3. Komutátorové motory na střídavý proud Rozdělení střídavých komutátorových motorů Konstrukce jednofázových komutátorových

Transkript

1 ELEKTRICKÁ ZAŘÍZENÍ 5 KOMUTÁTOROVÉ STROJE MĚNIČE JIŘÍ LIBRA UČEBNÍ TEXTY PRO VÝUKU ELEKTROTECHNICKÝCH OBORŮ 1

2 Obsah 1. Úvod k elektrickým strojům Stejnosměrné stroje Úvod ke stejnosměrným strojům Porovnání asynchronních, synchronních a stejnosměrných strojů Konstrukce stejnosměrných strojů Princip činnosti stejnosměrného generátoru dynama Princip činnosti stejnosměrného motoru Vinutí stejnosměrných strojů Póly stejnosměrných strojů Statorové vinutí Rotorové vinutí Princip komutace Zpětné působení kotvy reakce kotvy Komutace a pomocné (komutační) póly Vliv reakce kotvy a komutace na chod stejnosměrných strojů Druhy stejnosměrných strojů a jejich řízení Zapojení stejnosměrných generátorů dynam Dynamo s cizím buzením Dynamo s buzením permanentním magnetem Derivační dynamo Sériové dynamo Kompaundní dynamo Úvod ke stejnosměrným motorům Princip činnosti stejnosměrných motorů Spouštění stejnosměrných motorů Řízení otáček stejnosměrných motorů Zapojení stejnosměrných motorů Motor s cizím buzením Motory s permanentními magnety Derivační motor Motor se sériovým buzením Kompaundní motor Označení svorek stejnosměrných strojů Motor s kotoučovým rotorem... 28

3 3. Komutátorové motory na střídavý proud Rozdělení střídavých komutátorových motorů Konstrukce jednofázových komutátorových motorů Jednofázové komutátorové motory Jednofázový sériový univerzální komutátorový motor Jednofázové trakční motory Repulzní motor Trojfázové derivační komutátorové motory Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru Měniče Rotační měniče Leonardova skupina Polovodičové pohony stejnosměrných motorů Tyristorové řízené usměrňovače Stejnosměrné měniče napětí (pulzní měniče) Polovodičové pohony střídavých motorů Polovodičové stykače Softstartéry Měnič kmitočtu s napěťovým střídačem Použitá literatura a informační zdroje

4 1. Úvod k elektrickým strojům Definice elektrického stroje Elektrický stroj je zařízení, které na principu elektromagnetické indukce umožňuje přeměnu jedné formy energie na druhou, přitom jedna z nich je elektrická. Schématicky lze elektrický stroj vyjádřit: primární elektrický okruh magnetický obvod sekundární elektrický obvod U generátoru (obrázek vpravo nahoře) si můžeme jako primární okruh představit budicí obvod, který v magnetickém obvodu vytvoří magnetický tok a s využitím mechanické energie zabezpečí, že se v pracovním vinutí začne indukovat napětí a generátor začne dodávat elektrickou energii. Pracovní vinutí představuje sekundární obvod. U motoru (obrázek vpravo dole) se obdobným způsobem mění elektrická energie na mechanickou, primárním okruhem je pracovní vinutí a sekundárním budicí, popř. rotorové vinutí. Pokud některá z částí chybí, nelze hovořit o elektrickém stroji. Např. tlumivka nemá sekundární elektrický obvod, usměrňovač nepracuje na principu elektromagnetické indukce, žárovka mění elektrickou energii na světelnou a tepelnou, přeměna energie však neprobíhá s využitím elektromagnetické indukce. Základní rozdělení elektrických strojů netočivé stroje transformátory (jednofázové, třífázové) točivé stroje generátory, motory Rozdělení točivých elektrických strojů podle druhu proudu o stejnosměrné o střídavé (jednofázové, třífázové) podle velikosti napětí, výkonu nízkonapěťové, vysokonapěťové, malého výkonu, výkonové podle principu funkce o střídavé stroje (synchronní, asynchronní indukční) o komutátorové (stejnosměrné motory, dynama, střídavé) o speciální krokové, lineární motory, rotační měniče 4

5 Problematika netočivých a střídavých strojů je popsána v učebních textech 3 a Úvod ke stejnosměrným strojům 2. Stejnosměrné stroje I když jsou stejnosměrné stroje nejsložitější, jsou nejstarším druhem elektrických strojů. Již v roce 1831 britský fyzik Michael Faraday předvedl první princip dynama v historii. Jeho stroj se skládal z měděného kotouče o poloměru 15 cm, který se otáčel mezi dvěma póly trvalého magnetu. O půl století později v roce 1881 ohromil elektrotechnický svět vynálezce Thomas Alva Edison svým dynamem, které dodávalo proud pro žárovek a ve své době bylo největší na světě. Velkou výhodou stejnosměrných strojů je snadné řízení otáček a vlastnost, že každý stejnosměrný stroj může pracovat jako dynamo nebo jako motor. Proto v minulosti došlo k jejich výraznému rozšíření. V současné době jejich význam klesá z důvodu rozvoje elektroniky a snížení cen měničů kmitočtů, které se používají k regulaci pohonů se synchronními nebo asynchronními motory. Důvodem náhrady stejnosměrných strojů je jejich složitost, vysoká cena, náročná údržba a v rotačních pohonech nízká energetická účinnost. Stejnosměrné motory stále nacházejí uplatnění tam, kde je požadována plynulá regulace otáček a velký záběrový moment, jako např. v elektrické trakci, při pohonech obráběcích strojů. Dále se stejnosměrné motory malých výkonů používají pro různá automatizační zařízení a elektrické spotřebiče napájené ze sítě nebo z baterií, jako jsou přístroje spotřební elektroniky, dětské hračky apod. Generátory stejnosměrného proudu se nazývají dynama. Používají se především pro velké výkony pohonů, např. dieselelektrických lokomotiv. I v této oblasti jsou vytlačovány alternátory. Jako zdroje stejnosměrných proudů pro menší výkony jsou v současné době nahrazovány stejnosměrnými zdroji s řízenými polovodičovými usměrňovači. Derivační dynama se používají v místech bez elektrických rozvodů jako zdroje stejnosměrného proudu pro buzení jiných strojů nebo nabíjení akumulátorů. Na obrázcích vpravo a dole vidíme historická dynama velkého výkonu. 5

6 2.2. Porovnání asynchronních, synchronních a stejnosměrných strojů Vlastnost, funkce asynchronní synchronní stejnosměrné umístění pracovního vinutí umístění budícího vinutí druh rotorového vinutí stator stator rotor kotva nakrátko nebo vinutá rotor budicí stejnosměrné, permanentní magnet u malých strojů napájení stator střídavé stator střídavé, přídavná zařízení spouštěcí rezistory u motoru s kotvou vinutou rotor stejnosměrné budič nebo zdroj budícího napětí, zařízení pro rozběh stator (sériové, derivační, smíšené, cizí, u malých strojů permanentní magnet) pracovní vinutí stejnosměrné pro velké výkony budiče, popř. regulátory spouštění jednoduché složité konstrukčně složité, ovládání v principu jednoduché obsluha jednoduchá složitá (rozběh, buzení) stabilita otáček poměrně stabilní stabilní, přesné dle kmitočtu sítě regulace otáček obtížná změnou počtu pólů, změnou kmitočtu, změnou obtížná změnou počtu pólů, změnou kmitočtu jednoduchá u malých strojů, u větších je složitější otáčky kolísají se změnou napětí kotvy a se zatížením (především u sériových motorů jednoduchá (změnou napětí kotvy, popř. budicího proudu) 6

7 skluzu regulace výkonu není změnou buzení změnou buzení při přetížení pracovní otáčky klesnou otáčky, motor se ale nezastaví asynchronní motor nemůže pracovat v synchronních otáčkách v rotoru se neindukuje žádné napětí motor vypadne ze synchronních otáček a zastaví se synchronní, motor nemůže pracovat v jiných otáčkách záběrový moment malý malý velký motor je schopen pracovat i při velkém přetížení nastavují se napětím kotvy, po dosažení jmenovitého napětí snížením budícího proudu motoru záběrový proud velký velký motor lze rozbíhat plynule bez proudových nárazů zatěžování sítě jalovým výkonem citlivost na změnu napájecího napětí výroba proudu značné nezatěžuje malá malá velká nemůže vyrábět bez připojení k síti, nevytvoří se magnetické pole po nabuzení může vyrábět nezávisle el. proud po nabuzení může vyrábět nezávisle elektrický proud, derivační nebo kompaundní dynamo žádný zdroj budícího proudu nepotřebuje 2.3. Konstrukce stejnosměrných strojů Stroje s komutátorem jsou většinou konstruovány pro stejnosměrný proud, ale také pro střídavý jednofázový a trojfázový proud. Stator bývá tvořen tělesem stroje s vnitřními póly, tvořeným plným ocelovým prstencovým jádrem s pólovými nástavci a jádry cívek z elektrotechnických plechů, na kterých jsou umístěny cívky statorového budicího vinutí. 7

8 Pro malé výkony jsou stejnosměrné stroje konstruovány také se statorem s permanentními magnety, které nahrazují budicí statorové cívky. Ve strojích s většími výkony jsou mezi hlavními póly statoru umístěny ještě pomocné (komutační) póly, tvořené cívkami na jádrech z plechů nebo plné oceli. V pólových nástavcích hlavních pólů může být ještě uloženo kompenzační vinutí. Stejnosměrné stroje bývají také stavěny bez vyniklých statorových pólů. Jejich stator je tvořen svazkem statorových plechů s drážkami pro vinutí, tak jako statory trojfázových motorů. V drážkách je pak uloženo budicí vinutí i vinutí pomocných komutačních pólů. Stator složený z elektrotechnických plechů se používá v případech, kdy je stejnosměrné buzení napájeno tepavým proudem usměrňovače a ne ideálním stejnosměrným proudem. Kotva (rotor) stejnosměrného stroje se skládá z ocelového hřídele a svazku rotorových plechů nalisovaného na hřídeli. V drážkách svazku rotorových plechů je uloženo pracovní vinutí napojené na komutátor umístěný rovněž na hřídeli stroje. Komutátor (kolektor) je válec, jehož plášť je tvořen lamelami z tvrdé měděné slitiny, oddělenými od sebe slídou. K lamelám jsou připojeny (pájením, bodovým svařováním, lisováním) vývody rotorových vinutí. Na statoru stroje je nosič kartáčů s čepy (sběrací ústrojí), na kterých jsou otočně upevněny držáky uhlíkových kartáčů. 8

9 Uhlíkové kartáče jsou přitlačovány k povrchu komutátoru tak, aby po lamelách klouzaly při otáčení rotoru. Konstrukci stejnosměrného stroje vidíme na obrázku dole. Na dalším obrázku jsou zobrazeny důležité konstrukční díly stejnosměrného stroje Princip činnosti stejnosměrného generátoru dynama Při otáčení kotvy s jedním závitem vinutí v magnetickém poli statoru generátoru se plynule mění velikost magnetického toku procházejícího tímto závitem. Přímo proti pólům se indukuje v pohybujícím se závitu největší napětí, protože je tu největší změna magnetického toku působícího na závit. Ve vodorovné poloze jsou vodiče závitu rovnoběžné s magnetickými siločárami a žádné napětí se v nich neindukuje. Při dalším otáčení se ve vodičích závitu indukuje napětí opačné polarity. V závitu se indukuje střídavé napětí, jak je uvedeno na obrázku. Připojíme-li konce závitu na kroužky, můžeme z uhlíkových kartáčů odebírat střídavý proud obrázek vlevo. Generátor v tomto případě pracuje jako alternátor. V praxi je však pro alternátor výhodnější umístit vinutí na stator a magnet nebo budicí vinutí na rotor. 9

10 Pokud připojíme konce závitu na lamely komutátoru (obrázek vpravo), můžeme odebírat stejnosměrný proud. Je to způsobeno tím, že při průchodu závitu vodorovnou polohou se mění nejen polarita indukovaného napětí, ale zároveň na uhlíkový kartáč se přesune druhá lamela komutátoru s opačným napětím. Komutátor tedy pracuje jako přepínač polarity výstupního napětí nebo proudu. Komutátor je v podstatě mechanický rotační usměrňovač. Tímto konstrukčním řešením získáme generátor stejnosměrného proudu dynamo. Z popsaného principu je zřejmé, že princip vzniku indukovaného napětí v alternátoru i dynamu je stejný. Velikost indukovaného napětí je závislá na počtu závitů vinutí kotvy, velikosti magnetického toku a počtu otáček kotvy. K dosažení vyrovnanějšího průběhu stejnosměrného napětí vyráběného dynamem se používá kotva, která má vinutí tvořena větším počtem vzájemně pootočených smyček viz obrázek. Vinutí má takový počet závitů, který je potřebný pro dosažení požadovaného napětí. Každé smyčce vinutí pak připadne na komutátoru dvojice protilehlých lamel. Lamely jsou uspořádány tak, že kartáče odebírají napětí vždy jen z dvojice lamel odpovídající smyčce s největším indukovaným napětím, tj. při pohybu kolmo na směr indukčních čar na obrázku vinutí 1 2. Napětí z ostatních smyček vinutí jsou přitom nevyužita. 10

11 Pokud jsou však smyčky na kotvě sériově propojeny, žádná indukovaná napětí nezůstanou nevyužita. Napětí všech smyček se sčítají. I přes malá indukovaná napětí v jednotlivých smyčkách vinutí může dávat dynamo velké napětí, má-li na kotvě vinutí s potřebným počtem závitů. U stejnosměrných strojů se používá tento způsob provedení vinutí. Kotva dynama mívá většinou bubnové provedení s hladkým povrchem. Při zvyšování otáček dynama vzrůstá indukované napětí. V praxi se napětí dynama reguluje budicím proudem. Úpravou tvaru pólových nástavců hlavních pólů se získá výhodnější průběh indukovaného napětí, jak je uvedeno na následujícím obrázku. Spojením většího počtu cívek ve vinutí kotvy bude průběh výstupního napětí méně zvlněný Princip činnosti stejnosměrného motoru Stejnosměrný motor i dynamo mají shodnou konstrukci statoru i rotoru kotvy. Přivedeme-li na kartáče stejnosměrné napětí, motor se roztočí. U motoru však není možné použít nejjednodušší řešení komutátoru se dvěma lamelami, protože v případě, kdy mezera mezi lamelami komutátoru bude menší, než je šířka uhlíkového kartáče, dojde ke zkratování napájecího napětí přes uhlíky a lamely komutátoru, což je znázorněno na obrázku vlevo. Bude-li mezera větší než šířka uhlíku, motor se v poloze uhlíků v mezerách komutátoru 11

12 nerozběhne, protože na lamelách komutátoru nebude napětí. Tento stav je znázorněn na obrázku uprostřed. Proto mívají nejjednodušší stejnosměrné motoru kotvu se třemi vinutími a třemi lamelami komutátoru, jak je uvedeno na obrázku nahoře vpravo. To umožňuje bezproblémový běh motoru. Skutečné provedení kotvy malého stejnosměrného obrázku vidíme na obrázku vpravo. Tyto motory se používají v elektrických hračkách, modelech dopravních prostředků a celé řadě dalších zařízení na malá napětí a malé výkony Vinutí stejnosměrných strojů Póly stejnosměrných strojů Póly u stejnosměrných strojů mají jiný význam než póly u střídavých strojů, kde jejich počet měl vliv na otáčky motorů nebo kmitočet generátorů. U stejnosměrných strojů póly určují počet paralelních větví vinutí kotvy. Nejjednodušší jsou dvoupólové stroje, které mají 2 uhlíkové kartáče a vinutí kotvy vytváří 2 paralelní větve. Rovněž na statoru jsou 2 póly viz obrázek vlevo. U čtyřpólového stroje, který je na obrázku uprostřed, jsou 2 dvojice uhlíkových kartáčů. Protilehlé kartáče jsou propojeny. Ve vinutí kotvy jsou 4 paralelní větve. Také stator v tomto případě musí být čtyřpólový. Na obrázku vpravo je šestipólový stroj. Má 3 dvojice uhlíkových kartáčů střídavě propojených do dvou skupin. Stator je šestipólový. 12

13 Zvyšováním počtu pólů se zvětšuje počet paralelních větví ve vinutí kotvy, což je důležité především při konstrukci stejnosměrných motorů a dynam velkých výkonů. Při větším počtu paralelních větví se celkový proud rozdělí do jednotlivých větví a vinutí je možné navíjet menšími průřezy vodičů, což usnadňuje výrobu. Počet pólů ve statoru a počet pólů vytvořených v kotvě musí být vždy shodný Statorové vinutí Ve statoru stejnosměrného stroje jsou umístěny budicí cívky, připojené k vinutí rotoru sériově, paralelně nebo kombinovaně. Ke statoru dále patří kompenzační vinutí a pomocné (komutační) vinutí. Budicí cívky mohou být zapojeny v sérii, paralelně, nebo ve skupinách paralelně. Každý stejnosměrný stroj má tolik budících cívek, kolik má pólů Rotorové vinutí Smyčková vinutí Rotory stejnosměrných strojů mají většinou dvouvrstvé vinutí. Protože strany cívky rotoru musí ležet vždy pod nestejnojmennými póly, platí tak jako pro trojfázové vinutí, že krok vinutí (drážkový krok) musí přibližně odpovídat pólovému dělení. Vinutí rotoru stejnosměrného stroje je možné rovněž navinout podle obrázku vpravo s průměrným (vlevo) nebo zkráceným (vpravo) krokem. Jsou-li cívky rotoru připojeny na lamely komutátoru tak, že konec jedné cívky je na 13

14 lamele spojen se začátkem cívky sousední, nazývá se toto sériové spojení smyčkové vinutí a jednotlivé smyčky jsou přes kartáče postupně zkratovány. Zapojení smyčkového vinutí je na obrázku. Rozdíl v pořadí lamel, na které je připojen začátek a konec vinutí jedné cívky rotoru, se nazývá krok vinutí nebo krok komutátoru. Vinutí rotoru na obrázku je provedeno jako nekřížené. Začátek cívky 1 je připojen na lamelu 1 a tam spojen s koncem cívky10. Konec cívky 1 je spojen se začátkem cívky 2 a tento způsob se u dalších cívek opakuje. Pokud by bylo zapojení provedeno tak, že by byl začátek cívky 1 připojen na lamelu 1 a konec na lamelu 10, vzniklo by křížené smyčkové vinutí. Počet paralelně zapojených proudových okruhů je u smyčkového vinutí vždy roven počtu pólů a počtu kartáčů. Vlnivá vinutí Zatímco smyčkové vinutí má stejný počet postupně zkratovaných paralelních cívek jako pólů, je u vlnivého vinutí počet do série zapojených cívek poloviční, tedy roven počtu pólových párů. Komutátorový krok tak odpovídá dvojnásobnému pólovému dělení. Plán zapojení sériově řazených cívek má vlnitý vzhled, proto se vinutí nazývá vlnivé. Zapojení vlnivého vinutí je na obrázku vpravo. Vinutí na obrázku je čtyřpólové. Nezávisle na počtu pólů stroje jsou vždy současně zapojeny paralelně dvě větve cívek. Počet lamel musí být lichý, neboť jinak by konec cívky prvního obvodu sériově přes lamely spojených cívek začínajícího na lamele 1 opět skončil na této lamele a obvod by byl zkratován. Přesto však může být buď počet drážek nebo počet lamel dělitelný beze zbytku počtem pólů Princip komutace Na obrázku vpravo je znázorněn princip komutace u motoru. Část komutátoru je zde zakreslena v rozvinutém tvaru. Šipka ukazuje směr otáčení. Při otáčení se pod 14

15 komutátorem uhlíkový kartáč postupně dotýká jednotlivých lamel komutátoru. Je-li lamela komutátoru širší než uhlík, mohou nastat tyto případy: Dotýká-li se uhlík jedné lamely (obrázek nahoře), prochází poloviční hodnota proudu cívkami napravo od uhlíku směrem doprava, a cívkami nalevo od uhlíku směrem doleva. Pootočí-li se komutátor o půl lamely (druhý obrázek shora), je cívka zapojená mezi lamelami 2 a 3 uhlíkem zkratována, ostatními cívkami prochází poloviční hodnota proudu ve směru šipek Pootočí-li se komutátor dále o půl lamely (třetí obrázek shora), změní se směr proudu v cívce zapojené mezi lamelami 2 a 3. Při dalším pootočení se změní směr proudu v cívce zapojené mezi lamelami 3 a 4, dále v cívce zapojené mezi lamelami 5 a 6. Tímto způsobem se mění polarita proudu v cívkách nalevo od uhlíku na opačnou. Z obrázku je zřejmé, že komutátor vykonává funkci přepínače polarity. U dynama je princip komutace stejný. Obrázek v tomto případě platí pro uhlík připojený k zápornému pólu dynama. U kladného pólu by byly směry šipek opačné. Komutátor u dynama pracuje jako mechanický usměrňovač Zpětné působení kotvy reakce kotvy Příčné pole kotvy Hlavní póly stejnosměrného stroje vytvářejí budicí magnetické pole, které se uzavírá přes kotvu tvořenou svazkem rotorových plechů. Kartáče jsou umístěny tak, že mají vždy kontakt s lamelami, na které jsou připojeny vývody toho vinutí kotvy, které je v neutrální zóně, tedy bez napětí. Tím je zabráněno jiskření mezi lamelami rotujícího komutátoru a sběrnými uhlíkovými kartáči. Tvar magnetického pole a průběh magnetické indukce jsou znázorněny na levém obrázku. Při zatížení protéká vinutím kotvy proud. Cívka kotvy tak vytváří magnetické pole, které je v okamžiku maxima kolmé k magnetickému poli statoru a je označováno jako příčné pole kotvy. Jeho tvar a průběh magnetické indukce jsou uvedeny na prostředním obrázku. Hlavní budicí pole statoru vytváří společně s příčným polem kotvy společné pole, jehož osa je pootočena ve směru otáčení kotvy. Tento stav je zobrazen na obrázku vpravo. Úhel pootočení způsobeného zpětným působením kotvy se zvětšuje s proudovou zátěží dynama. Dochází přitom k deformaci průběhu magnetické indukce a tím i výstupního napětí. 15

16 Účinkům zpětnému působení kotvy lze zabránit buď pootočením uhlíkových kartáčů o stejný úhel do nové neutrální osy a nebo s pomocí kompenzačního vinutí, které svým magnetickým účinkem deformaci magnetického pole odstraní (obrázek vpravo). Natočení uhlíkových kartáčů Tento způsob odstranění nepříznivých účinků zpětného působení kotvy je jednoduchý, má však pouze omezené možnosti využití. Lze jej použít u strojů s jedním směrem otáčení a se stabilním výkonovým zatížením. Toho lze prakticky využít pouze u dynam a motorů s jedním směrem točení a neměnným zatížením. Kompenzační vinutí Kompenzační vinutí zabraňuje deformacím budicího pole v oblasti hlavních pólů. Kompenzační vinutí je uloženo v pólových nástavcích hlavních pólů. Je zapojeno sériově s vinutím pomocných komutačních pólů a s vinutím kotvy. Velké stroje s vysokými otáčkami jsou vybaveny pomocnými póly i kompenzačními vinutími. Umístění jednotlivých vinutí vidíme na následujícím obrázku. 16

17 2.9. Komutace a pomocné (komutační) póly Jak již bylo uvedeno, při komutaci dochází ke změně směru proudu v cívkách kotvy. Komutující cívka je přitom zkratována uhlíkovým kartáčem, který propojí mezeru mezi lamelami, na které jsou připojeny konce cívky viz obrázek nalevo. Tento stav nastává v oblasti neutrální osy. Protože jsou kartáče umístěny v neutrální ose, neindukuje se v komutující cívce vlivem otáčení napětí. Avšak indukuje se v ní tzv. reaktanční napětí, které je způsobeno časovou změnou proudu a indukčností komutující cívky. Toto napětí je největší v okamžiku, kdy uhlíkový kartáč opouští lamelu, a kdy dochází k odstranění zkratu komutující cívky. To se projeví jiskřením na odběhové hraně uhlíkového kartáče a k opalování kartáčů i lamel elektrickými oblouky a jiskrami. Pro potlačení vlivu reaktančního napětí postačí umístit komutující cívku do vhodného magnetického pole, které způsobí v cívce vznik tzv. komutačního napětí, které působí proti reaktančnímu napětí a neutralizuje jeho vliv. Toho lze dosáhnout buď natočením kartáčů z neutrální polohy, a nebo vložením pomocných pólů mezi hlavní póly budicího vinutí. Natočení kartáčů z neutrální polohy 17

18 V kapitole zaměřené na zpětné působení kotvy bylo popsáno, že proud kotvy způsobuje vznik magnetického pole kotvy, které způsobuje deformaci budicího magnetického pole vytvořeného hlavními póly. Dochází k vychýlení neutrální osy, které zle kompenzovat natočením uhlíkových kartáčů. Na točení neutrální osy vlivem zpětného působení kotvy má také vliv na komutaci. Pouhé natočení kartáčů sice odstraní tento vliv, neodstraní však reaktanční napětí komutující cívky. K tomu je nutné natočit kartáče o další úhel, aby se komutující cívka dostala do vlivu sousedního pólu s indukcí odpovídající potřebnému komutačnímu napětí. Natočení kartáčů má i v tomto případě svoje omezení lze je použít u strojů se stabilní zátěží a jedním směrem točení. Pomocné póly Vliv reaktančního napětí v komutujících cívkách je možno kompenzovat magnetickým polem pomocného vinutí statoru. Mezi hlavními póly statoru jsou umístěny úzké pomocné (komutační) póly (obrázek vpravo nahoře). Protože je indukce příčného pole kotvy závislá na proudu kotvy, je vinutí komutačních pólů zapojeno v sérii s vinutím kotvy. Tím je dosaženo stavu, že i při kolísajícím proudovém zatížení mají příčné pole kotvy i komutační pole stejně velikou a opačnou indukci a vždy se vzájemně kompenzují, takže nedochází k pootáčení neutrální zóny v magnetickém poli statoru. Zapojení kompenzačního vinutí a vinutí pomocných pólů je na obrázku vpravo dole Vliv reakce kotvy a komutace na chod stejnosměrných strojů Z uvedených údajů vyplývá, že správnou funkci stejnosměrných strojů ovlivňuje celá řada faktorů. Na komutaci dále nepříznivě působí nerovný nebo znečistěný povrch komutátoru, vlhkost, přítomnost mastnoty, nevhodný materiál uhlíkových kartáčů, nevhodné upevnění nebo nastavení kartáčů, jejich tlak na komutátor nebo chvění stroje. Ne vždy se podaří dosáhnout bezjiskrové komutace. Problémy komutace jsou také příčinou, která ovlivňuje a omezuje výkonové a napěťové parametry stejnosměrných strojů. Je zřejmé, že jejich seřízení a údržba vyžadují vysoce kvalifikované pracovníky Druhy stejnosměrných strojů a jejich řízení Podle způsobu spojení mezi budicím vinutím statoru a vinutím kotvy rozeznáváme různé druhy stejnosměrných strojů. Druh buzení a praktické použití jsou uvedeny na následujícím obrázku. 18

19 Buzení permanentním magnetem, z cizího zdroje, paralelní a smíšené se používá u motorů i dynam. Sériové buzení se používá pouze u motorů, u dynam pouze výjimečně. Řízení výstupního napětí dynam Výstupní napětí dynam lze regulovat otáčkami a buzením. Regulace změnou otáček se běžně neprovádí, využívá se pouze u dynam s permanentním magnetem, která pracují jako snímače otáček tzv. tachodynama (levý obrázek). U nich se využívá toho, že výstupní napětí je přímo úměrné otáčkám. Na obrázku vpravo je automobilní dynamo, jehož výstupní napětí je závislé na otáčkách spalovacího motoru, řízení výstupního proudu je však prováděno budicím proudem. Řízení výstupního napětí se běžně provádí budicím proudem. Zvyšováním velikosti budicího proudu se zvyšuje velikost výstupního napětí. U dynam s cizím buzením lze změnou polarity budicího proudu změnit polaritu výstupního napětí. Řízení otáček stejnosměrných motorů Otáčky stejnosměrných motorů lze řídit ve dvou stupních napětím kotvy a budicím proudem. Při spuštění musí být motor plně nabuzen, aby měl potřebný točivý moment. Zvyšováním napětí na kotvě rostou otáčky. Po dosažení jmenovitého napětí na kotvě lze otáčky dále zvyšovat snižováním budicího proudu. Otáčky motoru dále rostou, klesá však točivý moment. Budicí proud lze snížit max. o 30%, protože otáčky se prudce zvyšují a mohlo by dojít k poškození motoru odstředivými silami, které by mohly vést až k roztržení motoru. Proto jsou do budicích obvodů stejnosměrných motorů zařazována podproudová relé, která při poklesu budicího proudu pod minimální hodnotu pohon motoru vypnou. 19

20 2.12. Zapojení stejnosměrných generátorů dynam Dynamo s cizím buzením Budicí vinutí dynama s cizím buzením není propojeno s vinutím kotvy. Budicí proud je dodáván z cizího zdroje, např. ze síťového zdroje s usměrňovačem. Při zatížení klesá vyráběné napětí oproti napětí naprázdno vlivem odporu vinutí kotvy. Velikost výstupního napětí měníme změnou budícího proudu. Změnu polarity výstupního napětí dosáhneme změnou polarity budícího proudu, což je nejpoužívanější způsob. Změny polarity lze rovněž dosáhnout změnou směru otáčení. Dynamo s cizím buzením je tvrdý zdroj napětí, jehož napětí jen málo kolísá se změnou zatížení, jak je patrné ze zatěžovací charakteristiky vpravo. Napětí dynama lze plynule řídit od nuly až po jmenovitou hodnotu, což je znázorněno v levé části obrázku. Snadno lze také měnit polaritu výstupního napětí. Nevýhodou je nutnost pomocného zdroje pro buzení. Dynama s cizím buzením byla v minulosti nejčastěji používanými zdroji ve stejnosměrných pohonech u pracovních strojů. Dynamo s cizím buzením se používá např. v Leonardově skupině pro pohon stejnosměrného motoru, jehož otáčky lze regulovat ve velkém rozsahu. Dále se používá pro budič statorů motoru a dynama. Budič i dynamo jsou na společném hřídeli a jsou poháněny většinou asynchronním (trojfázovým) motorem Dynamo s buzením permanentním magnetem Má obdobné vlastnosti jako dynamo s cizím buzením. Protože má budící vinutí nahrazeno permanentním magnetem, není možné v tomto případě měnit velikost výstupního napětí, protože magnetické pole permanentního magnetu je neměnné. Velikost výstupního napětí je možné měnit pouze změnou otáček viz charakteristika vlevo. 20

21 Buzení permanentním magnetem se v praxi používá tachometrických dynam, zkráceně tachodynam. Jedná se o stejnosměrné generátory používané k měření rychlosti otáčení, které využívají principu přímé závislosti indukovaného elektromotorického napětí na rychlosti otáčení Derivační dynamo Derivační dynamo má budící vinutí připojené paralelně k vinutí kotvy. Při rozběhu dynama se v kotvě indukuje díky remanentnímu (zbytkovému) magnetismu statoru malé napětí. Při správném připojení budicího vinutí protéká nejprve malý budicí proud, který zesílí indukci magnetického pole a ta způsobí zvětšení indukovaného napětí. Vyšší napětí způsobí zvětšení budicího proudu a tento jev se opakuje, až se dosáhne jmenovitého napětí nastaveného regulačním rezistorem v budicím obvodu. Derivační dynamo se nabudí samo a nepotřebuje žádný zdroj budicího proudu. Při obráceném připojení budicího vinutí zeslabí budicí proud zbytkové magnetické pole a dynamo se odbudí odmagnetuje. Potom jej bez použití cizího zdroje nelze nenabudit. Výhodou derivačního dynama je odolnost proti zkratům, jak je uvedeno na zatěžovací charakteristice (obrázek vpravo). Při zkratu klesá svorkové napětí kotvy a tím i budící proud, takže dojde k odbuzení dynama. Zkratový proud je nižší než proud jmenovitý. U derivačního dynama je důležitá hodnota odporu regulačního rezistoru. Na charakteristice vlevo jsou různé hodnoty odporu vyjádřeny přímkami. Podmínkou pro správnou funkci regulace je, aby přímka protínala charakteristiku výstupního napětí v jednom bodu. Regulační rozsah je vyjádřen průsečíky odpovídajícími maximální a minimální hodnotě odporu regulačního rezistoru (2. až 4 přímka zleva). První přímka zleva nemá zřetelný průsečík a většinou je její průběh shodný s charakteristikou napětí. Při této hodnotě rezistoru není zřejmý pracovní bod, což se projeví tím, že výstupní napětí nebude mít stabilní hodnotu a bude se změnou zatížení výrazně měnit svoji hodnotu. S takto nastaveným pracovním bodem nebude dynamo správně pracovat. U derivačního dynama je z tohoto důvodu regulační rozsah výstupního napětí omezený. Pokud se derivační dynamo nevybudí a nezačne dodávat proud, může to mít různé příčiny. Buď nemá stator žádný zbytkový magnetismus, nebo je chybně připojeno budicí vinutí, a nebo je dynamo zkratováno. V případě, že nemá stator zbytkový magnetismus, je nutné budicí vinutí krátkodobě připojit ke zdroji odpovídajícího stejnosměrného napětí, aby se zbytkový magnetismus obnovil. 21

22 K nastavení budicího napětí slouží většinou nastavitelný rezistor, který může být posuvný nebo otočný. Při odpojení buzení by se mohlo v budicím statorovém vinutí indukovat velké napětí, které by mohlo prorazit izolaci. Proto se musí budicí vinutí při odpojení (od vinutí rotoru) zkratováno. Svorkové napětí derivačního dynama s rostoucím zatížením klesá ještě více než u generátoru s cizím buzením. Malý úbytek napětí na vinutí kotvy způsobí zmenšení napětí na budicím vinutí a následné zmenšení budicího proudu. Při obrácení směru otáčení musí být zachován směr proudu v budicím vinutí, aby byl nadále v souladu s orientací zbytkového magnetického pole. Při změně směru otáček dynama je nutno přepólovat (přehodit) vývody kotvy Sériové dynamo Sériové dynamo lze nabudit pouze tehdy, je-li zatíženo. Budicí proud a tím i velikost výstupního napětí jsou závislé na zatěžovacím proudu. Výstupní napětí se mění se změnou zátěže. Z charakteristiky na obrázku nalevo je zřejmé, že napětí s rostoucím odběrem proudu roste. Růst napětí se zpomalí teprve v oblasti nasycení magnetického obvodu statoru. U zatíženého dynama se napětí v této oblasti začne snižovat. Sériová dynama se pro svoje vlastnosti běžně nepoužívají Kompaundní dynamo Kompaundní dynamo má dvě budicí vinutí nasazená na stejných hlavních pólech statoru. Jedno budicí vinutí je zapojeno jako derivační paralelně k vinutí kotvy a druhé budicí vinutí je zapojeno sériově k vinutí kotvy. Regulační odpor je v paralelní větvi sériově s derivačním vinutím. Sériové budicí vinutí je většinou zapojeno tak, že s rostoucím zatížením svým sílícím magnetickým polem posílí magnetické pole paralelního vinutí. Sériové budicí vinutí tedy způsobí při rostoucím proudovém zatížení nárůst svorkového napětí (viz charakteristika kompaundního dynama) na rozdíl od chování derivačního dynama (viz jeho charakteristika). Je-li sériové vinutí dimenzováno tak, že je svorkové napětí při konstantních 22

23 otáčkách nezávislé na zatížení, má dynamo vyvážené sériovo paralelní (kompaundní) buzení. Sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení. Klesá-li se zatížením napětí, je generátor podkompenzován, narůstá-li se zatížením napětí, je překompenzován (viz charakteristika překompaundovaného dynama). Zvýšené napětí dynama v tomto případě pokrývá úbytky napětí na zátěži, např. na motoru. Působí-li sériové budicí vinutí proti paralelnímu, získáme charakteristiku protikompaundního dynama. Toto řešení se používá např. u rotačních svářeček. Kompaundní dynama se sdruženým sériovo-paralelním buzením jsou důležité stejnosměrné generátory. Používají se např. jako zdroj budicího proudu pro synchronní trojfázové generátory Úvod ke stejnosměrným motorům Princip činnosti stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory mají velký rozběhový moment a umožňují plynulé nebo stupňovité řízení otáček. Jejich otáčky mohou být mnohem vyšší než otáčky asynchronních nebo synchronních motorů. Budící vinutí napájené stejnosměrným proudem vytváří budicí magnetické pole, jehož magnetický tok se uzavírá přes jádro kotvy. Protéká-li cívkami kotvy motoru proud, překrývá se magnetické pole cívek pod každým hlavním pólem s budicím magnetickým polem. Na vodiče cívek, kterými protéká proud, působí pod každým pólem síla, jejíž směr lze určit podle pravidla levé ruky (motorového pravidla). Vzniká tak točivý moment otáčející cívky směrem k neutrální zóně. V neutrální zóně nepůsobí na smyčku žádný točivý moment. Pro zachování dosavadního směru otáčení proudem protékané cívky je třeba po přechodu neutrální zónou změnit (přepólovat) směr průtoku proudu touto cívkou. Toto přepólování je zajištěno komutátorem. K získání rovnoměrného a velkého točivého momentu je kotva opatřena více cívkami rozloženými po obvodu kotvy. Jednotlivé cívky rotoru jsou spojeny s lamelami komutátoru tak, že stranami cívek pod jedním budicím pólem protékají proudy stejného směru. Osa magnetického pole kotvy zůstává proto stále ve stejné poloze i přesto, že se kotva otáčí. Směr otáčení motoru lze obrátit změnou směru jednoho z magnetických polí budicího pole statoru nebo pole kotvy. Změna se provede obrácením směru proudu v příslušném vinutí. V praxi se používá se především změna směru proudu kotvy, protože při změně směru točení motoru tím zabráníme přerušování proudu v budicím vinutí Spouštění stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory mají kotvy s velmi malým odporem. Při zapnutí na plné provozní napětí protéká motorem proud několikanásobně vyšší než proud jmenovitý. Pro rozběh velkých motorů je proto nutné použít spouštěcí rezistory. Spouštěcí rezistory jsou zapojeny do obvodu kotvy sériově s vinutím. Jsou plynule nebo stupňovitě nastavitelné a omezují proud během rozběhu motoru. U derivačních motorů s paralelním buzením se často používají samostatné spouštěcí rezistory pro napájení kotvy a samostatné rezistory pro omezení budicího proudu. Rezistory pro 23

24 omezení budicího proudu jsou zapojeny tak, aby během rozběhu budicí proud neomezovaly. Za provozu pak slouží k řízení otáček. Při otáčení kotvy v magnetickém poli statoru se plynule mění se sinusovou závislostí velikost magnetického toku, který prochází vnitřní plochou otáčejícího se závitu. Ve vinutí kotvy se tím indukuje napětí stejně jako v generátoru. Jeho velikost roste s indukcí pole statoru a s otáčkami. Toto indukované napětí působí proti napájecímu napětí a je označováno jako protisměrné napětí kotvy. Protisměrné napětí kotvy dosahuje při jmenovitých otáčkách hodnoty blížící se velikosti napájecího napětí kotvy. Proto je provozní proud tekoucí kotvou podstatně menší, než by odpovídalo malému odporu vinutí. Protisměrné napětí kotvy stejnosměrného motoru omezuje proud tekoucí kotvou běžícího motoru Řízení otáček stejnosměrných motorů Jak již bylo uvedeno, lze otáčky stejnosměrných motorů řídit napětím kotvy a budicím proudem. Při spuštění musí být motor plně nabuzen, aby měl potřebný točivý moment. Zvyšováním napětí na kotvě rostou otáčky viz charakteristika nalevo. Po dosažení jmenovitého napětí na kotvě lze otáčky dále zvyšovat snižováním budicího proudu viz charakteristika nalevo. Otáčky motoru dále rostou, klesá však točivý moment. Budicí proud lze snížit max. o 30%, protože otáčky se prudce zvyšují a mohlo by dojít k poškození motoru odstředivými silami, které by mohly vést až k roztržení motoru Zapojení stejnosměrných motorů Motor s cizím buzením Budicí vinutí motoru s cizím buzením není propojeno s obvodem kotvy a je napájeno vnějším zdrojem stejnosměrného napětí. Při spuštění musí být motor plně nabuzen. Otáčky motoru se postupně zvyšují zvyšováním napětí na kotvě, např. pomocí spouštěcího rezistoru. Snížením napětí na kotvě se otáčky snižují. Ke zvýšení otáček motoru s cizím buzením nad jmenovité otáčky je možno použít regulační odpor v obvodu budicího vinutí, kterým je možno snížit budicí proud. Otáčky rostou, ale točivý moment klesá. S ohledem na zvyšující se otáčky lze budicí proud snížit max. o 30%. 24

25 Obvod kotvy a obvod budicího vinutí je možné napájet přes usměrňovač ze sítě střídavého napětí. Napájecí napětí i budicí proud se pak mohou řídit regulačním transformátorem nebo řízeným usměrňovačem. Cizí buzení je na rozdíl od buzení ostatních typů stejnosměrných motorů nezávislé na napětí kotvy motoru a tím na jeho zatížení, zůstává nezměněné i při poklesu napětí na kotvě. Otáčky motorů s cizím buzením jsou proto ve srovnání s derivačními motory stabilnější viz charakteristika napravo. Motory s cizím buzením se používají jako pohony strojů s proměnlivým mechanickým odporem, jako jsou např. obráběcí stroje. Jejich výhodou je především stabilita otáček a široké regulační schopnosti. Pokud se stejnosměrné motory provozují při běžném zatížení a nízkých otáčkách, je zapotřebí je intenzivněji chladit. K tomu se používají ventilátory poháněné samostatnými asynchronními motory (obrázek vpravo) Motory s permanentními magnety Motory s permanentními magnety ve statoru jsou rovněž stejnosměrné motory s cizím buzením. Jejich vlastnosti jsou shodné. Používají se převážně pro malé výkony, např. v automobilech, dětských hračkách, modelech apod Derivační motor Derivační motor má budící vinutí zapojeno paralelně k vinutí kotvy. Otáčky lze, tak jako u jiných stejnosměrných motorů, regulovat napětím na kotvě a budicím proudem. Na obrázku vlevo je regulační rezistor zapojen do série s motorem. Nevýhodou tohoto zapojení je skutečnost, že s napětím kotvy se regulací omezuje také budicí proud. Motor při rozběhu má v tomto případě malý záběrný moment. Proto se otáčky derivačního motoru regulují samostatným spouštěcím rezistorem v obvodu kotvy a samostatným regulátorem budicího proudu. Zapojení je na obrázku vpravo. 25

26 Při spuštění musí být motor nabuzen. Otáčky motoru se řídí napětím na kotvě a budicím proudem. Při běhu naprázdno i při zatížení se chová derivační motor jako motor s cizím buzením. Má stejnou zatěžovací charakteristiku. Motory, které se při běhu naprázdno nepřetočí a při rostoucím zatížení mají jen malý pokles otáček, nazýváme motory s derivační charakteristikou. Při provozu derivačních motorů i motorů s cizím buzením je nutno zajistit, aby nedošlo k odpojení buzení, protože by se mohla kotva ve slabém poli zbytkového magnetismu roztočit do příliš vysokých otáček Motor se sériovým buzením Budicí vinutí motoru se sériovým buzením je zapojeno v sérii s vinutím kotvy. K rozběhu i k řízení otáček se používá předřazený stavitelný spouštěcí odpor. Veškerý proud kotvy protéká i budicím vinutím a je tedy stejně velký. Motory se sériovým buzením mají ze všech motorů největší rozběhový moment. Při rozběhu bez zatížení postupně klesá proud a slábnutí budicího pole podporuje další nárůst otáček. Motory se sériovým buzením se při běhu naprázdno přetočí do nadměrných otáček. Zatěžovací charakteristika je na obrázku vpravo. Motory se sériovým buzením nesmějí být spojovány se zátěží řemeny nebo řetězy, protože se mohou přerušit nebo spadnout. Motor pak běží bez zatížení a ve vysokých otáčkách. Může dojít k jeho poškození. Při nárůstu zatížení motoru se sériovým buzením narůstá společný proud v kotvě i budicím vinutí, klesají otáčky a narůstá točivý moment. Otáčky motoru se sériovým buzením jsou velmi závislé na zatížení, což je zřejmé ze zatěžovací charakteristiky. Motory se sériovým buzením se používají především pro pohon vozidel, jako jsou např. tramvaje, trolejbusy a elektrické lokomotivy Kompaundní motor Kompaundní motor je stejnosměrný motor se sérioparalelním buzením. Na pólech statoru kompaundního motoru je stejně jako u kompaundního generátoru navinuto sériové i paralelní budicí vinutí. Otáčky kompaundního motoru lze regulovat odporem spouštěče v obvodu kotvy i odporem regulátoru budícího proudu. 26

27 V kompenzovaném (vyváženém) kompaundním motoru je sériové budicí vinutí zapojené tak, že jeho magnetické pole má stejný směr jako pole paralelního vinutí. Při běhu naprázdno se chová kompaundní motor jako derivační motor. Při zatížení však klesají otáčky trochu rychleji, neboť s rostoucím proudem kotvy roste i vlivem sériového buzení hlavní magnetický tok. Je-li sériové budicí vinutí zapojené tak, že jeho pole oslabuje paralelní vinutí, v tzv. antikompaundním zapojení, je motor velmi nestabilní a lehce se přetočí. V tomto případě při rostoucím proudu stoupají otáčky, protože slábne hlavní pole. I přes velkou nestabilitu při chodu naprázdno je toto zapojení výjimečně používáno ke zmenšení vlivu kolísavého zatížení na otáčky motoru. Nárůst zatížení má snahu motor zpomalit, ale nárůst proudu doprovázející nárůst zátěže oslabí hlavní pole, což vede ke snaze otáčky zvýšit. Otáčky zatíženého motoru jsou pak stabilní. Kompaundní motory se používají v případech, kdy nevyhovuje malý rozběhový moment derivačních motorů, např. u zdvihacích mechanismů. Velké derivační motory a motory s cizím buzením mívají většinou pomocné sériové budicí vinutí a chovají se pak jako kompaundní motor. Bez sériového budicího vinutí by docházelo k nárůstu otáček pří zatížení, protože pole kotvy oslabuje hlavní pole Označení svorek stejnosměrných strojů Označování vývodů na svorkách stejnosměrných strojů (viz tabulka) je pro motory i generátory stejné. Číslice před písmeny označují rozdělení vinutí. 1B a 2B značí např. 2 části symetricky rozděleného komutačního vinutí. Číslice za písmeny udávají začátek (např. B1) a konec vinutí (např. B2). Onačení vývodů stejnosměrných strojů označení druh vinutí A vinutí kotvy B vinutí komutačních pólů C kompenzační vinutí D sériové budicí vinutí E paralelní budicí vinutí F vinutí pro cizí buzení Na směru proudu ve vinutí kotvy a v budicím vinutí statoru závisí směr otáčení stejnosměrného motoru nebo polarita výstupního napětí dynama. Označení vývodů je stanoveno tak, že při běhu motoru doprava teče každým vinutím proud od začátku ke konci, tedy v kotvě derivačního motoru od A1 k A2 a v budicím vinutí od E1 k E2. Obdobně se postupuje u dynama pro určení polarity výstupního napětí. 27

28 Stejnosměrný motor se otáčí doprava, protéká-li každým vinutím proud od začátku vinutí ke konci vinutí. Při určení směru otáčení doprava se vychází z pohledu na motor ze strany vyvedeného hřídele a na generátor ze strany hnacího hřídele. Při změně směru otáčení je třeba přednostně přepólovat směr proudu ve vinutí kotvy. Tím zůstane zachován zbytkový magnetismus v železe budicího obvodu. Pomocné póly jsou automaticky přepólovány zároveň s kotvou Motor s kotoučovým rotorem Motory s kotoučovým rotorem jsou stejnosměrné motory s rotorem bez železného jádra. Setrvačný moment je proto malý. Motory s kotoučovou kotvou se rychle rozbíhají a rychle zastavují. Kotva motoru je tvořena plastovým kotoučem s vinutím po obou stranách (levý obrázek dole). Vinutí je tvořeno vodivými dráhami vyřezanými v měděné fólii nalepené na kotouč rotoru (obrázek vpravo). Spojením konců oboustranných vodivých drah, např. pájením, vznikne průchozí vinutí. Přívod proudu do kotvy je realizován přes kartáče, a to většinou přímo na vodivé dráhy rotoru, které tvoří komutátor. Budicí pole zajišťují permanentní magnety upevněné na prstenci statoru z měkkého železa (obrázek uprostřed a vpravo). Trvalé magnety jsou při montáži motoru zmagnetizovány trvale vestavěným magnetizačním vinutím. Jejich magnetická pole se uzavírají přes prstencová jádra. Motory s kotoučovou kotvou se chovají jako stejnosměrné motory s cizím buzením. Princip činnosti a vlastnosti Vodivé dráhy kotoučového rotoru napájené stejnosměrným proudem vytvářejí magnetické pole, které se překrývá s budicím polem. Podle pravidla levé ruky (motorového pravidla) působí na vodivé dráhy protékané proudem síla vytvářející točivý moment. Přepólováním napájení kotvy lze změnit směr otáčení motoru. Díky malé hmotnosti rotoru mohou být u motoru s kotoučovým rotorem dosaženy jmenovité otáčky během několika milisekund. Rovněž zastavení nebo změna směru otáčení probíhají velmi rychle. Odkryté neizolované vodivé dráhy umožňují dobré chlazení, tj. velkou 28

29 proudovou hustotu a také velké krátkodobé proudové přetížení. Homogenní budicí pole zaručuje i při malých otáčkách rovnoměrný běh při konstantním točivém momentu a dovoluje přesné nastavení polohy kotvy. Motory s kotoučovým rotorem jsou vyráběny s výkony od 20W až do 10kW. K buzení je používána řídicí elektronika. Při regulovaném pohonu mohou být otáčky motoru kontrolovány pomocí tachogenerátoru. Motory s kotoučovým rotorem se používají jako servomotory, pro pohon navíječek, ventilů a posuvů obráběcích strojů. Pro svou přesnost a rychlost jsou motory s kotoučovým rotorem často používány namísto krokových motorů Rozdělení střídavých komutátorových motorů jednofázové třífázové o sériové univerzální motory o sériové trakční motory 3. Komutátorové motory na střídavý proud o repulsní motory otáčky se řídí natáčením kartáčů, dnes se již nepoužívají o třífázový derivační motor napájený do statoru o třífázový derivační motor napájený do rotoru Porovnání vlastností komutátorových motorů na střídavý proud s vlastnostmi synchronních a asynchronních motorů Výhody možnost mnohonásobně vyšších otáček než u střídavých motorů hospodárné a plynulé řízení otáček lehký rozběh, velký záběrový moment, malý záběrný proud dobrý účiník velká momentová přetížitelnost Nevýhody složitost a vyšší cena horší účinnost složitější údržba, vnitřní chlazení motoru nasává prach z okolí jiskření komutátoru neumožňuje použití v některých prostředích 29

30 výkonové omezení dané otáčkami, komutací a konstrukcí 3.2. Konstrukce jednofázových komutátorových motorů Tyto motory jsou konstrukčně řešeny obdobně, jako motory stejnosměrné. Na rozdíl od nich musí být statorový magnetický obvod vždy složen z plechů, protože v něm dochází ke střídavé magnetizaci. Rotor má obdobnou konstrukci jako u stejnosměrných motorů, má však větší počet cívek a tím i lamel na komutátoru. Tvar statorových a rotorových plechů je na obrázku vpravo. Rozložený motor je na následujícím obrázku. Střídavý proud vytvoří v budícím vinutí střídavý magnetický tok se síťovým kmitočtem. Komutátor zajišťuje, že kotvou prochází proud se stejným kmitočtem. V motoru vznikne točivý moment. Při změně polarity proudu se mění současně polarita budícího proudu i proudu kotvy. Směr točivého momentu se však nemění (obrázek vpravo). Tato podmínka platí pouze u motoru se sériovým buzením. U paralelního buzení dochází vlivem induktivního charakteru budícího vinutí a činného charakteru vinutí kotvy k fázovému posunu proudů, což je příčinou nerovnoměrného chodu motorů. Z toho důvodu se v praxi používají výhradně sériové jednofázové komutátorové motory. Problémem komutátorových strojů je komutace, neboť proud v cívce je střídavý, má kmitočet sítě. Komutaci nepříznivě ovlivňuje tzv. transformační napětí, které se ve vinutí kotvy indukuje vlivem střídavého magnetického toku. Komutace tak neprobíhá při nulové hodnotě napětí, což se projevuje větším jiskřením kartáčů. Proto se u střídavých komutátorových motorů používají kotvy s 2x až 3x větším počtem cívek a tím i lamel na komutátoru. Na jednu cívku pak připadá menší napětí, čímž se jiskření kartáčů omezí. 30

31 U větších motorů se rovněž používají pomocné póly pro zrušení transformačního napětí a kompenzační vinutí pro potlačení reakce kotvy Jednofázové komutátorové motory Jednofázový sériový univerzální komutátorový motor Používá se pro pohon elektrického ručního nářadí, vysavačů, kuchyňských spotřebičů. Tyto motory nemají kompenzační vinutí ani pomocné póly a jsou většinou dvoupólové. Univerzální se nazývají proto, že mohou být napájeny střídavým i stejnosměrným proudem. Ukázka univerzálního sériového komutátorového motoru je na obrázku vpravo. Charakteristika univerzálního motoru odpovídá sériovému stejnosměrnému motoru. Momentová charakteristika ukazuje, že motor má velký záběrový moment, který se zatížením klesá. Otáčky motoru lze řídit předřadným rezistorem a nebo hospodárně tyristorovým nebo triakovým regulátorem. U univerzálních motorů jiskří uhlíkové kartáče. Jiskření se projevuje rušením sdělovacích a automatizačních zařízení. Toto rušení se omezuje zapojením kotvy mezi cívky budicího vinutí a použitím odrušovacích kondenzátorů (obrázek vlevo). Ke zlepšení komutace komutátorových motorů, která je horší než komutace stejnosměrného motoru, používáme u jednofázových strojů komutační póly a kompenzační vinutí, takže uspořádání je stejné jako u kompenzovaného stejnosměrného sériového motoru. Větší motory se spouštějí obvykle spouštěcím transformátorem Jednofázové trakční motory Jednofázový sériový motor má velký záběrový moment a používal se také jako trakční motor u elektrických lokomotiv. Otáčky trakčního sériového motoru lze hospodárně regulovat odbočkami napětí na transformátoru. Pro zlepšení komutace vyžadoval napájení střídavým 31