Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava

Transkript

1 Katedra elektrotechiky Fakulta elektrotechiky a iformatiky, VŠB - TU Ostrava 10. STŘÍDAVÉ STROJE Obsah 1. Asychroí stroje 1. Výzam a použití asychroích strojů 1.2 Pricip čiosti a provedeí asychroího motoru. 1.3 Výko a momet asychroího motoru (mometová a proudová charakteristika) 1.4 Spouštěí, řízeí rychlosti a brzděí asychroích motorů 1.5 Jedofázový asychroí motor 2. Sychroí stroje 2.1 Výzam a použití sychroích strojů 2.2.Základy kostrukce sychroích strojů 2.3 Pricip čiosti sychroího stroje 2.4 Spouštěí a řízeí rychlosti sychroího motoru 2.5 Krokové motory 2008 Ig. Tomáš lčák, Ph.D. Doc. Ig. Václav Vráa, CSc. 1

2 1 Asychroí stroje 1.1 Úvod - Výzam a použití asychroích strojů Asychroí stroje se užívají ejčastěji jako motory. Jsou ejrozšířeějšími elektromotory vůbec a používají se proto, že jsou ejjedodušší, ejlaciější, jsou rověž provozě ejspolehlivější a vyžadují malou údržbu. Užívají se k pohoům zařízeí jako jsou čerpadla, vetilátory, kompresory, pásové dopravíky, jeřáby, výtahy, obráběcí stroje, atd. 1.2 Pricip čiosti a provedeí asychroího motoru ( A ) Pricip čiosti A je založe a idukci apětí a proudů v rotoru a proto se také často azývá idukčím motorem. v Otáčky magetického pole statoru S1 A (tzv. sychroí otáčky) jsou dáy vztahem 60 f S = 1 1 [ot,mi /-1 ; Hz;] 2 p kde : p = počet pólových dvojic, 2 p = počet pólů, f 1 = kmitočet apětí írou asychroizmu tj. rozdílu otáček sychroích a mechaických otáček rotoru je proměá s zvaá skluz, defiovaá vztahem : S1 - s = 100 S1 [%] Asychroí stroje připojeé k apájecí síti mohou také pracovat jako geerátory (mechaickou eergii přeměňují a elektrickou) v případě, že mechaické otáčky rotoru budou vyšší ež otáčky sychroí, stroj bude dodávat čiý elektrický výko do sítě. Otáčí-li se rotor proti směru otáčeí točivého magetického pole, pracuje jako asychroí brzda, tj. momet A působí proti směru otáčeí rotoru. Rozděleí A podle počtu fází podle provedeí rotorového viutí: statorového viutí: - trojfázové - jedofázové (pouze akrátko) - s kotvou akrátko (klecové) v drážkách rotoru jsou uložey vodivé tyče, ejčastěji hliíkové, spojeé a čelích straách kruhy akrátko - s kotvou kroužkovou v drážkách rotoru je trojfázové viutí, jehož vývody jsou připojey a tři kroužky alisovaé a hřídeli stroje a ke kterým přiléhají pevě osazeé kartáče umožňující vyvedeí viutí a svorkovici stroje. ožé způsoby zapojeí trojfázového statorového viutí W2 U1 U2 V1 V2 W1 L1 W2 U2 V2 U1 V1 W1 stykači lze spojit viutí buď do hvězdy (obr.1b), ebo do trojúhelíka(obr. 1c). U1 W2 a)-připojeí viutí fází b) spojeí do hvězdy (Y) c) spojeí do trojúhelíka (D) Obr.1 Svorkovice třífázového asychroího motoru V1 U2 W1 L2 L3 L1 L2 L3 V2 Viutí všech fází statoru je vyvedeo a svorkovici a ozačeo podle obr.1a, kde začátky viutí jsou ozačey U1, V1, W1 a koce U2, V2, W2. Pomocí vodivých spojek (měděých plíšků), ebo vějším spíačem, popř. 2

3 1.3. Výko a momet asychroího motoru Grafickým vyjádřeím závislosti mometu motoru a otáčkách a skluzu = f(,s) je tzv. mometová charakteristika a obr.2. omet A, kromě parametrů BRZDA OTOR GEERÁTOR motoru, závisí a druhé mociě (protisměrá) (adsychroí brzda) apájecího apětí a a kmitočtu apájecí sítě. - s l m = b =0 s=1 s b = S1 s=0..jmeovitý pracoví bod Se sižujícím se apětím klesá momet motoru včetě jeho maximálí hodoty b kvadraticky. Se změou kmitočtu se momet - měí epřímo úměrě k této změě. Obr.2 ometová charakteristika asychroího stroje Jmeovitý momet motoru a hřídeli (bod a obr.2) pro jmeovitý výko motoru P a jmeovité otáčky se určí ze zámého vztahu : P P P -1 = = = 9,55 ( m, W, mi ) Ω 2π 60 Závislost proudu motoru a otáčkách (popř. skluzu) - proudová charakteristika asychroího stroje je a obr.4, -s BRZDA I 1 OTOR GEERÁTOR (protisměrá) (adsychroí brzda) I 1l I 1 I 10 I 1l záběrový proud (proud akrátko) I 10.. proud aprázdo - s =0 s=1 s = S1 s=0 -s Obr.3. Proudová charakteristika asychroího stroje 1.4 Spouštěí, řízeí rychlosti a bržděí trojfázových A V okamžiku připojeí k apájecí síti protéká motorem záběrý proud, který bývá u běžých motorů akrátko asi 4 až 8 ásobek jmeovitého proudu (v závislosti a kostrukčím provedeí daého motoru, apř. a počtu pólů, provedeí drážek, apod.). Požadavky při spouštěí motoru a) dostatečě velký záběrý momet b) malý záběrý proud Způsoby spouštěí A s kotvou kroužkovou Tyto A se spouštějí pomocí spouštěcího odporu R S zapojeého v obvodu rotoru který je přes kartáče a kroužky připoje k viutí rotoru. Stator motoru se připojí a síť při maximálí 3

4 hodotě R S, který se během rozběhu motoru postupě sižuje až je a koci rozběhu zcela vyřaze a viutí rotoru je spojeo akrátko. Způsoby spouštěí motorů s kotvou akrátko ( klecových ) U A akrátko jsou možé tyto způsoby spouštěí: a) přímým připojeím k apájecí síti. S ohledem a proudový áraz při spouštěí A je spouštěí přímým připojeím a veřejou apájecí síť povoleo pouze u malých motorů s výkoem do 3 kw. Toto eplatí ve velkých průmyslových závodech a v elektrárách, kde jsou apájecí sítě a přípojky velkých výkoů b) přepíáím viutí statoru hvězda - trojúhelík (Y D, ). otor má pro své jmeovité parametry viutí statoru zapojeo do trojúhelíla-d. a počátku rozběhu D motoru se jeho statorové viutí spojí do hvězdy.-y tím se apětí a fázi Přeputí síží z hodoty sdružeého apětí a ld Y Y-D hodotu fázového apětí, statorový Rozběh- Y proud a momet motoru se síží 3 ly x.. Ke koci rozběhu se viutí opět p přepe do původího zapojei D. Poměr proudů, mometů a výkoů při spojeí viutí do Y a D je tedy: Obr.4. ometové charakteristiky při I Y : I D = 1 : 3, : Y : D = 1 : 3, spouštěí A přepíáím Y D : P Y : P D = 1 : 3 K přeputí viutí motoru z Y a D se v praxi používají speciálí spíače, ebo kombiace stykačů. K vlastímu přeputí musí dojít ke koci rozběhu tak, aby proudový a mometový ráz byl malý. d) řízeým polovodičovým měičem apětí - -rozběhový čle ( softstartér ) otor je a počátku rozběhu připoje a řízeé apětí, které je vytvořeo ve fázově řízeém polovodičovém měiči tzv softstartétu, který umoží řízeý pozvolý rozběh A při výrazém sížeí záběrého proudu a tím mometu. Po ukočeí rozběhu se může měič vyřadit přemosťovacím stykačem (tzv. bypasse) Řízeí rychlosti asychroích motorů Z rovice pro skluz A vyplývá ásledující vztah pro otáčky motoru : 60 f = S1 1 1 = S1, p 1 ( s) = ( 1 s) = f ( f, p, s) f ( s) Otáčky A lze tedy prakticky řídit: - buď změou sychroích otáček S1 (eergeticky výhodé) - ebo změou skluzu s (eergeticky evýhodé). Příko motoru je vždy úměrý sychroím otáčkám, jeho výko je úměrý otáčkám - řízeí rychlosti motoru změou otáček sychroích Jedou z možostí je změa kmitočtu apájecího apětí. Používá se hlavě u motorů s kotvou akrátko. ezi řízeý A a apájecí siť je zapoje trojfázový měič kmitočtu, který může 4

5 být v růzém provedeí (přímého měiče kmitočtu (cyklokovertoru), ebo epřímého měiče kmitočtu sestávajícího z usměrňovače a střídače ěiče kmitočtu umožňují plyulou změu výstupího kmitočtu v širokém rozsahu a tomu odpovídající plyulou změu otáček A.: Druhou možostí je změa počtu pólových dvojic p. Provádí se buď přepojeím statorového viutí, ebo připojeím dalšího viutí s jiým počtem pólů. Tím lze dosáhout pouze skokové změy sychroích otáček. otory musí mít a statoru takové viutí, jehož počet pólů lze měit. - řízeí otáček změou skluzu V tomto případě se jedá o změu sklou mometové charakteristiky při stejých otáčkách sychroích. Toto je možé u A provést buď změou apětí, ebo změou impedace v obvodech statoru ebo rotoru. Změy otáček lze dosáhou pouze u zatížeého motoru, kdy skluz bude závislý a jeho pracovím bodě (průsečík mometové charakteristiky motoru a zatěžovacího mechaismu). ožý rozsah řízeí otáček je zde velmi ízký a proto se teto způsob řízeí používá je zřídka (apř. pro pohoy vetilátorů, čerpadel apod.)). Změy smyslu otáčeí tzv. reverzace chodu motoru se provede přepojeím sledu přívodích fází k motoru, čímž se změí smysl otáčeí magetického pole. Brzděí asychroích motorů Z obr. 2 a 3 je zřejmé, že třífázový asychroí motor může vytvářet i brzdý momet jestliže: - otáčky rotoru jsou vyšší ež otáčky sychroí (točivého pole), v tomto případě se jedá o tzv. geerátorické brzděí, protože motor pracuje jako geerátor a dodává elektrickou eergii do apájecí sítě, - směr otáčeí rotoru je opačý směru otáčeí magetického pole (tzv. protiproudé, protisměré brzděí), směr otáčeí magetického pole lze změit změou sledu přívodích vodičů k motoru (vzájemým přepojeím dvou fází). Kromě těchto dvou způsobů brzděí existuje ještě tzv. brzděí stejosměrým proudem, kdy se otáčející se motor odpojí od apájecí sítě a připojí se ke zdroji stejosměrého proudu, čímž vzike brzdý momet, který se saží motor zastavit. 1.5 Jedofázový asychroí motor (JA) Tyto motory se používají pro pohoy zařízeí malých výkoů, cca do výkou 500 W. jako apř. pračky, ledičky, drobé stroje a ručí ářadí - vrtačky, brusky, atd. Připojíme-li viutí statoru k apětí vytvoří se pouze střídavé pulsující magetické pole, které evytvoří točivý momet potřebý k rozběhu motoru. JA lze roztočit buď mechaicky a ebo vytvořeím točivého magetického pole statoru vyžadující dvě viutí vzájemě posuutá o 90 0, kterými musí procházet proudy vzájemě časově posuuté. a statoru je uložeo pracoví viutí (hlaví fáze- HF) a ve zbývající třetiě viutí rozběhové (pomocá fáze-pf), které je obvykle paralelě připojeo k viutí hlaví fáze přes kodezátor C způsobující vzájemý posu proudů ve viutích a vzik mometu motoru. Změu směru otáčeí jedofázového A lze provést přehozeím koců viutí pomocé ebo hlaví fáze. Otáčky motoru jsou závislé a kmitočtu apájecího apětí a a počtu pólů. 5

6 L 1 L 1 HF HF C R PF C S PF C a) s rozběhovým C b) s trvale připojeým C Obr.5 Schéma zapojeí jedofázového A 2. Sychroí stroje 0 Obr.6. ometové charakteristiky jedofázových A bez pomocé fáze R - s odporovou fází C s rozběhovým kodezátorem 2.1 Výzam a použití Sychroí stroje jsou dodes ejdůležitějšími elektrickými geerátor\y pro výrobu elektrické eergie, které jsou také azýváy alterátory a jsou ejčastěji v trojfázovém provedeí. Alterátory, které jsou v elektrárách poháěy parími ebo plyovými turbíami se azývají turboalterátory, ebo jsou-li poháěy vodími turbíami azývají se hydroalterátory. Později se sychroí stroje začaly používat také jako motory, jedak jako sychroí kompezátory (pro zlepšováí účiíku v elektrické síti), jedak pro pohoy velkých čerpadel, vetilátorů a kompresorů (průmyslových zařízeí, které evyžadují časté spouštěí a pracují s kostatí rychlostí a s málo proměým zatížeím). S rozvojem polovodičové a výpočetí techiky se sychroí motory uplatňují i v oblasti pohoů s řízeím rychlosti a polohy a to jak u pohoů velkých výkoů řádově megawattů, tak i u malých výkoů v oblasti průmyslové automatizace a robotiky (tzv. servomechaismy) 2.2 Základy kostrukce sychroích strojů J q a, S STATOR S VIUTÍ KOTVY d ROTOR S BUDÍCÍ VIUTÍ Obr 6 ožé kostrukčí typy sychroích strojů a) stroj s vyiklými póly, b) stroj s hladkým rotorem J q b, S Stator sychroího stroje se příliš eliší od statoru asychroího stroje a obsahuje trojfázové viutí, které je umístěo v drážkách. a rotoru je pak umístěo budící viutí apájeé stejosměrým proudem přes sběrací kroužky a kartáče. Podle provedeí rotoru se rozlišují dva základí typy sychroích strojů, a sice stroje s vyiklými póly ( hydrostroje ) obr.6a) a stroje s hladkým rotorem ( turbostroje ) 6

7 obr.6b). Sychroí stroje s permaetími magety mají místo budícího viutí a rotoru magety. Chlazeí sychroích strojů je vzduchové, u strojů vysokých výkoů vodíkové a vodí. 2.3 Pricip čiosti sychroího stroje Geerátor: Otáčí-li poháěcí stroj, (apř.turbía) abuzeým rotorem idukují se v jedotlivých cívkách statoru střídavá apětí, siusového průběhu, která jsou v jedotlivých cívkách vzájemě časově posuutá o úhel Prochází-li viutím statoru střídavý trojfázový proud, vziká stejě jako u asychroího stroje točivé magetické pole s otáčkami S1, které má stejou rychlost otáčeí jako rotor a jeho magetické pole, skluz (rozdíl otáček) stroje je tedy ulový. Proto se stroj azývá sychroí. Rotor stroje vychýle oproti magetickému poli o určitý kladý úhel (předbíhá). S1 S1 =, s = 0, f1 = p 60 otor: Kostrukčě je motor obdobý sychroímu alterátoru. Stator motoru je připoje ke trojfázové střídavé síti, proud statoru vytvoří točivé magetické pole, které se otáčí sychroí rychlostí. Rotor vytvářející magetický tok je vtaže do točivého pole a otáčí se stejými sychroími otáčkami. Velikost mometu motoru je v závislosti a rychlostí eměá a je závislá pouze a úhlu vychýleí rotoru (zpožďuje se) oproti magetickému poli. aximálí mezí hodota tohoto mometu max je při tomto úhlu rovém - π/2. Jeho zvýšeím dojde k výpadku ze 0 S1 sychroismu a motor se zastaví (poruchový stav doprovázeý proudovými a mometovými rázy). max obr.2 ometová charakteristika sychroího motoru 2.4 Způsoby spouštěí a řízeí rychlosti sychroího motoru ejpoužívaější způsoby spouštěí : a) s asychroím rozběhem : kromě budícího viutí je a rotoru umístěo ještě tlumící (rozběhové) klecové viutí. otor se tedy rozbíhá jako asychroí motor akrátko, po dobu rozběhu je budící viutí odpojeo. Jakmile motor dosáhe otáčky blízké sychroím, abudí se a rotor se vtáhe do sychroismu. b) řízeý rozběh - motor je apáje z měiče kmitočtu umožňujícího plyulé zvyšováí kmitočtu a tím i rychlosti točivého magetického pole: Řízeí otáček sychroího motoru Otáčky lze řídit plyule změou kmitočtu apájecího apětí. Lze k tomu použít výkoové polovodičové měiče. Pro regulovaé pohoy se sychroími motory se používají epřímé měiče kmitočtu ( apř. vetilový poho), ebo přímé měiče kmitočtu tzv. cyklokovertory. ožost skokové změy sychroích otáček změou počtu pólů se evyužívá Krokové motory Tyto motory patří mezi speciálí provedeí sychroího motoru 7

8 Kostrukce a řízeí pohybu je přizpůsobeo krokovému režimu.. Změou polohy magetického toku a statoru (která se uskutečí diskrétě po krocích) působí a zubový (popř. drážkovaý) rotor, vziká sychroizačí (reluktačí) momet způsobující pootočeí rotoru do ové rovovážé polohy, ve které je miimálí magetický odpor (reluktace). Velikost kroku je dáa počtem fází a statoru, počtem pólů a způsobem řízeí (s plým krokem - symetrické; s polovičím krokem - esymetrické). Vhodým postupým střídáím ve vedeí proudu ve fázových viutích a statoru dochází k espojitému (přetržitému) pohybu rotoru krokováí. Úhel (dráha) pohybu je pak úměrá počtu impulzů (kroků), rychlost pohybu je pak úměrá kmitočtu řídících impulzů. Změou sledu spíáí fází se měí i směr otáčeí motoru. Charakteristické použití K s využitím jeho hlaví předosti je pro polohováí pracovího mechaismu tj v otevřeé regulačí smyčce (bez zpěté vazby). Je to vlastě ejjedodušší převedeí digitálí iformace a mechaickou polohu - úhel atočeí, - dráhu rotoru. 8