Fakulta výrobních technologií a managementu
Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem
Katedra energetiky a elektrotechniky (KEE)
Ing. Pavel Kobrle
Studijní program: B3907 Energetika
Studijní obor: 3907R008 Energetika – teplárenství
Elektrické stroje (PB107, KB 107)
Učební text určený pro prezenční a kombinované studium.
Katedra energetiky a elektrotechniky (KEE).................................................................................. 0
1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el. strojů .......................................... 1
2. Druhy, konstrukce a použití transformátorů ............................................................................... 2
3. Princip transformátoru, provozní režimy transformátorů ........................................................... 2
4. Provoz transformátorů v elektrizační soustavě ........................................................................... 5
5. Druhy, konstrukce a použití asynchronních strojů ..................................................................... 6
6. Princip asynchronního motoru, provozní režimy, moment ........................................................ 7
7. Provozní vlastnosti asynchronních strojů ................................................................................. 10
8. Druhy, konstrukce a použití synchronních strojů ..................................................................... 12
9. Princip synchronního stroje, provozní režimy .......................................................................... 13
10. Provozní vlastnosti synchronních strojů ................................................................................. 15
11. Druhy, konstrukce a použití stejnosměrných strojů................................................................ 17
12. Princip stejnosměrného stroje, provozní režimy..................................................................... 18
13. Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů ........................................................................... 19
14. Krokové motory ...................................................................................................................... 23
15. Lineární motory ...................................................................................................................... 24
1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el.
strojů
1.1 & Cíl
Znát elektromagnetické veličiny, jejich jednotky a jevy; znát definici a rozdělení el. strojů.
1.2 ³Klíčová slova
Veličiny magnetického pole; elektromagnetická indukce; indukční zákon; Ampérův zákon.
1.3 Obsah
Základní veličiny magnetického pole:
Zdrojové veličiny: magnetizační proud, magnetomotorické napětí, intenzita magnetického pole.
Materiálové veličiny: permeabilita, magnetický odpor, magnetická vodivost.
Veličiny mg. pole: magnetický tok, magnetická indukce
Elektromagnetická indukce:
dΦ
dt
Indukované napětí: pohybové (napětí indukované v jednom vodiči délky l pohybujícím se
rychlostí v kolmo na siločáry mag. pole B lze vyjádřit i vztahem Ui = B.l.v)
transformační (změna mag. toku v čase, nepohyblivý závit)
Indukční Faradayův zákon u i =
Lenzovo pravidlo: indukované napětí působí proti změně, která ho vyvolala.
r r
r
Síly působící na vodiče s proudem v mg. poli: Ampérův zákon F = I (l xB)
Pravidlo pravé ruky: lze jím určit směr proudu, který vznikne po uzavření obvodu ve vodiči, do
nějž se indukuje pohybové napětí (siločáry do dlaně, palec ve směru pohybu, prsty ve směru proudu)
Pravidlo levé ruky: určuje směr síly působící podle Ampérova zákona (siločáry do dlaně, prsty ve
směru proudu, palec ukazuje směr síly)
Elektrické stroje jsou zařízení, která na principu elektromagnetické indukce mění mechanickou
energii na elektrickou, elektrickou na mechanickou nebo elektrickou na elektrickou jiných vlastností.
Rozdělení el. strojů podle přeměny energie: motory, generátory, měniče
Rozdělení el. strojů podle konstrukce: transformátory; asynchronní, synchronní, stejnosměrné,
střídavé komutátorové; netočivé, točivé, lineární, krokové.
1.4 9Shrnutí
El. stroje pracují na základě elektromagnetických jevů, zejména elektromagnetické indukce a sil
v mg. poli. Jejich rozdělení je možno provést podle principu přeměny energie nebo podle
konstrukce.
1.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Do kterých skupin se dělí veličiny magnetického pole?
Jakých jevů se využívá v el. strojích?
Jak vzniká pohybové a transformační indukované napětí?
Která pravidla lze použít pro elektromagnetické jevy?
Na jakém principu pracují elektromotory?
Jak lze rozdělit el. stroje?
Elektrické stroje
1
Ing. Pavel Kobrle, 2013
2. Druhy, konstrukce a použití transformátorů
2.1 & Cíl
Znát druhy, konstrukční součásti a aplikace transformátorů v praxi.
2.2 ³Klíčová slova
Transformátor jádrový, plášťový; magnetický obvod, vinutí; transformátor výkonový, síťový,
vysokofrekvenční.
2.3 Obsah
Druhy transformátorů podle konstrukce
jádrový, plášťový; jednofázový, trojfázový.
Magnetický obvod – Fe - jádra, spojky. Ferity – vf, zamezí vzniku vířivých proudů.
Vinutí: souosé, dělené, prostřídané.
Konstrukční části. nádoba, průchodky, konzervátor
popis dle obrázku
Použití transformátorů
Výkonové tr.: v rozvodu el. energie
speciální: usměrňovačové, pecní,
transformátorky.
regulační,
rozptylové,
přístrojové,
autotransformátory;
2.4 9Shrnutí
Transformátory se rozdělují obvykle podle uspořádání vinutí a magnetického obvodu a podle počtu
fází. Jejich použití v praxi je rozmanité, výkonové rozpětí je značné.
2.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jaký je rozdíl mezi jádrovým a plášťovým transformátorem?
Co jsou jádra a spojky?
K čemu slouží konzervátor?
Kde se používají výkonové transformátory?
Co jsou přístrojové transformátory?
3. Princip transformátoru, provozní režimy transformátorů
3.1 & Cíl
Znát princip funkce transformátoru, jeho náhradní schéma a provozní režimy naprázdno, při zatížení
a nakrátko.
Elektrické stroje
2
Ing. Pavel Kobrle, 2013
3.2 ³Klíčová slova
Transformační indukované napětí, převod napětí, chod naprázdno, při zatížení, nakrátko,
magnetizace, rozptyl, ztráty v železe, ztráty ve vinutí.
3.3 Obsah
Princip transformátoru
Střídavý proud přiváděný do primárního vinutí vytváří střídavý mg. tok, který indukuje podle
indukčního zákona transformační napětí do všech závitů – primárních i sekundárních.
dΦ d (Φ m sin ωt )
ui =
=
= Φ mω cos ωt - indukované napětí v 1 závitu.
dt
dt
Efektivní hodnota indukovaného napětí v N závitech – transformátorová rovnice
Φ ω.1.N Φ m 2.π . f .N
Ui = m
=
= 4,44Φ m fN
2
2
U
N
Převod napětí je definován pu = 1 ≅ 1
U2 N2
Chod naprázdno
Výstup nezatížen, I2 = 0, vstupní proud I0 – proud naprázdno
Složky I0: magnetizační proud (jalový induktivní) Iµ pro vytvoření hlavního mg. toku Φ, ztrátový
proud (činný) IFe pro pokrytí ztrát v železe (hysterezní a vířivé proudy).
Procentní proud naprázdno bývá v řádu jednotek procent z I1n.
Magnetické toky – prakticky pouze hlavní mg. tok Φ.
Ztráty naprázdno ∆P0 se přibližně rovnají ztrátám v železe ∆PFe.
Náhradní schéma (NS) tvoří v příčné větvi magnetizační reaktance Xµ, protékaná proudem Iµ,.
Paralelně k ní je náhradní odpor železa RFe, protékaný proudem IFe, který na něm odevzdá výkon
rovný ∆PFe. Indukovaná a svorková napětí na primáru i na sekundáru se rovnají – uvnitř
transformátoru nejsou žádné úbytky napětí. Abychom však mohli sekundární obvod spojit
s primárním, musejí být stejná obě indukovaná napětí. Proto přepočítáváme sekundární veličiny
k primárnímu počtu závitů tak, aby přepočítané (čárkované) Ui2‘ = Ui1.
Fázorový diagram (FD) je grafickým vyjádřením příslušných rovnic.
Chod při zatížení
Výstup zatížen proudem I2, do vstupu teče proud I1.
Magnetické toky:
Hlavní mg. tok Φ vznikne sloučením toku Φ1h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I1 a toku
Φ2h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I2. Proudy i toky jsou přibližně v protifázi –
odečítají se. Při změně zatížení (tj. proudu) se nemůže změnit Φ, proto se mění oba proudy, jako by
výstupní a vstupní obvod byly galvanicky spojeny.
Rozptylové mg. toky Φ1σ a Φ2σ vyvolané proudy I1 a I2 se uzavírají mimo hlavní mg. obvod
rozptylovými cestami a na zatížení závisejí.
Elektrické stroje
3
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Ztráty při zatížení: ∆PFe - v železe (nezávisejí na zatížení), ∆PJ - Jouleovy v obou vinutích (závisejí
kvadraticky na zatížení).
Úbytky napětí při zatížení závisejí na odporech vinutí a rozptylových reaktancích.
V náhradním schématu zavádíme v podélné větvi rozptylové reaktance X1σ a X2σ, které rozptylové
toky vyvolávají, a odpory vinutí. Protože se primární a sekundární obvod chovají, jako by byly
galvanicky spojeny, můžeme se vyhnout vzájemné indukčnosti mezi vinutími M, spojit oba obvody
dohromady a magnetizaci reprezentovat Xµ.
Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na účiníku, bývá 90 – 99%.
S . cos ϕ
η=
2
⎛ S ⎞
S . cos ϕ + ∆P0 + ∆Pkn ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Sn ⎠
Chod nakrátko
Výstup zkratován, U2 = 0
Může nastat: při sníženém napětí při měření, Proud nakrátko Ik roven max. In;
při zkratu, poruchový stav, Ik >> In.
Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat.
Ztráty nakrátko ∆Pk se přibližně rovnají Jouleovým ztrátám ∆PJ.
Napětí nakrátko Uk: napětí na vstupu při jmenovitém proudu. Procentní napětí nakrátko: vyjádřeno v
% z U1n: Bývá různé podle velikosti a druhu transformátoru – malé kolem 5%, velké kolem 10%,
rozptylové 20% a více. Důležitá hodnota pro stanovení úbytku napětí, výpočty zkratů a rozdělení
výkonů při paralelním chodu.
Náhradní schéma lze zjednodušit vypuštěním příčné větve, protože proud naprázdno I0 (příčnou
větví) je mnohem menší než proud nakrátko Ik. Tvoří ho tedy jen odpory vinutí a rozptylové
reaktance (sekundární přepočteny na primár). Jejich impedance se nezývá impedance nakrátko Zk.
R1 + R2´ = R; X1σ + X2σ´ = Xσ; Z k = R 2 + X σ2
3.4 9Shrnutí
Transformátory pracují na principu elektromagnetické indukce, vzniká v nich transformační napětí,
efektivní hodnota je dána transformátorovou rovnicí. Základní provozní režimy jsou naprázdno, při
zatížení, nakrátko. Hlavní otázky se týkají magnetických toků a ztrát ve všech provozních režimech.
Elektrické stroje
4
Ing. Pavel Kobrle, 2013
3.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Na jakém principu pracuje transformátor?
Co je proud naprázdno a jaké má složky?
Jak se rozdělují magnetické toky při zatížení?
Z čeho se skládají ztráty transformátoru? Závisejí na zatížení?
Co je napětí nakrátko a jaký má význam?
Nakreslete náhradní schémata a fázorové diagramy ve všech provozních režimech.
4. Provoz transformátorů v elektrizační soustavě
4.1 & Cíl
Znát základní zapojení trojfázových transformátorů a jejich vlastnosti, hodinové úhly, podmínky
paralelního chodu a způsoby regulace napětí.
4.2 ³Klíčová slova
Zapojení do hvězdy, trojúhelníka, lomené hvězdy, hodinový úhel, paralelní chod, regulace napětí
odbočkami.
4.3 Obsah
Základní zapojení trojfázových transformátorů
Hvězda (Y) – menší počet závitů (podle fázového napětí), nepotlačuje nesouměrné zatížení, má
vyvedený střed – lze použít v soustavě nízkého napětí.
Trojúhelník (D): větší počet závitů (podle sdruženého napětí), jednofázové nesouměrné zatížení
rozkládá do dvou fází, potlačuje 3. harmonickou, nemá vyvedený střed.
Lomená hvězda (Z): složitější zapojení, téměř stejně závitů jako Y, potlačuje nesouměrné zatížení,
má vyvedený střed, výhodná pro distribuční sítě nízkého napětí.
zapojení trojfázového transformátoru hvězda – trojúhelník (Yd1)
Hodinový úhel
Úhel mezi fázorem vstupního a výstupního napětí v hodinách (1 hodina je 30º). Uvádí se zpoždění
výstupního napětí za vstupním. Nejčastěji se používá 0 či 1.
Označení zapojení a hodinového úhlu
např. Yy0, Yd1, Yzn1. První písmeno značí zapojení strany vyššího napětí, druhé strany nižšího
napětí, n je vyvedený střed vinutí, číslice je hodinový úhel.
Paralelní chod transformátorů
Dva nebo více transformátorů jsou zapojeny paralelně a přenášejí společně určitý výkon.
Podmínky paralelní spolupráce: oba (všechny) transformátory musejí mít stejná jmenovitá napětí a
stejné hodinové úhly.
Elektrické stroje
5
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Rozdělení výkonů záleží na napětí nakrátko. Úbytky na impedanci nakrátko při zatížení jsou stejné:
S
S
ZkA.IA = ZkB.IB. Odtud lze odvodit vztah pro rozdělení výkonů u kS A = u kB B . Při stejném uk se
S nA
S nB
výkony rozdělí poměrně podle jmenovitých výkonů transformátorů. Při různých uk má relativně
vyšší podíl výkonu transformátor s nižším uk. Může dojít k situaci, že některý transformátor je
přetížen, i když celkový přenášený výkon je menší než součet jmenovitých výkonů transformátorů.
Řízení napětí
Napětí se řídí odbočkami na primární nebo sekundární straně pomocí přepínače odboček.
U
N
Vlastnosti plynou z rovnice pu = 1 ≅ 1 .
U2 N2
Přepínání N1: Mění se mg. tok; přepínání N2: tok se nemění.
Přepínání na straně vyššího napětí: přepínání menších proudů (a naopak).
Distribuční transformátory pro napájení sítí nízkého napětí: obvykle řízení na primární straně
vysokého napětí, 5 odboček.
Speciální přepínače (Jansen): při přepínání se nesmí zkratovat odbočky ani přerušit provoz, proto se
přepínané odbočky nejprve přemostí přes odpor nebo tlumivku.
4.4 9Shrnutí
Vinutí trojfázových transformátorů se zapojují do hvězdy, trojúhelníka či lomené hvězdy. U všech
zapojení se uvádí tzv. hodinový úhel. Při provozu v elektrizační soustavě se musejí dodržovat určité
podmínky. Napětí transformátorů se řídí odbočkami.
4.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
Jaké jsou vlastnosti zapojení do Z, D a Z?
Co je hodinový úhel transformátoru?
Jaké jsou podmínky paralelního chodu transformátorů?
Jaké jsou vlastnosti řízení napětí odbočkami na primáru a na sekundáru?
5. Druhy, konstrukce a použití asynchronních strojů
5.1 & Cíl
Znát druhy, konstrukční součásti a aplikace asynchronních strojů v praxi.
5.2 ³Klíčová slova
Asynchronní motor s kotvou nakrátko, kroužkovou, stator, rotor, klec, kroužky, asynchronní
generátor.
5.3 Obsah
Není konstrukčního rozdílu mezi motorem a generátorem, jde jen o různé režimy provozu. Motor
pracuje při podsynchronních otáčkách, generátor je poháněn (např. turbínou) a otáčky jsou
nadsynchronní.
Druhy asynchronních strojů podle konstrukce
asynchronní motor s kotvou nakrátko:
stator: statorové plechy, drážky, rozložené vinutí, čela
rotor: rotorové plechy, klec – kotva nakrátko
konstrukční části – kostra, hřídel, ložiska …
asynchronní motor s kotvou kroužkovou:
stator: statorové plechy, drážky, rozložené vinutí
rotor: rotorové plechy, trojfázové vinutí v drážkách vyvedené na kroužky; na ně dosedají kartáče
Elektrické stroje
6
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Použití asynchronních strojů
Zejména motory s kotvou nakrátko – jednoduchá konstrukce, robustnost, nemají kluzné kontakty převážná většina elektropohonů, velké rozpětí výkonů od desítek W do jednotek MW.
Motory s kotvou kroužkovou: zřídka, velké výkony.
Asynchronní generátory: malé vodní či větrné elektrárny; také režim asynchronních motorů při
brždění.
5.4 9Shrnutí
Asynchronní stroje se rozdělují obvykle podle konstrukce rotoru – většinou jde o motory s kotvou
nakrátko. Jejich použití v praxi je převážně jako motorů, ale pracují i jako generátory.
5.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Popište konstrukci statoru asynchronního stroje.
Jaký je rozdíl mezi kotvou nakrátko a kroužkovou kotvou?
Jaké jsou hlavní výhody motorů s kotvou nakrátko?
V čem spočívá rozdíl mezi asynchronním motorem a generátorem?
Kde se můžeme setkat s asynchronním generátorem?
6. Princip asynchronního motoru, provozní režimy, moment
6.1 & Cíl
Chápat točivé magnetické pole znát princip asynchronního motoru, jeho náhradní schéma, provozní
režimy naprázdno, při zatížení a nakrátko, moment a momentovou charakteristiku.
6.2 ³Klíčová slova
Točivé pole, synchronní otáčky, skluz, chod naprázdno, při zatížení, nakrátko, ztráty v železe, ve
vinutí, mechanické,.moment, momentová charakteristika.
6.3 Obsah
Točivé magnetické pole (trojfázové)
Je základní podmínkou pro činnost trojfázového asynchronního stroje.
Vytváří ho stator napájený třemi souměrnými proudy ze symetrické sítě, tedy posunutými časově o
T/3 čili 120° (elektrických). Druhou podmínkou je vhodné konstrukční uspořádání vinutí uloženého
v drážkách. Vinutí se rozlišují podle počtu pólových dvojic (pólpárů) p, tedy jakýchsi skupin vinutí
každé fáze. Obecně jsou tři cívky rozděleny na p částí, posunutých v prostoru o 120°/p
(geometrických). Toto pole je kruhové, tj. fázor magnetického toku nemění svoji velikost, a otáčí se
synchronními otáčkami. Synchronní otáčky (za minutu) ns jsou tedy otáčky točivého mg. pole
60 f
ns =
. Čím větší je počet pólpárů, tím nižší jsou ns.
p
Obdobně lze vysvětlit vznik dvoufázového točivého pole (dva proudy posunuté o T/4, tj. 90°
elektrických, a dvě cívky rozdělené na p částí, posunutých v prostoru o 90°/p (geometrických). Je-li
fázový posuv proudů menší než 90° (např. při napájení jednofázového motoru z jednofázové sítě,
Elektrické stroje
7
Ing. Pavel Kobrle, 2013
kdy lze posunout fázi proudu v jednom ze dvou vinutí sériovým kondenzátorem), vznikne pole
eliptické, kdy velikost toku kolísá mezi maximální a minimální hodnotou.
Princip asynchronního motoru
Stator vytváří točivé mg. pole. Do vodičů rotoru se indukuje pohybové napětí. Protože je rotor
spojen dokrátka, vzniká proud, jehož mg. pole silově působí na pole statoru, a rotor se roztočí se
směru točivého pole. Pole rotoru se otáčí spolu s polem statoru synchronní rychlostí. Otáčky rotoru
jsou menší než synchronní – pokud by byly stejné, zaniklo by indukované napětí, proud i mg. pole
n −n
.100
rotoru. Procentní zpoždění rotoru za točivým polem statoru se nazývá skluz: s = s
ns
Chod naprázdno
Hřídel nezatížen, otáčky jsou téměř synchronní, skluz je téměř nulový, statorový proud naprázdno I0,
rotorový proud zanedbatelný.
Složky I0: magnetizační proud Iµ ztrátový proud (činný) IFe.
Procentní proud naprázdno bývá v řádu desítek procent z I1n, velký je Iµ, protože k vybuzení
hlavního mg. toku přes vzduchovou mezeru je třeba většího magnetomotorického napětí Fm = N1Iµ.
Magnetické toky – hlavní mg. tok Φ i rozptylové toky Φ1σ a Φ2σ.
Ztráty naprázdno ∆P0 tvoří ∆PFe1, ale i Jouleovy ztráty ve statoru ∆PJ1 a mechanické ztráty ∆Pm.
Náhradní schéma: příčná větev odpovídá transformátoru, v podélné větvi nelze zanedbat statorový
odpor vinutí a rozptylovou reaktanci, protože je velký I0. Rotorový obvod lze zanedbat – v rotoru se
indukuje nepatrné napětí a proud v rotoru je zanedbatelný.
Chod při zatížení
Hřídel zatížen mechanicky, se zatížením roste skluz i proud.
Magnetické toky: hlavní mg. tok Φ (točivé pole) i rozptylové toky Φ1σ a Φ2σ.
Ztráty při zatížení: ∆PFe1 - v železe (nezávisejí na zatížení), ∆PJ - Jouleovy v obou vinutích (závisejí
kvadraticky na zatížení), ∆Pm - mechanické ztráty ∆Pm.
Skluz: bývá podle zatížení v řádu jednotek %.
Pojem výkon točivého pole ve vzduchové mezeře – Pδ - pro daný M je konstantní a nezávisí na
otáčkách. Lze ho vyjádřit jako výkon odváděný proudem I2 na odporu R2/s (viz dále).
Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na výkonu motoru, bývá obvykle 80 – 90%.
Náhradní schéma: je podobné transformátoru, pro zjednodušení lze příčnou větev posunout na
začátek. Pak U1 = Ui1. Skutečné poměry v rotoru, kdy Ui2s a X2σs závisí na skluzu a R2 nezávisí na
skluzu, nahradíme obvodem s Ui2 a X2σ nezávislým na skluzu a R2/s závislým na skluzu. To lze,
)
)
)
)
U i 2 s)
U i2s
Ui2
protože náhradou se nezmění rotorový proud (viz vztah). I 2 =
=
=
R2 + jX σs R2 + jX σ s R2 + jX
σ
s
R2/s se rozdělí na R2 (odpor rotoru) a zbytek R2(1 - s)/s. Tento odpor závislý na skluzu nahrazuje
mechanické zatížení (výkon odváděný na něm proudem I2 je roven mechanickému vnitřnímu výkonu
motoru). Po přepočtu lze statorový a rotorový obvod spojit jako u transformátoru.
Elektrické stroje
8
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Chod nakrátko
Rotor se netočí, s = 100%.
Může nastat: a) na počátku rozběhu; napětí je jmenovité nebo snížené podle způsobu spouštění,
proud nakrátko čili záběrný proud bývá při Un kolem 5In;
b) při mechanicky zabržděném rotoru za účelem měření.
Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat.
Ztráty nakrátko ∆Pk se skládají z Jouleových ztrát ∆PJ a tzv. ztrát přídavných.
Náhradní schéma: je zjednodušené a formálně shodné s transformátorem.
Moment
R (1 − s ) 2
R2 2
I 2 , z čehož
I2 a P = 3 2
ω
s
s
plyne P = Pδ (1 − s) . Z definice skluzu plyne n = ns (1 − s ) , tedy i ω = ω s (1 − s ) . Po dosazení do
Obecná definice momentu: M =
P
. Asynchronní stroj má Pδ = 3
definičního vztahu pro moment je M =
P
ω
=
Pδ (1 − s ) Pδ
=
ωs (1 − s ) ωs
Momentová charakteristika
Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná než stupnice otáček.
Její tvar je charakteristický, vyplývá ze vztahu
R′
R′
M =
= 3 2 I 2′2 = 3 2
ωs
ωs s
ωs s
U12f
Pδ
( R1 +
R2′ 2
) + ( X σ 1 + X σ′ 2 ) 2
s
=
R2′
ωs s
U12
( R1 +
R2′ 2
) + ( X σ 1 + X σ′ 2 ) 2
s
Pomocí limit lze zjistit, že vznikla z přímky a hyperboly. Při skluzech blízkých nule je přímková, při
skluzech kolem jedné je hyperbolická.
Přirozená momentová charakteristika: při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci.
Tvar momentové char. lze ovlivnit napětím, frekvencí, u kroužkových motorů velikostí rotorového
odporu.
Ze vztahu pro M plyne důležitý fakt, že moment závisí kvadraticky na napětí.
Pracovní oblast je lineární část charakteristiky blízko ns.
Důležité body: záběrný moment Mz, moment zvratu (maximální) Mzv, synchronní otáčky ns.
Při změně napětí se mění Mz i Mzv, což může být nevýhodné (jak známo, moment závisí na U2).
Při změně frekvence se mění ns a lineární část charakteristiky se rovnoběžně posouvá.
Elektrické stroje
9
Ing. Pavel Kobrle, 2013
6.4 9Shrnutí
Asynchronní stroje pracují na principu elektromagnetické indukce s točivým mg. polem, které
indukuje napětí a proud do rotoru. Rotor má vzhledem k točivému poli skluz. Základní provozní
režimy jsou naprázdno (bez mechanického zatížení), při zatížení, nakrátko (stojící rotor, zejména
počátek rozběhu). Pro oblast pohonů je důležitá momentová charakteristika.
6.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Na jakém principu pracuje asynchronní motor?
Jak je definován skluz?
Jak velkých hodnot nabývá skluz asynchronního motoru?
Z čeho se skládají ztráty asynchronního motoru?
Jak vznikne náhradní schéma asynchronního motoru a jaký je význam jednotlivých prvků?
Kdy může nastat chod nakrátko asynchronního motoru?
Nakreslete a popište momentovou charakteristiku asynchronního motoru. Na čem závisí její
tvar?
7. Provozní vlastnosti asynchronních strojů
7.1 & Cíl
Seznámit se se nejdůležitějšími provozními vlastnostmi asynchronních motorů, tj. spouštěním,
řízením rychlosti a elektrickým bržděním; znát režim asynchronní generátor a brzda.
7.2 ³Klíčová slova
Spouštění, řízení rychlosti, elektrické brždění, měnič, momentová charakteristika, záběrný moment,
moment zvratu, asynchronní generátor, brzda.
7.3 Obsah
Spouštění
Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, ale nesmí se snížit záběrný moment
pod potřebnou hodnotu.
Motory s kotvou nakrátko
Přímé připojení k síti
Záběrný proud se nesníží (činí asi pětinásobek jmenovitého proudu), ale ani záběrný moment se
nesníží a odpovídá přirozené momentové charakteristice. Lze užít omezeně (např. na běžné síti
3x400 V a bez povolené výjimky do 3 kW výkonu)
Elektrické stroje
10
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Spouštění sníženým napětím
Záběrný proud se sníží, ale stejným způsobem se sníží záběrný moment.
Různé varianty: přepínání Y – D (proud i moment klesne ve hvězdě třikrát), spouštěcí
autotransformátor, předřadná impedance ve statoru, softstartér – napěťový měnič s antiparalelními
tyristory (na obr.)
Spouštění sníženou frekvencí
Záběrný proud se sníží, záběrný moment nikoliv, lze ovlivnit. Je nutný drahý frekvenční měnič,
použitelný však i pro regulaci otáček.
Motory kroužkové
Spouštění se děje postupným vyřazováním (plynulým či skokovým) vnějších odporů zařazených do
rotorového obvodu. Vyřazování odporových stupňů se řídí podle času nebo proudu.
Řízení rychlosti
60 f
(1 − s ) .
Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n =
p
Řízení frekvencí – nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný frekvenční
měnič (usměrňovač, stejnosměrný meziobvod a střídač, řízení mikroprocesorem). Střídač vytváří ze
stejnosměrného napětí meziobvodu pomocí pulsně šířkové modulace (PWM) obdélníkový průběh
napětí, jehož první harmonická je požadovaná frekvence.
Při změně frekvence se musí měnit i napětí, aby se neměnil nežádoucím způsobem mg. tok, plyne to
z transformátorové rovnice.
Řízení přepínáním pólpárů – pouze skokově, obvykle dvourychlostní motory, buď dvě samostatná
vinutí, nebo jedno přepínatelné vinutí.
Řízení skluzem – pouze kroužkové motory, do rotoru se přivádí regulační napětí, které ovlivní skluz.
Zastaralý způsob – ztrátové řízení rotorovými odpory; hospodárný způsob – frekvenční měnič, tzv.
ventilová kaskáda. Z výkonu Pδ potřebného pro určitý moment se využije P = Pδ(1-s), zbytek −
skluzový výkon sPδ − se mění na teplo v odporech nebo vrací přes měnič do sítě.
Elektrické brždění
Protiproudem – přepólování dvou libovolných fází, změna směru točivého pole, velký proudový
náraz, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem.
Rekuperací – stroj se provozuje při nadsynchronních otáčkách, vznikne generátorický chod a energie
se vrací do sítě. Možnosti: snížení frekvence frekvenčním měničem; zvýšení otáček při spouštění
břemene.
Do odporu - při užití frekvenčního měniče, odpor se zařadí do stejnosměrného meziobvodu.
Stejnosměrným proudem – stator se napájí stejnosměrným proudem, čímž vznikne stojící mg. pole.
Elektrické stroje
11
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Asynchronní generátor a brzda
Asynchronní generátor (AG) – rotor je urychlován na n>ns, skluz s<0, činný výkon P se dodává do
sítě (zátěže), jalový výkon Q je odebírán (nutný k magnetizaci). Skluz bývá (záporné) jednotky
procent, proud odpovídá motorickému režimu.
Obvykle provoz na v síti, ta zajistí magnetizaci a určuje i napětí. Zřídka ostrovní provoz (samostatně
pracující AG.
Použití: malé vodní či větrné elektrárny (pohon turbínou apod.), rekuperační brždění při spouštění
břemene nebo při rekuperačním brždění s frekvenčním měničem.
Asynchronní brzda (AB) – rotor se točí proti točivému poli, n<0, skluz s>1, P i Q se odebírá, stroj je
velmi namáhán, proud zhruba odpovídá záběru při Un.
Použití při brždění protiproudem.
7.4 9Shrnutí
K provozním vlastnostem asynchronních motorů patří především různé metody spouštění, řízení
rychlosti a elektrického brždění. Asynchronní stroj může pracovat nejen jako motor, ale i jako
generátor nebo brzda. To lze využít při hospodárném brždění nebo výrobě el. energie.
7.5 VKontrolní otázky
1. Jaké znáte způsoby spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko? Jak se přitom mění
momentová charakteristika?
2. K čemu slouží frekvenční měniče, na jakém principu pracují? Co je PWM?
3. Porovnejte tři způsoby řízení rychlosti asynchronních motorů.
4. Jaké výhody má brždění rekuperací?
5. Jaké jsou otáčky, skluzy a výkonová bilance asynchronního generátoru a brzdy?
8. Druhy, konstrukce a použití synchronních strojů
8.1 & Cíl
Znát druhy, konstrukční součásti a aplikace synchronních strojů v praxi.
8.2 ³Klíčová slova
Synchronní stroj s hladkým rotorem (turbostroj), s vyjádřenými póly (hydrostroj), buzení, kotva.
8.3 Obsah
Druhy a konstrukce
Velké generátory pro výrobu el. energie bývají dvou různých konstrukcí:
Synchronní stroj s hladkým rotorem (turbostroj):
Stator (kotva): statorové plechy, drážky, rozložené vinutí, čela.
Rotor: ocelový válec, po části obvodu (2 x 1/3) drážky s budicím vinutím, zbytek tvoří 2 póly.
Velká délka (i přes 10 m), malý průměr (1 m), synchronní otáčky 3000 min-1, výkony až stovky
MW.
Na rotoru (i jiných konstrukcí) bývá také tlumicí vinutí čili amortizér plnící specifické funkce.
Podobá se kotvě nakrátko asynchronního stroje.
Synchronní stroj s vyjádřenými póly (hydrostroj):
Stator: segmenty statorových plechů, drážky s vinutím.
Rotor: magnetové kolo, na něm připevněny póly s pólovými nástavci a budicím vinutím, pólů bývá
až několik desítek.
Malá osová délka (2 m), velký průměr, synchronní otáčky desítky – stovky za minutu, výkony až
stovky MW
Elektrické stroje
12
Ing. Pavel Kobrle, 2013
hydrostroj
rotor turbostroje
Další konstrukční provedení synchronních strojů:
Drápkový generátor – masivní rotor má vyjádřené póly tvořené výstupky střídavě z obou stran,
budicí vinutí realizuje cívka kolmo k ose.
Motor s permanentním buzením – rotor tvoří permanentní magnet, nepotřebuje buzení.
Reakční (reluktanční) motor – stator může mít vyjádřené póly s vinutím, rotor je zubovitý bez
buzení.
Použití synchronních strojů
Turbostroje – generátory v uhelných a jaderných elektrárnách, rychloběžné motory.
Hydrostroje - generátory ve vodních elektrárnách, pomaluběžné motory.
Drápkové generátory – zdroje el. energie v motorových vozidlech.
Motory s permanentním buzením – menší výkony.
Reakční motory – krokové motory.
8.4 9Shrnutí
Synchronní stroje se rozdělují obvykle podle konstrukce. Používají se v praxi je převážně jako velké
generátory pro výrobu el. energie, méně jako motory různých konstrukcí a též speciální aplikace.
8.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Popište konstrukci turbostroje.
Proč má hydrostroj mnoho pólů?
Jaké generátory se užívají v tepelných elektrárnách a proč?
K čemu slouží drápkové generátory?
Jaké výhody má synchronní motor oproti asynchronnímu?
9. Princip synchronního stroje, provozní režimy
9.1 & Cíl
Pochopit význam točivých mg. polí pro synchronní stroje, znát princip synchronního stroje, jeho
náhradní schéma a režimy práce.
9.2 ³Klíčová slova
Točivé budicí pole, pole kotvy, reakce kotvy, osa pólu, zátěžný úhel, přebuzený, podbuzený stroj,
režim generátor, motor, podélná a synchronní reaktance, vypadnutí ze synchronismu.
9.3 Obsah
Princip synchronního stroje
Rotor nabuzený stejnosměrným proudem se otáčí synchronní rychlostí a vytváří točivé budicí pole
Φb působící v ose pólu. Vinutí statoru je protékáno souměrnými trojfázovými proudy, které vytvářejí
točivé pole kotvy Φa, tzv. reakční. Na budicí pole Φb působí pole statoru čili kotvy Φa a ovlivňuje
ho. Působení pole kotvy na budicí pole se nazývá reakce kotvy. Složením obou polí vzniká výsledné
Elektrické stroje
13
Ing. Pavel Kobrle, 2013
točivé pole Φ. Výsledné pole Φ je dáno fázorovým součtem obou polí: Φ = Φb + Φa. Má obecně
jinou velikost a polohu v prostoru než budicí pole.
Výsledné pole Φ může být větší i menší než Φb, což záleží na velikosti buzení. Přebuzený stroj má
větší Φb než Φ a dodává jalový výkon do sítě, u podbuzeného stroje je tomu naopak.
Poloha Φ již nebývá v ose pólu, ale závisí na provozním režimu. U generátoru je zpožděno za osou
pólu (rotor za sebou „táhne“ pole), u motoru předbíhá před osou pólu (pole za sebou „táhne“ rotor).
Úhel mezi Φ a Φb (osou pólu) je zátěžný úhel β.
Budicí a reakční pole na sebe silově působí a otáčejí se spolu synchronní rychlostí.
Provozní režimy
Předpokládáme synchronní chod, tj. rotor se vždy točí synchronní rychlostí.
Chod naprázdno
synchronního generátoru se vyskytuje pouze točivé pole Φb, jehož fázor leží v ose pólu. Toto pole
indukuje do kotvy pohybové napětí Uib. Napětí předbíhá před tokem o 90º. Charakteristika
naprázdno je závislost Uib = U0 = f(Ib) při konstantních otáčkách čili i frekvenci. Má tvar
magnetizační křivky, projevuje se sycení, remanence a u menších strojů i hystereze, neboť rotorová
část magnetického obvodu je magnetována stejnosměrně. Ztráty: v železe statoru, mechanické,
v budicím obvodu.
Chod při zatížení
Vzniká již zmíněná reakce kotvy.
Výsledné indukované napětí Ui je odlišné od Uib, protože ho indukuje výsledné pole Φ a nikoliv Φb.
Náhradní schéma vytvoříme z fiktivního zdroje napětí Uib. Dále zavedeme fiktivní podélnou
reaktanci Xad, která nahrazuje vliv reakce kotvy. Je na ní fázorový rozdíl mezi napětími naprázdno
Uib a při zatížení Ui. Dále zavedeme rozptylovou reaktanci kotvy podobně jako u jiných střídavých
strojů. Odpor vinutí bývá malý a lze jej často zanedbat. Pro zjednodušení lze obě reaktance sloučit
v tzv. synchronní reaktanci Xd.
) )
)
Napíšeme napěťovou rovnici pro zjednodušené náhradní schéma
U = U ib + jX d I a . Jejím
grafickým znázorněním je fázorový diagram ve tvaru trojúhelníku.
Je mnoho druhů zatížení synchronního stroje – přebuzený (zdroj Q), podbuzený (spotřebič Q),
vybuzený právě na cos ϕ = 1 (Q = 0), motor (spotřebič P), generátor (zdroj P), kompenzátor (viz
níže).
Při změně zatížení (proudu kotvy) se mění zátěžný úhel β a činný výkon P, při změně budicího
proudu se mění Uib a jalový výkon Q. Překročením určitého zátěžného úhlu (např. 90º u turbostroje)
dojde k vypadnutí ze synchronismu, což je nebezpečný poruchový stav.
Ztráty: v železe statoru, Jouleovy ve statoru, mechanické (hradí je turbína), v budicím obvodu (hradí
je budič).
Zvláštním druhem provozu je synchronní kompenzátor. Jde o naprázdno běžící přebuzený
synchronní motor, jehož činný výkon je zanedbatelný a jalový se dodává do sítě.
Ustálený chod nakrátko
(není totožný se zkratem – přechodovým jevem) působí reakční pole Φa přímo proti budicímu poli
Φb v ose pólu a zeslabuje ho, čímž se zmenší indukované napětí i proud nakrátko – tento stav není
nebezpečný. Ztráty: stejné složky jako při zatížení.
Elektrické stroje
14
Ing. Pavel Kobrle, 2013
9.4 9Shrnutí
Synchronní stroje pracují s točivým mg. polem, které indukuje napětí do statoru – kotvy. Při zatížení
dochází k reakci kotvy. Výsledné pole stroje nezáleží jen na buzení, ale též na zatížení. Při změně
činného výkonu se mění zátěžný úhel, jalový výkon se ovlivňuje buzením.
9.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jaká magnetická pole má synchronní stroj?
Co je to reakce kotvy a jak se znázorňuje v náhradním schématu?
Na čem závisí zátěžný úhel?
Jaké druhy zatížení může mít synchronní stroj?
Co je synchronní kompenzátor?
10. Provozní vlastnosti synchronních strojů
10.1 & Cíl
Znát pojem tvrdá síť, vlastnosti synchronních generátorů při práci na tvrdé síti a podmínky fázování.
Znát hlavní vlastnosti synchronních motorů.
10.2 ³Klíčová slova
Tvrdá síť, fázování, spouštění, řízení rychlosti, elektrické brždění, frekvenční měnič, momentová
charakteristika.
10.3 Obsah
Provoz alternátorů na tvrdé síti
Elektrizační soustava je velmi rozsáhlá a lze ji považovat za tvrdou, tj. změna parametrů, jako dílčí
zvýšení či snížení výroby nebo spotřeby činného či jalového výkonu má na napětí a frekvenci sítě
zanedbatelný vliv. Soustava pracuje stabilně, všechny generátory pracují v synchronismu se sítí a
jsou v síti drženy synchronizačním momentem, takže k vypadnutí ze synchronismu může dojít jen
při hrubém přetížení.
Fázování
Je to připojení synchronního generátoru na tvrdou síť. K tomu je zapotřebí splnit čtyři podmínky:
1. Stejná frekvence sítě a generátoru. Frekvence generátoru se nastaví otáčkami poháněcího
stroje (turbíny).
2. Stejné napětí sítě a generátoru. Napětí generátoru se nastaví budicím proudem.
3. Stejný sled fází sítě a generátoru.
4. Stejná fáze sítě a generátoru, tj. nulový fázový posuv mezi napětími stejné fáze. Nastaví se
pomocí jemné změny otáček generátoru.
Fázování se provádí pomocí automatických fázovacích souprav.
Po přifázování stroje lze zvyšovat činný výkon P zvyšováním výkonu poháněcího stroje (turbíny).
Přitom se již nemění otáčky, jsou synchronní, a mění se zátěžný úhel β.
Jalový výkon Q lze ovlivnit buzením. Zvyšováním budicího proudu se zvyšuje Q dodávaný do sítě.
Napětí stroje se již nemění, je dáno sítí.
Synchronní motor
Momentová charakteristika je absolutně tvrdá, otáčky jsou vždy synchronní. Při překročení
maximálního momentu, tedy překročení mezního zátěžného úhlu motor vypadne ze synchronismu a
zastaví se, což je poruchový stav, neboť vinutím kotvy protéká velký proud.
Elektrické stroje
15
Ing. Pavel Kobrle, 2013
ωs =
60 f
p
Spouštění
Je největším problémem synchronních motorů.
1. Asynchronní spouštění – na asynchronním principu. Budicí vinutí je zkratováno, spolu
s amortizérem plní funkci kotvy nakrátko. Po rozběhu na mírně podsynchronní otáčky se budicí
vinutí rozpojí, motoru se nabudí a sám vtáhne do synchronismu. Proudový náraz se omezuje
snížením napětí, např. předřadnými tlumivkami nebo Y-D. Používá se pro motory bez
frekvenčních měničů nebo pro generátory přečerpávacích vodních elektráren v čerpadlovém
režimu.
2. Spouštění s frekvenčním měničem – měnič postupně zvyšuje frekvenci (prakticky od nuly) tak,
aby se nepřekročil mezní zátěžný úhel a stroj nevypadl ze synchronismu. V současné době je
nejrozšířenější.
3. Roztočení pomocným motorem a přifázování po splnění stejných podmínek jako u generátoru.
Řízení rychlosti
Je možné pouze frekvencí. Použije-li se frekvenční měnič, umožňuje spouštění, řízení rychlosti i
brždění rekuperací. Při řízení se vždy musí dbát, aby nedošlo k vypadnutí ze synchronismu
překročením mezního zátěžného úhlu βmax.
Elektrické brždění
1. Do odporu – po odpojení kotvy od sítě a připojení rezistorů se stroj chová jako generátor
pracující do odporové zátěže. Kinetická energie pohonu se mění se stroji na elektrickou a dále
v rezistorech na teplo.
2. Rekuperací – snižujeme-li frekvenčním měničem frekvenci tak, aby stroj pracoval jako generátor
(a nepřekročil se βmax), vrací se energie zpět do zdroje. Ten musí být ovšem schopen energii
přijmout (např. tvrdá síť).
Srovnání synchronních motorů s asynchronními: vyšší účinnost, obtížný rozběh a řízení rychlosti
(mimo pohon s frekvenčním měničem), možnost regulace účiníku (pokud mají budicí vinutí),
potřeba budiče (zdroje budicího proudu).
V posledních letech díky statickým měničům množství jejich aplikací roste.
Elektrické stroje
16
Ing. Pavel Kobrle, 2013
10.4 9Shrnutí
Elektrizační soustava pracuje stabilně, generátory v ní pracují synchronně a lze je do ní připojit
fázováním. Pak lze měnit P a Q.
Synchronní motor má absolutně tvrdou momentovou charakteristiku. Při provozu nesmí vypadnout
ze synchronismu. Nejvýhodnější provoz je s frekvenčním měničem.
10.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jak se reguluje činný a jalový výkon?
Které podmínky se musí splnit při fázování?
Jaký tvar má momentová charakteristika synchronního motoru?
Jaké jsou způsoby spouštění synchronních motorů?
Vysvětlete vypadnutí synchronního motoru ze synchronismu.
11. Druhy, konstrukce a použití stejnosměrných strojů
11.1 & Cíl
Znát druhy, konstrukční součásti a aplikace stejnosměrných strojů v praxi.
11.2 ³Klíčová slova
Stejnosměrný motor, dynamo, hlavní póly, buzení, kotva, komutační póly, kompenzační vinutí,
komutátor, lamely, kartáče.
11.3 Obsah
Druhy a konstrukce
Není konstrukčního rozdílu mezi motorem a dynamem. Obvyklé dělení: podle buzení:
stroj cize buzený, derivační (s paralelním buzením), sériový, kompaudní, protikompaudní (část
budicího vinutí je sériová, část derivační), stroj s permanentním buzením. Nejběžnější jsou stroje
cize buzené a sériové.
Základní schéma (bez pomocných vinutí) obsahuje kotvu a budicí vinutí (směr proudu kotvy
naznačený na obrázku odpovídá režimu motor)
cize buzený motor:
sériový motor:
Popis:
Stator – magnetický obvod, hlavní póly s pólovými nástavci a budicím vinutím, komutační
(pomocné) póly, u nejvyšších výkonů i kompenzační vinutí v pólových nástavcích hlavních pólů.
Rotor (kotva) – z plechů, v drážkách rozložené vinutí vyvedené na lamely komutátoru.
Komutátor – soustava lamel a kartáčů, složí jako kluzný kontakt a mechanický měnič. Vyžaduje
častou údržbu a je nejčastějším zdrojem poruch.
Elektrické stroje
17
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Použití stejnosměrných strojů
Dynama – jako točivé zdroje stejnosměrného proudu jsou zastaralá, výhodnější jsou synchronní
generátory s usměrňovači – menší poruchovost, údržba, menší kubatura.
Stejnosměrné motory – jako motory v regulačních pohonech s jednoduchou regulací otáček,
elektromotorky v motorových vozidlech, (upravené pro střídavý proud) univerzální sériové
komutátorové motorky v drobných jednofázových spotřebičích.
11.4 9Shrnutí
Stejnosměrné stroje se rozdělují obvykle podle druhu buzení. Mají poměrně složitou konstrukci.
Používají se v praxi je převážně jako motory v regulačních pohonech (v elektrické trakci) a
v drobných aplikacích, dynama jsou zastaralá.
11.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
Popište konstrukci stejnosměrného motoru.
K čemu slouží komutátor?
Jaké jsou výhody stejnosměrných motorů?
Co je největším nedostatkem stejnosměrných strojů?
12. Princip stejnosměrného stroje, provozní režimy
12.1 & Cíl
Pochopit princip funkce stejnosměrného stroje, provozní režimy a komutaci.
12.2 ³Klíčová slova
Budicí pole, pole kotvy, reakce kotvy, neutrální osa, osa pólu, komutace.
12.3 Obsah
Princip stejnosměrného stroje
Budicí vinutí na hlavních pólech vytváří stojící magnetické pole o ose pólu. V něm se otáčí kotva, do
vodičů kotvy se indukuje střídavé pohybové napětí. V neutrální ose jsou umístěny kartáče tak, aby se
dotýkaly lamel vždy jen s jednou polaritou – na kartáčích je napětí stejnosměrné.
Dynamo: komutátor usměrňuje indukované napětí. To má v každém závitu pulsující průběh, při
průchodu závitu neutrální osou klesá na nulu. Použitím více závitů se dosáhne hladkého průběhu
výstupního napětí.
Motor: z vnějšího zdroje napětí se přivádí do kotvy proud, v kotvě se indukuje při otáčení
protinapětí. Proud se vystřídá komutátorem tak, že ve vodičích pod každým pólem teče týmž
směrem. Na vodiče kotvy s proudem v magnetickém poli hlavních pólů působí síla (Ampérův zákon,
pravidlo levé ruky).
Elektrické stroje
18
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Provozní režimy stejnosměrného motoru
Chod naprázdno
Motor není mechanicky zatížen, kotvou teče malý proud. Ztráty: v železe
rotoru, mechanické, v budicím obvodu.
Při zatížení
Hřídel mechanicky zatížen, kotvou teče proud, který vytváří reakční statické
pole v neutrální ose, které má negativní vliv na budicí pole stroje. Výsledné
magnetické pole stroje (na obrázku), které vznikne sloučením budicího a
reakčního pole, je deformováno.
Důsledky reakce kotvy: natočení neutrální osy, zvýšení max. hodnoty B,
mírná demagnetizace.
Projevy: jiskření kartáčů, nebezpečí přeskoků mezi lamelami.
Kompenzace reakce kotvy: Komutační (pomocné) póly – vytvářejí opačné
pole k reakčnímu a ruší reakci kotvy v neutrální ose. Kompenzační vinutí –
vytvářejí pole opačného směru a stejné velikosti, jako reakční, ruší reakční
pole prakticky všude.
Komutace
Je to změna směru proudu v komutující cívce, té, která prochází neutrální osou. Proud se v relativně
krátké době mění na stejně velkou hodnotu opačného směru.
Lineární komutace – změna proudu je lineární, nepřináší problémy.
Zpomalená komutace – vlivem reaktance vinutí kotvy vzniká v kotvě tzv. reaktanční napětí, které
zpomaluje časovou změnu proudu. Na konci komutace má tak proud větší strmost a kartáče jiskří na
konci. Kompenzace: komutačními póly, které indukují do kotvy protinapětí opačného směru, než má
reaktanční napětí; vhodným účinkem se komutace linearizuje.
Podmínky správné komutace: bezvadný a čistý komutátor, vhodně vykompenzovaná reakce kotvy a
zpomalená komutace.
12.4 9Shrnutí
Stejnosměrné stroje pracují se stojícím mg. polem,. Napětí a proud v kotvě mají střídavý průběh, na
kartáčích jsou stejnosměrné - komutátor má funkci mechanického měniče. Při zatížení vzniká reakce
kotvy, která nepříznivě ovlivňuje vlastnosti stroje, jakož i zpomalená. komutace. Oba jevy je třeba
kompenzovat.
12.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
Jaká magnetická pole má stejnosměrný stroj?
Co je komutátor?
Jaké vlivy má na chod stroje reakce kotvy?
Čím je způsobena zpomalená komutace?
Jak se zajistí bezvadný chod stejnosměrného motoru?
13. Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů
13.1 & Cíl
Seznámit se s nejdůležitějšími provozními vlastnostmi stejnosměrných motorů, tj. spouštěním,
řízením rychlosti a elektrickým bržděním a jejich momentovou charakteristikou.
13.2 ³Klíčová slova
Spouštění, řízení rychlosti, elektrické brždění, momentová charakteristika, hnací, zátěžný,
dynamický moment.
Elektrické stroje
19
Ing. Pavel Kobrle, 2013
13.3 Obsah
Bude pojednáno o nejpoužívanějších motorech, tj. cize buzených a sériových.
Cize buzený motor
Momentová charakteristika
Její rovnici lze odvodit ze tří základních rovnic stejnosměrných motorů: napěťové rovnice
U = U i + RI , z rovnice pro indukované napětí U i = kΦω a rovnice pro moment M = kΦI .
RM
.
Dosazením do napěťové rovnice za Ui z druhé a za I ze třetí rovnice dostaneme U = kΦω +
kΦ
U
RM
−
, což je rovnice přímky.
Vyjádříme úhlovou rychlost a získáme závislost ω = f ( M ) =
kΦ (kΦ ) 2
RM
U
pokles úhlové
První člen
= ω0 představuje úhlovou rychlost naprázdno, druhý člen
(kΦ) 2
kΦ
rychlosti při zatížení. Přirozená momentová charakteristika (jmenovité napětí, jmenovitý budicí
proud čili i tok, v obvodu kotvy není sériový odpor) je tvrdá, pokles otáček při zatížení je malý.
Parametry jsou napětí, odpor v obvodu kotvy a magnetický tok.
Spouštění
Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, s velikostí záběrného momentu
nebývají potíže. Motor však musí být plně nabuzen, aby měl velký moment ( M = kΦI ).
Napěťová rovnice: U = U i + RI . Indukované napětí U i = kΦω je počátku spouštění nulové.
Z rovnice plynou dva způsoby omezení záběrného proudu:
Spouštění sníženým napětím:. Je potřeba zdroj regulovatelného napětí (řízený usměrňovač, pulsní
měnič). Hospodárné.
Spouštění předřadným sériovým odporem: zvýší se tak celkový odpor v obvodu kotvy.
Nehospodárné, ztrátové.
Řízení rychlosti
U
RM
Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro úhlovou rychlost ω =
.
−
kΦ (kΦ ) 2
Řízení napětím: nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, je nutný
regulovatelný zdroj.
Řízení sériovým odporem: k odporu kotvy Ra se přidá sériový odpor Rs, takže R = Ra + Rs. Zastaralá,
ztrátová regulace.
Řízení magnetickým tokem: pouze doplňkové řízení odbuzováním po dosažení maximálního napětí,
tedy nad přirozenou momentovou charakteristikou. Klesá při něm maximální moment, což plyne ze
vztahu M max = kΦ max I max .
Tvar momentové charakteristiky při změně parametrů je zřejmý po rozboru rovnice.
Elektrické stroje
20
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Elektrické brždění
Protiproudem – přepólování kotvy a zařazení sériového odporu, nehospodárné, nutno zajistit proti
rozběhu opačným směrem.
V grafu jsou znázorněny poměry při brždění. Motor s hnacím momentem (momentová
charakteristika Mh1) pracuje do zátěže, která vytváří v opačném směru zátěžný moment (momentová
charakteristika Mp). Pohon se točí ustálenou rychlostí ω1. Při brždění se charakteristika motoru
změní na Mh2. Jeho hnací moment se změní na záporný. Podle pohybové rovnice pohonu
dω
bude dynamický moment Md záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu
Mh − M p = Md = J
dt
absolutní hodnoty hnacího a zátěžného momentu. Pohon tedy bude brzdit.
Do odporu - odpojení kotvy od zdroje a připojení odporu, stroj pracuje jako dynamo do odporové
zátěže a kinetickou energii pohonu mění na teplo. Odpor se během brždění může snižovat, aby
brzdící moment rostl. Dobržďování do nuly se zpravidla provádí mechanicky. Charakteristiky jsou
na obrázku vlevo (při brždění je zdroj odpojen, proto U = 0 a charakteristika prochází počátkem).
Rekuperací – měničem se sníží napětí, vznikne tak generátorický chod a energie se vrací do sítě. Jde
o jediný hospodárný způsob. Charakteristiky na obrázku vpravo.
Elektrické stroje
21
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Sériový motor:
Momentová charakteristika
U
RM
. Neuvažujeme-li vliv sycení, pak
−
kΦ (kΦ ) 2
U
R
U
R
−
=
− 2.
M = kΦ I ~ Φ 2 , Φ = k ′ M a po dosazení a úpravě ω =
2
kk ′ M (kk ′)
C M C
Charakteristika je hyperbolická, měkká. Otáčky se velmi přizpůsobují zatížení. Podobnou
charakteristiku mají i střídavé sériové komutátorové motory, které jsou velmi rozšířené.
Vyjdeme z rovnice cize buzeného motoru ω =
Spouštění a řízení rychlosti
Je prakticky shodné s cize buzenými motory. Odbuzování lze realizovat tzv. šuntováním, kdy se
zapojí odpor paralelně k budícímu vinutí.
Elektrické brždění
Protiproudem – přepóluje se pouze kotva a zařadí sériový odpor.
Do odporu – je nespolehlivé, protože záleží na samonabuzení díky remanentnímu toku. V praxi se
motory při brždění obvykle přepojí na cizí buzení.
Rekuperací – nelze, napětí by záviselo na zatížení, což je zcela nevhodné. Též možno přepojit na cizí
buzení.
13.4 9Shrnutí
Z provozních vlastností stejnosměrných motorů jsou nejdůležitější různé metody spouštění, řízení
rychlosti a elektrického brždění. Momentová charakteristika stejnosměrného stroje popisuje závislost
otáček na momentu a jejím tvarem se zásadně liší tvrdé cize buzené motory a měkké sériové motory.
13.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Odvoďte rovnici a nakreslete a popište momentovou charakteristiku cize buzeného motoru.
Jaké znáte způsoby spouštění stejnosměrných motorů?
Který způsob řízení otáček je hospodárný?
Jak vypadají momentové charakteristiky cize buzeného motoru při změně parametrů?
Jak se realizuje brždění rekuperací a jak se určí z charakteristik dynamický moment?
Jaký je hlavní rozdíl mezi cize buzeným a sériovým motorem?
Elektrické stroje
22
Ing. Pavel Kobrle, 2013
14. Krokové motory
14.1 & Cíl
Seznámit se s používanými druhy a principy krokových motorů a jejich použitím v praxi.
14.2 ³Klíčová slova
Krokový úhel, unipolární a bipolární vinutí, pasivní a aktivní rotor, reluktanční motor.
14.3 Obsah
Definice
Krokový motor je speciální druh motoru, který obvykle neslouží k pohonu, ale nastavení polohy.
Charakteristický je nespojitý pohyb rotoru daný kroky. Nejmenší pootočení rotoru je tzv. krokový
úhel. Existuje více druhů, principiálně jde o synchronní stroje, zpravidla s více póly. Větší počet
pólů znamená menší krokový úhel.
Rozdělení a řízení
Krokové motory s pasivním rotorem – reluktanční motory, stator opatřený póly s vinutím, rotor
zubovitý s odlišným počtem zubů (obr. vlevo).
Krokové motory s aktivním rotorem – rotor z permanentního magnetu či elektromagnetu s póly
uspořádanými radiálně (obr. vpravo) či axiálně.
Unipolární vinutí – proud do statorového vinutí teče pouze jedním směrem. Jednodušší řízení.
Bipolární vinutí – směr proudu vinutím lze přepínat.
Jednofázové řízení – v činnosti vždy jen 1 cívka; dvoufázové – 2 cívky; je vyšší moment, ale i
spotřeba.
Druhy řízení: Řízení s plným krokem – na otáčku je třeba stejně kroků, jako je zubů. Řízení
s polovičním krokem – kroků je dvojnásobek počtu zubů.
Princip
Proud do cívek statoru se spíná (např. tranzistory). Proud procházející cívkou (cívkami) statoru
vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru, či přitáhne zub rotoru, aby
magnetický tok procházel cestou nejmenšího odporu.. Vhodným zapojováním cívek ke zdroji
dosáhneme vytvoření točivého magnetického pole, které krokově otáčí rotorem.
Použití
Počítačem řízené obráběcí stroje (CNC), tiskárny, souřadnicové zapisovače, polohovací zařízení aj.
V posledních letech jsou vytlačovány běžnými asynchronními motory s frekvenčními měniči
umožňujícími regulaci polohy (úhlu natočení).
14.4 9Shrnutí
Krokové motory slouží k nastavení polohy. Otáčejí se po krokových úhlech. Rozlišují se podle druhu
rotoru a způsobů řízení.
Elektrické stroje
23
Ing. Pavel Kobrle, 2013
14.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
K čemu slouží krokové motory?
Jaký je rozdíl mezi aktivním a pasivním rotorem?
Jaké jsou způsoby řízení krokových motorů?
Jaký je obecný princip funkce krokového motoru?
15. Lineární motory
15.1 & Cíl
Seznámit se s používanými druhy a principy lineárních motorů a jejich použitím v praxi.
15.2 ³Klíčová slova
Postupné mg. pole, primární a sekundární díl, induktor, kotva, lineární krokový motor.
15.3 Obsah
Lineární motor je speciální druh motoru, který vytváří lineární pohyb. Konstrukčně může být
odvozen od asynchronního, synchronního nebo i stejnosměrného motoru. Existuje velké množství
konstrukcí.
Rozdělení
Asynchronní lineární motory – primární část (induktor) s trojfázovým nebo dvojfázovým vinutím
pro vytvoření postupného mg. pole může být pevný nebo pohyblivý, rovněž tak kotva.
Synchronní lineární motory – primární část je obdobná, sekundární je tvořena permanentními
magnety.
Zvláštní konstrukci mají reluktační krokové lineární motory – zubovitý primární i sekundární díl,
krokový pohyb podle reluktačního principu.
lineární synchronní motor
Princip
Primární část buzená vhodným způsobem (např. trojfázovým proudem) vytváří postupné mg. pole.
To si lze představit např. rozříznutím statoru asynchronního motoru do roviny, čímž se točivé pole
stane postupným. Sekundární část, která buď vytvoří své mg. pole pomocí indukovaných proudů,
nebo má své vlastní, se vlivem vzájemného silového působení obou polí začne pohybovat ve směru
postupného pole.
Použití
Všude tam, kde je požadován lineární pohyb mechanismů - obráběcí stroje, manipulační technika,
tiskárny, trakce, holicí strojky, roboty aj. Krokové lineární pohony lze výhodně řídit pomocí
číslicové techniky.
15.4 9Shrnutí
Lineární motory slouží k vyvolání lineárního pohybu. Rozdělují se podle stejných kritérií jako točivé
elektromotory. Pracují s postupným magnetickým polem. Množství jejich aplikací v posledních
letech roste.
Elektrické stroje
24
Ing. Pavel Kobrle, 2013
15.5 VKontrolní otázky
1.
2.
3.
4.
K čemu slouží lineární motory?
Jak vznikne postupné mg. pole?
Jaký je rozdíl mezi asynchronním a synchronním lineárním motorem?
Jak pracují krokové lineární motory?
Elektrické stroje
25
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Download

Elektrické stroje (PB107, KB 107)