1. Úvod Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstršími elektrickými stroji nejprve se používly jko generátory pro výrobu stejnosměrného proudu. V řdě technických plikcí byly tyto V součsné době se stejnosměrné stroje používjí především jko y v elektrických regulovných pohonech ( npř. u obráběcích strojů, válcovcích stolic, těžních strojů, v utomobilovém průmyslu v elektrické trkci). Generátory (dynm ) jsou postupně nhrzovány polovodičovými usměrňovči. Regulovné pohony se stejnosměrnými y jsou v řdě technických oblstí postupně nhrzovány střídvými regulovnými pohony s synchronními y to zejmén proto, že stejnosměrné y jsou vzhledem k synchronním ům složitější, výrobně provozně nákldnější. Stále existují oblsti, ve kterých se stejnosměrné stroje používjí pro své některé výhodné vlstnosti speciální chrkteristiky. STEJNOSĚRNÉ STROJE rčeno pro posluchče bklářských studijních progrmů 1. Úvod 2. Konstrukční uspořádání 3. Princip činnosti stejnosměrného stroje 4. Rozdělení stejnosměrných strojů 5. Provozní vlstnosti stejnosměrných generátorů ( dynm ) 6. Provozní vlstnosti stejnosměrných ů s cizím buzením 7. Stejnosměrný se sériovým buzením 2. Konstrukční uspořádání N sttoru jsou k vytvoření mgnetického toku umístěny hlvní póly, které mohou být buzeny cívkmi, nebo permnentními mgnety. Póly s budícím vinutím se skládjí z pólového jádr pólového nástvce. Dále jsou zde mohou být tzv. pomocné póly (komutční) umístěné mezi hlvními póly pro zlepšení komutčních vlstností stroje. Rotor ( pohyblivá část stroje, nzývná kotvou ) je složená z dynmových (izolovných křemíkových) plechů v jehož drážkách umístěných po obvodu je vinutí. Jednotlivé cívky vinutí kotvy jsou připojeny k měděným vzájemně izolovným lmelám komutátoru, který zde zstává funkci mechnického usměrňovče proudu. Komutátor je mechnicky spolu s mgnetickým obvodem nszen n hřídeli stroje. N komutátor dosedjí krtáče, umístěné ve speciálních držácích, jimiž se přivádí proud do vinutí kotvy. Komutátor krtáče tvoří sběrné ústrojí stroje. Provedení sttoru ss stroje (čtyřpólového) ) s buzením b) s permnentními mgnety 1 kotv 2 póly s cívkmi 3 póly s permnentními mgnety 4 kotv sttoru Doc.Ing.Václv Vrán,CSc., Ing. Stnislv Kocmn,Ph.D., Ing. Václv Kolář Ph.D. poslední úprv: únor 26 Obr.1 Řez em 3. Princip činnosti stejnosměrného stroje Princip činnosti lze vysvětlit n elementárním stroji, jehož vinutí kotvy tvoří pouze dv vodiče, b spojené do jednoho závitu umístěném n rotoru, který se otáčí v mgnetickém poli vytvořeném dvojicí hlvních pólů ( s jedním severním jižním pólem s roztečí τ, viz. obr.2 ). Závit je připojen ke dvěm lmelám komutátoru, které jsou nvzájem izolovány otáčejí se společně s rotorem. N komutátor dosedjí dv nepohyblivé krtáče, které jsou umístěny do tzv. neutrální osy tj. do geometrické osy mezi dvěm sousedními hlvními póly. Stejnosměrné stroje mohou prcovt jko generátory ( přeměňují mechnickou energii n elektrickou ) nebo jko y ( přeměňují nopk elektrickou energii n mechnickou ). Schém elementárního stroje je n obr.2), ve kterém pro větší přehlednost není nkreslen rotor stroje. 2
Indukovné npětí točivý moment Zjednodušeně lze velikost ukovného npětí ve vinutí kotvy vyjádřit vzthy 1 π n 1 = c Φ Ω ( V;Wb,rd s ) = c Φ ( V;Wb,ot min ) 3 kde c konstrukční konstnt stroje Φ mgnetický tok Ω úhlová rychlost otáčení kotvy, n otáčky kotvy Obr.2. Princip činnosti stejnosměrného stroje : ) schém elementárního stroje, b) ukovné npětí v jednotlivých vodičích, c) ukovné npětí n svorkách stroje moment stroje Otáčíli se kotv v nznčeném směru ( obr.2) ) otáčkmi n, pohybují se vodiče závitu o délce l v mgnetickém poli s ukcí B rychlostí v (kolmou složkou n směr siločr) ukují se do nich dle ukčního zákon tzv. pohybová npětí : u = B l v Směry ukovných npětí v jednotlivých vodičích, b, jsou vyznčeny n obr.2). Z polovinu otáčky si vodiče vymění míst ukovná npětí v nich změní svůj směr mjí tedy tvr střídvého npětí. Vodiče jsou připojeny k lmelám komutátoru, n který dosedjí krtáče. Ke spodnímu krtáči ( ) je vždy připojen vodič pod jižním pólem k hornímu krtáči ( ) vodič pod severním pólem. Polrit npětí n krtáčích se tedy nemění, to znmená, že komutátor usměrňuje střídvé npětí ukovné ve vinutí kotvy. Vnějším obvodem připojeným ke kotvě protéká stejnosměrný proud, ztímco ve vodičích kotvy má proud střídvý chrkter. Čsové průběhy ukovných npětí v jednotlivých vodičích ukovného npětí n svorkách neztíženého stroje jsou n obr.2b ) 2c ) jsou dány šířkou pólů, tvrem pólových nástvců stroje skutečnou ukcí mgnetického pole ve vzduchové mezeře, která není po celém obvodu konstntní. ezi póly je velmi slbá. Indukovné npětí n svorkách stroje je pulzující, pro jeho zlepšení se vinutí kotvy vyrábí s větším počtem cívek jemu odpovídjícímu počtu lmel komutátoru. N vodiče, kterými prochází proud I které se ncházejí v mgnetickém poli s ukcí B působí síl F, jejíž velikost je dán vzthem : F = B I l Síly působící n jednotlivé vodiče cívky vytvářejí točivý moment, jehož směr bude závislý n směru proudu ve vodičích v přívodu k u. V přípdě připojení npětí zdroje, které je větší než npětí ukovné bude mít moment stroje hncí účinek, jehož důsledkem bude snh o urychlení rotoru zvýšení otáček ž n hodnoty rychlosti nprázdno Ω (otáček n ) tím i ukovného npětí n hodnotu npětí zdroje. V přípdě připojení npětí menšího, nebo pouze rezistoru, bude mít moment stroje brzdný účinek jehož důsledkem bude snh o snížení otáček tím i ukovného npětí. Čsový průběh momentu stejně jko ukovného npětí má opět pulzující tvr( obr.2c). R i I R Obr.3 Náhrdní schém obvodu kotvy Vnějším připojením zdroje, nebo rezistoru bude kotevním obvodem protékán proud I, jehož velikost smysl je možno určit z npěťové rovnice obvodu I = R Pro přípd připojení rezistoru R : I = R R bude stejně jko při < směr proudu obrácený (znázorněno čárkovně n obr, ) Tento proud vyvolá silové účinky n vodiče tím i tzv. elektromgnetický moment stroje em, který je dán vzthem D em = F = c Φ I 2 :kde c konstrukční konstnt stroje Výstupní mechnický moment n hřídeli u je menší o mlou složku předstvující mechnické ztráty, která se čsto neuvžuje lze ho proto vyjádřit vzthem = c Φ I N m; Wb, A em ( ) ezní (mximální) hodnoty momentu jsou dány s ohledem n komutci mximální dovolenou hodnotou proudu, která u normálních provedení bývá obvykle v rozmezí 15 ž 2 % jmenovité hodnoty, Její překročení může vést ke zničení komutátoru tím i vyřzení stroje z provozu. 4. Rozdělení stejnosměrných strojů Stejnosměrné stroje s budícím vinutím n hlvních pólech rozdělujeme podle způsobu npájení tohoto vinutí, stroje s cizím buzením ( obr.4) ) budící vinutí hlvních pólů je npájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje nebo má stroj permnentní mgnety (P). b, stroje s derivčním buzením ( obr.4b ) budící vinutí hlvních pólů je zpojeno prlelně ke kotvě c, stroje se sériovým buzením ( obr.4c ) budící vinutí hlvních pólů je zpojeno do série s kotvou d, stroje s kompundním ( smíšeným ) buzením ( obr.4d ) n hlvních pólech je budící vinutí derivční sériové. Podle druhu buzení má kždý stroj své chrkteristické vlstnosti, které lze posoudit podle příslušných chrkteristik stroje. generátorů to jsou zejmén jejich vnější chrkteristiky ( tj. 3 4
závislost svorkového npětí n ztěžovcím proudu při konstntním buzení rychlosti ), u ů zejmén jejich mechnické chrkteristiky ( tj. závislost úhlové rychlosti n momentu u při různých tzv. řídících prmetrech ). přepólováním polrity buzení ( tj.změnou směru budícího proudu tím i mgnetického toku ) nebo změnou směru otáčení rotoru. Výhody generátoru : tvrdý zdroj npětí s širokým plynulým rozshem řízení npětí Nevýhody generátoru: zvláštní zdroj buzení ( nepltí v přípdě provedení s P) kotv stroje buzení stroje ) b ) c ) d ) e ) Obr.4. Druhy stejnosměrných strojů: ) s cizím buzením, b ) s derivčním buzením, c ) se sériovým buzením, d ) s kompundním buzením, e ) s permnentné,i mgnety 5. Provozní vlstnosti stejnosměrných generátorů ( dynm ) Stejnosměrný generátor s cizím buzením Proud tekoucí budícím vinutím tím i tok Φ velikost ukovného npětí lze měnit buď rezistorem R p, nebo řízeným npájecím zdrojem (npř. usměrňovčem) b = vr. Použití generátoru: pro plikce, kde je zpotřebí plynule v širokém rozshu řídit stejnosměrné npětí npř. v Leonrdově měniči (WL měnič) Stejnosměrný generátor s derivčním buzením Budící vinutí je připojeno prlelně ke kotvě. Podmínkou činnosti generátoru je existence tzv. remnentního, zbytkového mgnetizmu v mgnetickém obvodu hlvních pólů provedených z feromgnetického mteriálu. Chrkteristickou vlstností těchto mteriálů je vytváření zbytkového, tzv. remnentního mgnetického pole, které v mteriálu zůstává i po zrušení vnějšího mgnetického pole. R z I I R N R b =konst. Ω, (n)= konst. R z R b R p I R b 1 R R p b N, (Φ ) = konst. Ω, ( n ) = konst. I N I mx R I ). Náhrdní schém zpojení b) Vnější chrkteristik obvodů kotvy buzení Obr.5 Generátor s cizím buzením Svorkové npětí ztíženého generátoru lze v ustáleném stvu zjednodušeně vyjádřit vzthem I ). Schém zpojení b) Vnější chrkteristik Obr. 6 Stejnosměrný generátor s derivčním buzením Při zvyšování ztěžovcího proudu I dochází ke snižování svorkového npětí tím se snižuje budící proud (generátor se odbuzuje) tím dále klesá jk ukovné, tk i svorkové npětí generátoru. Při dosžení mximálního ztěžovcího proudu I dojde vlivem odbuzení k prudkému poklesu svorkového npětí společně se ztěžovcím proudem. Výhody generátoru: není třeb zvláštní zdroj buzení vydrží bez poškození zkrt n výstupních svorkách Nevýhody generátoru: užší rozsh řízeného npětí měkčí vnější chrkteristik I k I N I I = R I =, kde celkový úbytek npětí n obvodu kotvy Z vnější chrkteristiky je vidět, že při zkrtu n svorkách generátoru ( tj. při = ) může dosáhnout proud kotvy znčných hodnot. Polritu svorkového npětí generátoru lze měnit 5 6
6. Provozní vlstnosti stejnosměrných ů s cizím buzením Budící vinutí je stejně jko u generátoru npájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje. R I n n(ω) = N N K řízení rychlosti je použit rezistor R S zpojený v obvodu kotvy u ( viz. obr.8 ). Rychlost nprázdno Ω ( otáčky n ) je konstntní sklon chrkteristiky se nstvuje velikostí odporu R S. N tomto odporu vznikjí trvle ztráty. Pro svoji nehospodárnost lze toto řízení použít jen u ů velmi mlých výkonů, popř. pro rozběh u. d b ) Řízení rychlosti u změnou npětí n kotvě (Φ N N )= konst.) Změn velikosti přiváděného npětí n svorky kotvy u se prkticky provádí nejčstěji použitím fázově řízeného tyristorového usměrňovče. Změnou řídícího úhlu α u tyristorů lze řídit střední hodnotu výstupního npětí usměrňovče tj. npětí n kotvě u, čímž se mění pouze rychlost nprázdno. Tvr ( sklon ) mechnických chrkteristik zůstává zchován. Výhodou je plynulá změn rychlosti otáčení u v širokém rozshu od nuly ž do jmenovité rychlosti. Toto řízení je v důsledku velmi mlých ztrát v u hospodárné. b N mx. ) Schém zpojení b) echnická chrkteristik Obr.7 Stejnosměrný s cizím buzením α ř Řízený usměrňovč n(ω) Φ =konst. ( = konst.) N > 1 > 2 Rychlost otáčení u R 3 3 Ω = = Ω k nebo n = Ω k = n n( ) 2 2 c Φ c Φ π π Otáčky nprázdno n jsou přímo úměrné npájecímu npětí kotvy nepřímo úměrné mgnetickému toku Φ n. Sklon (tvrdost ) chrkteristiky vyjádřený koeficientem k Φ je přímo úměrný velikosti celkového odporu kotevního obvodu R nepřímo úměrný mgnetickému toku. Rychlost ( otáčky ) u lze řídit těmito způsoby: ) Změnou celkového odporu v obvodu kotvy (zpojením přídvného rezistoru R S ) b ) Změnou přiváděného svorkového npětí n kotvu u c ) Změnou mgnetického toku Φ ( změnou. budícím proudu ) d ) Kombincí řízení rychlostí npětím kotvy i budícím proudem (mgnetickým tokem) =vr R I b n 1 n 1 n 2 n 2 α ř = α ř =3 α ř =6 N ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr.9 Řízení rychlosti změnou npětí n kotvě N 1 2 d ) Řízení rychlosti u změnou odporu v obvodu kotvy ( = konst., Φ = konst. ) n,(ω) R S R I b n N ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr.8 Řízení rychlosti změnou odporu R S v obvodu kotvy. Pro možnost řízení rychlosti toku výkonu v obou směrech ( brzd) se nejčstěji používá k npájení kotvy u ntiprlelní spojení usměrňovčů. ximální moment u mx je dán nstveným proudovým omezením v usměrňovči. d c ) Řízení rychlosti u změnou mgnetického toku ( tj. změnou buzení při N = konst.) Používá se pro řízení rychlosti u nd rychlost jmenovitou, tj. pro n >. K npájení budícího obvodu se nejčstěji používá polovodičového řízeného usměrňovče. Změnou střední hodnoty výstupního npětí usměrňovče se mění velikost budícího proudu mgnetického toku. Snižováním mgnetického toku tj. odbuzováním u se zvyšují otáčky nprázdno n chrkteristiky se zároveň změkčují (zvětší se n) 7 8
Řízený usměrňovč =konst Φ=vr =vr R I α b=vr n 2 n 1 n 2 n 1 n(ω) φ N > φ 1 > φ 2 N α 2 =6 α = φ 2 α 1 =3 ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr.1 Řízení rychlosti změnou budícího npětí (budícího proudu mgnetického toku) d d ) kombince řízení rychlostí npětím kotvy i budícím proudem (mgnetickým tokem) Používá se pro řízení rychlosti u ve dvou rozszích. V rozshu od nuly po jmenovitou rychlost jde o řízení npětím kotvy při konstntním buzení. Nd rychlost jmenovitou, jde o řízení odbuzováním, tj. zmenšováním budícího proudu (mgnetického toku) při konstntním jmenovitém npětí. K relizci se obvykle používá dvou řízených usměrňovčů. α Řízené usměrňovče α n (Ω) φ N φ 1 = vr., = N Spouštění stejnosměrného u s cizím buzením Z chrkteristik u je zřejmé, že tento druh u nelze spouštět přímým připojením k npájecímu zdroji (ž n výjimky mlých ků), protože moment záběru při rozběhu by byl větší než mximální dovolený moment. Při připojení u k npájecímu zdroji je nutno zjistit, by proud u nepřekročil mezní dovolenou hodnotu, což se v prxi provádí: Řízením velikosti npájecího npětí, Připojením předřdného rezistoru do obvodu kotvy u. Brzdění stejnosměrného u s cizím buzením ) Brzdění do odporu Vinutí kotvy točícího se u se odpojí od npájecího zdroje připojí se k vhodnému rezistoru, tím se změní směr proudu v kotvě smysl momentu u ( viz. obr.12b ). otor je poháněný prcovním mechnizmem stává se tk generátorem, měnícím mechnickou energii n elektrickou, která se mění v odporech kotevního obvodu n Jouleovo teplo. R B I B R b R S1 < R S2 < R S3 R S1 R S = R S2 brzd R S3 n,(ω) =vr R = vr., = N ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr.12 Brždění do odporu. b ) Brždění protiproudem Φ=vr =vr I b=vr ) Schém zpojení b) echnické chrkteristiky Obr. 11 Řízení npětím kotvy budícím proudem N Otáčející se kotv u se odpojí od npájecího zdroje zpojení se k němu s opčnou polritou, dojde k tzv. přepólování ( reverzcí ) npětí n svorkách kotvy tím ke změně směru proudu v kotvě u ke změně smyslu momentu. Po dosžení klidu (nulových otáček) se bude snžit rozběhnout n opčnou rychlost nprázdno proto je nutno odpojit kotvu u od npájecí sítě. Pro omezení velikosti proudu při brždění se do obvodu kotvy zřzuje rezistor s velkým odporem R S. Ztráty při tomto způsobu brždění jsou velmi vysoké (součet dodného mechnického výkonu n hřídeli elektrického výkonu odebírného z npájecí sítě) 9 1
R B R brzd R S2 < R S1 n,(ω) n 7. Stejnosměrný se sériovým buzením otor má budící vinutí zpojeno do série s obvodem kotvy. Proud kotvy je totožný s budícím proudem mgnetický tok je tk funkcí proudu kotvy, tj. buzení u je závislé n I = I Φ = f I velikosti ztížení u : ( ) b I B b I R S n R S = 11 Ω brzd ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr.13 Brždění protiproudem. c ) Brzdění rekuperční ( generátorické ) Nstává tehdy jsouli otáčky u větší než je hodnot otáček nprázdno, tj. při n > n. Toho lze dosáhnout npř. snížením npětí n kotvě u (při npájení z řízeného zdroje), čímž dojde ke snížení otáček nprázdno ( n / c Φ ), nebo zvýšením mechnických otáček. otor se tk stává generátorem dodává elektrickou energii do npájecího zdroje V okmžiku snížení npětí jsou vlivem setrvčnosti rotujících hmot otáčky u stejné, tj. při dosttečně velkém snížení npětí pk pltí, že n > n 1 proud I s momentem u tk musí změnit svůj smysl. α ř Řízený usměrňovč =vr R I b brzdr n n 1 n,(ω) N 1 N ) Náhrdní schém b) echnické chrkteristiky Obr. 14 Brždění generátorické Nutnou podmínkou tohoto způsobu je možný oboustrnný tok výkonu (proudu) v npájecím zdroji. Toto brždění je hospodárné, ztráty jsou rovny rozdílu mechnického elektrického výkonu. Použití stejnosměrných ů s cizím buzením: v utomobilovém průmyslu pro pohony různých mechnizmů, pro pohony obráběcích strojů, elektromobilů, válcovcích stolic, těžních strojů, pod. 12 R S = R S1 > R S ) Náhrdní schém zpojení b) echnické chrkteristiky Obr..15. Stejnosměrný u se sériovým buzením R 3 Ω = I nebo n = Ω c Φ( I ) c Φ( I ) π echnická chrkteristik je tzv. měkká, otáčky nprázdno jsou teoreticky nekonečné, tzn. že nesmí nikdy prcovt bez ztížení. Jejich výhodou je velký moment při nízké rychlosti. Řízení rychlosti je možné těmito způsoby : změnou odporu v obvodu kotvy R S změnou npětí n kotvě pomocí řízeného usměrňovče nebo pulzního měniče změnou buzení pomocí prlelně připojeného rezistoru k budícímu vinutí u víceových pohonů npř. u lokomotiv řzením jednotlivých ů do prlelních nebo sériových skupin (skoková změn npětí n kotvách ů) Brždění je možné těmito způsoby : brždění do odporu: buď přímo s přepólovným budícím vinutím nebo přepojením sériového u n s cizím buzením brždění protiproudem brždění rekupercí (je možné pouze při npájení u z pulzního měniče) Použití u se sériovým buzením V elektrické trkci jko trkční y ( npř. pro lokomotivy ), nebo jko tzv. univerzální y, které se mohou npájet jk střídvým tk i stejnosměrným npětím používné pro elektrické nářdí ( npř. vrtčky, brusky, mlé kuchyňské spotřebiče ).