ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky DIPLOMOVÁ PRÁCE Stavba demonstračního soustrojí Bc. Zdeněk Frank 08

2

3

4 Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá návrhem a stavbou demonstračního soustrojí tvořeného dvěma synchronními stroji. Součástí práce je elektromagnetický návrh, konstrukční řešení celého stroje a jednotlivých součástí. Cílem této práce je zhotovit funkční soustrojí vhodné pro výukové účely. Klíčová slova Synchronní soustrojí, synchronní stroj, elektromagnetický návrh, konstrukční řešení.

5 Abstract This master thesis focuses on design and construction of a demonstrational electrical engine machinery consisting of two synchronous electrical machines. The thesis also includes an electromagnetic design, constructional solution of the whole machinery and its individual parts. The purpose of this thesis is to create a functional synchronous machine machinery appropriate for educational purposes. Klíčová slova Electrical engine machinery, synchronous machine, electromagnetical design, constructional solution.

6 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální.... podpis V Plzni dne Zdeněk Frank

7 Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu práce, panu Doc. Ing. Karlovi Hruškovi, Ph.D. a kolektivu KEV, za cenné rady, trpělivost a čas, který mi věnovali při konzultacích. Dále bych rád poděkoval Ing. Jindřichu Vaňkovi, Zbyňkovi Brůhovi a Janu Panskému za poskytnutí materiálu na stavbu synchronních strojů. A v neposlední řadě rodině a spolužákům, zejména Bc. Michalu Černochovi, Bc. Radku Čermákovi a nevyjímaje zbytku oboru PE. Děkuji

8 Obsah Obsah... 8 Seznam symbolů a zkratek... 9 Úvod.... Koncept..... Požadavky na synchronní soustrojí..... Uspořádání soustrojí Stator Rotor Ložiskové stojany a budící kartáče: Elektromagnetický návrh synchronního stroje Výchozí parametry pro elektromagnetický výpočet Rozměry statoru Rozměry statorové drážky: Měření magnetizační charakteristiky statorových plechů Návrh topologie vinutí statoru Určení základních parametrů statoru Návrh magnetického obvodu Návrh tlumiče Určení parametrů náhradního schématu Náhradní schéma, fázorový diagram a návrh buzení Návrh buzení Výkonová a momentová charakteristika stroje Stanovení ztrát a účinnosti Měření Měření odporů vinutí Měření naprázdno a nakrátko Zatěžovací zkouška Závěr Seznam literatury a informačních zdrojů:... 5 Seznam příloh:... 5

9 Seznam symbolů a zkratek Symbol Název veličiny Jednotka p Počet pólů - a Počet paralelních větví střídavého vinutí - A Obvodová proudová hustota A/m Bjm Magnetická indukce ve jhu při měření T Bjr Magnetické indukce jha rotoru T Bjs Magnetické indukce jha statoru T Bp Magnetické indukce pólu T Bz Magnetické indukce zubu T Bδ Magnetická indukce ve vzduchové mezeře T b Šířka m bc Střední šířka cívky m bn Šířka pólového nástavce m bz Šířka statorového zubu m C Essonův činitel VA/m min cos φ Účiník - D Vnitřní průměr statoru m D Vnější průměr statoru m dt Průměr tyče tlumiče m dv Průměr vodiče m f Frekvence Hz Fa Magnetické napětí reakce kotvy A Fb Budící magnetické napětí A Fo Magnetické napětí naprázdno A H Intenzita magnetického pole A/m h Výška m hd Výška statorové drážky m hjs Výška jha statoru m I Fázový proud A Ib Proud budící cívky A Id Proud drážkou A Ikg Proud generátoru nakrátko A K Počet cívek - K Počet cívek ve skupině - kc Carterův činitel - kfe Činitel plnění plechů - ke Činitel elektromotorické síly - kv Činitel vinutí - kw Činitel plnění drážky - lč Délka čela m lef Efektivní délka stroje m ljr Střední délka siločáry jha rotoru m ljs Střední délka siločáry jha statoru m ljs_stř Střední délka siločáry statoru m lp Střední délka siločáry pólu m 9

10 ls Délka statorových plechů m lz Délka siločáry v zubu m lz Střední délka závitu statorového vinutí m lzb Střední délka budící cívky m m Počet fází - m Matematický počet fází - mjs Hmotnost jha statoru kg mz Hmotnost zubů kg Nc Počet závitů jedné cívky - Nm Počet závitů měřící cívky - ns Synchronní rychlost ot/min Ns Počet závitů jedné fáze v sérii - p Počet pólpárů - P Činný výkon W q Počet drážek na pól a fázi - Q Počet drážek - Qp Počet drážek na pól - Qtn Počet tyčí tlumiče v pólovém nástavci - R Elektrický odpor statorového vinutí Ω Rg Střední poloměr Görgesova obrazce p.u. Rh Poloměr Görgesovy kružnice p.u. Rb Elektrický odpor budícího vinutí Ω Rm Odpor měřící cívky Ω S Zdánlivý výkon VA S cu Předběžný průřez vodiče m Sb Plocha pro uložení vinutí m Sc Počet skupin cívek vinutí - SCu Efektivní průřez vodiče m Sd Obsah statorové drážky m Sf Počet skupin cívek v jedné fázi - Si Výkon ve vzduchové mezeře VA Sj Obsah jha m Sk Průřez kruhu m St Průřez tyče tlumiče m Sv_ef Obsah mědi v drážce m t t Rozteč tyčí tlumiče m td Drážková rozteč m tp Pólová rozteč m U Sdružené napětí V U0 Napětí naprázdno V Ub Budící napětí V Uf Fázové napětí V Ufe Úbytek magnetického napětí v magnetickém obvodu A Ui Indukované napětí V Um Magnetické napětí A Umjs Magnetické napětí ve jhu statoru A Ump Magnetické napětí pólu A Umz Magnetické napětí zubu A Umδ Magnetické napětí ve vzduchové mezeře A 0

11 Xµ Magnetizační reaktance Ω Xad Podélná reaktance kotvy Ω Xaq Příčná reaktance kotvy Ω Xa Rozptylová reaktance kotvy Ω Xd Podélná reaktance kotvy Ω Xq Příčná reaktance kotvy Ω Xdn Nenasycená synchronní reaktance Ω Xdnas Nasycená synchronní reaktance Ω yd Cívkový krok v počtu drážek - Zdn Nenasycená synchronní impedance Ω Zdnas Nasycená synchronní impedance: Ω α Činitel pólového krytí - β Poměrné zkrácení kroku - δ Velikost vzduchové mezery m δmax Maximální vzduchová mezera m δp Průměrná vzduchová mezera m ΔP Celkové ztráty W ΔPCu Jouleovy ztráty ve vinutí W ΔPFe Celkové ztráty v železe W ΔPm Mechanické a ventilační ztráty W ΔPp Povrchové ztráty W ΔPpř Přídavné ztráty W η Účinnost - η Předpokládaná účinnost - č Činitel poměrné magnetické vodivosti čel - dh Činitel poměrné magnetické vodivosti drážky - Permeabilita H/m m Relativní permeabilita - cu Proudová hustota ve vodiči A/mm v Rozptyl měřící cívky dif Diferenční rozptyl - Φ Magnetický indukční tok Wb ω Úhlová rychlost rad/s

12 Úvod Cílem této diplomové práce je navrhnout a zkonstruovat soustrojí vhodné pro výukové účely. Soustrojí bude tvořeno dvěma stejnými synchronními stroji s vniklými póly. Práce zahrnuje návrh jednotlivých dílů soustrojí, výroby komponentů, kompletní montáž a uvedení soustrojí do chodu. Po ověření chodu soustrojí budou změřeny parametry náhradního schématu a charakteristiky stroje. Synchronní stroj s vyniklými póly je používán jako jeden z nečastějších generátorů elektrické energie u vodních elektráren. Demonstrační soustrojí má za úkol pomoci studentům pochopit základní problematiku principů a konstrukce synchronních strojů.

13 . Koncept Na začátku návrhu bylo nutné stanovit řešení, jakým se bude postupovat při návrhu a konstrukci synchronního soustrojí. V první řadě bylo nutné určit požadavky a priority na soustrojí. Těmito požadavky byla ovlivněna většina konstrukčních řešení. Po stanovení konstrukčních řešení jsme provedli elektromagnetický návrh stroje. Poté byl vytvořen model celého soustrojí a vytvořena dokumentace pro výrobu jednotlivých dílů. Soustrojí bylo sestaveno a ve zkušebním provozu byly změřeny základní charakteristiky... Požadavky na synchronní soustrojí Proveditelnost - Soustrojí musí být možné realizovat dostupnými prostředky. Vhodné pro výukové účely - Názornost, jednoduchost a robustnost. Mobilita - Možnost snadno soustrojí přemístit. Cenová dostupnost - Omezený rozpočet. Variabilita - Snadná rozložitelnost celého soustrojí.

14 .. Uspořádání soustrojí Soustrojí je složeno ze dvou totožných synchronních strojů s vyniklými póly. Na rotoru je umístěno budící vinutí, které je napájeno za pomoci kluzných uhlíkových kontaktů. Hřídele jsou uloženy ve valivých ložiskách, která nesou ložiskové stojany. Oba stroje jsou uloženy na nosných pravítkách a zajištěny pomocí závitových tyčí. Všechny tyto součásti tvoří samonosný celek, viz obrázek obr... Obr..: Uspořádání synchronního soustrojí 4

15 .. Stator Stator je tvořen statorovým paketem staženým stahovacími nemagnetickými lamelami viz obr... Nejdříve měly být statorové plechy vypáleny za pomocí laseru, ale tato varianta byla pro svou finanční náročnost nevyhovující. Proto bylo přistoupeno k rozebrání staršího asynchronního motoru, ze kterého byl demontován statorový paket. Ze statorového paketu bylo následně vyjmuto stávající vinutí. Vyčištěný paket byl rozdělen na dvě stejné části. Po změření jednotlivých rozměrů a magnetizační charakteristiky plechů bylo navrženo a uloženo do drážek nové vinutí pro synchronní stroj. Obr..: Nákres návrhu statoru 5

16 .4. Rotor Magnetický obvod rotoru byl složen ze mm plechů a stažen za pomoci šroubů s dalšími částmi rotoru. Pomocí nosných kamenů je připevněn rotorový paket k hřídeli. Kameny a hřídel mají vyfrézované zámky, které do sebe přesně zapadají. Toto spojení umožňuje přenos točivého momentu. Na hřídel byly nalisovány vysoustružené silonové prstence, na nichž jsou umístěny měděné kroužky, které umožňují přenos budícího proudu. Budící vinutí bylo ručně navinuto a odizolováno elektrotechnickou lepenkou od kovových částí rotoru. V pólovém nástavci jsou uloženy měděné tyče tvořící tlumič, které jsou na konci sletovány s měděným páskem kopírujícím tvar pólového nástavce obr... Obr..: Nákres návrhu synchronního rotoru 6

17 .5. Ložiskové stojany a budící kartáče: Ložiskové stojany jsou jedny z důležitých nosných prvků pro vymezení dílčích částí stroje. Ve stojanech bylo vytvořeno uložení pro silonová pouzdra, ve kterých byla nalisována ložiska viz obr..4. Tato pouzdra slouží k odizolování případných ložiskových proudů, které by mohly vzniknout případnou nesymetrií magnetického obvodu a vést k poškození ložisek. Dále byly do ložiskových stojanů vypáleny konstrukční otvory, zejména pro připevnění pouzder budících kartáčů. Pouzdra s kartáči byla demontována ze staršího stejnosměrného stroje. Pokud nebudou v průběhu provozu nevyhovovat, budou navržena a vytisknuta nová na D tiskárně. Obr..4: Nákres ložiskových stojanů s hřídelí 7

18 . Elektromagnetický návrh synchronního stroje.. Výchozí parametry pro elektromagnetický výpočet Tyto uvedené hodnoty byly použity pro návrh motoru: Sdružené napětí U 400 V (.) Frekvence f 50 Hz (.) Účiník cos φ 0,95 (.) Počet fází: m (.4) Počet pólpárů p (.5) Počet drážek Q 6 (.6) Mag. indukce ve vzduchové mezeře Bδ 0,5 (.7) Obvodová proudová hustota A A/m (.8) Činitel elektromotorické síly ke 0,9 (.9) Předpokládaná účinnost η 0,8 (.0) Vnitřní průměr statoru D 0,6 m (.) Vnější průměr statoru D 0,80 m (.) Délka statorových plechů ls 0,048 m (.) Šířka statorového zubu bz 0,0064 m (.4) Velikost vzduchové mezery δ mm (.5) Činitel plnění statorových plechů kfe 0,95 (.6) Činitel pólového krytí α 0,6 (.7) 8

19 .. Rozměry statoru Efektivní délka statoru: lef k Fe ls 0,95 0,048 0, 046 mm (.8) Pólová rozteč: D 6 t p 60, 7 p 6 mm (.9) Drážková rozteč: D 6 t d 0, mm Q 6 (.0) Výška jha statoru: h D D hd mm (.) js Šířka zubu:.. Rozměry statorové drážky: b z 6, 4 mm (.) b0 [mm] b [mm] 4 b [mm] 7 h0 [mm] h [mm] h [mm] h [mm] 5 h4 [mm] 6 Rs [mm] Sd [mm ] 00 Tab..: Rozměry drážky Obr..: Nákres statorové drážky Výška drážky: hd h0 + h + h4 + RS mm (.) 9

20 .4. Měření magnetizační charakteristiky statorových plechů Pro návrh magnetického obvodu bylo nutné určit magnetizační charakteristiku statorových plechů. Pro její změření byla na statorový paket navinuta cívka viz obr.. a změřena voltampérová charakteristika, ze které byla vypočtena hodnota magnetické indukce a intenzita magnetického pole. Při výpočtu jsme uvažovali odpor, rozptyl vinutí a magnetický tok, procházející pouze jhem statoru. Obr..: Ilustrační obrázek měření magnetizační charakteristiky statorových plechů Délka střední siločáry statoru: f [Hz] 50 Rm [Ω] 0,07 Nm [-] 7 σv [-] 0,95 hjs [m] 0,0 Tab..: Parametry měření ( D h ) ( 0,80 0,0) 0, m l js _ stř js 57 (.4) Obsah jha: S j lef hj 0,0460,0 0,55 mm (.5) 0

21 Indukované napětí za předpokladu 5% rozptylu magnetického pole a naměřené hodnoty pro Um V: U ( U R I ) ( 0,07,) 0,95 0, V (.6) im _ m m m 0 Intenzita magnetického pole: H N m I m 7,0 40 A/ m (.7) l 0,57 js _ stř Magnetická indukce ve jhu: U im B N S 0,0 jm _, 4 m j f 7 0, T (.8) Permeabilita: Relativní permeabilita: B,4,650 H / m (.9) H 40,650 r _ 07 7 (.0) U m [V] I m [A] Ui m [V] H [A/m] B jm [T] μm [H/m] μrm [-],00,0 0,0 40,4,65E ,0 6,0,9,44,7E-0 9 6,00,50,99 49,56 6,95E ,0 6,00 5, ,74,4E ,80 9,00 5,8 567,77,E ,40,00 6,09 659,80,87E-04 8,50 44,50 6,8 8704,88,6E-04 7 Tab..: Naměřené a spočtené hodnoty,8 B [T],6,4, 0,8 0,6 0,4 0, H [A/m] Obr..: Magnetizační charakteristika statorových plechů

22 .5. Návrh topologie vinutí statoru Typ statorového vinutí jsme zvolili jednovrstvé (u ), smyčkové. Pro další výpočty bylo nutné určit počet drážek na pól a fázi q. Počet drážek na pól a fázi: Q n 6 q (.) p m c 6 Počet paralelních větví střídavého vinutí: a p (.) Počet drážek na pól a fázi musí splňovat tyto podmínky: Jmenovatel c nesmí být násobkem počtu fází m (tj.,6,...) Jmenovatel c nesmí být větší než hodnota p (v tomto případě ) p je číslo celé a c p a c Počet drážek na fázi musí být celé číslo Q f 6. Q 6 m (.) (.4) Podmínky jsou splněny. Počet drážek na pól: Q 6 Q p 6 (.5) p 6 Volíme cívkový krok v počtu drážek, který musí být celé číslo: y (0,8 0,86) d Q p (.6) y d 5 (.7)

23 Poměrné zkrácení kroku: y d 5 0,8 (.8) Q 6 p Přední cívkový krok v počtu cívkových stran: y y 5 (.9) d Matematický počet fází: Počet skupin cívek vinutí: m m 6 (.40) S c a m 6 8 (.4) Počet cívkových skupin jedné fáze: S 8 c S f 6 (.4) m Počet cívek: Počet cívek ve skupině: K Q u 6 8 (.4) K 8 K (.44) 8 S c Vzorec pro výpočet činitelů vinutí: sin m k v k y k r sin (.45) n u sin m n u Činitel vinutí základní harmonické: sin sin m k v k y k r n u sin m n u sin 6 k sin 0,8 v sin 6 (.46)

24 Činitelé vinutí vyšších harmonických: k (.47) v k 0.59 (.48) v5 k (.49) v7 Obsah vyšších harmonických v magnetickém poli vzduchové mezery je charakterizován diferenčním rozptylem. Ten lze určit za pomoci Görgesova obrazce. Přesný postup k určení je popsán v []. Goerges' Pattern of Winding's Magnetomotive Force in t0 Degrees Re(mmf) [p.u.] Obr..4: Görgesův diagram Poloměr Görgesovy kružnice: m R h q kv 0,966,84 p. u. (.50) Střední poloměr Görgesova obrazce: R g ri (8 ) p. u. (.5) f 8 f Diferenční rozptyl: R g R h,84 dif 0,76 (.5) R,84 h 4

25 .6. Určení základních parametrů statoru Synchronní rychlost: 60 f n s 000 ot / min (.5) p Essonův činitel: C 60 C 60 A B k v ,5 0,966 VA / m min (.54) Výkon ve vzduchové mezeře: Si C D n ls 0, , VA (.55) Zdánlivý výkon: Si 68 S 758 VA (.56) k 0,9 e Činný výkon: P S cos 7580,9 0, W (.57) Fázové napětí: U 400 U f 0, 9 V (.58) Fázový proud: I S 758,09 A (.59) U 400 s Proud drážkou: D A 0, I d 0 Q 6 A (.60) 5

26 Počet závitů jedné cívky: I d 0 Nc 85, 85 (.6) I,09 Počet závitů jedné fáze v sérii pro sériové zapojení cívek vinutí: N s Nc S f (.6) Předběžný průřez vodiče: S I,09 0, Cu Cu 5 mm (.6) Předběžně jsme zvolili proudovou hustotu Cu 5 průměr vodiče, který jsme zvolili dle normalizované řady. Průměr vodiče: A / mm. Následně dopočteme SCu 0, dv 0,5 0, 56 mm (.64) Efektivní průřez vodiče: S dv 0,56 Cu 4 4 0,5 mm (.65) Obsah mědi v drážce: S d _ ef SCu Nc 0,585 45, 6 mm (.66) Činitel plnění drážky: Sd _ ef 45,6 k W 0,456 (.67) S 00 d Skutečná proudová hustota ve vodiči: I,09 Cu 4,6 A / mm (.68) S cu 0,5 6

27 .7. Návrh magnetického obvodu Magnetický obvod statoru byl složen z elektromagnetických plechů. Charakteristika těchto plechů byla popsána v předchozí kapitole. Rotor je složen z ocelových plechů o tloušťce mm. Magnetický indukční tok: U f 0,9 0,87 mwb (.69),44 f N k 4,445000,966 4 s v Kontrola podle rozměrů stroje: t p lef B 0,060 0,046 0,5 0, 878 mwb (.70) Hodnoty jsou téměř shodné. Dále budeme používat hodnotu magnetického toku 0,87 mwb Volíme velikost vzduchové mezery mm. Tato hodnota byla zvolena s ohledem na technologické možnosti při výrobě stroje. mm (.7) Velikost vzduchové mezery na kraji pólu:,5,5,5 mm (.7) max Průměrná vzduchová mezera: + max +,5 p, 5 mm (.7) Carterův činitel: k c t t d d b p + 0 p 0, + 0,5, 0, + 0,5 (.74) 7

28 Elektromagnetická vzduchová mezera: k c,, mm (.75) V dalším kroku je třeba určit rozměry rotoru a střední délky siločar, aby bylo možné stanovit magnetická napětí, indukce a magnetický odpor v jednotlivých částech magnetického obvodu. Dš bp ac ap Dk hc rkn hn hp tk Dš hj hj Dš Dh Obr..5: Částečný nákres rotoru Název Ozačeí Hodnota [mm] Šířka pólového ástave bn (ac + ap) + bp 40 Šířka těla pólu bp 7 Šířka uložeí ívky ac 9 Šířka přesahu p. ástave ap,5 Výška pólu hp 0 Výška pólového ástave hn 7 Výška rotorového jha hrj 0 Výška rotorového jha hrj 4,5 Efektiví výška rot. jha hrjmin hrj - Dš -Dš 5, Výška uložeí ívky hc 9, Šířka izolae tk 0,4 Průěr hřídele Dh 5 Průěr uložeí klee Dk,8 Průěr pro stah. šrou Dš, Průěr pro stah. šrou Dš 4, Průěr pro stah. šrou Dš 5, Poloěr koe p. ástave rkn, Tab..4: Rozměry rotoru 8

29 Délka střední siločáry ve jhu statoru: l js _ str 0,57 l js 0, 088 m (.76) p 6 Délka siločáry zubu: lz h0 + h + h4 + RS 0,00+ 0,00+ 0,06 + 0,00 0, 00 m (.77) Střední délka siločáry pólu: l p hp + hn 0,00 + 0,007 0, 07 m (.78) Střední délka siločáry jha rotoru: h j 0,045 l jr 0, 08 m p 6 (.79) Výpočet magnetického indukčního toku: B ds S (.80) Magnetická indukce ve jhu statoru: B S h l 0,87 0 0, 80 js js js ef 0,0 0,046 T (.8) Magnetické indukce v zubu: B t l z d ef 0,5 0,00 0,046 Bz 0, 79 T S b l 0,0064 0,046 Z Z ef (.8) Magnetické indukce v pólu: 0,870 B, T p S b l 0,070, p p s (.8) 9

30 Magnetické indukce ve jhu rotoru: B S h 0,87 0 0, jr jr rj l 6 min s 0,05 0,048 T (.84) Výpočet magnetického napětí: U m H l (.85) Pro stanovení magnetického napětí je nutné určit intenzity magnetického pole. Tyto intenzity byly odečteny z charakteristiky na obr.. pro statorové plechy a z přílohy č. pro rotorové plechy. Výchozí parametry magnetického obvodu: - Magnetická indukce ve jhu statoru Bjs 0,80 Hjs 04 A/m - Magnetická indukce v zubu statoru Bz 0,79 Hz 0 A/m - Magnetická indukce v pólu rotoru Bp,07 Hp 694 A/m - Magnetická indukce ve jhu rotoru Bjr 0,6 Hjr 7 A/m Magnetické napětí ve jhu statoru: U H js l js 04 0,088 A (.86) mjs 7 Magnetické napětí v zubu: U H l 0 0,00 A (.87) mz z z 6 Magnetické napětí ve vzduchové mezeře: U U m m t 0 r p l 0, e 0, ,060 0,6 0,046 A (.88) 0

31 Magnetické napětí v pólu: Ump H p l p 694 0,07 69 A (.89) Magnetické napětí ve jhu rotoru: U H jr l jr 7 0,08 A (.90) mjr 8 Obr..6: Magnetický obvod a jeho náhradní schéma Úbytek magnetického napětí v magnetickém obvodu: U fe U mjs + U mjre + ( U mz + U m + U ( ) 9A mp ) (.9) Magnetické napětí naprázdno: F U fe A (.9) 0 Magnetické napětí reakce kotvy: Ns kv 0 0,966 Fa 0,45 m I f 0,45,09 58 A (.9) p

32 .8. Návrh tlumiče Návrh tlumiče byl proveden dle postupu []. Rozteč tyčí byla uvažována na obvodu statoru: ť 0,8 t 0,8 0, 8, mm (.94) t d Šířka pólového nástavce: ( A + A ) 7 + ( 9 +,5) mm bn bp + c p 40 (.95) Počet tyčí v pólovém nástavci: bn 40 Q tn 4,9 5 (.96) t 8, t Průřez všech tyčí: S t 0, Nc QSCu 0,8460,5 mm (.97) Průřez jedné tyče: S S t t mm p Qtn 65 (.98) Průměr tyče: d 4St 4 t, 8 mm (.99) Průřez kruhu: S k 0,45 S t Qtn 0,45,8 5 8, 4 mm (.00) Průměr tyče byl stanoven větší, než nám dovolují rozměry pólového nástavce. Pokud by byl tlumič navrhnut dle výpočtu, výroba rotoru by nebyla možná. Proto byl zvolen průřez tyče Stl,5 mm. Spojení tyčí je realizováno měděným páskem kopírující tvar pólového nástavce o šířce lk mm.

33 .9. Určení parametrů náhradního schématu Výpočet odporu statorového vinutí: Pro výpočet odporu statorového vinutí musíme určit střední délku jedné cívky. Střední šířka cívky procházející středem drážky: ( D + hd ) (6 + 0) bc 0,8 0, 059 m p 6 (.0) Délka čela statorového vinutí: lč Kč bč + h + B,4 0, ,006 0, 095 m (.0) Střední délka závitu statorového vinutí: lz ( lč + ls ) (0,095+ 0,048) 0, 86 m (.0) Elektrický odpor statorového vinutí při 0 C: lz Ns 0,860 R/ 0 Cu., (.04) a S 560 0,50 Cu Elektrický odpor statorového vinutí při 60 C: R R ( + ),7 ( + 0,004 40) 6, 4 (.05) / 60 / 0 Cu t

34 Výpočet rozptylové reaktance statorového vinutí: Výpočet je proveden dle postupu [], []. Koeficient Cd a Cq byl určen z přílohy č.. Magnetizační reaktance: X X X 0 4 m ( N k ) s 7 p v t p ls k p f ( 0 0,966) c 0,06 0, ,005, (.06) Činitel poměrné magnetické vodivosti drážky: +, + 0,44,76 (.07) dh d h Činitel k : Činitel k : 5 k 0,5( + ) 0,5+ 0,875 (.08) 6 k 0,5 ( + k ) 0,5( + 0,875) 0,9 (.09) Činitel poměrné magnetické vodivosti mezi stěnami drážky: d d d h b0 h h0 k + 0, k b b b b0 0,05 0,00 0,00 0,00 0,9+ 0, ,875 0,004 0,004 0,004 0,00, (.0) 4

35 Činitel poměrné magnetické vodivosti hlav zubů: h h + 0, + 0, 0,6 0, h + 0, + 0, 0,44 h t d b b 0 0 ( ) k 0, ( 0,6) 0,875 (.) Činitel poměrné magnetické vodivosti čel: 0,4 č 0,4 č q l s ( l č 0,048 0,64 t p ) 5 0,095 0,64 0,0607 0,887 6 (.) Rozptylová reaktance jedné fáze: X X X a a a f N s 5, , ls ( p q dh + ) + č X 0,048 (,76 + 0,877) + 0,76 96 dif (.) Činitel Cd: C d e f 0,8,08 0,856 (.4) Činitel Cq: C q g h,6 0,5 0,405 (.5) 5

36 Příčná reaktance kotvy: X aq X C q 96 0, (.6) Podélná reaktance kotvy: X ad X C d 96 0, (.7) Podélná reaktance kotvy: X X + X (.8) d a ad Příčná reaktance kotvy: X X + X (.9) q a aq.0. Náhradní schéma, fázorový diagram a návrh buzení Pro návrh buzení je nutné nejdříve určit parametry náhradního schématu a sestrojit fázorový diagram. Pro zjednodušení je uvažován fázorový diagram pro stroj s hladkým rotorem. Z tohoto diagramu bylo určeno indukované napětí a vypočítaný skutečný činitel elektromotorické síly. Z tohoto diagramu bylo odečteno potřebné magnetické napětí potřebné pro buzení stroje [4]. Obr..7: Náhradní schéma synchronního stroje 6

37 Obr..8: Fázorový diagram synchronního stroje Určené hodnoty z fázorového diagramu: Indukované napětí: U i 95 V (.0) Skutečný činitel elektromotorické síly: U 95 i K e 0,85 (.) U 0 f Budící magnetické napětí: F b 864 A (.) 7

38 .. Návrh buzení V návrhu buzení je třeba brát v potaz ruční navíjení cívek. S tímto ohledem byl zvolen jako ideální měděný vodič kruhového průřezu o průměru mm. Měděný vodič s tímto průměrem je dobře tvárný a dostatečně mechanicky pevný. Při návrhu byl uvažován činitel plnění pod pólovým nástavcem k 0, 45. Při provozu nesmí být překročena hodnota proudové hustoty A/ mm. CuR wb Plocha uložení vinutí budící cívky: S b Ac hc 99, 7 mm (.) Střední délka závitu budící cívky: Ac Ac lzb bp + + le + ( ) 66 mm (.4) Průřez vodiče: S vb r 0,5 0,79 mm (.5) Počet závitů budící cívky: S b kwb 70,45 N b 99 (.6) S 0,79 vb Proud budící cívky: Fb 864 I b 8, 7 A (.7) N 99 b Proudová hustota budící cívky: I 8,7 b Cub A/ mm (.8) Svb 0,79 Při návrhu buzení nedošlo k překročení mezních limitů proudové hustoty. Během navíjení budící cívky bylo zajištěno efektivnější uložení vodičů na těle pólu a navinuta cívka o počtu závitů N 08. b 8

39 Parametry buzení: Skutečný proud budící cívky: I Fb 864 A (.9) N 08 b 8 b Skutečná proudová hustota budící cívky: I 8 b Cub 0,8 A/ mm (.0) Svb 0,79 Elektrický odpor budícího vinutí při 0 C: lzb Nb p 0,66086 Rb / 0 Cu., (.) S 560 0,790 vb Elektrický odpor budícího vinutí při 90 C: Rb / 90 R/ 0 ( + Cu t),4( + 0,00470), (.) Minimální budící napětí: Ub _ min Uk + R/ 0 Ib +,48, 44 V (.) Maximální budící napětí: U Uk + R/ 90 Ib +,8 8, V (.4) b _ max 9 Pro buzení je vhodné použít regulovaný zdroj napětí v rozsahu 0-0 V. Přesné napětí je třeba upravit pro požadované provozní parametry stroje na požadovanou hodnotu proudu. 9

40 .. Výkonová a momentová charakteristika stroje Výkonová charakteristika je dána vztahem: P P f ( ) f ( ) m U f U X ib d U sin + X sin + q X 5 d sin sin W (.5) Momentová charakteristika je dána vztahem: M M f ( ) f ( ) m p U f U X ib d U sin + X sin + 50 q 5 X d sin sin Nm (.6) Charakteristiky stroje určené dle uvedených vztahů jsou zobrazeny v obr..9., přičemž výkonová charakteristika je vynesena červenou čarou, momentová charakteristika modrou čarou. P [W] beta [ ] M [Nm] Obr..9: Výkonová a momentová charakteristika 40

41 .. Stanovení ztrát a účinnosti Jouleovy ztráty ve statorovém vinutí: P Cu m R I 6,4,09 94 W (.7) / 60 Jouleovy ztráty v budícím vinutí: P R I + U I,8 + 8 W (.8) Cub b / 90 b k b 5 Pro stanovení ztrát v železe je třeba určit hmotnost aktivních částí stroje. Hmotnost zubů statoru: m m z z 7800 l s k Fe h d b z Q ,048 0,95 0,00 0,0064 6,6 Kg (.9) Hmotnost jha statoru: m m js js 7800 l k s Fe ,048 0,95 ( D h ) js h js ( 0,80 0,0) 0,0, Kg (.40) Předpokládané ztrátové číslo plechů []: p Fe, W / kg (.4) Ztráty v zubech statoru: P P Fez Fez,7 p Fe B z,7, 0,79 f ,, m Fez,6,9 W (.4) 4

42 4 Ztráty ve jhu statoru: W P m f B p P Fej Fej js Fe Fej 4,4, ,8,, 50,,, (.4) Povrchové ztráty: ( ) ( ) W P t B n Q k l t p P p d s p p 0 0 0,00 0, ,048 0,0607 0,6 6 0, ,5 6,5 6 0,5 0 (.44) Mechanické ztráty: W P l v p P m s m 8,5 0 0, ,07, ,68 (.45) Přídavné ztráty: W S P př 5 0, 758 0,006,006 0 (.46) Celkové ztráty: W P P P P P P P P P př m p Fez Fej Cub Cu 5, 0,5 8,5,9 4, (.47) Účinnost: 0,5 0,95 0,9,09 5, cos U f I m P (.48)

43 . Měření Všechna měření byla provedena na sestaveném synchronním soustrojí viz obr... Bylo předpokládáno, že oba stroje jsou identické, měření byla provedena pouze na jednom stroji. V soustrojí byl provozován jeden stroj v motorickém a druhý v generátorickém režimu. Synchronní motor byl vždy asynchronně rozběhnut, a to za pomoci autotransformátoru. Při dosažení požadovaných otáček byl stroj nabuzen a vtažen do synchronizmu. Po uvedení strojů do jmenovitých otáček proběhla jednotlivá měření s výjimkou měření odporu vinutí. Obr..: Foto měřícího pultu se synchronním soustrojím.. Měření odporů vinutí Měření odporů vinutí bylo provedeno měřícím přístrojem CROPICO DO5000 při pokojové teplotě C. V odporu vinutí je zahrnut i kontaktní odpor přívodních svorek. Měření odporu vinutí a kartáčů bylo provedeno při nulových otáčkách v klidovém stavu. Výsledky jsou uvedeny v tab... Veličia Ozačeí Hodnota Jednotka Odpor statorového viutí U Ru,56 Ω Odpor statorového viutí V Rv,49 Ω Odpor statorového viutí W Rw, Ω Průěr Rs, Ω Budíí viutí Rbv,8 Ω Odpor kartáčů Rk,5 Ω Tab..: Naměřené hodnoty odporů vinutí 4

44 .. Měření naprázdno a nakrátko Měření naprázdno bylo provedeno v generátorickém režimu a dle zásad [5]. Soustrojí bylo zapojeno podle obr... Svorky statorové svorkovnice generátoru byly rozpojeny a z osciloskopu RIGOL DS 074 B byla odečtena hodnota fázového napětí při dané hodnotě budícího proudu. DMG 700 IbM IbG Uzel st. svorkovnice IM IG Obr..: Blokové schéma pro měření naprázdno Při měření nakrátko bylo postupováno obdobně jako u měření naprázdno. Soustrojí bylo zapojeno podle obrázku obr.. a byly odečteny hodnoty statorového proudu odpovídající hodnotám budícího proudu. DMG 700 IbM IbG IM IG Obr..: Blokové schéma pro měření nakrátko Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tab.. a zobrazeny v obr

45 Naprázdo Nakrátko I b [A] U 0 [V] I kg [ma] 0 8, 60 46, , Tab..: Naměřené hodnoty měřením naprázdno a nakrátko U 0 [V] ,5,5,5 0, ,5 I kg [A] 4 I bg [A] Obr..4: Změřená charakteristika v chodu naprázdno a nakrátko 45

46 Z naměřených hodnot byly vypočteny parametry náhradního schématu stroje: Nasycená synchronní impedance: Nasycená synchronní reaktance: U 0 0 Z dnas 7, 5 (.) I,40 kgn X Z dnas R s 7,5,8 69 (.) dnas Nenasycená synchronní impedance: U 0 0 Z dn 00 (.) I,5 kg Nenasycená synchronní reaktance: X Z dn R s 00,8 99 (.4) dn 46

47 .. Zatěžovací zkouška Synchronní soustrojí bylo uvedeno do provozu a po dobu jedné hodiny zatíženo ohmickou zátěží x R 90 Ω zapojenou do hvězdy viz obr..5. Při měření byly sledovány proudy a napětí, aby nedošlo k překročení mezních hodnot. Termokamerou byly snímány vybrané části stroje, zdali se nepřehřívají. Dále bylo pozorováno, jestli soustrojí nevykazuje známky mechanického či jiného poškození. DMG 700 IbM IbG IM IG Obr..5: Blokové schéma pro zatěžovací zkoušku Během zkoušky soustrojí nevykazovalo žádné příznaky závažných poruch. Po ustálení provozní teploty stroje byly naměřeny hodnoty, které jsou uvedeny v tab... Z osciloskopu byly pořízeny záznamy průběhů proudů a sdruženého napětí (žlutý průběh) obr..6. Veličina Označení Generátor Motor Jednotka Sdružené napětí Us 400, 87,0 V Fázové napětí Uf,4 V Proud I 0,855,66 A Účiník cos ϕ 0,99 0,987 - Zdánlivý výkon S 59,5 780 VA Činný výkon P 587,8 770 W Jalový výkon Q 4, Var Budící proud Ib 8 7, A Budící napětí Ub 7,7,6 V Tab..: Naměřené hodnoty zatěžovací zkoušky 47

48 Obr..6: Průběhy proudů a napětí zatíženého stroje Celkové ztráty motoru: P I bm U bm + ( S M S G ) S S M + S 780 P 7,,6 + (780 59,5) 76,5 W 59, M G (.5) Účinnost motoru: m I P 76,5 cos,6,4 0,987 U f 0,64 (.6) 48

49 4. Závěr V předložené diplomové práci bylo zrealizováno synchronní soustrojí, tvořené dvěma identickými stroji dle obr.4.. o zdánlivém výkonu 760 VA. Soustrojí bylo uvedeno do provozu v laboratoři FEL ZČU, ve které bylo uskutečněno měření náhradních parametrů. Měřením byly získány hodnoty odporů vinutí, posléze byly získány charakteristiky ve stavu naprázdno a nakrátko v závislosti na budícím proudu. viz obr..4. Z těchto charakteristik byla vypočtena nenasycená a nasycená synchronní reaktance. Parametry náhradního schématu jsou uvedeny v tab. 4.. Obr. 4.: Zhotovené demonstrační soustrojí Název Výpočet Měřeí Jednotka Rozdíl [%] Odpor statorového viutí,7 4,8 Ω 9 Odpor udíího viutí,4,8 Ω 6 Rozptylová reaktance kotvy 55 - Ω - Podélá reaktae kotvy 80 - Ω - Příčá reaktae kotvy 68 - Ω - Syhroí reaktae as Ω - Syhroí reaktae es. 99 Ω Účiost 5 64 % - Tab. 4.: Parametry náhradního schématu 49

50 Při zatěžovací zkoušce prováděné po dobu jedné hodiny v zatíženém stavu byl zjištěn nedostatečný kontakt kartáčů u stroje č., který by pro dlouhodobý bezporuchový chod stroje měl být odstraněn výměnou kompletní sady kartáčů. Tím dojde ke snížení budících ztrát a k celkovému vylepšení účinnosti strojů. V závěru zatěžovací zkoušky byl pořízen záznam průběhů proudů a sdruženého napětí obr..6 a za pomoci termokamery byla změřena teplota statorového vinutí, která dosáhla teploty 60. Pro oba stroje byl vytvořen štítek s jmenovitými parametry uvedený v tab. 4.. Název Hodnota Jednotka Typ Syn. motor - Sdružeé apětí 400 V Fázový proud, A Zdálivý příko 760 VA Čiý výko 580 W Cos ϕ 0,95 - Frekvence 50 Hz Jmeovité otáčky 000 ot/min Budíí proud 8 A Budíí apětí 0-0 V Zapojeí viutí Y - Krytí IP 00 - Druh provozu S - Tab. 4.: Štítkové hodnoty synchronního stroje Po výměně kartáčů lze soustrojí dlouhodobě a bezproblémově provozovat. Splňuje technické požadavky a nároky kladeny na demonstrační soustrojí. Zejména je vhodné pro výukové účely, měření provozních parametrů a charakteristik stroje. 50

51 Seznam literatury a informačních zdrojů: [] KOPYLOV, Igor Petrovič a kol. Stavba elektrických strojů.. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, s. [] CIGÁNEK, Ladislav. Stavba elektrických strojů. Praha: SNTL, 958, 76 s. ISBN 05/4 [] PYRHONEN, Juha., Tapani JOKINEN a Valeria. HRABOVCOVÁ. Design of rotating electrical machines. Second edition. Chichester, West Sussex, United Kingdom: Wiley, 04. ISBN [4] BARTOŠ, Václav. Teorie elektrických strojů. V Plzni: Západočeská univerzita, 006. ISBN [5] BARTOŠ, Václav a Bohumil SKALA. Měření na elektrických strojích.. vyd. V Plzni: Západočeská univerzita, 006. ISBN [6] SolidWorks. [online]. [Cit..4.08] Dostupné z 5

52 Seznam příloh: Příloha : Magnetizační charakteristika rotorových plechů []... Příloha : Deformační činitel magnetického napětí []... Příloha : Pilové schéma vinutí... Příloha 4: Nákres synchronního stroje... 4 Příloha 5: Nákres levého ložiskového stojanu... 5 Příloha 6: Nákres pravého ložiskového stojanu... 6 Příloha 7: Nákres hřídele... 7 Příloha 8: Nákres kamene... 8 Příloha 9: Nákres rotorového plechu... 9 Příloha 0: Nákres pólového nástavce... 0 Příloha : Nákres budícího prstence... Příloha : Nákres rotorové podložky... Příloha : Nákres statorového stahovacího plechu... Příloha 4: Nákres statorového paketu... 4 Příloha 5: Nákres uspořádání synchronního soustrojí... 5 Příloha 6: Fotogalerie popisující stavbu soustrojí

53 Přílohy: Příloha : Magnetizační charakteristika rotorových plechů []

54 Příloha : Deformační činitel magnetického napětí []

55 Příloha : Pilové schéma vinutí

56 Příloha 4: Nákres synchronního stroje 4

57 6 5 4 D 4 D 0x 4,0 C 4x 8,0 0,0 0 5 C,05 R5,0 4,95 0, ,0 0 9,95 8 B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 5 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Levý ložiskový stojan číslo výkresu: datum: A Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. měřítko: : 6 5 4

58 6 5 4 D 9,50 R,60 8 4,50 D 9, C 0 C 60 8 B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 6 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Pravý ložiskový stojan číslo výkresu: datum: A Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. měřítko: : 6 5 4

59 4 F F 6,9 E D Měřítko : 6 5 E D C C Měřítko : B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 7 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Hřídel Bc. Zdeněk Frank Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

60 4 F F E x 5,0 E D 6,68 0,64 44 D C 8 C B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 8 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Kámen_zde Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

61 4 F F E 6x,0 R50,0 5 E 4x,80 5x 5,0 6x 4, ,05 4,64 D D 8,8 8,8 0 R,0,05 C,50 7,50 C B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 9 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Rotorový plech Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

62 4 F F E 7,0,0 4x,80 R,0 E D,97,8 4,96 7,44,50,05 D 40 C C B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 0 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Pólový nástavec Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

63 6 5 4 D D 6 8 x,0, C C 8 8 B B číslo přílohy: Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Budící prstenec číslo výkresu: datum: A Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. měřítko: : 6 5 4

64 4 F F E 6x 4,0 E D D C C B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Rotorová podložka Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

65 6 5 4 D 8x 6,0 7,5 D A,50 8 R C 0 DETAIL A MĚŘÍTKO : C B 60 5 B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Statorový stahovací plech číslo výkresu: datum: A Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. měřítko: : 6 5 4

66 4 F F E 80 R58,5 E A D 50 DETAIL A MĚŘÍTKO : D 7 C R 4 7 C R B B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo přílohy: 4 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Statorový paket Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: : A 4

67 4 F F 0 E ,97 50, ,97 40 E D 60 D C C 0 B 0 B Fakulta elektrotechnická ZČU Plzeň Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky číslo výkresu: 5 Diplomová práce: Stavba demonstračního soustrojí formát výkresu: A4 A Název výkresu: Zpracoval: Bc. Zdeněk Frank Uspořádání demonstračního soustrojí Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Hruška, Ph.D. číslo výkresu: datum: měřítko: :5 A 4

68 Příloha 6: Fotogalerie popisující stavbu soustrojí Foto : Jednotlivé komponenty stroje Foto : Stator a rotor stroje 6

69 Foto : Stator, rotor a ložiskové stojany 7

70 Foto : Kompletní rotor Foto 4: Stator s uloženými cívkami 8

71 Foto 5: Zkušební test v generátorickém režimu Foto 6: Montáž druhého stroje 9

72 Foto 7: Rotory synchronního soustrojí Foto 8: Synchronní soustrojí 0

73 Foto 9: D model rotorů synchronního soustrojí Foto 9: D model synchronního soustrojí