Konstrukce stejnosměrného stroje

Transkript

1 Stejnosměrné stroje

2 Konstrukce stejnosměrného stroje póly pól. nástavce stator rotor s vinutím v drážkách geometrická neutrála konstantní vzduchová mezera δ budicí vinutí magnetická osa stejnosměrný budicí proud b způsobí budicí tok Φ b

3 Hlavní pól stejnosměrného stroje jho statoru budicí vinutí hlavní pól pólový nástavec rotor

4 Princip funkce ss. stroje: n n Kotva vinutí el. stroje, do kterého se indukuje napětí z b Φ b u iv i v i a u kart

5 Princip funkce ss. stroje: n n z Dynamo: b Φ b u iv i v i a u kart Motor: b Φ b i a i v F M

6 dealizovaná situace: gn S Φ b b gn J Φ b u kart gn B δ (x) ~ u i1 ( Blv ) Komutátor = mechanický usměrňovač B δ u i1 Skutečná kotva: více drážek závitů, lamel komutátoru

7 Princip působení elektrických strojů Vodiče rotoru (kotvy) tvoří cívky, jejichž aktivní části leží na průměru.

8 Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

9 Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

10 Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

11 Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

12 Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

13 Konstrukce vinutí kotvy Existuje mnoho druhů. b Nemusíme je znát, jenom si PAMATOVAT! : n i v i v magnetická osa solenoidu Vinutí se chová jako: solenoid Fe Napětí na kartáčích = Σ napětí vodičů ( Zařídí konstruktér stroje)

14 Magnetické pole ve vzduchové mezeře

15 Magnetické pole ve vzduchové mezeře

16 Magnetické pole ve vzduchové mezeře

17 Magnetické pole ve vzduchové mezeře

18 Magnetické pole ve vzduchové mezeře

19 ndukované a elektromotorické napětí V = 2N počet aktivních vodičů na kotvě, zapojených do 2a paralelních větví. pro závislost na otáčkách

20 Elektromagnetický moment Síla, působící na jeden vodič: Moment, působící na jeden vodič: Celkový elektromagnetický moment: ( nezahrnuje převod mezi ω m a n )

21 a = 0 Vliv proudu a b na pole ve stroji: a > 0, b = 0 Φ a a Φ a ( reakce kotvy ) Φ b Φ a Φ geometrická neutrála (gn) Φ je výsledné pole Φ b Vliv Φ a na Φ : a) v gn se objevil tok b) pole Φ b v hlavních pólech se deformuje

22 Nepříznivý vliv Φ a (složka a) : natočení no ( no neutrální osa = spojnice bodů, kde B(x) = 0 dynama natočení no ve směru n! i v n gn Φ a Φ a Φ Φ b no Φ b Proč posuv vadí? Zhoršuje komutaci!

23 Nepříznivý vliv Φ a (složka b) : deformace pole Deformace pole ve vzduchové mezeře ( vliv složky b ) Nárůstu indukce odpovídá zvýšení lamelového napětí nebezpečí pro izolaci vinutí kotvy. Omezí se kompenzačním vinutím v pólových nástavcích, zapojeným do série s kotvou.

24 Příklad skutečného vinutí kotvy:

25 Příklad skutečného vinutí kotvy:

26 Příklad skutečného vinutí kotvy: Komutace cívky: u iv i cív >> 0 jiskření zničení komutátoru u iv (S) u iv Dvě řešení: (J) a) mechanické natočení kartáčů do no tam B = 0 u iv, i cív =0 (Při změně a se no natáčí!!) b) komutační póly kart = u iv

27 Komutační póly Princip funkce: Φ KP = Φ a vinutí KP v sérii s kotvou: a Φ KP proto v gn je stále B = 0 Φ KP Kartáče trvale v gn!! Ve stroji bude výsledný tok : Mechanická úhlová rychlost: V dalším budeme předpokládat úplné potlačení toku reakce kotvy ( Φ a = 0 ) x. l dx b Bb. 30 n p 0 (rad/s ; ot/min)

28 Podélný řez stejnosměrným strojem

29 Příčný řez stejnosměrným strojem

30 Napětí indukované ve vinutí kotvy R uhl i R a a Svorkové napětí: R z = i R a a Δ kde: R a. kotva KP Δ = R uhl. a 1 2 V Pro další úvahy ho zanedbáme.

31 Dynamo s cizím buzením i R a a Charakteristika naprázdno 0 ( b ) při n = konst, = a = 0 0 N b b (nebo breg) 0 rem bn b symetrické

32 Dynamo s cizím buzením R a a Charakteristika vnější (zatěžovací) i ( a ) při n, b = konst. b1 > b2 0 b1 b b (nebo breg) b2 b3 a

33 Dynamo s cizím buzením Hodnocení: zdroj napětí ( 0 ), při P N tvrdší zdroj snadná regulace napětí změnou b snadná změna polarity napětí ± pomocí ± b ( ± n zřídka )

34 Dynamo s paralelním buzením (derivační) b Funkce při chodu naprázdno: R b a R a n irem b i b i i ( b ) i i rem i = ( R a R bc ). b Musí být správná polarita buzení. Dynamo pracuje za kolenem magnetizační charakteristiky. b

35 Dynamo s paralelním buzením (derivační) b Vnější charakteristika R b i a R a a b atd. : vnější charakteristika měkčí Blízko R z = 0 buzení téměř ve zkratu b, 0 cizí buzení (Φ b rem ) N

36 Dynamo se sériovým buzením Nabuzení při zatížení: R a R b n irem Φ b i i R z Φ b konst Musí být správná polarita buzení. Jako zdroj se sériové dynamo nepoužívá

37 Stejnosměrné motory m Ra k a

38 M moment elektromagnetický, vnitřní M moment na hřídeli M = M ΔM kde ΔM je moment ztrát třením stálený stav: n = konst M M p zátěžný moment M M = M p = M ΔM

39 Motor s cizím buzením Φ b b Polarita a určena, směr i v dán smyslem vinutí kotvy. n e iv i v Levá ruka: směr F v, M, n Pravá ruka: směr e iv v (potvrzení Lenzova pravidla) a

40 a Motor s cizím buzením R a Rozběh motoru: i b Nejdříve nabudit b = bn a R a n 0 0 i i ak R a Malé motory: kotvu přímo na zdroj ( R a relativně velký) Velké motory: buď R a sp ( postupně R a sp 0, protože i ) nebo = 0 a postupně

41 Motor s cizím buzením Základní charakteristiky: Momentová: M(),, b = konst. M k b a Rychlostní: n(),, b = konst. n k 1 b R k 1 a a b Mechanická: n(m),, b = konst. n k R M a b k1 b

42 Motor s cizím buzením a R a i Mechanická charakteristika ω m (M ), b, = konst R R a. 2 k k. k M a m m 2 b b b m Při P N M Ra k k b b motor tvrdší otáčky ( R a relativně ) ω m ω m0 ~ R a M

43 Motor s cizím buzením a R a Řízení otáček i b m k b R k a 2 M a) Změna budicího proudu buď b reg nebo R b reg 2 b ω m b1 < b2 b ω m! b1 b2 Nikdy nepřerušit buzení!! žívané řízení, η dobrá (ΔP br malé ) M

44 a Motor s cizím buzením R a R a reg i b Řízení otáček m k b R k a 2 M b) Změna celkového odporu v kotvě 2 b ω m ω m0 R a reg = 0 : jednoduché : η, měkká charakteristika R a reg M

45 Motor s cizím buzením a R a i Řízení otáček m k b R k a 2 M c) Změna svorkového napětí na kotvě 2 b dm dm k 2 Ra 2 b b nezávisí na napětí Nejlepší řízení, η optimální, malé kolísání n, v automatizaci nejčastěji. ω m ω m0 ~ R a 1 < N M N 1

46 a Motor s cizím buzením R a Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu i b Raději ± a pomocí ± ± Φ b nebezpečí odbuzení

47 Motor s cizím buzením a R a Brzdění Počáteční stav J i n >> 0, J >> 0 b P p P p = P m ΔP M ΔP M p P m n Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

48 Motor s cizím buzením a R a Brzdění Počáteční stav J i n >> 0, J >> 0 b P p P p = P m ΔP M ΔP M p P m n Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

49 Motor s cizím buzením a R a Brzdění do odporu J R i b M ΔP M p P m n

50 Motor s cizím buzením a R a Brzdění do odporu J R i b ΔP j Stejné n, b po přepojení ± a (dynamo) ± M M ΔP M p P m n Výhoda: jednoduchost Nevýhoda: kinetická energie do R 2 při n 0 také i, a, M 0 ( ponechat b, zmenšovat R )

51 Motor s cizím buzením a R a Brzdění protiproudem J i b M ΔP M p P m n

52 Motor s cizím buzením a R a R a reg Brzdění protiproudem J a i b i Stejné n, b po přepojení a 0 Ra nutno vložit R a reg Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n P p M ΔP M p P m n Energie do R a R a reg ΔP = P p P m

53 Motor s cizím buzením a rek R a a rek Brzdění rekuperací J Motor: i P rek b i < odpovídá směr a M ΔP M p P m n Brzdění: b, při stálých n i až i > ± a rek Důsledek: n i, proto musíme b, po nasycení Fe nepomůže Obvyklé řešení v regulovaných soustavách: i > a rekuperace až do n 0

54 Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu točení pohonu. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!)

55 Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i >

56 Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i > Motor s cizím buzením Možnosti: Φ (přibudit, b ) n (jeřáb, spouštění břemena)

57 Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i > Motor s cizím buzením Možnosti: Φ (přibudit, b ) n (jeřáb, spouštění břemena) Motor se sériovým buzením Nelze dosáhnout požadavku i > Rekuperací brzdit nelze

58 Brzdění DC motorů Brzdění do odporu Motor s cizím buzením a M b E i i R a _ ω m a _ Odpojit od napájení a připojit na odpor Pracuje jako dynamo a M b E i R B Polaritu buzení zachovat Smysl proudu v kotvě je určován E moment působí proti smyslu točení. _ ω m!

59 Brzdění do odporu Brzdění DC motorů Motor se sériovým buzením Po přepojení kotvy na odpor M ω m i E _ M E i ω m Změna smyslu proudu v kotvě i v buzení NEBRZDÍ!!! R B

60 Brzdění do odporu Brzdění DC motorů Motor se sériovým buzením Po přepojení na odpor M E i ω m _ M E i ω m R B Ale co s tím? Jde to opravit? Musí to jít!! Jinak nepojede vlak!!!

61 Brzdění do odporu Motor se sériovým buzením Brzdění DC motorů Prohodit přívody k buzení, neodbudit neměnit smysl b!!! M E i ω m M E i ω m M E i ω m _ R B R B Heuréka!!! BRZDÍ

62 Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením Brzdění DC motorů M b _ ω m E i a _

63 Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením M b E i _ ω m Brzdění DC motorů a záměna přívodů ke kotvě M b E i _ ω m a a R a i N a R a i N!!! Nutno omezit (komutace)

64 a Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením a M b E R a i i N ω m a _ Brzdění DC motorů a R a M b E i _ ω m _ i N a M b E i R B!!! Nutno omezit pomocí R B (komutace) _ ω m _

65 Brzdění protiproudem Motor se sériovým buzením Brzdění DC motorů Filozofie brzdění je analogická pro motory všech typů: pro motory stejnosměrné, DC i střídavé AC.

66 Motor s cizím buzením Hodnocení: Pro soustavy samočinné regulace ideální, umožňuje: řízení rychlosti v max. rozsahu n při optimální η brzdění rekuperací v celém otáčkovém rozsahu snadná změna smyslu otáčení

67 Motor s paralelním buzením ( derivační ) a b Rozběh motoru: malé motory přímo R a R a reg R b reg velké R a sp pro k i Řízení otáček m k b R k a 2 M 2 b R a sp R a sp R b reg R a reg ano ano ne

68 Motor se sériovým buzením R ac a = b = R ac = R b R a (v lineární části mag. char.) c Φ b c M R c ac i m Pro Φ b ~ platí: M = c. 2 c M i k R c ac M c R c ac m c M POZOR! Sériový motor nesmí mít M p = 0, protože pak M 0 a ω m!!!

69 Sériový motor R ac R a sp Rozběh motoru: i n 0 0 i k R ac Φ b Malé motory: kotvu přímo na zdroj ( R ac relativně velký) Velké motory: buď R a sp ( postupně R a sp 0, protože i ) nebo = 0 a postupně

70 Sériový motor R ac Mechanická charakteristika ω m (M ), = konst Φ b i m c M ω m M

71 Sériový motor R ac R a reg Řízení otáček Φ b i m c M R c a) napětím Pro dané M je ω m ~ nejlepší řízení: η optimální ( pulsní měnič u tyristorové tram.) ac b) odporem R a reg jednoduché, ale η c) změnou budicího toku bočníkem paralelně k vinutí budicímu nebo kotvy

72 Sériový motor R ac Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu Φ b i M = k. Φ b. a Změnou: ± Φ b nebo ± a, ne obojí ( proto nejde ± ) Řešení

73 Sériový motor R ac Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu Φ b i Změnou: ± Φ b nebo ± a, ne obojí ( proto nejde ± ) Řešení

74 Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b n i P p M ΔP M p P m n

75 Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b rem n i rem ΔP M p P m n

76 Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b n i M ΔP M p P m n

77 Sériový motor R ac Brzdění do odporu J R n Φ b i ΔP j M ΔP M p P m n Nevýhoda: kinetická energie do R 2 při n 0 také i,, M 0 (zmenšovat R )

78 Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b n i P p M ΔP M p P m n

79 Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b rem n i rem ΔP M p P m n

80 Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b n i M ΔP M p P m n

81 Sériový motor Φ b R ac R a reg n i P p i Po přepojení: 0 Rac nutno vložit R a reg Brzdění protiproudem M ΔP M p P m J n Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n Energie do R ac R a reg ΔP = P p P m

82 Sériový motor R ac Brzdění rekuperací J Φ b n i P p Musí i >, aby nastalo ± M ΔP M p P m n v klasické trakci nelze ( s elektronikou ano ) Vysvětlení srovnáním s chováním cize buzeného motoru.

83 DC motor v trakci Buzení cizí sériové jízda do svahu: c b ω m R a a c ω m R ac jízda ze svahu: vozidlo je urychlováno svou hmotností n i i > n i stále i < Z Á V Ě R automatická rekuperace brzděním n i i > nebrzdí rekuperací! stále motor, stále n!

84 P O R O V N Á N Í Cize buzený motor Sériový motor Na chvíli připustíme zvýšení proudu na 2. N Krátkodobě větší M vhodné pro trakci, jeřáby