Fakulta výrobních technologií a managementu
Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem
Katedra energetiky a elektrotechniky (KEE)
Ing. Pavel Kobrle
Studijní program: N2303 Strojírenská technologie
Studijní obor: 2303T011 Příprava a řízení výroby
Elektrické stroje a pohony (NP006, NK006)
Učební text určený pro prezenční a kombinované studium.
1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el. strojů. ......................................... 1
2. Transformátory, princip, vlastnosti, význam. ............................................................................. 1
3. Točivé stroje na střídavý proud................................................................................................... 3
4. Asynchronní stroje, konstrukce, princip. .................................................................................... 4
5. Provozní vlastnosti asynchronních motorů................................................................................. 4
6. Synchronní stroje, konstrukce, princip. ...................................................................................... 6
7. Provozní vlastnosti synchronních strojů. .................................................................................... 7
8. Stejnosměrné stroje, konstrukce, princip. ................................................................................... 8
9. Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů. .............................................................................. 9
10. Mechanika pohonu, pohybová rovnice ................................................................................... 11
11. Úvod do problematiky elektrických pohonů........................................................................... 11
12. Frekvenční měniče .................................................................................................................. 12
13. Elektromechanické přechodové děje, dimenzování a jištění .................................................. 14
1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el.
strojů.
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, transformační.
Lenzovo pravidlo: indukované napětí působí proti změně, která ho vyvolala.
Indukční Faradayův zákon u i =
Síly působící na vodiče s proudem v mg. poli:
r r
r
Ampérův zákon F = I (l xB)
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.
2. Transformátory, princip, vlastnosti, význam.
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
výkonový transformátor
Použití transformátorů
Výkonové tr.: v rozvodu el. energie
speciální: usměrňovačové, pecní,
transformátorky.
regulační,
rozptylové,
přístrojové,
autotransformátory;
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.
Elektrické stroje a pohony
1
Ing. Pavel Kobrle, 2012
dΦ d (Φ m sin ωt )
=
= Φ mω cos ωt - indukované napětí v 1 závitu.
dt
dt
Efektivní hodnota indukovaného napětí v N závitech –
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
ui =
transformátorová
rovnice
Provozní režimy
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.
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. Vyjadřujeme je pomocí rozptylových reaktancí.
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.
Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na účiníku, bývá 90 – 99%.
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.
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.
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 a pohony
2
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Rozdělení výkonů záleží na napětí nakrátko. Při stejném uk se 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: při přepínání se nesmí zkratovat odbočky ani přerušit provoz, proto se
přepínané odbočky nejprve přemostí přes odpor nebo tlumivku.
3. Točivé stroje na střídavý proud.
Rozhodující význam mají trojfázové stroje, i když se můžeme setkat i s jednofázovými.
Není konstrukčního rozdílu mezi motory a generátor, jde jen o různé režimy provozu.
Rozdělení
Obvykle se používá rozdělení podle principu, a to na stroje
• asynchronní
• synchronní
• střídavé komutátorové
Točivé magnetické pole (trojfázové)
Je základní podmínkou pro činnost trojfázových asynchronních i synchronních strojů. K jeho
vytvoření je třeba trojfázové střídavé soustavy napětí (Nikola Tesla) nebo vhodného měniče.
Točivé pole vytváří stator napájený třemi souměrnými proudy ze symetrické sítě. Druhou
podmínkou je vhodné konstrukční uspořádání vinutí. Vinutí se rozlišují podle počtu pólových dvojic
(pólpárů) p, tedy jakýchsi skupin vinutí každé fáze.
60 f
Synchronní otáčky (za minutu) ns jsou otáčky točivého mg. pole n s =
. Čím větší je počet
p
pólpárů, tím nižší jsou ns.
Obecně platí, že k činnosti stroje je zapotřebí dvou magnetických polí. U asynchronních i
synchronních strojů je jedno z nich statorové pole točivé, druhé se musí vytvořit jinak.
Asynchronní stroje
Neboli nesynchronní, někdy též nazývané indukční stroje. Druhé magnetické pole vytvoří rotor, do
kterého se indukuje napětí a proud. Aby to mohlo nastat, musí se rotor točit odlišnou rychlostí od
synchronní, aby vznikl vzájemný pohyb pole a vodičů rotoru.
Synchronní stroje
Rotor se točí stejně rychle jako točivé pole statoru, tedy synchronně. Druhé pole (či spíše první,
budicí) vytváří magnet na rotoru, obvykle vytvořený stejnosměrným proudem v budicím rotorovém
vinutí, někdy permanentní.
Střídavé komutátorové stroje
Mají mnoho konstrukcí a různé principy.
Trojfázové stroje pracují s točivým polem a principem se podobají asynchronním strojům, dnes se
však již téměř nepoužívají vinou složité a poruchové konstrukce s komutátorem. Měly uplatnění
Elektrické stroje a pohony
3
Ing. Pavel Kobrle, 2012
v regulačních pohonech, kde je nahradily asynchronní a synchronní stroje s frekvenčními měniči
nebo střídači.
Jednofázové stroje se používají výhradně sériové a podobají se stejnosměrným strojům. Jejich
uplatnění je velmi široké v drobných domácích spotřebičích a ručním nářadí.
4. Asynchronní stroje, konstrukce, princip.
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
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.
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 rotor
jsou menší než synchronní – pokud by byly stejné, zaniklo by indukované napětí, proud i mg. pole
n −n
rotoru. Procentní zpoždění rotoru za točivým polem statoru se nazývá skluz: s = s
.100
ns
Rozdíl mezi motorem a generátorem je jediný: motor pracuje při podsynchronních otáčkách,
generátor je poháněn (např. turbínou) a otáčky jsou nadsynchronní.
5. Provozní vlastnosti asynchronních motorů.
Provozní režimy
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 ∆PFe, ale i Jouleovy ztráty ve statoru ∆PJ1 a mechanické ztráty ∆Pm.
Elektrické stroje a pohony
4
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Chod při zatížení
Hřídel zatížen mechanicky, se zatížením roste skluz i proud.
Magnetické toky: hlavní mg. tok Φ i rozptylové toky Φ1σ a Φ2σ.
Ztráty při zatížení: ∆PFe - 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 %.
Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na výkonu motoru, bývá obvykle 80 – 90%.
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.
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. Lze užít omezeně (např. na běžné síti 3x400 V a bez povolené výjimky do 3 kW výkonu)
Spouštění sníženým napětím
Záběrný proud se sníží, ale stejným způsobem se sníží záběrný moment.
Různé varianty: přepínání Y – D, 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 ) .
p
Řízení frekvencí – nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný frekvenční
měnič (bude o něm podrobně pojednáno později)
Při změně frekvence se musí měnit i napětí, aby se neměnil nežádoucím způsobem mg. tok, plyne to
z transformátorové rovnice.
Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n =
Řízení přepínáním pólpárů – pouze skokově, obvykle dvourychlostní motory, buď dvě samostatná
vinutí, nebo jedno přepínatelné vinutí.
Elektrické stroje a pohony
5
Ing. Pavel Kobrle, 2012
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.
Elektrické brždění
Protiproudem – přepólování dvou libovolných fází, změna směru točivého pole, velký proudový
náraz, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem.
Rekuperací – stroj se uvede do nadsynchronních otáček, 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.
Momentová charakteristika
Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná než stupnice otáček
Přirozená momentová charakteristika: při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci.
Tvar momentové char. lze ovlivnit napětím, frekvencí, u kroužkových motorů velikostí rotorového
odporu.
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 (moment závisí na U2).
Při změně frekvence se mění ns a lineární část charakteristiky se rovnoběžně posouvá.
6. Synchronní stroje, konstrukce, princip.
Druhy synchronních strojů podle 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.
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 a pohony
6
Ing. Pavel Kobrle, 2012
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.
Srovnání synchronních motorů s asynchronními: vyšší účinnost, obtížný rozběh a řízení rychlosti
(mimo pohonu s frekvenčním měničem), (pokud mají budicí vinutí) možnost regulace účiníku,
potřeba budiče (zdroje budicího proudu).
V posledních letech díky statickým měničům množství jejich aplikací roste.
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. Působení pole kotvy na budicí pole se nazývá reakce kotvy.
Složením obou polí vzniká výsledné točivé pole Φ, které má obecně jinou velikost a polohu
v prostoru než budicí pole. Úhel mezi polem Φ a osou pólu je zátěžný úhel β.
Budicí a reakční pole na sebe silově působí a otáčejí se spolu synchronní rychlostí. U generátoru
předbíhá osa pólu před polem, u motoru naopak. U přebuzeného stroje je pole Φ slabší než budicí
pole Φb a stroj dodává jalový výkon do sítě, u podbuzeného stroje je tomu naopak.
7. Provozní vlastnosti synchronních strojů.
Předpokládáme synchronní chod, tj. rotor se vždy točí synchronní rychlostí.
Provozní režimy
Chod naprázdno
V chodu naprázdno synchronního generátoru se vyskytuje pouze pole Φb, které indukuje do kotvy
pohybové napětí Uib. Ztráty: v železe statoru, mechanické, v budicím obvodu.
Chod při zatížení
Při zatížení indukuje výsledné pole Φ napětí Ui, které je odlišné od Uib. 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).
Elektrické stroje a pohony
7
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Ustálený chod nakrátko
V ustáleném chodu 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.
Provoz alternátorů v 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.
Fázování
Je to připojení synchronního generátoru na tvrdou síť. K tomu je zapotřebí splnit 4 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.
Synchronní motory
Spouštění:
Na asynchronním principu – tzv. amortizér na rotoru slouží jako kotva nakrátko AM, budicí vinutí je
zkratováno, napětí statoru snížené.
Na synchronním principu – postupným pomalým zvyšováním frekvence frekvenčního měniče;
nesmí vypadnout ze synchronismu
Řízení rychlosti:
Výhradně frekvenčním měničem.
8. Stejnosměrné stroje, konstrukce, princip.
Druhy stejnosměrných strojů podle 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.
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 a pohony
8
Ing. Pavel Kobrle, 2012
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.
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 mg. poli hlavních pólů působí síla (Ampérův zákon).
9. Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů.
Provozní režimy
Chod naprázdno
motor není mechanicky zatížen, kotovu teče malý proud. Ztráty: v železe rotoru, mechanické,
v budicím obvodu.
Chod při zatížení
Hřídel mechanicky zatížen, kotvou teče proud, který vytváří reakční statické pole v neutrální ose,
které má negativní vliv na výsledné pole stroje.
Důsledky reakce kotvy: natočení neutrální osy, zvýšení max. hodnoty B, mírná demagnetizace.
Projevy: jiskření kartáčů, nebezpečí přeskoků mezi lamelami.
Kompenzace reakce kotvy: Komutační 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
Elektrické stroje a pohony
9
Ing. Pavel Kobrle, 2012
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.
Dále bude pojednáno o nejpoužívanějších motorech, tj. cize buzených a sériových.
Spouštění
Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, s velikostí záběrného momentu
nebývají potíže.
Ui = kΦω, proto na počátku spouštění je nulové.
Napěťová rovnice: U = U i + RI .Z rovnice plynou dva způsoby omezení záběrného proudu:
Spouštění sníženým napětím: motor musí být plně nabuzen, aby měl velký moment (M = kΦI). 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
Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky (viz níže), který lze odvodit z výše uvedených
rovnic:
Řízení napětím: nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný reg. zdroj.
Řízení sériovým odporem: zastaralé, ztrátové.
Řízení magnetickým tokem: pouze doplňkové řízení odbuzováním po dosažení max. napětí, klesá při
něm max. moment.
Elektrické brždění
Protiproudem – přepólování kotvy a zařazení sériového odporu, nehospodárné, nutno zajistit proti
rozběhu opačným směrem.
Rekuperací – měničem se sníží napětí, vznikne tak generátorický chod a energie se vrací do sítě.
Hospodárné.
Do odporu - odpojení kotvy od zdroje a připojení odporu, stroj pracuje jako dynamo do odporové
zátěže a kinetickou energii pohonu mění na teplo.
Momentová charakteristika
Je to závislost otáček na momentu.
Cize buzený motor:
Charakteristika je přímková, tvrdá, její tvar je dán rovnicí
U
RM
ω=
−
kΦ (kΦ ) 2
Sériový motor:
Charakteristika je hyperbolická, měkká, její tvar je dán rovnicí
která vznikne z rovnice cize buzeného motoru respektováním úměry
U
R
proudem ω =
− 2
C M C
cize buzený motor
Elektrické stroje a pohony
mezi tokem a
sériový motor
10
Ing. Pavel Kobrle, 2012
10. Mechanika pohonu, pohybová rovnice
Motor vytváří hnací moment Mh, pracovní stroj (např. výtah, čerpadlo…) zátěžný moment Mp. Při
dynamických změnách (zrychlování, zpomalování) se projevuje setrvačnost otáčejících se hmot
prostřednictvím dynamického momentu Md.
Pohybová rovnice
má tvar M h − M p = M d = J
dω
.
dt
Mh - hnací moment
Mp - zátěžný moment
J [kg.m2] - moment setrvačnosti; charakterizuje setrvačnost těles při otáčivém pohybu, podobně jako
hmotnost m při pohybu přímočarém. J závisí na hmotnosti tělesa, ose otáčení a rozložení hmotnosti
vzhledem k této ose. Pro tvary těles běžné v pohonech, tedy válcovité, lze J spočítat takto:
Tenký dutý válec: J = mr2
Plný válec: J = ½.mr2
Dutý tlustostěnný válec: J = ½.m(r12 + r22)
V pohybové rovnici mohou nastat tři případy:
1. Jsou-li hnací moment Mh a zátěžný moment Mp stejné, je dynamický moment Md nulový, je
proto nulová změna úhlové rychlosti dω a pohon se točí ustálenou rychlostí.
2. Je-li Mh > Mp, je Md > 0, tedy dω > 0 a pohon zrychluje.
3. Je-li Mh < Mp, je Md < 0, tedy dω < 0 a pohon zpomaluje (či brzdí).
Mezi přímočarým a otáčivým pohybem existuje analogie veličin i základních vztahů.
11. Úvod do problematiky elektrických pohonů
Vymezení pojmu
Elektrický pohon = měnič, motor, řídící a regulační část.
Obecné schéma pohonu
Nejdůležitější částí pohonu je měnič, který přizpůsobuje elektrické parametry zdroje pro
elektromotor.
Elektrické stroje a pohony
11
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Přehled měničů
V elektrických pohonech se používají následující měniče.
Pohony asynchronními motory
1. střídavé měniče - softstartéry
• měkký rozběh při malém momentu zátěže (relativně levné)
2. frekvenční měniče (či střídače)
• průmysl - největší rozšíření, standardní řešení s IGBT tranzistory ve střídači, někdy IGCT
tyristory
• el. trakce - rychlý rozvoj; nově se vozidla osazují již jen AM (či SM)
Pohony synchronními motory
frekvenční měniče
• obdobné AM
• servopohony pro automatizaci a robotiku - výkonová část jako obvyklý měnič, trochu odlišné
řízení; motory jsou s permanentním magnetem
Stejnosměrné pohony
1. řízené usměrňovače nebo reverzační měniče
• průmysl – jsou na ústupu, nicméně zůstávají v řadě aplikací, stále se vyrábějí tyristorové
měniče, nově je analogové řízení nahrazováno mikroprocesorovým
2. pulsní měniče
• oblasti s dominantním postavením - automobilový průmysl, menší dopravní zařízení, zařízení
napájená z akumulátorů
12. Frekvenční měniče
V současné době jsou nejdůležitější, proto se jimi budeme podrobně zabývat.
Frekvenční měniče mění napětí obecné napájecí sítě (konstantní frekvence a amplitudy), na napětí
variabilní frekvence a amplitudy.
Blokové schéma:
Usměrňovač
Přemění vstupní střídavé (jedno nebo třífázové) napětí na stejnosměrné pulsující napětí. Usměrňovač
může být neřízený (diodový), plně řízený (tyristorový nebo tranzistorový). U moderních měničů
bývá modul s IGBT tranzistory shodný s modulem střídače.
Elektrické stroje a pohony
12
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Stejnosměrný meziobvod
Stabilizuje pulzující stejnosměrné napětí (napěťový meziobvod) a vyhlazuje ho.
Střídač
Jde o nejdůležitější a poslední výkonový prvek před
motorem. Vytváří požadovaný průběh napětí pro motor.
Střídač odebírá ze stejnosměrné meziobvodu proměnný
stejnosměrný proud, proměnné stejnosměrné napětí nebo
konstantní stejnosměrné napětí a upravuje jej na napětí
střídavé.
Zapojení střídače: IGBT tranzistory V1 – V6 se
v trojfázovém střídači zapojují do trojfázového můstku se
zpětnými diodami V01 – V06, které umožňují rekuperaci a
zabraňují přepětí. Provedení je modulové – modul tvoří
celý můstek. Do tohoto modulu přichází napětí
stejnosměrného meziobvodu.
Pulsně šířková modulace:
Aby výstupní napětí střídače pro motor připomínalo
sinusovku, což je nezbytné pro správnou funkci motoru, je nutno použít spínání součástek střídače
pomocí pulsně šířkové modulace (Pulse Wide Modulation) PWM.
Jde o to,že okamžité hodnoty sdruženého výstupního napětí mohou nabývat pouze tří hodnot:
kladné a záporné hodnoty napětí stejnosměrného meziobvodu a nuly. Okamžitá hodnota výstupního
napětí střídače má vždy obdélníkový průběh. Je třeba zajistit, aby jeho střední hodnota, přesněji její
první harmonická, byla sinusovka žádané frekvence i žádaného napětí. Toto umožní PWM. Na
obrázku je vidět konstrukce první harmonické žádaného průběhu sdruženého napětí motoru pomocí
PWM s pilovitým průběhem nosné. Frekvence nosné je stálá (spínací frekvence měniče), mění se
poměr kladné a záporné části periody (střída či duty factor).
Elektrické stroje a pohony
13
Ing. Pavel Kobrle, 2012
13. Elektromechanické přechodové děje, dimenzování a jištění
Nastávají tehdy, je-li hnací moment jiné velikosti než zátěžný, tedy je-li nenulový dynamický
dω
moment M h − M p = M d = J
. Jak víme, nastává tento jev při rozběhu a při brždění. Uvedeme
dt
příklady elektromechanických přechodových jevů.
Rozběh
Pohon stejnosměrným cize buzeným motorem. Jsou dány statické charakteristiky motoru Mh a
zátěže Mp. Pohon se rozběhne, protože na počátku rozběhu (při nulových otáčkách) je záběrný
moment motoru M2 větší než moment zátěže M1. Také při rychlosti ω1 pohon zrychluje, protože
hnací moment je větší než zátěžný. Při rychlosti ω2 končí rozběh a pohon pokračuje v běhu
ustálenou rychlostí, neboť oba momenty se rovnají.
Brždění
Rekuperace pohonu se stejnosměrným cize buzeným motorem. Při rychlosti ω1 se pohon točí
ustáleně. Sníží-li se napětí zdroje, změní se charakteristika motoru z Mh1 na Mh2. Podle pohybové
rovnice pohonu bude dynamický moment Md záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu absolutní
hodnoty hnacího a zátěžného momentu. Pohon tedy bude brzdit.
Statická stabilita
Příklad - pohon asynchronním motorem. Rovnají-li se momenty Mh a Mp, nemusí to nutně
znamenat stabilní chod ustálenou rychlostí. v Bodě 1 je chod stabilní. V bodě 2 nestabilní, protože
Elektrické stroje a pohony
14
Ing. Pavel Kobrle, 2012
při jakékoliv nahodilé změně parametrů se pohon buď urychlí do bodu 2, nebo zastaví. Obecně lze
dM h dM p
<
je pohon staticky stabilní a naopak.
napsat, že při
dω
dω
Dimenzování elektromotorů.
Při zjednodušeném návrhu motoru je nutno vyjít z těchto skutečností:
• motor musí vyvinout Mh větší než je moment zátěže Mp
• jmenovitý výkon motoru musí být větší nebo roven příkonu zátěže
V opačném případě
• pohon se nerozeběhne
• dojde k nedovolenému oteplení motoru
U pohonů se spínacími ztrátami, tj. takových, kde dochází k častému spouštění nebo i elektrickému
brždění, je nutno brát v úvahu, že
1
• do zátěže je při rozběhu nutno dodat navíc kinetickou energii Wk = Jω 2
2
• při elektrickém brždění se musí tato energie přeměnit na jiný druh energie.
Toto má za následek zvýšené oteplení motoru. Dimenzování je komplikovanější a provádí se
s ohledem na velikost celkového J pohonu (přepočteného na osu motoru) a četnosti spínání.
Jištění elektromotorů
Jištění se provádí proto, aby nedošlo k nedovolenému oteplení vinutí motoru. Provádí se
• proti zkratu
• proti přetížení
Vnější jisticí prvky jsou
• jističe s vypínací charakteristikou C nebo D podle charakteru rozběhu (lehký – těžký); slouží
proti zkratu i přetížení
• pojistky proti zkratu a tepelná relé (doplňkové moduly stykačů) proti přetížení
Elektrické stroje a pohony
15
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Vnitřní jisticí prvky jsou méně obvyklé, ale dokonalejší. Vkládají se do vinutí motoru a snímají
bezprostředně jeho teplotu. Jde o termistory spojené s elektronickými relé, která vyhodnotí oteplení
a případně zajistí vypnutí.
Elektrické stroje a pohony
16
Ing. Pavel Kobrle, 2012
Download

Elektrické stroje a pohony (NP006, NK006)