Základy elektrotechniky

Transkript

1 Základy elektrotechniky Přednáška Stejnosměrné stroje 1

2 Konstrukční uspořádání stejnosměrného stroje 1 - hlavní póly 5 - vinutí rotoru 2 - magnetický obvod statoru 6 - drážky rotoru 3 - pomocné póly 7 - komutátor 4 - rotor (kotva) 8 - kartáče (uhlíky) 2

3 Stejnosměrný stroj (DC) 1 kostra statoru (nedělená) 2 magnetické póly (cívka nebo permanentní magnet) τ p pólová rozteč 3 budící vinutí 4 rotor (kotva) 5 drážky rotoru 6 komutátor 7 kartáče stejný počet jako počet pólů 8 neutrální osa (geometická osa hlavních pólů 3

4 Princip funkce DC stroje Komutace - změna směru proudu v cívce (cívkách) rotoru nad kartáčem (kartáči).. Kartáče musí být v neutrálních osách, aby nedocházelo ke komutaci, když je na cívkách napětí. 4

5 Princip funkce ss. stroje Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako generátor nebo motor Princip funkce spočívá v chování vodiče, který je umístěn v magnetickém poli. Vodič se buď pohybuje (dynamo) nebo je protékán elektrickým proudem (motor). Síla působící na vodič, kterým protéká proud: Indukované napětí v pohybujícím se vodiči: U i = Blv F = BIl U i = kφω Elektromagnetický moment: M = kφi 5

6 Stejnosměrné stroje Stator se skládá z ocelového prstence, na kterém jsou uloženy póly s budicím vinutím. Rotor se skládá ze svazku elektrotechnických plechů, v nichž je umístěno vinutí. Začátky a konce cívek rotorového vinutí jsou zapájeny do lamel komutátoru. Po lamelách komutátoru kloužou sběrné uhlíkové kartáče. Princip činnosti: statorové vinutí napájené ze stejnosměrného zdroje vytváří magnetické pole. Magnetický tok Φb prostupuje vinutím otáčeného rotoru v rotorovém vinutí se indukuje střídavé napětí Ui, které je usměrněno pomocí komutátoru. 6

7 Uspořádání stejnosměrných strojů Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako: a) generátor (dynamo) b) motor Bude-li k dynamu, na jehož svorkách bude napětí U D, připojena akumulátorová baterie se s napětím U B, pak: bude-li U D > U B, poteče proud z dynama do baterie a ta bude dobíjena, bude-li U D < U B, např. poklesem otáček dynama, změní se směr proudu, poteče z baterie do dynama a stroj přejde do stavu, kdy pracuje jako stejnosměrný motor. Dnes se stejnosměrné dynamo jako zdroj DC proudu používá jen výjimečně. DC proud se získává usměrněním střídavého proudu pomocí polovodičových (řízených) usměrňovačů. Používá se jen tachodynama v regulačních obvodech k měření otáček. 7

8 Náhradní zapojení ss. strojů U = U + i R k I k U = U i R k I k U = U + i R k I k 8

9 Činnost stejnosměrných generátorů Indukované napětí Ui v rotoru závisí na budicím toku Φb a na úhlové rychlosti rotoru ω Svorkové napětí U je sníženo o úbytek v obvodu rotoru U i = k Φ b ω = ke Φ b n U = U i R k I k 9

10 Stejnosměrné generátory (základní dělení) Podle způsobu zapojení vinutí statoru a rotoru dělíme dynama na: dynamo s permanentním magnetem dynamo s cizím buzením - nutný cizí zdroj pro napájení budicího vinutí, změnou polarity budicího proudu se mění polarita výstupního napětí, tvrdý zdroj. derivační dynamo (budicí vinutí paralelně k vinutí rotoru) - vhodné pro malé proudové odběry. sériové dynamo (budící vinutí zapojeno sériově se zátěží). kompaundní dynamo - kombinace derivačního a sériového dynama, sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení. 10

11 Stejnosměrné motory Princip činnosti: konstrukce jako u stejnosměrných generátorů, na kartáče je však připojen zdroj stejnosměrného napětí. Budicí vinutí vytváří magnetické pole, které působí na vodiče rotoru silovým momentem a rotor roztáčí. Vlastnosti vyjadřuje momentová charakteristika, závislost otáček motoru n (ω) na zatěžovacím momentu M. S rostoucím momentem otáčky klesají. Vedle momentové charakteristiky je pro použití motoru určující možnost regulace otáček, reverzace chodu, způsob brždění a spouštění. Základní rovnice: M = k Φ b I a, U = U i +R a I a, U i = k Φ b ω 11

12 Vlastnosti stejnosměrných strojů Motor s cizím buzením budicí vinutí napájeno z vnějšího zdroje stejnosměrného napětí, otáčky jsou stabilní i při kolísání napětí, před připojením rotoru ke zdroji musí být motor nabuzen jinak nebezpečný nárůst otáček, motor umožňuje regulaci otáček ve velkém rozsahu, vhodný pro pohon strojů s proměnným mechanickým odporem, např. obráběcích strojů. Derivační motor elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně závislé na zátěži motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ motoru využívá především u strojů, kde jsou požadovány relativně neměnné otáčky. 12

13 Stejnosměrný motor se sériovým buzením U tohoto motoru protéká budicím vinutím stejný proud jako rotorem 13

14 Motor se sériovým buzením (sériový motor ) budicí vinutí v sérii s rotorovým vinutím, má největší záběrový moment. Při chodu naprázdno dosáhne nebezpečně velkých otáček, otáčky jsou velmi závislé na zatížení, sériové motory se používají pro pohon vozidel (nákladní káry, tramvaje, trolejbusy, lokomotivy), sériový motor je značně přetížitelný, používá se tam, kde je nutný velký moment po krátkou dobu a kde přitom nevadí pokles otáček. Kompaundní motory mají sériové i paralelní budicí vinutí, jejichž magnetické toky působí buď souhlasně, nebo proti sobě. Působí-li vinutí stejným směrem, má motor větší záběrný moment než motor s paralelním buzením a otáčky se nesnižují tolik jako u motoru se sériovým buzením. Používá se k pohonu výtahů, bagrů, trolejbusů atd. 14

15 Komutátorový stroj buzený permanentními magnety Magnetický obvod statoru je tvořený permanentními magnety. Rotující kotva ve formě elektromagnetu s dvěma póly je přes kartáče a komutátor napájena ze stejnosměrného zdroje. Rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole (směr indukčních siločar v cívce) procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky. Tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr. V okamžiku přepnutí polarity (mrtvý úhel motoru) udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost. 15

16 Komutátorový stroj buzený permanentními magnety 16