Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II

Transkript

1 Stýskala, 2002 L e k c e z e l e k t r o t e c h n i k y Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II Vítězslav Stýskala, Jan Dudek únor 2007 Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE T O Č I V É NETOČIVÉ GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) MĚNIČE Stejnosměrné cizím buzením derivační kompaudní sériové Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé cizím buzením derivační kompaudní sériové Komutátorové síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN) speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.) usměrňovače střídavé měniče napětí střídače pulzní měniče měniče kmitočtu synchronní asynchronní asynchronní synchronní 1

2 Michael FARADAY ( ) Indukovaná ems Faraday tvrdí*, že indukovaná ems (elektromotorická síla) ve vodiči, vzniká důsledkem relativního pohybu vodiče a magnetického pole (nebo jeho časové změny) tak, že nutně dochází k protínání magnetických siločar vodičem. Směr indukované ems závisí na směru relativního pohybu mezi magnetem a vodičem. Okamžitá velikost indukovaného proudu I závisí na amplitudě mag. toku Φ m, resp. mag. indukce B m, rychlosti pohybu v a na počtu závitů N, resp. na aktivní délce vodiče l, která právě protíná magnetické siločáry. * Jestliže se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Velikost indukovaného napětí na koncích vodiče, například na cívce, závisí na charakteru změn magnetického pole. Podmínky vzniku indukovaného napětí (ems) Magnetické (EM) pole Vodič Relativní pohyb, příp. změna magnetického pole 2

3 Elektromagnetická indukce INDUKOVANÝ PROUD CÍVKA (INDUKTOR) VOLTMETR INDUKOVANÉ NAPĚTÍ (ems) - SMĚR POHYBU N MAGNET S Heinrich Fridrich Lenz ( ) Lenzův zákon Indukovaný proud má vždy takový směr, že se svými účinky snaží zabránit změně, která ho vyvolala. Jestliže například vznikl indukovaný proud přibližováním magnetu k cívce, brání magnetické (EM) pole vyvolané indukovaným proudem přibližování magnetu. Jestliže byl indukovaný proud vyvolán vzdalováním magnetu, snaží se magnetické pole tomuto vzdalování zabránit. Pozn. Lenzův zákon je určitou obdobou zákona setrvačnosti, který známe z mechaniky. 3

4 Stejnosměrné (DC) stroje motory mají obdobnou konstrukci jako DC generátory vyžadují jeden nebo dva DC napájecí zdroje možnost řízení jejich otáček je jednoduchá vyrábějí a používají se v širokém rozsahu výkonů od setin W, až po jednotky MW v současnosti jsou jejich aplikace nahrazovány AC pohony především z důvodů spolehlivosti, menších nároků na údržbu, levnější pořizovací ceny a příznivějšího poměru výkonu na jednotku hmotnosti Stejnosměrné (DC) stroje DC generátory mají shodnou konstrukci s DC motory, liší se pouze směrem toků výkonů. Dělí se na: - s cizím buzením - derivační - kompaudní - sériové 4

5 Konstrukční uspořádání DC stroje 5

6 Zapojení budícího, kotevního vinutí a vinutí pomocných pólů DC stroje Hlavní póly (budící) Kartáče Kotva (rotor) Pomocné póly Zdroje budícího a kotevního napětí Konstrukční uspořádání DC stroje a) s buzením b) s permanentními magnety 1 - kotva 2 - póly s cívkami 3 - póly s permanentními magnety 4 - kotva statoru 6

7 Princip stejnosměrného stroje DC generátoru P mec P el Princip stejnosměrného stroje DC motoru P 2 = M Ω P (el) = U a I a Zdroj kotevního napětí - 7

8 Principielní uspořádání DC stroje Otáčky n (směr otáčení rotoru) SJ Severní pól hřídel kotva S komutátor Uhlíkové kartáče elektromagnetické pole elektromagnetické buzení, nebo permanentní magnet Jižní pól - Napájecí napětí kotvy, nebo kotevní napěrí Činnost DC stroje Severní pól Jižní pól Napájecí napětí kotvy, nebo kotevní napěrí 8

9 Vznik magnetického pole Proud kotvou DC motoru 9

10 Vznik tažné síly DC motoru.. F = B I l Vznik točivého momentu DC motoru M = F W/2 10

11 Animace principu činnosti DC stroje S U a.. napájení kotvy motoru _ J Rozdělení strojů podle konstrukce obvodu buzení a kotvy Podle způsobu propojení kotevního a budícího vinutí rozlišujeme několik základních konstrukcí. Tento způsob do značné míry ovlivňuje mechanické charakteristiky strojů 11

12 A1 Stroje s cizím buzením jejich budící vinutí hlavních pólů je napájeno z a) nezávislého stejnosměrného zdroje a nebo b) má stroj permanentní magnety (PM). F1 A2 kotva stroje A1 A2 Stroje vyžadují dva (a) resp. jeden (b) napájecí zdroj, hlavním rysem je relativně tvrdý chod a přesné nastavení resp. řízení otáček v případě (a) otáčky mohu zvyšovat i snižovat (oba regulační rozsahy) Užití: Tyristorem řízené trakční stroje (lokomotivy-např. ES 499), serva F2 buzení stroje a) b) Stroje s derivačním buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno paralelně ke kotvě. A1 A2 Stroje vyžadují jeden napájecí zdroj, mají pro jmenovité napětí relativně tvrdý chod, řízení otáček je prakticky možné předřadným odporem v buzení nebo kotvě. E1 Těžiště využití hlavně u derivačních dynam, ta jsou odolná vůči zkratu. E2 12

13 Stroje se sériovým buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno do série s kotvou. A1 D1 A2 Stroje vyžadují jeden zdroj napájení, mají hyperbolickou momentovou charakteristiku, hůře se přesně regulují otáčky, mají vysoký moment při rozběhu, obtížný přechod do brzdného resp. generátorického režimu (prakticky nutnost přepojit vinutí na derivační nebo cize buzené) Nesmí běžet naprázdno D2 Užití: Trakce zejména vozidla ss trakce do 80.let (tramvaje T3, motorová jednotka EM 488 (460), Bobina (lokomotivy řady 141) Stroje s kompaundním (smíšeným) buzením mají na hlavních pólech budící vinutí derivační i sériové. D2 Přejímají vlastnosti jak derivačních tak A1 A2 D1 sériových motorů, mohou běžet naprázdno (u sériových motorů toto není možné) mají velký záběrný moment Použití: Tam, kde je třeba těžkých rozběhů E1 E2 13

14 Použití stejnosměrných strojů Trakce (sériové motory, motory s cizím buzením) Hračky, servomotorky Zvláštní druh jsou tzv. univerzální motory jedná se o upravený sériový motor, který lze napájet DC i AC napětím, využití vysavače, ruční nářadí Mech. charakteristiky jsou shodné se sériovým motorem Základní rovnice stejnosměrných strojů Mechanický moment motoru i generátoru M = cφ I a Indukované napětí v kotvě (motor i generátor) U i = cφ Ω mech Rovnice kotvy motoru znaménko, rovnice kotvy generátoru znaménko - U a = U ± R I = cφ Ω i a a mech ± R a I a Mechanický výkon motor, mech. příkon generátor P mech = M Ω mech Elektrický příkon (motor), elektrický výkon (generátor) P 1 = U a I a 14

15 Srovnání charakteristik ss dynam a motorů 1. Cize buzený motor 2. Sériový motor 3. Kompaundní motor 4. Protikompaundní motor 1. Cize buzené dynamo 2. Derivační dynamo 3. Kompaundní dynamo 4. Protikompaundní dynamo Rovnice zatěžovací charakteristiky DC generátoru s cizím buzením U a = U ind R a I a = U ind Δ U a kde ΔU a celkový úbytek napětí na obvodu kotvy 15

16 Zatěžovací charakteristika DC generátoru s cizím buzením R z U a I a U ind R a U a U a = f (I a ) při I b, (Φ) = konst. Ω, (n) = konst. R b I b U b U ind = U 0 U an R a I a 0 I I a m I a an U R a a Ω = 2 2 c Φ c Φ nebo Rovnice mechanické charakteristiky 30 n = Ω k 0 π M M = Ω - k 0 30 M = n π 0 M M - Δn( M) Otáčky naprázdno n 0 jsou přímo úměrné napájecímu napětí kotvy U a a nepřímo úměrné magnetickému toku Φ n 0 Ua Φ Sklon (tvrdost) charakteristiky vyjádřený koeficientem k M je přímo úměrný velikosti celkového odporu kotevního obvodu R a a nepřímo úměrný magnetickému toku. 16

17 Mechanická charakteristika DC motoru s cizím buzením U a - n(ω) n = f (M), n 0 n N při U a = U an, I b = konst. A Δn U ind I b R a I a U b - 0 M N M m M Rychlost ( otáčky ) motoru lze řídit těmito způsoby: a) Změnou velikosti celkového odporu v obvodu kotvy (zapojením přídavného rezistoru R S ) b) Změnou velikosti přiváděného svorkového napětí U a na kotvu motoru c) Změnou velikosti magnetického toku Φ ( tj. změnou budícím proudu I b ) d) Kombinací řízení rychlostí napětím kotvy i budícím proudem (magnetickým tokem) 17

18 Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti kotevního napětí α Řízený usměrňovač U a =var - U ind R a I a I b U b n, resp. Ω - n(ω) n 0N n N n 01 n 1 n 02 n 2 Φ =konst. (I b = konst.) U an > U a1 > U a2 α = 0 0 α =30 0 α = 60 0 Vlastní mech. charakteristika motoru U an U a1 U a2 0 M N M 18

19 Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti budícího proudu Ω Ua c Φ Ra 2 c Φ = 2 M Řízený usměrňovač α U a =konst - U ind R a I a Φ = var I b = var U b =var - n(ω) Φ N > Φ 1 > Φ 2 n 02 n 01 α 2 = 60 0 Φ 2 n 2 n 1 n 0N n N α =0 0 α 1 =30 0 Φ N Φ 1 0 M N M 19

20 Zapojení DC motoru se sériovým buzením U - R S U ind I a = I b Mechanické charakteristiky DC motoru se sériovým buzením n R S = 0 0 R S1 > R S M 20

21 Brzdění stejnosměrných strojů Protiproudé = přepólování obvodu kotvy a vřazení velkého odporníku motor pracuje jako brzda, energeticky nejhorší řešení Brzdění do odporu (u sériového motoru nutno reverzovat obvod buzení) motor pracuje jako generátor, energie se maří v odporu Brzdění generátorické nejhospodárnější, technicky nejnáročnější realizace, motor pracuje jako dynamo, dochází k rekuperaci el. energie Bonus popis řízení trakčních strojů Odporníkové lokomotivy řada 150/151 stanoviště, vn kobka, hl. kontrolér 21

22 Řízení lokomotiv řady 150/151 Pohon : 4 sériové stejnosměrné motory Al 4741 Flt Princip regulace: Sérioparalelní řazení, předřadné odpory, shuntovací odpory (zeslabení buzení) Stupně: Motory v sérii (750V na motor) předřadné odpory (26. stupěň nejmenší) 27. Hospodárný provoz, motory v sérii Shuntování buzení (odbuzuji), motory v sérii paralelní řazení (1500 V na motor) předřadné odpory (stupeň 33 je přechod na paralel) 51. Hospodárný provoz, motory paralelně Shuntování buzení (odbuzuji), motory paralelně Pozn: Mechanické charakteristiky stupňů řízení můžete odvodit z informací uvedených v prezentaci Bonus popis řízení trakčních strojů Tyristorová lokomotiva řady 163, 4 motory AL 4542 FiR Lokomotiva má manuální, automatický a nouzový režim řízení Fíra nastavuje v manuálu tah lokomotivy, v automatu rychlost (tempomat) a tah Kotva: Střední hodnota napětí je regulována změnou frekvence a šířkovou modulací pulzů. Např. u univerzálních lokomotiv ŠKODA (řady 163/263/363 ČD) pracují kotevní měniče na třech pevných frekvencích /3 Hz, 100 Hz a 300 Hz, přičemž modulace pulzů je plynulá šířková. Tyto tři frekvence jsou ono známé "bzučení" pulzních lokomotiv (163/263/363) i některých tramvají (T6, T3P). Buzení: Na regulaci kotevními měniči navazuje cca od 60 km/h plynulá regulace buzení trakčních motorů; frekvence trakčních měničů poté zůstáva na 100 Hz ("horní stovka"). Budicí vinutí všech čtyř trakčních motorů jsou zapojena do série a jsou napájena ze společného pulzního budicího měniče BATYR-DELTA-A, pracujícího s násobky frekvencí 33 1/3 Hz až do frekvence 600 Hz. Pozn: Mechanické charakteristiky stupňů řízení můžete odvodit z informací uvedených v prezentaci 22

23 Zdroje informací -stejnosměrné stroje syllabus popis řízení typů lokomotiv Čermák, T. Elektrické pohony, skriptum VŠB-TU Ostrava Vysoký, P.; Malý, K.; Fábera, V. Základy elektrotechniky, ČVUT Praha, 2003, ISBN: Šoral, J. Elektrotechnika II, VŠB-TU Ostrava,