Elektrické stroje. Jejich použití v automobilech. Použité podklady: Doc. Ing. Pavel Rydlo, Ph.D., TU Liberec

Transkript

1 Elektrické stroje Jejich použití v automobilech Použité podklady: Doc. Ing. Pavel Rydlo, Ph.D., TU Liberec

2 Stejnosměrné motory (konstrukční uspořádání motoru s cizím buzením) Pozor! Počet pólů nemá vliv na rychlost otáčení.

3 Princip funkce ss. stroje 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 délky l, kterým protéká proud I v mag. poli o indukci B: F = BIl Indukované napětí ve vodiči pohybujícím se rychlostí v (ω) v mag. poli o indukci B (toku Φ) k konstanta stroje U i = Blv = kφω Elektromagnetický moment: M = kφi

4 Stejnosměrné motory (princip funkce) B

5 Stejnosměrné motory (princip funkce) Ampérovo pravidlo pravé ruky

6 Stejnosměrné motory (princip funkce)

7 Stejnosměrné motory (princip funkce)

8 Stejnosměrné motory - základní rovnice Indukované napětí stroje U i M H = CΦω Vnitřní hnací moment = CΦI Napěťová rovnice stroje ( t) di u ( t) = Ri( t) + L + dt Momentová rovnice stroje dω M = J + dt H M Z U i J moment setrvačnosti rotující části, Mz moment zátěže (včetně vlastních mech. ztrát stroje)

9 Stejnosměrné motory (princip funkce)

10 Stejnosměrné motory (princip funkce)

11 Stejnosměrné motory (princip funkce)

12 Stejnosměrné motory (princip funkce)

13 Stejnosměrné motory (princip funkce)

14 Stejnosměrné stroje (základní dělení) Dynama: cizí buzení, derivační, kompaudní Motory: cizí buzení, derivační, sériové Cizí buzení: proudem budicího vinutí z cizího zdroje, permanentním magnetem

15 Stejnosměrný motor s cizím buzením

16 Náhradní zapojení ss. motoru (pro analýzu přechodných dějů) Ui Ri L di/dt u(t) ( t) di u ( t) = Ri( t) + L + dt U i

17 Náhradní schéma ss. strojů (pro ustálený stav) U = U + i R k I k U = U i R k I k

18 Základní charakteristiky motoru s cizím buzením U 2 ω = ω = 2 2 CΦ C Φ RI CΦ Odvozeno z výchozích vztahů: U MR U i 2 = U + I R = CΦω U i M = CΦI = K M I

19 Řízení otáček motoru s cizím buzením Změnou napětí na kotvě Změnou odporu v obvodu kotvy Změnou budicího proudu (magnetického toku) U = CΦω = K Eω i M = CΦI = K M I U = Ui + RI = CΦω + R M CΦ ω = U CΦ MR ( CΦ) 2

20 Řízení otáček motoru s cizím buzením ω = U CΦ R ( C ) M 2 Φ Analogie s rovnicí přímky, kde M je nezávisle proměnná y = q kx

21 Řízení otáček motoru s cizím buzením ω = U RI2 CΦ

22 Spouštění a brzdění motoru s cizím buzením Spouštění, řízení rychlosti a brzdění motoru s cizím buzením je možno řešit pomocí následujících rovnic: ω = U K R K k 2 M M = K I ω = U K R K k I Při spouštění ω = 0 0 = U K R K k I I = sp U R k

23 Spouštění motoru s cizím buzením (odporové spouštění) I max = R 1 U + R K Odpor R1 volíme tak velký, aby nebyl překročen max. proud kotvou. Další možností plynulého spouštění je postupné zvyšování napájecího napětí kotvy (při konstantním odporu v obvodu kotvy).

24 Brzdění motoru s cizím buzením Generátorové brzdění s dodávkou elektrické energie do sítě (rekuperace). Toto brzdění je možné, jsou-li otáčky rotoru vyšší než jmenovité. Generátorové brzdění do odporu (dynamické brzdění). Brzdění protiproudem.

25 Brzdění motoru s cizím buzením Rovnice pro momentovou charakteristiku: n = U CΦ R k ( C ) M 2 Φ Do rekuperačního brzdění je možno přejít snížením napětí (tj. přechodem na novou momentovou charakteristiku). Pokud platí n > n0 stroj pracuje jako dynamo. Je-li n < n0, motor se vrací do motorického stavu a dosáhne ustálenou rychlost n1 (resp. n2). Příkladem je elektromobil, který zastavuje na rovině pomocí snižování napětí na kotvě. Rekuperační brzdění tedy probíhá od rychlosti n1 do n0 (n0 s čarou).

26 Brzdění motoru s cizím buzením Při brzdění do odporu odpojíme napájení a připojíme ke kotvě odpor. Momentová rovnice brzdění je následující: 0 = R 1 I + CΦω R1 ω = CΦ ω = R I 1 ( C ) M 2 Φ Maximální brzdný moment dostaneme zapojením kotvy motoru dokrátka.

27 Brzdění motoru s cizím buzením Brzdění protiproudem se realizuje změnou polarity napájecího napětí kotvy a připojením odporu do obvodu kotvy. Aby po dosažení nulové rychlosti nedošlo k reverzaci otáčení, musíme vypnout při dosažení nulové rychlosti napájení motoru. Rovnice pro momentovou charakteristiku brzdění je: ω = U CΦ R ( C ) M 2 Φ Přepólováním napájení kotvy se zde mění + na Vložením přídavného odporu se zvýší strmost charakteristiky

28 Aplikace stejnosměrných motorů s cizím buzením v automobilech Pohony stěračů Buzení zajištěno permanentním magnetem. Stroje tohoto typu se používají též v dalších pomocných pohonech (ventilátory topení). Přepínač (2) je ovládací, ve vypnuté poloze zkratuje vinutí kotvy a tím motor zabrzdí. Přepínač (3) je doběhový kontakt, který navrací raménko stěrače do výchozí polohy. Po jejím dosažení vačka přepne z polohy K3 (napájení doběhu) do polohy K4 (zkrat kotvy dynamické zabrzdění).

29 Elektronicky komutované motory náhrada kontaktního komutátoru Základní myšlenka BLDC motorů: Zbavit se komutátoru. Prohození pozice kotvy a buzení. Kotva vybavena permanentním magnetem, vytvářejícím potřebný budicí tok. Stator osazen třemi sadami cívek, napájených třemi střídavými napětími obdélníkového průběhu, posunutých vzájemně o 120 elektrických a spínaných v závislosti na aktuální poloze rotoru. Vlastnosti pohonu s elektronicky komutovaným DC motorem (BLDC motor (brushless DC motor)): jednoduché řízení (odměřování úhlu po 60 ) nespojité řízení (nutná elektron. komutace), napájení dvoufázovým obdélníkovým proudem, velké momentové pulsace při malých rychlostech horší rovnoměrnost otáčení, pohony s těmito motory jsou levné.

30 Principiální provedení rotoru a statoru BLDC motory

31 BLDC motor Spínání proudu jednotlivých fází během jedné otáčky

32 Elektronický spínač pro BLDC motor

33 Oblasti aplikací BLDC motorů v automobilech Ventilační motory pro klimatizaci a větrání Perspektivně i pro pohon elektromobilů

34 Konec prezentace

35