су

уско

повезани

са

електричним

машинама

, 

али

се

не

изучавају

у

оквиру

ове

књиге

.  

У

страној

и

домаћој

литератури

сусрећу

се

изрази

конверзија

енергије

, 

енергетски

конвертори

, 

конверзија

снаге

и

конвертори

снаге

.  

1.1.3  

Улога

електромеханичког

претварања

енергије

Електромеханичко

претварање

има

кључну

улогу

у

производњи

и

употре

-

би

електричне

енергије

. 

Електрични

генератори

производе

електричну

енергију

, 

док

су

мотори

потрошачи

који

значајан

део

електричне

енергије

претварају

у

механички

рад

, 

потребан

за

производне

процесе

, 

саобраћај

и

друге

примене

. 

Захваљујући

електромеханичком

претварању

, 

енергија

се

преноси

до

удаљених

потрошача

путем

електричних

проводника

. 

Елек

-

трични

пренос

је

веома

поуздан

, 

није

повезан

са

емитовањем

гасова

или

других

штетних

супстанци

, 

и

обавља

се

уз

врло

мале

губитке

енергије

.  

Парне

и

водене

турбине

у

електранама

дају

механички

рад

, 

који

се

пре

-

даје

електричним

генераторима

. 

Унутар

генератора

одвија

се

процес

пре

-

тварања

механичког

рада

у

електричну

енергију

, 

која

је

доступна

на

при

-

кључцима

генератора

у

виду

трофазног

система

наизменичних

струја

и

на

-

пона

. 

Далеководи

високог

напона

преносе

електричну

енергију

до

инду

-

стријских

центара

и

насеља

, 

где

каблови

и

водови

дистрибутивне

мреже

4      1 

УВОД

нетског

поља

и

струја

у

проводницима

. 

Обртне

електричне

машине

имају

непокретни

део

, 

статор

, 

и

покретни

део

, 

ротор

, 

који

се

може

обртати

око

осе

машине

. 

Магнетска

и

струјна

кола

се

могу

налазити

и

на

статору

и

на

ротору

. 

Поред

магнетских

и

струјних

кола

, 

електричне

машине

имају

и

друге

делове

, 

као

што

је

кућиште

, 

вратило

, 

лежајеви

или

прикључци

струј

-

них

кола

.  

1.1.6  

Обртне

електричне

машине

Механички

рад

код

електричних

машина

може

бити

везан

са

обртним

кре

-

тањем

или

транслацијом

. 

Електричне

машине

су

већином

ротациони

елек

-

тромеханички

претварачи

који

дају

обртно

кретање

а

њихов

ротор

има

најчешће

цилиндрични

облик

, 

какав

је

показан

на

слици

 1.1. 

Електричне

машине

које

стварају

линеарно

кретање

зовемо

линеарни

мотори

. 

Линеар

-

ни

мотори

су

заступљени

у

малом

броју

.

Слика

 1.1.

Обртна

електрична

машина

са

цилиндричним

ротором

, 

доступним

преко

вратила

, 

статором

који

има

облик

шупљег

цилиндра

, 

коакси

-

јалног

са

ротором

. 

Струјна

кола

машине

, 

то

јест

намотаји

, 

могу

се

повезати

са

споља

-

шњим

електричним

изворима

или

електричним

потрошачима

. 

Крајеви

на

-

мотаја

су

доступни

у

виду

електричних

прикључака

. 

На

слици

 1.1, 

при

-

кључци

намотаја

k

су

означени

словима

 A 

и

 B. 

Електрични

прикључци

представљају

електрични

прилаз

машине

. 

Будући

да

електричне

машине

обављају

електромеханичко

претварање

, 

оне

имају

електрични

и

механич

-

ки

прилаз

. 

Преко

електричних

прикључака

, 

машина

може

примати

елек

-

тричну

енергију

из

спољашњих

електричних

извора

, 

или

снабдевати

елек

-

тричне

потрошаче

у

електричним

колима

изван

машине

. 

У

случају

када

машина

има

N

намотаја

, 

снага

електричног

прилаза

машине

дата

је

једна

-

чином

 (1.1). 

1.1 

Енергетски

претварачи

и

електричне

машине

      5 

∑

=

=

N

k

k

k

e

i

u

p

1

(1.1) 

Ротор

се

налази

унутар

шупљег

, 

цилиндричног

статора

. 

Дуж

осе

ротора

налази

се

челично

вратило

, 

доступно

на

крајевима

машине

. 

Угаона

брзина

обртања

ротора

и

вратила

означена

је

ознаком

Ω

m

. 

Преко

једног

од

крајева

вратила

, 

приказаног

у

десном

делу

слике

 1.1, 

електрична

машина

може

да

-

вати

или

узимати

механички

рад

. 

Вратило

представља

механички

прикљу

-

чак

машине

. 

Оно

преноси

обртни

моменат

електричне

машине

споља

-

шњим

изворима

и

потрошачима

механичког

рада

.  

Електрични

мотор

претвара

електричну

енергију

у

механички

рад

који

се

путем

вратила

предаје

радној

машини

. 

Мотор

делује

на

радну

машину

кретним

моментом

M

em

, 

док

се

радна

машина

противи

кретању

отпорним

моментом

M

m

. 

У

случају

када

је

кретни

моменат

једнак

отпорном

, 

угаона

брзина

обртања

Ω

m

се

не

мења

. 

Снага

коју

електрични

мотор

предаје

рад

-

ној

машини

одређена

је

производом

брзине

обртања

и

момента

.

m

m

m

M

p

Ω

=

(1.2) 

Електрични

генератор

претвара

механички

рад

у

електричну

енергију

. 

Он

преузима

механички

рад

од

водене

или

парне

турбине

, 

тако

да

снага

p

m

има

негативну

вредност

. 

Обртни

моменат

турбине

M

m

тежи

да

покрене

ро

-

тор

, 

док

се

моменат

M

em

, 

који

ствара

електрична

машина

, 

противи

крета

-

њу

. 

Усвајајући

референтне

смерове

дате

у

десном

делу

слике

 1.1, 

наведени

моменти

имају

негативне

вредности

. 

Величина

p

e

, 

дата

једначином

 (1.1), 

дефинише

електричну

снагу

коју

машина

узима

из

спољашњих

електрич

-

них

кола

, 

то

јест

снагу

узету

из

електричне

мреже

. 

Будући

да

електрични

генератор

претвара

механички

рад

у

електричну

енергију

коју

предаје

електричној

мрежи

, 

код

генератора

снага

p

e

има

негативну

вредност

.

1.1.7  

Реверзибилне

машине

Електричне

машине

су

већином

реверзибилне

. 

Реверзибилна

електрична

машина

може

узети

улогу

генератора

и

претварати

механички

рад

у

елек

-

тричну

енергију

, 

као

и

улогу

мотора

, 

када

претвара

електричну

енергију

у

механички

рад

. 

Прелазак

из

генераторског

у

моторни

режим

рада

је

пра

-

ћен

променом

електричних

и

механичких

величина

међу

којима

су

напон

, 

струја

, 

моменат

и

брзина

обртања

. 

При

промени

режима

рада

реверзибил

-

не

машине

није

потребно

чинити

измене

у

конструкцији

машине

, 

нису

по

-

требне

промене

у

везама

струјних

кола

, 

нити

треба

мењати

начин

спреге

1.2  

Значај

и

примена

електричних

машина

      7 

електрични

мотори

и

који

стварају

контролисано

кретање

у

оквиру

савре

-

мених

производних

машина

, 

индустријских

аутомата

, 

робота

, 

електрич

-

них

возила

и

транспортних

система

.  

Улога

електричних

машина

у

процесу

производње

, 

преноса

, 

дистрибу

-

ције

и

употребе

електричне

енергије

је

на

слици

 1.3. 

За

сваку

од

појединих

фаза

дат

је

кратак

опис

. 

(A) 

Електрична

енергија

се

може

добити

коришћењем

потенцијалне

енерги

-

је

воде

сакупљене

у

акумулационом

језеру

, 

коришћењем

енергије

угља

, 

природног

гаса

и

других

фосилних

горива

, 

коришћењем

енергије

ветра

, 

плиме

и

осеке

, 

коришћењем

нуклеарне

фисије

, 

топлоте

подземних

вода

, 

енергије

сунца

као

и

на

друге

начине

. 

Наведени

ресурси

су

примарни

енер

-

гетски

извори

.   

(B) 

Примарна

енергија

се

у

електранама

најпре

претвара

у

механички

рад

. 

Сагоревањем

фосилних

горива

, 

коришћењем

термалних

извора

или

нукле

-

арног

реактора

добија

се

топлота

која

се

користи

за

загревање

воде

и

про

-

изводњу

прегрејане

водене

паре

. 

Прегрејана

пара

делује

на

лопатице

пар

-

не

турбине

која

се

обрће

брзином

Ω

m

, 

стварајући

тако

кретни

моменат

M

m

. 

У

хидроелектранама

, 

ток

воде

се

усмерава

на

лопатице

водене

турбине

. 

(C) 

Добијена

механичка

снага

P

m

 = 

Ω

m

M

m

се

предаје

електричном

генерато

-

ру

, 

машини

која

обавља

претварање

механичког

рада

у

електричну

енер

-

гију

. 

(D) 

У

електранама

се

најчешће

користе

синхрони

генератори

снаге

од

 0,5 

MW 

до

 1000 MW. 

Статор

генератора

има

три

непомична

фазна

намотаја

. 

На

ротору

постоји

побудни

намотај

који

одређује

флукс

ротора

. 

Роторски

флукс

је

непомичан

у

односу

на

сам

ротор

. 

Будући

да

се

ротор

обрће

, 

то

се

и

магнетско

поље

ротора

обрће

у

односу

на

намотаје

статора

. 

Дакле

, 

обр

-

тање

ротора

проузрокује

промену

флукса

у

намотајима

. 

Услед

промене

флукса

у

намотајима

се

индукује

електромоторна

сила

, 

а

на

крајевима

ста

-

торског

намотаја

јављају

се

наизменични

напони

u

(

t

). 

Машина

је

повезана

са

преносном

мрежом

која

има

улогу

електричног

пријемника

. 

У

фазама

статорског

намотаја

јављају

се

наизменичне

струје

које

зависе

од

потро

-

шача

повезаних

са

генератором

преко

преносне

мреже

. 

Електрична

снага

добијена

на

прикључцима

машине

једнака

је

p

e

 = 

Σ

ui

. 

У

садејству

струја

које

постоје

у

проводницима

статора

и

магнетског

поља

у

генератору

, 

ја

-

вљају

се

електромагнетске

силе

које

делују

на

ротор

и

које

резултују

елек

-

тромагнетским

моментом

M

em

. 

Електромагнетски

моменат

је

мера

меха

-

ничке

интеракције

статора

и

ротора

. 

Будући

да

је

статор

непомичан

 (

учвр

-