Elektrické stroje a pohony (NP006, NK006)

Transkript

1 Fakulta výrobních technologií a managementu Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Katedra energetiky a elektrotechniky (KEE) Ing. Pavel Kobrle Studijní program: N2303 Strojírenská technologie Studijní obor: 2303T011 Příprava a řízení výroby Elektrické stroje a pohony (NP006, NK006) Učební text určený pro prezenční a kombinované studium. 1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el. strojů Transformátory, princip, vlastnosti, význam Točivé stroje na střídavý proud Asynchronní stroje, konstrukce, princip Provozní vlastnosti asynchronních motorů Synchronní stroje, konstrukce, princip Provozní vlastnosti synchronních strojů Stejnosměrné stroje, konstrukce, princip Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů Mechanika pohonu, pohybová rovnice Úvod do problematiky elektrických pohonů Frekvenční měniče Elektromechanické přechodové děje, dimenzování a jištění... 14

2 1. Základní pojmy a jevy využívané v el. strojích, rozdělení el. strojů. Základní veličiny magnetického pole: Zdrojové veličiny: magnetizační proud, magnetomotorické napětí, intenzita magnetického pole. Materiálové veličiny: permeabilita, magnetický odpor, magnetická vodivost. Veličiny mg. pole: magnetický tok, magnetická indukce Elektromagnetická indukce: dφ Indukční Faradayův zákonu i = dt Indukované napětí: pohybové, transformační. Lenzovo pravidlo: indukované napětí působí proti změně, která ho vyvolala. Síly působící na vodiče s proudem v mg. poli: r r r Ampérův zákon F = I( l xb) Elektrické stroje jsou zařízení, která na principu elektromagnetické indukce mění mechanickou energii na elektrickou, elektrickou na mechanickou nebo elektrickou na elektrickou jiných vlastností. Rozdělení el. strojů podle přeměny energie: motory, generátory, měniče Rozdělení el. strojů podle konstrukce: transformátory; asynchronní, synchronní, stejnosměrné, střídavé komutátorové; netočivé, točivé, lineární, krokové. 2. Transformátory, princip, vlastnosti, význam. Druhy transformátorů podle konstrukce jádrový, plášťový; jednofázový, trojfázový. Magnetický obvod Fe - jádra, spojky. Ferity vf, zamezí vzniku vířivých proudů. Vinutí: souosé, dělené, prostřídané. Konstrukční části. nádoba, průchodky, konzervátor výkonový transformátor Použití transformátorů Výkonové tr.: v rozvodu el. energie speciální: usměrňovačové, pecní, regulační, rozptylové, přístrojové, autotransformátory; transformátorky. Princip transformátoru Střídavý proud přiváděný do primárního vinutí vytváří střídavý mg. tok, který indukuje podle indukčního zákona transformační napětí do všech závitů primárních i sekundárních. Elektrické stroje a pohony 1

3 dφ d( Φ m sinωt) ui = = = Φ mω cosωt - indukované napětí v 1 závitu. dt dt Efektivní hodnota indukovaného napětí v N závitech transformátorová rovnice Φ mω. 1. N Φ m 2. π. f. N U i = = = 4, 44Φ m fn 2 2 U1 N1 Převod napětí je definován p u = U N Provozní režimy 2 2 Chod naprázdno Výstup nezatížen, I 2 = 0, vstupní proud I 0 proud naprázdno Složky I 0 : magnetizační proud (jalový induktivní) I µ pro vytvoření hlavního mg. toku Φ, ztrátový proud (činný) I Fe pro pokrytí ztrát v železe (hysterezní a vířivé proudy). Procentní proud naprázdno bývá v řádu jednotek procent z I 1n. Magnetické toky prakticky pouze hlavní mg. tok Φ. Ztráty naprázdno P 0 se přibližně rovnají ztrátám v železe P Fe. Chod při zatížení Výstup zatížen proudem I 2, do vstupu teče proud I 1. Magnetické toky: Hlavní mg. tok Φ vznikne sloučením toku Φ 1h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I 1 a toku Φ 2h hlavním mg. obvodem vyvolaném proudem I 2. Proudy i toky jsou přibližně v protifázi odečítají se. Při změně zatížení (tj. proudu) se nemůže změnit Φ, proto se mění oba proudy, jako by výstupní a vstupní obvod byly galvanicky spojeny. Rozptylové mg. toky Φ 1σ a Φ 2σ vyvolané proudy I 1 a I 2 se uzavírají mimo hlavní mg. obvod rozptylovými cestami a na zatížení závisejí. Vyjadřujeme je pomocí rozptylových reaktancí. Ztráty při zatížení: P Fe - v železe (nezávisejí na zatížení), P J - Jouleovy v obou vinutích (závisejí kvadraticky na zatížení). Úbytky napětí při zatížení závisejí na odporech vinutí a rozptylových reaktancích. Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na účiníku, bývá 90 99%. Chod nakrátko Výstup zkratován, U 2 = 0 Může nastat: při sníženém napětí při měření, Proud nakrátko I k roven max. I n ; při zkratu, poruchový stav, I k >> I n. Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat. Ztráty nakrátko P k se přibližně rovnají Jouleovým ztrátám P J. Napětí nakrátko U k : napětí na vstupu při jmenovitém proudu. Procentní napětí nakrátko: vyjádřeno v % z U 1n : Bývá různé podle velikosti a druhu transformátoru malé kolem 5%, velké kolem 10%, rozptylové 20% a více. Důležitá hodnota pro stanovení úbytku napětí, výpočty zkratů a rozdělení výkonů při paralelním chodu. Základní zapojení trojfázových transformátorů Hvězda (Y) menší počet závitů (podle fázového napětí), nepotlačuje nesouměrné zatížení, má vyvedený střed lze použít v soustavě nízkého napětí. Trojúhelník (D): větší počet závitů (podle sdruženého napětí), jednofázové nesouměrné zatížení rozkládá do dvou fází, potlačuje 3. harmonickou, nemá vyvedený střed. Paralelní chod transformátorů Dva nebo více transformátorů jsou zapojeny paralelně a přenášejí společně určitý výkon. Podmínky paralelní spolupráce: oba (všechny) transformátory musejí mít stejná jmenovitá napětí a stejné hodinové úhly. Elektrické stroje a pohony 2

4 Rozdělení výkonů záleží na napětí nakrátko. Při stejném u k se výkony rozdělí poměrně podle jmenovitých výkonů transformátorů. Při různých u k má relativně vyšší podíl výkonu transformátor s nižším u k. Může dojít k situaci, že některý transformátor je přetížen, i když celkový přenášený výkon je menší než součet jmenovitých výkonů transformátorů. Řízení napětí Napětí se řídí odbočkami na primární nebo sekundární straně pomocí přepínače odboček. U1 N1 Vlastnosti plynou z rovnice p u =. U 2 N 2 Přepínání N 1 : Mění se mg. tok; přepínání N 2 : tok se nemění. Přepínání na straně vyššího napětí: přepínání menších proudů (a naopak). Distribuční transformátory pro napájení sítí nízkého napětí: obvykle řízení na primární straně vysokého napětí, 5 odboček. Speciální přepínače: při přepínání se nesmí zkratovat odbočky ani přerušit provoz, proto se přepínané odbočky nejprve přemostí přes odpor nebo tlumivku. 3. Točivé stroje na střídavý proud. Rozhodující význam mají trojfázové stroje, i když se můžeme setkat i s jednofázovými. Není konstrukčního rozdílu mezi motory a generátor, jde jen o různé režimy provozu. Rozdělení Obvykle se používá rozdělení podle principu, a to na stroje asynchronní synchronní střídavé komutátorové Točivé magnetické pole (trojfázové) Je základní podmínkou pro činnost trojfázových asynchronních i synchronních strojů. K jeho vytvoření je třeba trojfázové střídavé soustavy napětí (Nikola Tesla) nebo vhodného měniče. Točivé pole vytváří stator napájený třemi souměrnými proudy ze symetrické sítě. Druhou podmínkou je vhodné konstrukční uspořádání vinutí. Vinutí se rozlišují podle počtu pólových dvojic (pólpárů) p, tedy jakýchsi skupin vinutí každé fáze. 60 f Synchronní otáčky (za minutu) n s jsou otáčky točivého mg. pole n s =. Čím větší je počet p pólpárů, tím nižší jsou n s. Obecně platí, že k činnosti stroje je zapotřebí dvou magnetických polí. U asynchronních i synchronních strojů je jedno z nich statorové pole točivé, druhé se musí vytvořit jinak. Asynchronní stroje Neboli nesynchronní, někdy též nazývané indukční stroje. Druhé magnetické pole vytvoří rotor, do kterého se indukuje napětí a proud. Aby to mohlo nastat, musí se rotor točit odlišnou rychlostí od synchronní, aby vznikl vzájemný pohyb pole a vodičů rotoru. Synchronní stroje Rotor se točí stejně rychle jako točivé pole statoru, tedy synchronně. Druhé pole (či spíše první, budicí) vytváří magnet na rotoru, obvykle vytvořený stejnosměrným proudem v budicím rotorovém vinutí, někdy permanentní. Střídavé komutátorové stroje Mají mnoho konstrukcí a různé principy. Trojfázové stroje pracují s točivým polem a principem se podobají asynchronním strojům, dnes se však již téměř nepoužívají vinou složité a poruchové konstrukce s komutátorem. Měly uplatnění Elektrické stroje a pohony 3

5 v regulačních pohonech, kde je nahradily asynchronní a synchronní stroje s frekvenčními měniči nebo střídači. Jednofázové stroje se používají výhradně sériové a podobají se stejnosměrným strojům. Jejich uplatnění je velmi široké v drobných domácích spotřebičích a ručním nářadí. 4. Asynchronní stroje, konstrukce, princip. Druhy asynchronních strojů podle konstrukce asynchronní motor s kotvou nakrátko: stator: statorové plechy, drážky, rozložené vinutí, čela rotor: rotorové plechy, klec kotva nakrátko konstrukční části kostra, hřídel, ložiska asynchronní motor s kotvou kroužkovou: stator: statorové plechy, drážky, rozložené vinutí rotor: rotorové plechy, trojfázové vinutí v drážkách vyvedené na kroužky; na ně dosedají kartáče Použití asynchronních strojů Zejména motory s kotvou nakrátko jednoduchá konstrukce, robustnost, nemají kluzné kontakty - převážná většina elektropohonů, velké rozpětí výkonů od desítek W do jednotek MW. Motory s kotvou kroužkovou: zřídka, velké výkony. Asynchronní generátory: malé vodní či větrné elektrárny; také režim asynchronních motorů při brždění. Princip asynchronního motoru Stator vytváří točivé mg. pole. Do vodičů rotoru se indukuje pohybové napětí. Protože je rotor spojen dokrátka, vzniká proud, jehož mg. pole silově působí na pole statoru, a rotor se roztočí se směru točivého pole. Pole rotoru se otáčí spolu s polem statoru synchronní rychlostí. Otáčky rotor jsou menší než synchronní pokud by byly stejné, zaniklo by indukované napětí, proud i mg. pole ns n rotoru. Procentní zpoždění rotoru za točivým polem statoru se nazývá skluz: s =. 100 ns Rozdíl mezi motorem a generátorem je jediný: motor pracuje při podsynchronních otáčkách, generátor je poháněn (např. turbínou) a otáčky jsou nadsynchronní. 5. Provozní vlastnosti asynchronních motorů. Provozní režimy Chod naprázdno Hřídel nezatížen, otáčky jsou téměř synchronní, skluz je téměř nulový, statorový proud naprázdno I 0, rotorový proud zanedbatelný. Složky I 0 : magnetizační proud I µ ztrátový proud (činný) I Fe. Procentní proud naprázdno bývá v řádu desítek procent z I 1n, velký je I µ, protože k vybuzení hlavního mg. toku přes vzduchovou mezeru je třeba většího magnetomotorického napětí F m = N 1 I µ. Magnetické toky hlavní mg. tok Φ i rozptylové toky Φ 1σ a Φ 2σ. Ztráty naprázdno P 0 tvoří P Fe, ale i Jouleovy ztráty ve statoru P J1 a mechanické ztráty P m. Elektrické stroje a pohony 4

6 Chod při zatížení Hřídel zatížen mechanicky, se zatížením roste skluz i proud. Magnetické toky: hlavní mg. tok Φ i rozptylové toky Φ 1σ a Φ 2σ. Ztráty při zatížení: P Fe - v železe (nezávisejí na zatížení), P J - Jouleovy v obou vinutích (závisejí kvadraticky na zatížení), P m - mechanické ztráty P m. Skluz: bývá podle zatížení v řádu jednotek %. Účinnost: závisí na poměrném zatížení a na výkonu motoru, bývá obvykle 80 90%. Chod nakrátko Rotor se netočí, s = 100%. Může nastat: a) na počátku rozběhu; napětí je jmenovité nebo snížené podle způsobu spouštění, proud nakrátko čili záběrný proud bývá při U n kolem 5I n ; b) při mechanicky zabržděném rotoru za účelem měření. Magnetické toky: značně převažují rozptylové, hlavní tok lze zanedbat. Ztráty nakrátko P k se skládají z Jouleových ztrát P J a tzv. ztrát přídavných. Spouštění Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, ale nesmí se snížit záběrný moment pod potřebnou hodnotu. Motory s kotvou nakrátko Přímé připojení k síti Záběrný proud se nesníží (činí asi pětinásobek jmenovitého proudu), ale ani záběrný moment se nesníží. Lze užít omezeně (např. na běžné síti 3x400 V a bez povolené výjimky do 3 kw výkonu) Spouštění sníženým napětím Záběrný proud se sníží, ale stejným způsobem se sníží záběrný moment. Různé varianty: přepínání Y D, spouštěcí autotransformátor, předřadná impedance ve statoru, softstartér napěťový měnič s antiparalelními tyristory (na obr.) Spouštění sníženou frekvencí Záběrný proud se sníží, záběrný moment nikoliv, lze ovlivnit. Je nutný drahý frekvenční měnič, použitelný však i pro regulaci otáček. Motory kroužkové Spouštění se děje postupným vyřazováním (plynulým či skokovým) vnějších odporů zařazených do rotorového obvodu. Vyřazování odporových stupňů se řídí podle času nebo proudu. Řízení rychlosti 60 f Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky n = ( 1 s). p Řízení frekvencí nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný frekvenční měnič (bude o něm podrobně pojednáno později) Při změně frekvence se musí měnit i napětí, aby se neměnil nežádoucím způsobem mg. tok, plyne to z transformátorové rovnice. Řízení přepínáním pólpárů pouze skokově, obvykle dvourychlostní motory, buď dvě samostatná vinutí, nebo jedno přepínatelné vinutí. Elektrické stroje a pohony 5

7 Řízení skluzem pouze kroužkové motory, do rotoru se přivádí regulační napětí, které ovlivní skluz. Zastaralý způsob ztrátové řízení rotorovými odpory; hospodárný způsob frekvenční měnič, tzv. ventilová kaskáda. Elektrické brždění Protiproudem přepólování dvou libovolných fází, změna směru točivého pole, velký proudový náraz, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem. Rekuperací stroj se uvede do nadsynchronních otáček, vznikne generátorický chod a energie se vrací do sítě. Možnosti: snížení frekvence frekvenčním měničem; zvýšení otáček při spouštění břemene. Do odporu - při užití frekvenčního měniče, odpor se zařadí do stejnosměrného meziobvodu. Stejnosměrným proudem stator se napájí stejnosměrným proudem, čímž vznikne stojící mg. pole. Momentová charakteristika Je to závislost momentu na otáčkách či na skluzu; stupnice skluzu je opačná než stupnice otáček Přirozená momentová charakteristika: při jmenovitém napětí a jmenovité frekvenci. Tvar momentové char. lze ovlivnit napětím, frekvencí, u kroužkových motorů velikostí rotorového odporu. Pracovní oblast je lineární část charakteristiky blízko n s. Důležité body: záběrný moment M z, moment zvratu (maximální) M zv, synchronní otáčky n s. Při změně napětí se mění M z i M zv, což může být nevýhodné (moment závisí na U 2 ). Při změně frekvence se mění n s a lineární část charakteristiky se rovnoběžně posouvá. 6. Synchronní stroje, konstrukce, princip. Druhy synchronních strojů podle konstrukce Velké generátory pro výrobu el. energie bývají dvou různých konstrukcí: Synchronní stroj s hladkým rotorem (turbostroj): Stator (kotva): statorové plechy, drážky, rozložené vinutí, čela. Rotor: ocelový válec, po části obvodu (2 x 1/3) drážky s budicím vinutím, zbytek tvoří 2 póly. Velká délka (i přes 10 m), malý průměr (1 m), synchronní otáčky 3000 min -1, výkony až stovky MW. Synchronní stroj s vyjádřenými póly (hydrostroj): Stator: segmenty statorových plechů, drážky s vinutím. Rotor: magnetové kolo, na něm připevněny póly s pólovými nástavci a budicím vinutím, pólů bývá až několik desítek. Malá osová délka (2 m), velký průměr, synchronní otáčky desítky stovky za minutu, výkony až stovky MW Elektrické stroje a pohony 6

8 rotor turbostroje hydrostroj Další konstrukční provedení synchronních strojů: Drápkový generátor masivní rotor má vyjádřené póly tvořené výstupky střídavě z obou stran, budicí vinutí realizuje cívka kolmo k ose. Motor s permanentním buzením rotor tvoří permanentní magnet, nepotřebuje buzení. Reakční (reluktanční) motor stator může mít vyjádřené póly s vinutím, rotor je zubovitý bez buzení. Použití synchronních strojů Turbostroje generátory v uhelných a jaderných elektrárnách, rychloběžné motory. Hydrostroje - generátory ve vodních elektrárnách, pomaluběžné motory. Drápkové generátory zdroje el. energie v motorových vozidlech. Motory s permanentním buzením menší výkony. Reakční motory krokové motory. Srovnání synchronních motorů s asynchronními: vyšší účinnost, obtížný rozběh a řízení rychlosti (mimo pohonu s frekvenčním měničem), (pokud mají budicí vinutí) možnost regulace účiníku, potřeba budiče (zdroje budicího proudu). V posledních letech díky statickým měničům množství jejich aplikací roste. Princip synchronního stroje Rotor nabuzený stejnosměrným proudem se otáčí synchronní rychlostí a vytváří točivé budicí pole Φ b působící v ose pólu. Vinutí statoru je protékáno souměrnými trojfázovými proudy, které vytvářejí točivé pole kotvy Φ a, tzv. reakční. Působení pole kotvy na budicí pole se nazývá reakce kotvy. Složením obou polí vzniká výsledné točivé pole Φ, které má obecně jinou velikost a polohu v prostoru než budicí pole. Úhel mezi polem Φ a osou pólu je zátěžný úhel β. Budicí a reakční pole na sebe silově působí a otáčejí se spolu synchronní rychlostí. U generátoru předbíhá osa pólu před polem, u motoru naopak. U přebuzeného stroje je pole Φ slabší než budicí pole Φ b a stroj dodává jalový výkon do sítě, u podbuzeného stroje je tomu naopak. 7. Provozní vlastnosti synchronních strojů. Předpokládáme synchronní chod, tj. rotor se vždy točí synchronní rychlostí. Provozní režimy Chod naprázdno V chodu naprázdno synchronního generátoru se vyskytuje pouze pole Φ b, které indukuje do kotvy pohybové napětí U ib. Ztráty: v železe statoru, mechanické, v budicím obvodu. Chod při zatížení Při zatížení indukuje výsledné pole Φ napětí U i, které je odlišné od U ib. Při změně zatížení (proudu kotvy) se mění zátěžný úhel β a činný výkon P, při změně budicího proudu se mění U ib a jalový výkon Q. Překročením určitého zátěžného úhlu (např. 90º u turbostroje) dojde k vypadnutí ze synchronismu, což je nebezpečný poruchový stav. Ztráty: v železe statoru, Jouleovy ve statoru, mechanické (hradí je turbína), v budicím obvodu (hradí je budič). Elektrické stroje a pohony 7

9 Ustálený chod nakrátko V ustáleném chodu nakrátko (není totožný se zkratem přechodovým jevem) působí reakční pole Φ a přímo proti budicímu poli Φ b v ose pólu a zeslabuje ho, čímž se zmenší indukované napětí i proud nakrátko tento stav není nebezpečný. Ztráty: stejné složky jako při zatížení. Provoz alternátorů v síti Elektrizační soustava je velmi rozsáhlá a lze ji považovat za tvrdou, tj. změna parametrů, jako dílčí zvýšení či snížení výroby nebo spotřeby činného či jalového výkonu má na napětí a frekvenci sítě zanedbatelný vliv. Soustava pracuje stabilně, všechny generátory pracují v synchronismu se sítí. Fázování Je to připojení synchronního generátoru na tvrdou síť. K tomu je zapotřebí splnit 4 podmínky: 1. Stejná frekvence sítě a generátoru. Frekvence generátoru se nastaví otáčkami poháněcího stroje (turbíny). 2. Stejné napětí sítě a generátoru. Napětí generátoru se nastaví budicím proudem. 3. Stejný sled fází sítě a generátoru. 4. Stejná fáze sítě a generátoru, tj. nulový fázový posuv mezi napětími stejné fáze. Nastaví se pomocí jemné změny otáček generátoru. Fázování se provádí pomocí automatických fázovacích souprav. Synchronní motory Spouštění: Na asynchronním principu tzv. amortizér na rotoru slouží jako kotva nakrátko AM, budicí vinutí je zkratováno, napětí statoru snížené. Na synchronním principu postupným pomalým zvyšováním frekvence frekvenčního měniče; nesmí vypadnout ze synchronismu Řízení rychlosti: Výhradně frekvenčním měničem. 8. Stejnosměrné stroje, konstrukce, princip. Druhy stejnosměrných strojů podle konstrukce Není konstrukčního rozdílu mezi motorem a dynamem. Obvyklé dělení: podle buzení: stroj cize buzený, derivační (s paralelním buzením), sériový, kompaudní, protikompaudní (část budicího vinutí je sériová, část derivační), stroj s permanentním buzením. Popis: Stator magnetický obvod, hlavní póly s pólovými nástavci a budicím vinutím, komutační (pomocné) póly, u nejvyšších výkonů i kompenzační vinutí v pólových nástavcích hlavních pólů. Rotor (kotva) z plechů, v drážkách rozložené vinutí vyvedené na lamely komutátoru. Komutátor soustava lamel a kartáčů, složí jako kluzný kontakt a mechanický měnič. Vyžaduje častou údržbu a je nejčastějším zdrojem poruch. Elektrické stroje a pohony 8

10 Použití stejnosměrných strojů Dynama jako točivé zdroje stejnosměrného proudu jsou zastaralá, výhodnější jsou synchronní generátory s usměrňovači menší poruchovost, údržba, menší kubatura. Stejnosměrné motory jako motory v regulačních pohonech s jednoduchou regulací otáček, elektromotorky v motorových vozidlech, (upravené pro střídavý proud) univerzální sériové komutátorové motorky v drobných jednofázových spotřebičích. Princip stejnosměrného stroje Budicí vinutí na hlavních pólech vytváří stojící magnetické pole o ose pólu. V něm se otáčí kotva, do vodičů kotvy se indukuje střídavé pohybové napětí. V neutrální ose jsou umístěny kartáče tak, aby se dotýkaly lamel vždy jen s jednou polaritou na kartáčích je napětí stejnosměrné. Dynamo: komutátor usměrňuje indukované napětí. To má v každém závitu pulsující průběh, při průchodu závitu neutrální osou klesá na nulu. Použitím více závitů se dosáhne hladkého průběhu výstupního napětí. Motor: z vnějšího zdroje napětí se přivádí do kotvy proud, v kotvě se indukuje při otáčení protinapětí. Proud se vystřídá komutátorem tak, že ve vodičích pod každým pólem teče týmž směrem. Na vodiče kotvy s proudem v mg. poli hlavních pólů působí síla (Ampérův zákon). 9. Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů. Provozní režimy Chod naprázdno motor není mechanicky zatížen, kotovu teče malý proud. Ztráty: v železe rotoru, mechanické, v budicím obvodu. Chod při zatížení Hřídel mechanicky zatížen, kotvou teče proud, který vytváří reakční statické pole v neutrální ose, které má negativní vliv na výsledné pole stroje. Důsledky reakce kotvy: natočení neutrální osy, zvýšení max. hodnoty B, mírná demagnetizace. Projevy: jiskření kartáčů, nebezpečí přeskoků mezi lamelami. Kompenzace reakce kotvy: Komutační póly vytvářejí opačné pole k reakčnímu a ruší reakci kotvy v neutrální ose. Kompenzační vinutí vytvářejí pole opačného směru a stejné velikosti, jako reakční, ruší reakční pole prakticky všude. Komutace Je to změna směru proudu v komutující cívce, té, která prochází neutrální osou. Proud se v relativně krátké době mění na stejně velkou hodnotu opačného směru. Lineární komutace změna proudu je lineární, nepřináší problémy. Zpomalená komutace vlivem reaktance vinutí kotvy vzniká v kotvě tzv. reaktanční napětí, které zpomaluje časovou změnu proudu. Na konci komutace má tak proud větší strmost a kartáče jiskří na Elektrické stroje a pohony 9

11 konci. Kompenzace: komutačními póly, které indukují do kotvy protinapětí opačného směru, než má reaktanční napětí; vhodným účinkem se komutace linearizuje. Podmínky správné komutace: bezvadný a čistý komutátor, vhodně vykompenzovaná reakce kotvy a zpomalená komutace. Dále bude pojednáno o nejpoužívanějších motorech, tj. cize buzených a sériových. Spouštění Hlavním úkolem při spouštění je omezení záběrného proudu, s velikostí záběrného momentu nebývají potíže. U i = kφω, proto na počátku spouštění je nulové. Napěťová rovnice: U = U i + RI.Z rovnice plynou dva způsoby omezení záběrného proudu: Spouštění sníženým napětím: motor musí být plně nabuzen, aby měl velký moment (M = kφi). Je potřeba zdroj regulovatelného napětí (řízený usměrňovač, pulsní měnič). Hospodárné. Spouštění předřadným sériovým odporem: zvýší se tak celkový odpor v obvodu kotvy. Nehospodárné, ztrátové. Řízení rychlosti Tři možné způsoby plynou ze vztahu pro otáčky (viz níže), který lze odvodit z výše uvedených rovnic: Řízení napětím: nejdůležitější, nejdokonalejší, nejrozšířenější. Řízení je plynulé, nutný reg. zdroj. Řízení sériovým odporem: zastaralé, ztrátové. Řízení magnetickým tokem: pouze doplňkové řízení odbuzováním po dosažení max. napětí, klesá při něm max. moment. Elektrické brždění Protiproudem přepólování kotvy a zařazení sériového odporu, nehospodárné, nutno zajistit proti rozběhu opačným směrem. Rekuperací měničem se sníží napětí, vznikne tak generátorický chod a energie se vrací do sítě. Hospodárné. Do odporu - odpojení kotvy od zdroje a připojení odporu, stroj pracuje jako dynamo do odporové zátěže a kinetickou energii pohonu mění na teplo. Momentová charakteristika Je to závislost otáček na momentu. Cize buzený motor: Charakteristika je přímková, tvrdá, její tvar je dán rovnicí U RM ω = 2 kφ ( kφ) Sériový motor: Charakteristika je hyperbolická, měkká, její tvar je dán rovnicí která vznikne z rovnice cize buzeného motoru respektováním úměry mezi tokem a U R proudem ω = 2 C M C cize buzený motor sériový motor Elektrické stroje a pohony 10

12 10. Mechanika pohonu, pohybová rovnice Motor vytváří hnací moment M h, pracovní stroj (např. výtah, čerpadlo ) zátěžný moment M p. Při dynamických změnách (zrychlování, zpomalování) se projevuje setrvačnost otáčejících se hmot prostřednictvím dynamického momentu M d. Pohybová rovnice dω má tvar M h M p = M d = J. dt M h - hnací moment M p - zátěžný moment J [kg.m 2 ] - moment setrvačnosti; charakterizuje setrvačnost těles při otáčivém pohybu, podobně jako hmotnost m při pohybu přímočarém. J závisí na hmotnosti tělesa, ose otáčení a rozložení hmotnosti vzhledem k této ose. Pro tvary těles běžné v pohonech, tedy válcovité, lze J spočítat takto: Tenký dutý válec: J = mr 2 Plný válec: J = ½.mr 2 Dutý tlustostěnný válec: J = ½.m(r r 2 2 ) V pohybové rovnici mohou nastat tři případy: 1. Jsou-li hnací moment M h a zátěžný moment M p stejné, je dynamický moment M d nulový, je proto nulová změna úhlové rychlosti dω a pohon se točí ustálenou rychlostí. 2. Je-li M h > M p, je M d > 0, tedy dω > 0 a pohon zrychluje. 3. Je-li M h < M p, je M d < 0, tedy dω < 0 a pohon zpomaluje (či brzdí). Mezi přímočarým a otáčivým pohybem existuje analogie veličin i základních vztahů. 11. Úvod do problematiky elektrických pohonů Vymezení pojmu Elektrický pohon = měnič, motor, řídící a regulační část. Obecné schéma pohonu Nejdůležitější částí pohonu je měnič, který přizpůsobuje elektrické parametry zdroje pro elektromotor. Elektrické stroje a pohony 11

13 Přehled měničů V elektrických pohonech se používají následující měniče. Pohony asynchronními motory 1. střídavé měniče - softstartéry měkký rozběh při malém momentu zátěže (relativně levné) 2. frekvenční měniče (či střídače) průmysl - největší rozšíření, standardní řešení s IGBT tranzistory ve střídači, někdy IGCT tyristory el. trakce - rychlý rozvoj; nově se vozidla osazují již jen AM (či SM) Pohony synchronními motory frekvenční měniče obdobné AM servopohony pro automatizaci a robotiku - výkonová část jako obvyklý měnič, trochu odlišné řízení; motory jsou s permanentním magnetem Stejnosměrné pohony 1. řízené usměrňovače nebo reverzační měniče průmysl jsou na ústupu, nicméně zůstávají v řadě aplikací, stále se vyrábějí tyristorové měniče, nově je analogové řízení nahrazováno mikroprocesorovým 2. pulsní měniče oblasti s dominantním postavením - automobilový průmysl, menší dopravní zařízení, zařízení napájená z akumulátorů 12. Frekvenční měniče V současné době jsou nejdůležitější, proto se jimi budeme podrobně zabývat. Frekvenční měniče mění napětí obecné napájecí sítě (konstantní frekvence a amplitudy), na napětí variabilní frekvence a amplitudy. Blokové schéma: Usměrňovač Přemění vstupní střídavé (jedno nebo třífázové) napětí na stejnosměrné pulsující napětí. Usměrňovač může být neřízený (diodový), plně řízený (tyristorový nebo tranzistorový). U moderních měničů bývá modul s IGBT tranzistory shodný s modulem střídače. Elektrické stroje a pohony 12

14 Stejnosměrný meziobvod Stabilizuje pulzující stejnosměrné napětí (napěťový meziobvod) a vyhlazuje ho. Střídač Jde o nejdůležitější a poslední výkonový prvek před motorem. Vytváří požadovaný průběh napětí pro motor. Střídač odebírá ze stejnosměrné meziobvodu proměnný stejnosměrný proud, proměnné stejnosměrné napětí nebo konstantní stejnosměrné napětí a upravuje jej na napětí střídavé. Zapojení střídače: IGBT tranzistory V1 V6 se v trojfázovém střídači zapojují do trojfázového můstku se zpětnými diodami V01 V06, které umožňují rekuperaci a zabraňují přepětí. Provedení je modulové modul tvoří celý můstek. Do tohoto modulu přichází napětí stejnosměrného meziobvodu. Pulsně šířková modulace: Aby výstupní napětí střídače pro motor připomínalo sinusovku, což je nezbytné pro správnou funkci motoru, je nutno použít spínání součástek střídače pomocí pulsně šířkové modulace (Pulse Wide Modulation) PWM. Jde o to,že okamžité hodnoty sdruženého výstupního napětí mohou nabývat pouze tří hodnot: kladné a záporné hodnoty napětí stejnosměrného meziobvodu a nuly. Okamžitá hodnota výstupního napětí střídače má vždy obdélníkový průběh. Je třeba zajistit, aby jeho střední hodnota, přesněji její první harmonická, byla sinusovka žádané frekvence i žádaného napětí. Toto umožní PWM. Na obrázku je vidět konstrukce první harmonické žádaného průběhu sdruženého napětí motoru pomocí PWM s pilovitým průběhem nosné. Frekvence nosné je stálá (spínací frekvence měniče), mění se poměr kladné a záporné části periody (střída či duty factor). Elektrické stroje a pohony 13

15 13. Elektromechanické přechodové děje, dimenzování a jištění Nastávají tehdy, je-li hnací moment jiné velikosti než zátěžný, tedy je-li nenulový dynamický dω moment M h M p = M d = J. Jak víme, nastává tento jev při rozběhu a při brždění. Uvedeme dt příklady elektromechanických přechodových jevů. Rozběh Pohon stejnosměrným cize buzeným motorem. Jsou dány statické charakteristiky motoru M h a zátěže M p. Pohon se rozběhne, protože na počátku rozběhu (při nulových otáčkách) je záběrný moment motoru M 2 větší než moment zátěže M 1. Také při rychlosti ω 1 pohon zrychluje, protože hnací moment je větší než zátěžný. Při rychlosti ω 2 končí rozběh a pohon pokračuje v běhu ustálenou rychlostí, neboť oba momenty se rovnají. Brždění Rekuperace pohonu se stejnosměrným cize buzeným motorem. Při rychlosti ω 1 se pohon točí ustáleně. Sníží-li se napětí zdroje, změní se charakteristika motoru z M h1 na M h2. Podle pohybové rovnice pohonu bude dynamický moment M d záporný, v absolutní hodnotě je roven součtu absolutní hodnoty hnacího a zátěžného momentu. Pohon tedy bude brzdit. Statická stabilita Příklad - pohon asynchronním motorem. Rovnají-li se momenty M h a M p, nemusí to nutně znamenat stabilní chod ustálenou rychlostí. v Bodě 1 je chod stabilní. V bodě 2 nestabilní, protože Elektrické stroje a pohony 14

16 při jakékoliv nahodilé změně parametrů se pohon buď urychlí do bodu 2, nebo zastaví. Obecně lze dm napsat, že při h dm p < je pohon staticky stabilní a naopak. dω dω Dimenzování elektromotorů. Při zjednodušeném návrhu motoru je nutno vyjít z těchto skutečností: motor musí vyvinout M h větší než je moment zátěže M p jmenovitý výkon motoru musí být větší nebo roven příkonu zátěže V opačném případě pohon se nerozeběhne dojde k nedovolenému oteplení motoru U pohonů se spínacími ztrátami, tj. takových, kde dochází k častému spouštění nebo i elektrickému brždění, je nutno brát v úvahu, že 1 2 do zátěže je při rozběhu nutno dodat navíc kinetickou energii Wk = Jω 2 při elektrickém brždění se musí tato energie přeměnit na jiný druh energie. Toto má za následek zvýšené oteplení motoru. Dimenzování je komplikovanější a provádí se s ohledem na velikost celkového J pohonu (přepočteného na osu motoru) a četnosti spínání. Jištění elektromotorů Jištění se provádí proto, aby nedošlo k nedovolenému oteplení vinutí motoru. Provádí se proti zkratu proti přetížení Vnější jisticí prvky jsou jističe s vypínací charakteristikou C nebo D podle charakteru rozběhu (lehký těžký); slouží proti zkratu i přetížení pojistky proti zkratu a tepelná relé (doplňkové moduly stykačů) proti přetížení Elektrické stroje a pohony 15

17 Vnitřní jisticí prvky jsou méně obvyklé, ale dokonalejší. Vkládají se do vinutí motoru a snímají bezprostředně jeho teplotu. Jde o termistory spojené s elektronickými relé, která vyhodnotí oteplení a případně zajistí vypnutí. Elektrické stroje a pohony 16