Srednja strojna in kemijska šola ELEKTRIČNI POGONI ZA GLAVNA GIBANJA NA OBDELOVALNIH STROJIH Neposredna priklopitev elektromotorja na obdelovalni stroj brez vmesne jermenske prestave ali gredne vezi ( sklopke ) ni primerna, ker se tresljaji prenašajo na zobnike in od tod na obdelovanec. To bi bilo do neke mere dopustno le pri enostavnejših strojih. Električne pogone uporabljajo na obdelovalnih strojih v najbolj različne namene. Ponekod so celo že popolnoma nadomestili zobniške pogone, saj imamo najnovejša podajalna predležja pri univerzalnih in drugih strojih že popolnoma elektrificirana v zadnjem času pa tudi že vretenjake stružnic. Za pogone na obdelovalnih strojih lahko izbiramo med različnimi vrstami elektromotorj ev: a.) KRATKOSTIČNI ASINHRONSKI ELEKTROMOTORJI: Se največ uporabljajo in so najcenejši. Za njihovo delovanje potrebujemo trifazni električni tok. So zelo zanesljivi, edini element, ki se obrablja in s tem določa njihovo življenjsko dobo, je ležaj. b.) ENO SMERNI ELEKTROMOTORJI: Ti motorji so dražji, imajo pa to veliko prednost, da število vrtljajev lahko spreminjamo brez stopenjsko in pa, da nam dajo konstanten moment v celem območju vrtljajev ( pri višjih vrtljajih bo obremenitev na motor lahko enako velika kot pri nižjih - ni nihanja v hitrosti vrtenja zaradi obremenitve. c.) SERVOMOTORJI: Tudi servomotorji so lahko izmenični ali pa enosmerni. Dajejo konstanten moment, lahko jih pozicioniramo ( ustavimo) v določeni legi in so zelo natančni zato se uporabljajo za CNC obdelovalne stroje. d.) KORAČNI MOTORJI: Prav tako omogočajo krmiljenje in pozicioniranje, vendar zaradi same narave delovanja ( njihov vrtljaj je razdeljen na določeno število korakov) ponavadi niso zadosti natančni za zahtevne obdelave, lahko pa j ih uporabimo za manj še natančnosti, predvsem pa so široko uporabni v montaži. e.) LINEARNI MOTORJI: Te motorji se uporabljajo več šele v zadnjem času. Uporabljamo jih predvsem tam kjer imamo potrebo po lineamem ( prem em ) gibanju saj nimajo vrtečih se delov. Pripravil: Robert Jamnik Stran 1 Srednja strojna in kemijska šola KRATKOSTIČNI ASINHRONSKI ELEKTROMOTORJI Rotor trifaznega asinhronskega motorja s kratkostično kletko je valjaste oblike in je sestavljen iz paketa železne pločevine, ki je lamelirana podobno kot pri rotorju enosmernega stroja. V najenostavnejši izvedbi so na obodu železnega jedra rotorja razmeščene luknje, skozi katere potisnejo tanke bakrene palice, ki jih na čelni strani povezujeta dva kratkostična obroča v tako imenovano kletko. Namesto vtisnjenih bakrenih palic je celotno rotorsko navitje lahko vlito iz aluminija s tlačnim lit jem. Principielno zgradbo železnega paketa rotorja lil obliko kratkostične kletke prikazuje slika xx. Tudi stator je valjaste oblike in se sestoji iz železnih kolobarjev, ki predstavljajo lamele stroja, v katerih so vtisnjeni utori, ki nosijonavitje statorja. Tak motor je najenostavnejši, najcenejši in najzanesliveješi elektromotor, ker ne potrebuje nikakršnega dragega rotorskega navitja, ne potrebuje komutatorja, drsnih obročev in ščetk Ko asinhronski motor priključimo na trifazno omrežje, se začne vrteti magnetno polje statorja s sinhronsko vrtilno hitrostjo in sicer neodvisno od tega ali je rotor vgrajen ali ne. t. n=- p V zgornji enačbi je ij frekvenca napajalne napetosti posamezne faze statorja, p pa število polovih parov posamezne faze statorja. Vrtilno magnetno polje se suče po obodu statorja v sourni smeri in inducira v palicah doslej še mirujočega rotorja napetost U , ki po palicah požene rotorski tok 1 označene smeri. Po pravilu leve roke dobimo silo na posamezno palico oziroma vrti Ini moment, ki rotor zasuče v smeri, v katero se vrti vrtilno magnetno polje statorja. Pri tem se rotor zavrti s vrtilno hitrostjo n2, ki sinhronske vrti Ine hitrosti vrtilnega magnetnega polja n, nikoli ne doseže, razen če rotorju pri vrtenju pomaga zunanji aktivni moment. Če predpostavimo, da bi se rotor zavrtel s sinhronsko vrtilno hitrostjo n, bi v tem trenutku palice rotorskega navitja ne prečkale več silnic vrtilnega magnetnega polja, kar ima za posledico, da se ne inducira nobena napetost in da rotorski tok preneha teči. Ker preneha delovati tudi sila na posamezno palico rotorskega navitja, ni več vrtilnega momenta in rotor se začne ustavljati, razen če vrtenje vzdržujemo z zunanjim aktivnim momentom. Zaostajanje vrti Ine hitrosti rotorja za sinhronsko vrtilno hitrostjo merimo z zdrs om oziroma slipom. Če obremenitev asinhronskega motorja narašča, vrti Ina hitrost pada. Odvisnost vrtilne hitrosti od notranjega vrtilnega momenta je v precejšnem delu karakteristike skoraj popolnoma linearna. Če pa tak motor preobremenimo se začne pregrevati in ga lahko uničimo. Pripravil: Robert Jamnik Stran 2 Srednja strojna in kemijska šola Zagon trifaznih asinhronskih motorjev Zagon kratkostičnih motorjev majhnih moči lahko izvedemo z direktno priključitvijo na omrežno napetost, pri čemer lahko statorsko navitje motorja vežemo bodisi v zvezdo, bodisi v trikot z enostavnim preklopom premostitvenih kontaktov v priključni omarici motorja. Da bi se izognili motečim tokovnim sunkom oziroma nihanjem napetosti, je direkten zagon motorjev s kratkostično kletko dovoljen največ do 5,5 kW moči. Večje motorje lahko na omrežje priključujemo samo z znižano napetostjo, s čimer omilimo sicer prevelike zagonske tokove. V najpreprostejšem primeru zadostuje v ta namen uporaba stikala zvezda-trikot. Ker se da vsak trifazni asinhronski motor priključiti bodisi v zvezdo bodisi v trikot, uporabljamo pri zagonu vezavo zvezda s fazno napetostjo 220 V, v obratovanju pa vezavo trikot s fazno napetostjo 380 V, tako da je ob zagonu motor priključen na nižjo napetost, ne da bi zato morali uporabiti predupor ali zagonski transformator. Zagonski tok se s pomočjo stikala zvezda-trikot občutno zmanjša, zagonski moment pa večinoma že zadošča, v skrajnem primeru si lahko pomagamo s centrifugalno sklopko, s pomočjo katere motor prevzame obremenitev delovnega stroja šele potem, ko je zagon motorja končan. Statorske zaganjalnike moramo uporabljati pri zagonu kratkostičnih motorjev, ki jih iz obratovalnih ali kakšnih drugih razlogov ne smemo zaganjati s stikalom zvezda-trikot. Po predpisih mora biti zagonski tok ob uporabi statorskega zaganjalnika omejen na dvojno vrednost nazivnega toka, moč motorja pa ne sme presegati 15 kW, če motor priključujemo na javno omrežje. Spreminjanje števila obratov Preklope polov uporabljamo pri vrtalnih in brusilnih strojih, revolverskih stružnicah, s čimer povečamo število stopenj celotnega predležja za 2, 3, 4, do največ 5 krat. Tako na enostaven in dokaj cenen način dobimo iz 6 stopenjskega zobniškega predležja z dodatnimi 2 preklopi polov 12 stopenj, kar že zadošča za vrtalne stroje ali revolverske stružnice. Najobičajnejši so preklopi v razmerju 1: 2, 1 : 3, oziroma izraženo z vrtljaji 1400-2800, ali 1400-28005600 min-lo Pri tem ne smemo prezreti dejstva, da pri večjem številu preklopov že močno naraste premer motorja zaradi povečanih navitij statorja, kar je večkrat neugodno. Zvišanje frekvence od običajnih 50 Hz na 100, 300, in celo 2000 Hz uporabimo pri strojih z večjim številom vrtljajev kot vrtalnih za svedre majhnega premera, pri vretenih brusilnih strojev, pri mizarskih rezkalnih strojih. Frekvenco zvišamo delovnemu motorju s posebnim pretvornikom, tako da Pripravil: Robert Jamnik Stran 3 Srednja strojna in kemijska šola dobimo na vretenu zelo velike vrti Ine hitrosti, tudi čez 100000 min-lo Slika prikazuje pretvornik za rezkalne mizarske stroje, z vrtilnimi hitrostmi vretena delovnega stroja do 24000 min-l in s frekvenco 300 Hz. Če s pretvornikom na delovnem stroju ne dosežemo predpisanih vrtljajev je lahko vzrok tudi Pripravil: Robert Jamnik Stran 4 Srednja strojna in kemijska šola nepravilno mazanje. Pri strojih s tako velikimi vrtilnimi hitrostmi je oskrba ležajev s predpisano mastjo še posebej natančna. Pri I2-urnem obratovanju na dan je potrebno ležaje zamenjati že po 6 mesecih, ker je prekoračena njihova dopustna življenjska doba. ENOSMERNI ELEKTROMOTORJI Princip delovanja enosmernega elektromotorja je naslednji: na zunanje sponke motorja priključimo enosmerno napetost, ki v zunanjem tokokrogu motorja poganja eno smerni tok. Če bi v tokovni zanki tekel eno smerni tok, se zanka ne bi mogla stalno vrteti, zato eno smerni motor potrbuje komutator. Vloga komutatorja pri enosmernem motorju je ravno nasprotna tisti, ki jo komutator igra pri eno smernem generatorju. Pri enosmernemmotorju namreč komutator prekinja enosmerni tok, ki teče v zunanjih dovodih in ga pretvarja v izmenični tok pravokotne oblike v tokovni zanki. Le če se smer toka v tokovni zanki spremeni, ko se posamezni vodnik iz območja vpliva severnega magnetnega pola zavrti v območje, kjer ima vpliv južni magnetni pol, se smer sile po pravilu leve roke ohrani in vodnik se lahko vrti naprej v isti smeri. Smer toka v tokovni zanki se spremeni v trenutku, ko en segment komutatorja zapusti denimo levo, pozitivno ščetko in začne po tej ščetki drseti drugi segment, ki je bil vse dotlej negativen. Za ustvarjanje magnetnega polja nam večinoma služi neko vzbujevalno navitje, lahko pa tudi permanentni magneti. Za vodenje silnic magnetnega polja služi stator v obliki valja, ki prehaja v magnetna pola, okrog katerih je navito vzbujevalno navitje. Med tem ko je stator v obliki iz masivnega železa, sta magnetna pola iz lamelirane železne pločevine. Stator je miruj oči del stroja, v njegovi notranjosti pa je nameščen vrtljivi del stroja, imenovan rotor. Tudi rotor je valjaste oblike in prav tako sestavljen iz lamelirane pločevine, ki je enostransko izolirana s tankim papirjem, s čemer zmanjšamo nastanek vrtin čnih tokov. Med statorjem in rotorjem je ozka zračna reža, tako da je prehod magnetnih silnic iz magnetnega polja statorja v rotor čim lažji. Na obodu rotoraja so izoblikovani utori, v katerih je nameščeno rotorsko navitje. Rotorsko navitje sestavlja večje število zaporedno vezanih tu lj av. Po komutatorju drsita dve ščetki , ki služita za dovod električnega toka. Zagon enosmernih motorjev Razmere, ki vladajo pri zagonu enosmernih motorjev, lahko spoznamo na podlagi vrti Ine hitrosti motorja. Če upoštevamo da je rotorsko navitje navito iz masivnih bakrenih vodnikov ali celo bakrenih palic, je jasno, da je upornost rotorskega navitja razmeroma majhna. V kolikorenosmerni motor v trenutku zagona priključimo na polno napetost, bo stekel zelo velik zagonski tok, ki Pripravil: Robert Jamnik Stran 5 Srednja strojna in kemijska šola lahko poškoduje izolacijo rotorskega navitja zaradi prekomernega segrevanja, poleg tega pa lahko povzroča nedopustno velike padce napetosti v omrežju, kar moti ostale uporabnike. Prevelike zagonske tokove lahko preprečimo z zmanjšanjem napetosti v trenutku zagona, ali pa z zaporedno vezavo zagonskih upornosti k rotorskemu navitju enosmernega motorja. Znižanje napetosti v trenutku zagona moremo doseči z uporabo krmiljenih tiristorskih usmernikov, kar predstavlja danes najbolj gospodarno rešitev. Vloga zagonskih upornosti je, da v trenutku zagona prevzamejo ustrezni padec napetosti glede na to, da inducirana napetost še manjka. Zato niso predvidene za stalno priključitev, ampak jih s pomočjo stopenjskega zagonskega stikala postopoma izključujemo. Ko motor doseže nazivno vrtilno hitrost, z zagonskim stikalom izključimo vse zaporedno vezane zagonske upornosti, tako da le te ne povzročajo več dodatnih izgub. Nastavljanje vrtilne hitrosti enosmernih motorjev Vrtilno hitrost nastavljamo bodisi z napetostjo mreže, bodisi s spreminjanjem inducirane napetosti, ali pa s spreminjanjem magnetnega pretoka. Nastavljanje vrti Ine hitrosti motorja z omrežno napetostjo je možno le v primeru, če so v mreži na razpolago različne napetosti. Običajno pa ima mreža stalno napetost, zato prihaja ta način le izjemoma v poštev. Ker pri tem ne nastajajo nikakršne dodatne izgube, je zelo primeren za trajne spremembe vrti Ine hitrosti. Druga vrsta napetostnega krmiljenja vrti Ine hitrosti motorja je s spreminjanjem inducirane napetosti. Pri tem načinu sta napetost mreže in magnetni pretok konstantna, vrtilno hitrost pa lahko le znižamo. Ker pri spreminjanju vrti Ine hitrosti same obremenitve motorja ne spreminjamo, predpostavljamo pa tudi, da sprememba vrti Ine hitrosti ne vpliva na potek segrevanja motorja, smatramo, da je ne glede na način krmiljenja rotorski tok konstanten. Pri nastavljanju vrti Ine hitrosti z inducirano napetostjo potem lahko znižanje vrtilne hitrosti dosežemo tako, da povečamo upornost rotorskega tokokroga z dodatnimi upornostmi. Magnetni pretok spreminjamo tako, da spreminjamo vzbujevalni tok. Ker se v nasičenju magnetni pretok ne povečuje, najsi še tako povečujemo vzbujevalni tok, je smiselno le zmanjševanje magnetnega pretoka. Ob zmanjševanju magnetnega pretoka vrtilna hitrost narašča. Iz enakih razlogov kot pri napetostnemkrmiljenju se tudi pri krmiljenju z magnetnim pretokom rotorski tok prav nič ne spreminja. To ima za posledico, da je pri konstantni omrežni napetosti in nespremenjeni upornosti rotorskega tokokroga tudi inducirana napetost konstantna, prav tako pa je konstantna tudi notranja moč. Torej pri krmiljenju z magnetnim pretokom ostaja notranja moč ves čas Pripravil: Robert Jamnik Stran 6 Srednja strojna in kemijska šola konstantna, notranji vrti Ini moment pa z naraščajočo vrtilno hitrostjo upada obratno sorazmerno. Leonardov sistemje že dokaj star, sestoji iz trifaznega asinhronskega motorja, ki poganja generator na eno smerni tok z vzbujevalnim strojem, le-ta pa napaja motorna eno smerni tok. Bistvo strojev na eno smerni tok je, da je možno zvezno spreminjanje števila vrtljajev. Slaba stran tega pogona je, ker pri povčanem številu vrtljajev moč motoraj močno pada. SERVO MOTORJI Tudi servomotorji so lahko izmenični ali pa enosmerni. Dajejo konstanten moment, lahko jih pozicioniramo v določeni legi in so zelo natančni zato se uporabljajo za CNC obdelovalne stroje. KORAČNI MOTORJI Prav tako omogočajo krmiljenje in pozicioniranje, vendar zaradi same narave delovanja ( njihov vrtljaj je razdeljen na posamezno število korakov) ponavadi niso zadosti natančni za zahtevne obdelave, lahko pa jih uporabimo za manjše natančnosti, predvsem pa so široko uporabni v montaži. LINEARNI MOTORJI Tradicionalni indukcijski motor dobiva rotacijo zato, ker je njegovo magnetno polje prisiljeno, da se giba po krožnici. Linearni električni motor, ki ga pogosto imenujemo tudi linearni indukcijski motor, je ene tistih iznajdb, ki so bile znane že pred več kot sto leti, a so jih pozneje skoraj poplnoma pozabili, potem pa so v modernem času spet doživeli pravi razcvet v številnih oblikah za najrazličnej še namene. Današnji linearni indukcijski motor je sestavljen iz dveh elementov, ki jih navadno imenujemo stator in rotor, čeprav izraz očitno ne ustreza saj se svobodno gibljeta eden mimo drugega s konstantno majhno plast jo zraka med njima. Izmenični tok se dodaja enemu izmed elementov, potem pa gre skozi eno ali več togih tuljav, da nastane magnetno polje, ki se premika premočrtno. Premikajoče polje prereže sekundami člen, ki lahko sestoji iz nadaljnih tuljav, vrst paličastih prevodnikov ali v najpogostejši obliki preprosto iz aluminijastega traku ali cevi. Reakcija med gibajočim se poljem in sekundarnim členom teži k temu, da bi povzročila linearno relativno gibanje. Pripravil: Robert Jamnik Stran 7 Srednja strojna in kemijska šola Tipičen motor ima enega ali več dvostranskih statorjev; dvostranski komplet je potreben zato ker, ker enostranska garnitura tuljav nujno potisne navzdol na sekundami člen, običajno s silo, ki je desetkrat večja kot zaželena pogonska sila. Dvostranski stator daje tudi dvakratno silo. V ozki vrzeli med levo in desno skupino tuljav je vstavljen sekundami reakcijski motor v obliki vertikalne aluminijaste pregrade. Ko pride tok v tuljave, premično polje deluje na aluminij sekundarno in ga poizkuša potegniti mimo, kar povzroči gibanje. Zgornje meje hitrosti ni razen zračnega upora in drugih dejavnikov. Prav tako ni fizičnega stika, hrupa ali obrabe. Te motorji se danes vedno več uporabljajo pri obdelovalnih strojih, kjer je potrebno linearno gibanje. Pripravil: Robert Jamnik Stran 8