Elektrické stroje (PB107, KB 107)

Transkript

1 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. 1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el. strojů Druhy, konstrukce a použití transformátorů Princip transformátoru, provozní režimy transformátorů Provoz transformátorů v elektrizační soustavě Druhy, konstrukce a použití asynchronních strojů Princip asynchronního motoru, provozní režimy, moment Provozní vlastnosti asynchronních strojů Druhy, konstrukce a použití synchronních strojů Princip synchronního stroje, provozní režimy Provozní vlastnosti synchronních strojů Druhy, konstrukce a použití stejnosměrných strojů Princip stejnosměrného stroje, provozní režimy Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů Krokové motory Lineární motory... 4

2 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. Klíčová 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 Indukční Faradayův zákon u i = 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 U i = B.l.v) transformační (změna mag. toku v čase, nepohyblivý závit) 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Do kterých skupin se dělí veličiny magnetického pole?. Jakých jevů se využívá v el. strojích? 3. Jak vzniká pohybové a transformační indukované napětí? 4. Která pravidla lze použít pro elektromagnetické jevy? 5. Na jakém principu pracují elektromotory? 6. Jak lze rozdělit el. stroje? Elektrické stroje 1 Ing. Pavel Kobrle, 013

3 . Druhy, konstrukce a použití transformátorů.1 Cíl Znát druhy, konstrukční součásti a aplikace transformátorů v praxi.. Klíčová slova Transformátor jádrový, plášťový; magnetický obvod, vinutí; transformátor výkonový, síťový, vysokofrekvenční..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, regulační, rozptylové, přístrojové, autotransformátory; transformátorky..4 Shrnutí Transformátory se rozdělují obvykle podle uspořádání vinutí a magnetického obvodu a podle počtu fází. Jejich použití v praxi je rozmanité, výkonové rozpětí je značné..5 Kontrolní otázky 1. Jaký je rozdíl mezi jádrovým a plášťovým transformátorem?. Co jsou jádra a spojky? 3. K čemu slouží konzervátor? 4. Kde se používají výkonové transformátory? 5. 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 Ing. Pavel Kobrle, 013

4 3. Klíčová 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 sinωt) ui = = = Φ mω cosωt - indukované napětí v 1 závitu. dt dt Efektivní hodnota indukovaného napětí v N závitech transformátorová rovnice Φ mω. 1. N Φ m. π. f. N U i = = = 4, 44Φ m fn U1 N1 Převod napětí je definován p u = U N Chod naprázdno Výstup nezatížen, I = 0, vstupní proud I 0 proud naprázdno Složky I 0 : magnetizační proud (jalový induktivní) I µ pro vytvoření hlavního mg. toku Φ, ztrátový proud (činný) I Fe pro pokrytí ztrát v železe (hysterezní a vířivé proudy). Procentní proud naprázdno bývá v řádu jednotek procent z I 1n. Magnetické toky prakticky pouze hlavní mg. tok Φ. Ztráty naprázdno P 0 se přibližně rovnají ztrátám v železe P Fe. Náhradní schéma (NS) tvoří v příčné větvi magnetizační reaktance X µ, protékaná proudem I µ,. Paralelně k ní je náhradní odpor železa R Fe, protékaný proudem I Fe, který na něm odevzdá výkon rovný P Fe. 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) U i = U i1. Fázorový diagram (FD) je grafickým vyjádřením příslušných rovnic. Chod při zatížení Výstup zatížen proudem I, do vstupu teče proud I 1. Magnetické toky: Hlavní mg. tok Φ vznikne sloučením toku Φ 1h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I 1 a toku Φ h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I. 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 Φ 1σ a Φ σ vyvolané proudy I 1 a I se uzavírají mimo hlavní mg. obvod rozptylovými cestami a na zatížení závisejí. Elektrické stroje 3 Ing. Pavel Kobrle, 013

5 Ztráty při zatížení: P Fe - v železe (nezávisejí na zatížení), P J - 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 X 1σ a X σ, 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 X µ.. Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na účiníku, bývá 90 99%. S.cosϕ η = S S.cosϕ + P0 + P kn S n Chod nakrátko Výstup zkratován, U = 0 Může nastat: při sníženém napětí při měření, Proud nakrátko I k roven max. I n ; při zkratu, poruchový stav, I k >> I n. Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat. Ztráty nakrátko P k se přibližně rovnají Jouleovým ztrátám P J. Napětí nakrátko U k : napětí na vstupu při jmenovitém proudu. Procentní napětí nakrátko: vyjádřeno v % z U 1n : Bývá různé podle velikosti a druhu transformátoru malé kolem 5%, velké kolem 10%, rozptylové 0% 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 I 0 (příčnou větví) je mnohem menší než proud nakrátko I k. Tvoří ho tedy jen odpory vinutí a rozptylové reaktance (sekundární přepočteny na primár). Jejich impedance se nezývá impedance nakrátko Z k. R 1 + R = R; X 1σ + X σ = X σ ; Z k = R + X σ 3.4 Shrnutí 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, 013

6 3.5 Kontrolní otázky 1. Na jakém principu pracuje transformátor?. Co je proud naprázdno a jaké má složky? 3. Jak se rozdělují magnetické toky při zatížení? 4. Z čeho se skládají ztráty transformátoru? Závisejí na zatížení? 5. Co je napětí nakrátko a jaký má význam? 6. 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. Klíčová 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, 013

7 Rozdělení výkonů záleží na napětí nakrátko. Úbytky na impedanci nakrátko při zatížení jsou stejné: S A S B Z ka.i A = Z kb.i B. Odtud lze odvodit vztah pro rozdělení výkonů u ks = ukb. Při stejném u k se SnA SnB výkony rozdělí poměrně podle jmenovitých výkonů transformátorů. Při různých u k má relativně vyšší podíl výkonu transformátor s nižším u k. 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. U1 N1 Vlastnosti plynou z rovnice p u =. U N Přepínání N 1 : Mění se mg. tok; přepínání N : 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Jaké jsou vlastnosti zapojení do Z, D a Z?. Co je hodinový úhel transformátoru? 3. Jaké jsou podmínky paralelního chodu transformátorů? 4. 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. Klíčová 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, 013

8 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Popište konstrukci statoru asynchronního stroje.. Jaký je rozdíl mezi kotvou nakrátko a kroužkovou kotvou? 3. Jaké jsou hlavní výhody motorů s kotvou nakrátko? 4. V čem spočívá rozdíl mezi asynchronním motorem a generátorem? 5. 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. Klíčová 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 10 (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 10 /p (geometrických). Toto pole je kruhové, tj. fázor magnetického toku nemění svoji velikost, a otáčí se synchronními otáčkami. Synchronní otáčky (za minutu) n s jsou tedy otáčky točivého mg. pole 60 f n s =. Čím větší je počet pólpárů, tím nižší jsou n s. 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, 013

9 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 ns n rotoru. Procentní zpoždění rotoru za točivým polem statoru se nazývá skluz: s =. 100 n Chod naprázdno Hřídel nezatížen, otáčky jsou téměř synchronní, skluz je téměř nulový, statorový proud naprázdno I 0, rotorový proud zanedbatelný. Složky I 0 : magnetizační proud I µ ztrátový proud (činný) I Fe. Procentní proud naprázdno bývá v řádu desítek procent z I 1n, velký je I µ, protože k vybuzení hlavního mg. toku přes vzduchovou mezeru je třeba většího magnetomotorického napětí F m = N 1 I µ. Magnetické toky hlavní mg. tok Φ i rozptylové toky Φ 1σ a Φ σ. Ztráty naprázdno P 0 tvoří P Fe1, ale i Jouleovy ztráty ve statoru P J1 a mechanické ztráty P m. Náhradní schéma: příčná větev odpovídá transformátoru, v podélné větvi nelze zanedbat statorový odpor vinutí a rozptylovou reaktanci, protože je velký I 0. Rotorový obvod lze zanedbat v rotoru se indukuje nepatrné napětí a proud v rotoru je zanedbatelný. s Chod při zatížení Hřídel zatížen mechanicky, se zatížením roste skluz i proud. Magnetické toky: hlavní mg. tok Φ (točivé pole) i rozptylové toky Φ 1σ a Φ σ. Ztráty při zatížení: P Fe1 - v železe (nezávisejí na zatížení), P J - Jouleovy v obou vinutích (závisejí kvadraticky na zatížení), P m - mechanické ztráty P m. Skluz: bývá podle zatížení v řádu jednotek %. Pojem výkon točivého pole ve vzduchové mezeře P δ - pro daný M je konstantní a nezávisí na otáčkách. Lze ho vyjádřit jako výkon odváděný proudem I na odporu R /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 U 1 = U i1. Skutečné poměry v rotoru, kdy U is a X σs závisí na skluzu a R nezávisí na skluzu, nahradíme obvodem s U i a X σ nezávislým na skluzu a R /s závislým na skluzu. To lze, ) ) ) ) U ) U protože náhradou se nezmění rotorový proud (viz vztah). is U is i I = = = R jx R + σs R + jx σ s + jx σ s R /s se rozdělí na R (odpor rotoru) a zbytek R (1 - s)/s. Tento odpor závislý na skluzu nahrazuje mechanické zatížení (výkon odváděný na něm proudem I je roven mechanickému vnitřnímu výkonu motoru). Po přepočtu lze statorový a rotorový obvod spojit jako u transformátoru. Elektrické stroje 8 Ing. Pavel Kobrle, 013

10 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 U n kolem 5I n ; b) při mechanicky zabržděném rotoru za účelem měření. Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat. Ztráty nakrátko P k se skládají z Jouleových ztrát P J a tzv. ztrát přídavných. Náhradní schéma: je zjednodušené a formálně shodné s transformátorem. Moment P R R (1 s) Obecná definice momentu: M =. Asynchronní stroj má P δ = 3 I a P = 3 I, z čehož ω s s plyne P = P δ ( 1 s). Z definice skluzu plyne n = ns ( 1 s), tedy i ω = ω s ( 1 s). Po dosazení do definičního vztahu pro moment je Momentová charakteristika M P P (1 s) = = ω ω (1 s) δ = s Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná než stupnice otáček. Její tvar je charakteristický, vyplývá ze vztahu M Pδ R = = 3 I ω ω s s s R = 3 ωss ( R 1 R + ) s U 1 f + ( X σ 1 + X σ Pδ ω ) s R = ωss ( R 1 R + ) s U 1 + ( X σ 1 + X 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 n s. Důležité body: záběrný moment M z, moment zvratu (maximální) M zv, synchronní otáčky n s. Při změně napětí se mění M z i M zv, což může být nevýhodné (jak známo, moment závisí na U ). Při změně frekvence se mění n s a lineární část charakteristiky se rovnoběžně posouvá. σ ) Elektrické stroje 9 Ing. Pavel Kobrle, 013

11 6.4 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Na jakém principu pracuje asynchronní motor?. Jak je definován skluz? 3. Jak velkých hodnot nabývá skluz asynchronního motoru? 4. Z čeho se skládají ztráty asynchronního motoru? 5. Jak vznikne náhradní schéma asynchronního motoru a jaký je význam jednotlivých prvků? 6. Kdy může nastat chod nakrátko asynchronního motoru? 7. 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. Klíčová 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, 013

12 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 Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n = ( 1 s). 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 P δ potřebného pro určitý moment se využije P = P δ (1-s), zbytek skluzový výkon sp δ 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, 013

13 Asynchronní generátor a brzda Asynchronní generátor (AG) rotor je urychlován na n>n s, 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 U n. Použití při brždění protiproudem. 7.4 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Jaké znáte způsoby spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko? Jak se přitom mění momentová charakteristika?. 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. Klíčová 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 ( x 1/3) drážky s budicím vinutím, zbytek tvoří 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 ( m), velký průměr, synchronní otáčky desítky stovky za minutu, výkony až stovky MW Elektrické stroje 1 Ing. Pavel Kobrle, 013

14 rotor turbostroje hydrostroj 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Popište konstrukci turbostroje.. Proč má hydrostroj mnoho pólů? 3. Jaké generátory se užívají v tepelných elektrárnách a proč? 4. K čemu slouží drápkové generátory? 5. 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. Klíčová 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 Φ b působící v ose pólu. Vinutí statoru je protékáno souměrnými trojfázovými proudy, které vytvářejí točivé pole kotvy Φ a, tzv. reakční. Na budicí pole Φ b působí pole statoru čili kotvy Φ a a ovlivňuje ho. Působení pole kotvy na budicí pole se nazývá reakce kotvy. Složením obou polí vzniká výsledné Elektrické stroje 13 Ing. Pavel Kobrle, 013

15 točivé pole Φ. Výsledné pole Φ je dáno fázorovým součtem obou polí: Φ = Φ b + Φ a. Má obecně jinou velikost a polohu v prostoru než budicí pole. Výsledné pole Φ může být větší i menší než Φ b, což záleží na velikosti buzení. Přebuzený stroj má větší Φ b 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 Φ b (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 Φ b, jehož fázor leží v ose pólu. Toto pole indukuje do kotvy pohybové napětí U ib. Napětí předbíhá před tokem o 90º. Charakteristika naprázdno je závislost U ib = U 0 = f(i b ) 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 U i je odlišné od U ib, protože ho indukuje výsledné pole Φ a nikoliv Φ b. Náhradní schéma vytvoříme z fiktivního zdroje napětí U ib. Dále zavedeme fiktivní podélnou reaktanci X ad, která nahrazuje vliv reakce kotvy. Je na ní fázorový rozdíl mezi napětími naprázdno U ib a při zatížení U i. 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 X d. ) ) ) Napíšeme napěťovou rovnici pro zjednodušené náhradní schéma U = Uib + jx d Ia. 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 U ib 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 Φ a přímo proti budicímu poli Φ b 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, 013

16 9.4 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Jaká magnetická pole má synchronní stroj?. Co je to reakce kotvy a jak se znázorňuje v náhradním schématu? 3. Na čem závisí zátěžný úhel? 4. Jaké druhy zatížení může mít synchronní stroj? 5. 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. Klíčová slova Tvrdá síť, fázování, spouštění, řízení rychlosti, elektrické brždění, frekvenční měnič, momentová charakteristika 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).. 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, 013

17 60 f ωs = 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.. 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 β max. 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.. Rekuperací snižujeme-li frekvenčním měničem frekvenci tak, aby stroj pracoval jako generátor (a nepřekročil se β max ), 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, 013

18 10.4 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Jak se reguluje činný a jalový výkon?. Které podmínky se musí splnit při fázování? 3. Jaký tvar má momentová charakteristika synchronního motoru? 4. Jaké jsou způsoby spouštění synchronních motorů? 5. 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. Klíčová slova Stejnosměrný motor, dynamo, hlavní póly, buzení, kotva, komutační póly, kompenzační vinutí, komutátor, lamely, kartáče 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, 013

19 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Popište konstrukci stejnosměrného motoru.. K čemu slouží komutátor? 3. Jaké jsou výhody stejnosměrných motorů? 4. Co je největším nedostatkem stejnosměrných strojů? 1. Princip stejnosměrného stroje, provozní režimy 1.1 Cíl Pochopit princip funkce stejnosměrného stroje, provozní režimy a komutaci. 1. Klíčová slova Budicí pole, pole kotvy, reakce kotvy, neutrální osa, osa pólu, komutace. 1.3 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, 013

20 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. 1.4 Shrnutí 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. 1.5 Kontrolní otázky 1. Jaká magnetická pole má stejnosměrný stroj?. Co je komutátor? 3. Jaké vlivy má na chod stroje reakce kotvy? 4. Čím je způsobena zpomalená komutace? 5. 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. Klíčová slova Spouštění, řízení rychlosti, elektrické brždění, momentová charakteristika, hnací, zátěžný, dynamický moment. Elektrické stroje 19 Ing. Pavel Kobrle, 013

21 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 U i z druhé a za I ze třetí rovnice dostaneme U = kφω +. kφ U RM Vyjádříme úhlovou rychlost a získáme závislost ω = f ( M ) =, což je rovnice přímky. kφ ( kφ) U RM První člen = ω0 představuje úhlovou rychlost naprázdno, druhý člen pokles úhlové kφ ( 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) Řízení napětím: nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, je nutný regulovatelný zdroj. Řízení sériovým odporem: k odporu kotvy R a se přidá sériový odpor R s, takže R = R a + R s. 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 = kφmaximax. Tvar momentové charakteristiky při změně parametrů je zřejmý po rozboru rovnice. Elektrické stroje 0 Ing. Pavel Kobrle, 013

22 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 M h1 ) pracuje do zátěže, která vytváří v opačném směru zátěžný moment (momentová charakteristika M p ). Pohon se točí ustálenou rychlostí ω 1. Při brždění se charakteristika motoru změní na M h. Jeho hnací moment se změní na záporný. Podle pohybové rovnice pohonu dω M h M p = M d = J bude dynamický moment M d záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu 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 1 Ing. Pavel Kobrle, 013

23 Sériový motor: Momentová charakteristika U RM Vyjdeme z rovnice cize buzeného motoru ω =. Neuvažujeme-li vliv sycení, pak kφ ( kφ) U R U R M = kφi ~ Φ, Φ = k M a po dosazení a úpravě ω = =. 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. 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 Shrnutí 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 Kontrolní otázky 1. Odvoďte rovnici a nakreslete a popište momentovou charakteristiku cize buzeného motoru.. Jaké znáte způsoby spouštění stejnosměrných motorů? 3. Který způsob řízení otáček je hospodárný? 4. Jak vypadají momentové charakteristiky cize buzeného motoru při změně parametrů? 5. Jak se realizuje brždění rekuperací a jak se určí z charakteristik dynamický moment? 6. Jaký je hlavní rozdíl mezi cize buzeným a sériovým motorem? Elektrické stroje Ing. Pavel Kobrle, 013

24 14. Krokové motory 14.1 Cíl Seznámit se s používanými druhy a principy krokových motorů a jejich použitím v praxi. 14. Klíčová slova Krokový úhel, unipolární a bipolární vinutí, pasivní a aktivní rotor, reluktanční motor 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 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) Shrnutí Krokové motory slouží k nastavení polohy. Otáčejí se po krokových úhlech. Rozlišují se podle druhu rotoru a způsobů řízení. Elektrické stroje 3 Ing. Pavel Kobrle, 013

25 14.5 Kontrolní otázky 1. K čemu slouží krokové motory?. Jaký je rozdíl mezi aktivním a pasivním rotorem? 3. Jaké jsou způsoby řízení krokových motorů? 4. 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. Klíčová slova Postupné mg. pole, primární a sekundární díl, induktor, kotva, lineární krokový motor 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 Shrnutí 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 4 Ing. Pavel Kobrle, 013