1.1 Princip činnosti el. strojů 1.2 Základy stavby el. strojů

Transkript

1 Elektrické stroje 1. Základní pojmy 2. Rozdělení elektrických strojů 1.1 Princip činnosti el. strojů 1.2 Základy stavby el. strojů 2.1 Transformátory 2.2 Asynchronní motory 2.3 Stejnosměrné generátory 2.4 Stejnosměrné motory 2.4 Komutátorové motory 3. Elektrické pohony 3.1 Pohony s asynchronními motory 3.2 Pohony se stejnosměrnými motory 1. Základní pojmy 1.1 Princip činnosti elektrických strojů Elektrické stroje se podle způsobu přeměny energie dělí na motory a generátory Elektrické stroje se dělí na točivé (motory a generátory) a netočivé (transformátory) Podle principu činnosti se stroje dělí na asynchronní, synchronní, stejnosměrné a komutátorové Činnost elektrických strojů je založena na elektromagnetické indukci a na využití silového působení magnetického pole na proudovou smyčku Účinnost elektrických strojů ovlivňuje zejména výše ztrát v železe (hysterezí, vířivými proudy) a Jouleovy ztráty ve vinutí 1.2. Základy stavby elektrických strojů Součásti elektrických strojů jsou: Magnetický obvod, elektrický obvod primární a sekundární Magnetický obvod je vyroben z magneticky měkkého materiálu (úzká hysterezní smyčka) a vytváří vazbu mezi primárním a sekundárním obvodem Primární a sekundární elektrický obvod tvoří vinutí Druhy provozu elektrických strojů Druh provozu je důležitý pro volbu elektromotoru Je uveden na identifikačním štítku motoru Podle IEC 34-1 se rozlišují druhy provozu S1-S10. S1 je trvalý provoz existuje rovnováha mezi tepelnými ztrátami a odvodem tepla chlazením S2 krátkodobý provoz s konstantním zatížením např. S2-10 min.

2 Ukázka štítku motoru IP 44 stupeň ochrany 4 - Ochrana před dotykem drátem a vniknutí cizího tělesa o průměru větším než 1 mm, 4 - Ochrana před stříkající vodou Izol. Kl B třída izolačních materiálů, max trvalá teplota 130ºC 2.1 Transformátory Netočivé elektrické stroje, které přeměňují elektrickou energii na elektrickou energii pozměněných vlastností za neměnného kmitočtu Uplatnění ve všech oborech elektrotechniky pro zvyšování nebo snižování napětí a proudu Jsou tvořeny primárním vinutím, sekundárním vinutím a magnetickým obvodem vytvořeným z izolovaně oddělených plechů Charakteristikou je dělicí Z1 U1 poměr- převod p = = Z transformátoru p 2 U2 U = 1I1 U 2I2 Ukázky transformátorů Řez distribučním trafem Různé typy transformátorů pro nn

3 2.2 Asynchronní motory Nejpoužívanější motory, jednofázové a třífázové Třífázové asynchronní motory trojfázové statorové vinutí, vinutí rotoru klecové (kotva nakrátko) nebo trojfázové s vývody na kroužcích (kroužková kotva) Princip činnosti je založen na působení točivého magnetického pole, které je vytvořeno statorovým vinutím napájeným trojfázovým proudem. Točivé magnetické pole charakterizuje vektor magnetické indukce, který rotuje synchronními otáčkami n s. Ty závisí na frekvenci zdroje f a počtu cívek statoru v jedné fázi p (počet pólových párů) Ve vodičích rotoru se indukují proudy, točivé magnetické pole silově působí na vodiče rotoru a vytváří nenulový točivý moment Rotor se otáčí menšími otáčkami n, definuje se skluz s vyjadřovaný v % 60 f ns n n s = s = 100 p ns Vlastnosti trojfázového asynchronního motoru Motory s kotvou nakrátko mají jednoduchou konstrukci a nepotřebují velkou údržbu. Skluz se zatížením roste, tj. otáčky klesají, udává momentová charakteristika n=f(m) Problém s velkým záběrovým proudem při rozběhu je řešen u motoru s kotvou kroužkovou, u motoru s kotvou nakrátko např. přepínačem hvězda trojúhelník Dříve problematická regulace otáček se nyní řeší zejména změnou frekvence napájecího napětí pomocí polovodičového měniče Menší záběrový moment Klecová kotva www. cez.cz Asynchronní motor www. emp-euro.com Jednofázový asynchronní motor Bez dalších konstrukčních úprav by se jednofázový motor sám nerozeběhl, má nulový záběrový moment Pro samostatný rozběh je nutné na statoru dvojí vinutí (hlavní a pomocné), rotor je v klecovém provedení. Pomocné vinutí zaujímá 1/3 drážek a je posunuto o 90 stupňů Pro vznik točivého pole je nutné fázové posunutí mezi proudem hlavního a pomocného vinutí, dosáhne se připojením kondenzátoru, odporem nebo změnou indukčnosti pomocného vinutí. Jednofázové motory s kondenzátorem mohou mít provozní a rozběhový kondenzátor, rozběhový kondenzátor se po rozběhu odpojí

4 2.3 Stejnosměrné generátory Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako generátor nebo motor 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 Φ b prostupuje vinutím otáčeného rotoru, v rotorovém vinutí se indukuje střídavé napětí U, i které je usměrněno pomocí komutátoru Činnost stejnosměrných generátorů Indukované napětí U i v rotoru závisí na budicím toku Φ b a na úhlové rychlosti rotoru ω Svorkové napětí U je sníženo o úbytek v obvodu rotoru U i = U = Ui RaI a k Φbω Dělení stejnosměrných generátorů Podle způsobu zapojení vinutí statoru a rotoru rozlišujeme generátory s cizím buzením, derivační generátory a kompaundní generátory Generátory se liší závislostí napětí na proudu (tvrdostí zdroje) a regulačním rozsahem poskytovaného napětí

5 Vlastnosti a oblasti využití stejnosměrných generátorů Generátor s cizím buzením nutný cizí zdroj pro napájení budicího vinutí, regulace napětí změnou budicího proudu ve velkém rozsahu, změnou polarity budicího proudu se mění polarita výstupního napětí, tvrdý zdroj, používá se např. v Leonardově skupině pro buzení ss motoru. Derivační generátor budicí vinutí paralelně k vinutí rotoru, dynamo se nabudí při správném připojení budicího vinutí (posílení zbytkového magnetismu statoru), měkčí zdroj, menší regulační rozmezí, nehodí se pro reverzaci svorkového napětí Kompaundní generátor dvě budicí vinutí, sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení. Jsou nejdůležitější stejnosměrné generátory, používají se např. jako zdroj budicího proudu pro synchronní trojfázové generátory 2.4 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. Základní rovnice: U = k Φ M = k ΦbI a U = U + R I ω i 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 a a i b Zapojení stejnosměrných motorů

6 Vlastnosti stejnosměrných motorů 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 budicí vinutí paralelně k vinutí rotoru, nesmí rovněž dojít k odbuzení, menší rozsah regulace otáček, obdobná momentová charakteristika jako u motoru s cizím buzením Motor se sériovým buzením budicí vinutí v sérii s rotorovým vinutím, má největší záběrový moment Vlastnosti stejnosměrných motorů Sériový motor při chodu naprázdno dosáhne nebezpečně velkých otáček, zátěž se nesmí připojovat plochými řemeny, 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, při chodu naprázdno se chová jako derivační motor. Při zatížení klesají otáčky rychleji než u derivačního motoru, používají se např. u zdvihacích mechanismů 2.5 Komutátorové motory Komutátorové motory na střídavý proud se dělí na trojfázové derivační napájené do statoru (Winter-Eichberg), derivační napájené do rotoru (Schrage), sériové jednofázové a trojfázové Jednofázové sériové komutátorové motory univerzální, stator i rotor je sestaven z elektroplechů, mohou být napájeny stejnosměrně i střídavě, dosahují vyšších otáček než jednofázové asynchronní motory a tím i větších výkonů při stejných rozměrech. Používají se k pohonu domácích spotřebičů a malého elektrického nářadí Klaus Tkotz: Příručka pro elektrotechnika

7 2.6 Některé další druhy motorů Trojfázové lineární motory vyvolávají lineární pohyb, používají se pro transport materiálu, pohon pásových dopravníků, ovládání vrat, ovládání pohybu velkých desek a pro pohon magnetických vlaků Činnost je založena na využití účinků posuvného magnetického pole vytvořeného budicí částí induktorem. Pohyblivá část se nazývá kotva je tvořena masivním vodičem. Postupné magnetické pole induktoru vyvolá indukované proudy v kotvě a silový účinek pro posuvný pohyb induktoru nebo kotvy Asynchronní lineární motory vyžadují skluz, rychlost postupného pohybu závisí na frekvenci zdroje vinutí induktoru a na uspořádání konstrukce, rychlost posunu je výrazněji menší než rychlost postupného magnetického pole (velký skluz) Lineární motory VUES BRNO Synchronní motory Stator synchronního motoru má trojfázové vinutí, které při napájení trojfázovým proudem vytvoří točivé magnetické pole Rotor je buď z plechů s uloženým budicím vinutím a napájen ze zdroje DC napětí nebo je tvořen permanentním magnetem Princip činnosti je založen na silovém účinku točivého pole na rotor, který je vtažen do synchronních otáček. K rozběhu potřebují synchronní motory pomocný rozběhový systém. Používá se doplňkové vinutí nakrátko pro asynchronní rozběh. Synchronní motory mají i při zatížení stejné otáčky jako točivé pole statoru. Malé synchronní motory jsou proto používány do elektrických hodin, časových spínačů, jako pohon zapisovačů apod.

8 Krokové motory Vinutí statoru jsou napájena pomocí stejnosměrných impulzů různé polarity. Změnami proudu ve statorovém vinutí se mění magnetické pole a tím i silový účinek. Kotva krokového motoru se natočí podle polarity magnetického pole statoru Krokové motory vyžadují speciální řídicí elektroniku. Elektronické rozdělovače impulzů generují impulzy, které vyvolají natočení rptoru o přesně definovaný úhel úhel kroku Krokové motory se vyrábějí jako jednofázové nebo vícefázové (zpravidla čtyřfázové) Používají se např. pro řízené pohony, pohony tiskáren, počítadel Krokové motory 3. Elektrické pohony Elektrický pohon je soustava elektrotechnického zařízení pro elektromechanickou přeměnu energie Pavelka J., Čeřovský Z., Javůrek J.: Elektrické pohony

9 Základní pojmy výkonové elektroniky Dělení měničů proudů Měniče proudů a frekvence Usměrňovače mění střídavý jednofázový nebo trojfázový proud na stejnosměrný. Dělí se na řízené (osazené tyristory) a neřízené (s polovodičovými diodami). Měniče (střídače) přeměňují stejnosměrný proud na střídavý jednofázový nebo trojfázový Měniče stejnosměrného proudu mění stejnosměrný proud na stejnosměrný proud při jiném napětí a polarity. Používá se tam, kde zátěž potřebuje proměnné stejnosměrné napětí ( trakce). Dělí se na přímé (periodické přerušování napájecího obvodu) a nepřímé (střídač, střídavý meziobvod transformátor řízený usměrňovač) Měniče střídavého proudu mění jednofázový nebo trojfázový proud na proud stejného typu při jiné amplitudě napětí. Používají se např. při řízení odporových spotřebičů, řízení rychlosti asynchronních motorů Měnič frekvence může být přímý nebo nepřímý se stejnosměrným meziobvodem Střídavé měniče napětí Jednofázový střídavý měnič s tyristory V1 a V2 Mění efektivní hodnotu vstupního střídavého napětí na jinou při stejném kmitočtu Tyristory v antiparalelním zapojení Impulzy z generátoru impulzů Průběh pro napětí a proudu na odporu

10 Stejnosměrné měniče napětí Používají se ke změně stejnosměrného napětí. Přímý měnič pracuje pulzním způsobem, přerušuje periodicky napájecí obvod Časový průběh napětí a proudu na odporové zátěži Obsahuje-li zátěž indukčnost, doplní se obvod o nulovou diodu Řízení se provádí s konstantní spínací frekvencí nebo s konstantní dobou sepnutí Střídače Provádějí konverzi stejnosměrného proudu na střídavý Průběh napětí na jedné fázi (A) v jednom modulačním taktu, řízení pomocí pulzně šířkové modulace. Po dobu t 1 vede V1, fáze je připojena ke kladné svorce. Po dobu t 2 vede V4, fáze je připojena k záporné svorce 3.1 Pohony s asynchronními motory Asynchronní motor je nejpoužívanější, dřívější omezení regulace otáček (změnou počtu pólů) je nahrazeno napájením ze zdrojů proměnného kmitočtu a napětí Rozběh asynchronního motoru Opatření vedou ke snížení záběrového proudu s ohledem na to, že záběrový moment je úměrný čtverci statorového napětí, spouštěcí režim omezující záběrový proud je vyžadován u trojfázových motorů s výkonem nad 5 kw 1. Spouštění sníženým napětím (přídavná impedance ve statoru, autotransformátor, přepínač hvězda-trojúhelník) 2. Spouštění impedancí v rotoru (u kroužkových motorů) 3. Využitím elektronického měniče třífázového měniče napětí metoda soft-startu

11 Přepínač hvězda - trojúhelník Používá se u motorů menších výkonů v síti nn, během rozběhu je statorové vinutí ve hvězdě, po rozběhu se přepne do trojúhelníka, záběrový proud i moment se sníží 3x. Ukázka přístrojů pro spouštění motorů Motorový spouštěč MS 325 Ochrana proti zkratu, výpadku fáze Digitální soft-startér Blast-AV Digitální řízení rozběhu a zastavení trojfázových asynchronních motorů. Řízeno mikroprocesorem Brzdění elektrických motorů Brzdění motorů je možné přeměnou mechanické energie v tepelnou (ztrátové) nebo rekuperací (mechanická energie se přemění na elektrickou a vrátí zpět do sítě) Energetická bilance při brzdění

12 Brzdění asynchronních motorů Brzdění protiproudem motor se reverzuje přehozením dvou fázových přívodů, opačný směr točivého mg. pole vytváří brzdný moment, po zastavení je nutno odpojit, aby se motor netočil opačným směrem Brzdění stejnosměrným proudem statorové vinutí je připojeno na nízké ss napětí. Do pohybujícího rotorového vinutí se indukuje proud. Magnetické pole statorového vinutí vyvolá brzdný účinek na rotor. U obráběcích strojů, navijáků. Brzdění v jednofázovém spojení u motoru kroužkových s velkými odpory v obvodu kotvy. Stator připojen mezi dvě fáze Elektomagnetický odbrzďovač vypnutý motor, třecí přítlaková brzda, u obráběcích strojů a zdvihacích mechanismů Rekuperační brzdění poháněný mechanismus otáčí motorem nadsynchronní rychlostí, motor pracuje jako generátor se záporným skluzem. Používá se ve zdvihacích mechanismech při spouštění břemen Řízení rychlosti asynchronních motorů Řízení rychlosti je možno provádět změnou počtu pólů, změnou skluzu a změnou napájecího kmitočtu Řízení rychlosti změnou počtu pólů přepínání větví jednoho statorového vinutí nebo přepínání různých samostatných vinutí uložených v drážkách statoru nad sebou Řízení rychlosti změnou napájecího napětí změnou napětí měníme moment motoru a tím velikost ustálené rychlosti, napájení z autotransformátoru nebo z měniče napětí (jako u rozběhu) Řízení rychlosti změnou napájecího kmitočtu v současné době nejpoužívanější způsob, používají se měniče kmitočtu Řízení rychlosti změnou frekvence Se změnou frekvence se mění otáčky točivého magnetického pole Změnu frekvence i napětí umožňují měniče frekvence, které jsou složeny z elektronických součástek Používají se měniče frekvence, které tvoří usměrňovač (řízený, neřízený), meziobvod (zásobník energie) a střídavý měnič Střídavý měnič přeměňuje DC napětí meziobvodu na trojfázové napětí s měnitelnou frekvencí a proměnným napětím při pulzní šířkové modulaci. Napětí se mění dobou sepnutí meziobvodu šířkou pulzu

13 3.2 Pohony se stejnosměrnými motory Pohony se stejnosměrnými cize buzenými motory Výhody pro použití: Jednoduché řízení rychlosti, velký rozsah otáček, velký točivý moment, snadná změna směru otáčení, velký rozsah výkonů Nevýhody: komutátor a jeho údržba Oblast použití: automobilový průmysl (pohony mechanismů), pohony obráběcích strojů, lodí, ponorek, ledoborců, válcovacích strojů, těžních strojů, ventilátorů a dmychadel, čerpadel Bezeztrátové řízení rychlosti změnou napětí na kotvě (řízený usměrňovač nebo pulzní měnič napětí) nebo změnou buzení stroje (při běžném zatížení zeslabováním mg. pole roste rychlost) Brzdění pohonů se stejnosměrnými cize buzenými motory Brzdění do odporu motor se odpojí, do obvodu kotvy se zapojí odpor, motor pracuje jako generátor Brzdění protiproudem motor se vlivem břemene otáčí v opačném směru než odpovídá napájení. Indukované napětí a napětí zdroje se sčítá. Proud protéká odporem a vyvíjí se příslušné teplo. Používá se u jeřábů při spouštění břemene. Brzdění rekuperací motor pracuje jako generátor a dodává energii do sítě. Pohony se stejnosměrnými sériovými motory Výhody a nevýhody podobné jako u cize buzeného stroje navíc je magnetický tok závislý na zatížení stroje a tím jsou na zatížení výrazně závislé i otáčky. Výrazná oblast použití trakce, využívá se veliký záběrový moment a pokles rychlosti se zatížením Napájení: z trakčního vedení stejnosměrným napájením přes odbočkový transformátor a diodový usměrňovač přes odbočkový transformátor a řízený usměrňovač stejnosměrným pulzním měničem

14 Bezeztrátové řízení rychlosti stejnosměrných sériových motorů Řízení rychlosti změnou napětí na kotvě řízeným usměrňovačem nebo stejnosměrným pulzním měničem Řízení rychlosti změnou buzení stroje Řízení rychlosti řazením do paralelních a sériových skupin (u vícemotorových vozidel) Řízení rychlosti pomocí řízeného usměrňovače používá se u trakčních vozidel napájených ze střídavé sítě u nás 25 kv, transformátorem se sníží napětí na 1-2,7 kv a usměrní se polořízeným můstkovým usměrňovačem pro potřeby stejnosměrných trakčních motorů Řízení rychlosti pomocí stejnosměrného pulzního měniče používá se u stejnosměrného napájení u nás 3 kv, pulzní měnič plní funkci transformátoru i usměrňovače Pavelka J., Čeřovský Z., Javůrek J.: Elektrické pohony Použitá literatura Bastian P. + kol. : Praktická elektrotechnika. EUROPA SOBOTÁles, Praha 2004 Tkotz K.+kol.: Příručka pro elektrotechnika. EUROPA SOBOTÁles, Praha 2002 Janoušek J., Suchánek V.: Základy silnoproudé elektrotechniky. Vydavatelství ČVUT Praha 1997 Pavelka J., Čeřovský Z., Javůrek J.: Elektrické pohony. Vydavatelství ČVUT Praha Pavelka J., Čeřovský Z.: Výkonová elektronika. ČVUT Praha 2002