ELEKTRICKÉ STROJE ÚVOD URČENO PRO STUDENTY BAKALÁŘSKÝCH STUDIJNÍCH PROGRAMŮ NA FBI OBSAH: 1. Úvod teoretický rozbor dějů 2. Elektrické stroje točivé (EST) 3. Provedení a označování elektrických strojů (montáž, krytí, chlazení) 10/2007 DOC. ING. VÁCLAV VRÁNA, CSc. 1
1. Úvod teoretický rozbor dějů Elektrické stoje jsou vždy měniče energie jejichž rozdělení a provedení je závislé na druhu použitého proudu a výstupní formě energie (mechanická, elektrická). Základním předpokladem pro pochopení principu funkce jsou znalosti základních zákonů o elektromagnetickém poli a vlastnostech magnetických materiálů. Základní teoretický rozbor dějů v elektrických strojích K vytvoření indukovaného napětí v cívce je potřebná změna magnetického toku spraženého s cívkou. Podle způsobu dosažení této změny hovoříme o indukovaném napětí vzniklém - transformací; - pohybem; - samoindukcí. Indukované napětí vzniklé transformací Jedná se zde o případ stojícího a časově proměnného magnetického pole Φ h, které prochází stojícími cívkami z nichž jedna je budící (primární) a ostatní jsou sekundární. V sekundární cívce se bude indukovat napětí d u = Φh q2 N2 * dt., kde N 2.. počet závitů sekundární cívky obr. 1 Transformační napětí Indukované napětí ve vodiči vzniklé pohybem obr.2 Indukované napětí ve vodiči Velikost indukovaného napětí je závislá na relativním pohybu magnetického pole a cívky dle vztahu dφ x, t dφ x dx uq = N * = N,. dt dx dt dφ kde x prostorová změna magnetického toku dx dx relativní rychlost mezi polem a cívkou dt B indukce l délka vodiče strany cívky v rychlost otáčení cívky (dx/dt) V praxi lze tuto závislost vyjádřit zjednodušeně vztahem Indukované napětí v cívce vzniklé samoindukcí obr. 3 Samoindukce u q = 2 N B l v, V cívce protékané střídavým proudem se bude indukovat napětí dφ di t di uq = N 2 * = L dt dt dt Pro případ, že proud cívkou má harmonický průběh se velikost indukovaného napětí dá vyjádřit v komplexní rovině jako = jx I = jl 2π I U X x 2
Silové účinky na vodič protékaný proudem nacházející se v magnetickém poli Na vodič protékaný proudem, který se nachází v magnetickém poli působí síla, jejíž směr je dán tzv. pravidlem levé ruky viz obr. 4 Velikost tangenciální složky této síly působící na vodič dle obr. Je dána vztahem F = B I l Točivý moment vzniká součtem tangenciálních složek těchto sil působících na rameni = poloměru. M = d 2 n 1 F i obr.4 Silové účinky Základní rozdělení elektrických strojů ( podle pohybu) Elektrické stroje netočivé transformátory Elektrické stroje točivé (s točivým pohybem na výstupu) Elektrické stroje lineární ( s přímočarým pohybem na výstupu) 2. ELEKTRICKÉ STROJE TOČIVÉ (EST) Úvod obr. Elektrický stoj točivý měnič energie generátor motor Def.: Točivý ES je zařízení: - jehož činnost je závislá na elektromagnetické indukci, - které má části schopné vykonávat relativní točivý pohyb - a které je určeno pro elektromechanickou přeměnu energie. Elektrické stroje točivé přeměňují elektrickou (elektromagnetickou) formu energie na mechanickou formu energie (motory) a naopak (generátory). Mechanickým výstupem (vstupem) je otáčivý hřídel s mechanickými a kinematickými veličinami - otáčivá rychlost Ω (otáčky n), moment M, výkon (příkon) P. Základní tradiční způsob rozdělení EST je odvozen od charakteru napájecího napětí : - střídavé stroje (AC stroje) - stejnosměrné stroje (DC stroje). Kromě těchto dvou základních skupin strojů existuje ještě řada provedení EST, které nelze jednoznačně přiřadit do některé z těchto skupin (např. univerzální, krokové, s elektronickoou komutací atd.) a dále skupina zvláštních strojů. Možné rozdělení strojů do podskupin je odvozeno od různých kritérií (obsažených v názvu) a je znázorněno dále. 3
STŘÍDAVÉ STROJE STEJNOSMĚRNÉ STROJE ZVLÁŠTNÍ SKUPINA ASYNCHRONNÍ (INDUKČNÍ) STROJE S KOTVOU (ROTOREM) NAKRÁTKO (KLECOVÝ) S KOTVOU (ROTOREM) KROUŽKOVOU (S VINUTÝM ROTOREM) SYNCHRONNÍ STROJE S HLADKÝM ROTOREM S VYNIKLÝMI PÓLY NA ROTORU S VYNIKLÝMI PÓLY NA STATORU S CIZÍM BUZENÍM S DERIVAČNÍM BUZENÍM SE SÉRIOVÝM BUZENÍM SE SMÍŠENÝM BUZENÍM Podle způsobu vytváření magnetického pole (buzení) lze provedení některých EST (synchronní a stejnosměrné) dále rozdělit do skupin: Stroje s permanentními magnety (PM) ; Stroje s vinutými cívkami Do zvláštní skupiny strojů lze zařadit Speciální stroje jako např. dynamometry, indukční regulátory, motorgenerátory-rotační měniče, elektromagnetické a indukční spojky, práškové brzdy atd. Stroje pro řídící systémy jako např. Leonardovo soustrojí, kaskády, rotační zesilovače 4
.3. PROVEDENÍ A OZNAČOVÁNÍ ELEKTRICKÝCH STROJŮ Provedení elektrických strojů dle tvaru (montáže a pracovní polohy) Provedení ES dle tvaru, (možnosti jejich mechanického upevnění, pracovní polohy a způsobu montáže) je v souladu s mezinárodní normou, která umožňuje dva způsoby označování tvarů ES: ČSN EN 60034-7 +A1,12/2001, (35 0000) kód označování I IM X N číslo ( ) písmeno: - B...s vodorovnou osou - V... se svislou osou kód označování II IM x x x x čís. znak dle provedení konce hřídelů (0 9) číselný znak pro způsob montáže (0 99) skupinové číslo tvaru stroje (0 9) mezinárodní označení tvaru stroje (International Mounting Význam jednotlivých označení bývá uveden v kat alogové dokumentaci.v označení tvaru ( IM. xx.) je pro jednotlivé provedení (první číslice ) uveden pomocí nákresů v tabulkách příslušné normy Tabulka: Vybrané příklady běžných druhů (provedení) motoru kód II kód I vysvětlení zobrazení IM 1001 IM B3 patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky dole, vodorovný hřídel IM 1051 (IM 1061) IM B6 (IM B7) patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky vlevo (vpravo), vodorovný hřídel IM 3001 IM B5 přírubový s jedním válcovým koncem hřídele příruba na str. D, vodorovný hřídel IM 3011 (IM 3031) IM V1 (IM V3) přírubový s jedním válcovým koncem hřídele příruba dole (nahoře), svislý hřídel IM 1071 IM B8 patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky nahoře, vodorovný hřídel Z hlediska působení na okolí je důležitá určená pracovní poloha stroje. Při použití stroje v jiné pracovní poloze může dojít k nedovolenému zatížení ložisek a tím i k jejich nadměrnému zahřívání, což může vést k poruchovému stavu popř. inicializaci požáru, popř. výbuchu. dle krytí - IP kód dle ČSN EN 60034-5 ed.2,12/2002 (35 0000) 5
Tento kód definuje soubor opatření které deklaruje stupeň ochrany: osob před nebezpečným úrazem osob ES před vniknutím cizích předmětů ES před vniknutím vody Nejčastěji používané druhy kryti u el. strojů podle IP kódu (International Protection) uzavřená provedení - IP 44, IP 54, IP 55, IP 56 otevřené provedení - IP 12, IP 21, IP 22, IP 23 nevýbušné provedení označení Ex Pro ES pracující v prostředí s nebezpečím výbuchu platí zvláštní předpisy. Pro druhy nevýbušného provedení se zavedl symbol Ex vyjadřující vhodnost do tohoto prostředí a písmenovým symbolem pro typ ochrany (p, t, ia, ). - dle provedení chlazení - IC kód, dle ČSN EN 60034-6, (35 0000) V zásadě mohou být motory s ohledem na způsob chlazení provedeny : - s přirozeným chlazením (bez jakéhokoliv ventilátoru, chlazení je zde pouze konvekcí) - s vlastním chlazením (na hřídeli motoru je ventilátor(y), účinek je závislý na otáčkách motoru) - s přirozeným vlastním chlazením (dva okruhy - vnitřní konvekcí, vnější s ventilátorem) - s cizím chlazením (ventilace je od cizího zdroje nezávislého na otáčkách motoru) systém označování způsobů chlazení : IC x A y Wy sekundární okruh (druh chladiva-w (voda), způsob uvádění chladiva do oběhu-y primární okruh (druh chladiva -A (vzduch), způsob uvádění chladiva do oběhu-y uspořádání chladícího okruhu (systému okruhů), (charakt. číslice 0 až 9) Poznámka: Podrobný popis jednotlivých způsobů chlazení lze najít v katalogové dokumentaci, popř. v normě. Příklady obvyklých (základních) provedení motorů: Asynchronní motory nakrátko řady 1LA (Siemens Elektromotory-Frenštát.): IM B3 ( IM 1001) - patkový s jedním válcovým koncem hřídele IP 54 - motor zavřený, krytí vnějšího ventilátoru je IP 2x IC 411 - s vlastním povrchovým chlazením V případě vlastního chlazení je ventilátor poháněn rotorem motoru. Takové provedení je zpravidla určeno pro motory pracující s neřízenými otáčkami. V případě řízení otáček, by při nízkých otáčkách mohlo dojít k nežádoucímu oteplení stroje mající za následek jeho poškození (izolace) a následně možnou inicializaci požáru,popř. výbuchu. 6