Elektrické stroje Jejich použití v automobilech Použité podklady: Doc. Ing. Pavel Rydlo, Ph.D., TU Liberec
Stejnosměrné motory (konstrukční uspořádání motoru s cizím buzením) Pozor! Počet pólů nemá vliv na rychlost otáčení.
Princip funkce ss. stroje Princip funkce spočívá v chování vodiče, který je umístěn v magnetickém poli. Vodič se buď pohybuje (dynamo) nebo je protékán elektrickým proudem (motor). Síla působící na vodič délky l, kterým protéká proud I v mag. poli o indukci B: F = BIl Indukované napětí ve vodiči pohybujícím se rychlostí v (ω) v mag. poli o indukci B (toku Φ) k konstanta stroje U i = Blv = kφω Elektromagnetický moment: M = kφi
Stejnosměrné motory (princip funkce) B
Stejnosměrné motory (princip funkce) Ampérovo pravidlo pravé ruky
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory - základní rovnice Indukované napětí stroje U i M H = CΦω Vnitřní hnací moment = CΦI Napěťová rovnice stroje ( t) di u ( t) = Ri( t) + L + dt Momentová rovnice stroje dω M = J + dt H M Z U i J moment setrvačnosti rotující části, Mz moment zátěže (včetně vlastních mech. ztrát stroje)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné motory (princip funkce)
Stejnosměrné stroje (základní dělení) Dynama: cizí buzení, derivační, kompaudní Motory: cizí buzení, derivační, sériové Cizí buzení: proudem budicího vinutí z cizího zdroje, permanentním magnetem
Stejnosměrný motor s cizím buzením
Náhradní zapojení ss. motoru (pro analýzu přechodných dějů) Ui Ri L di/dt u(t) ( t) di u ( t) = Ri( t) + L + dt U i
Náhradní schéma ss. strojů (pro ustálený stav) U = U + i R k I k U = U i R k I k
Základní charakteristiky motoru s cizím buzením U 2 ω = ω = 2 2 CΦ C Φ RI CΦ Odvozeno z výchozích vztahů: U MR U i 2 = U + I R = CΦω U i M = CΦI = K M I
Řízení otáček motoru s cizím buzením Změnou napětí na kotvě Změnou odporu v obvodu kotvy Změnou budicího proudu (magnetického toku) U = CΦω = K Eω i M = CΦI = K M I U = Ui + RI = CΦω + R M CΦ ω = U CΦ MR ( CΦ) 2
Řízení otáček motoru s cizím buzením ω = U CΦ R ( C ) M 2 Φ Analogie s rovnicí přímky, kde M je nezávisle proměnná y = q kx
Řízení otáček motoru s cizím buzením ω = U RI2 CΦ
Spouštění a brzdění motoru s cizím buzením Spouštění, řízení rychlosti a brzdění motoru s cizím buzením je možno řešit pomocí následujících rovnic: ω = U K R K k 2 M M = K I ω = U K R K k I Při spouštění ω = 0 0 = U K R K k I I = sp U R k
Spouštění motoru s cizím buzením (odporové spouštění) I max = R 1 U + R K Odpor R1 volíme tak velký, aby nebyl překročen max. proud kotvou. Další možností plynulého spouštění je postupné zvyšování napájecího napětí kotvy (při konstantním odporu v obvodu kotvy).
Brzdění motoru s cizím buzením Generátorové brzdění s dodávkou elektrické energie do sítě (rekuperace). Toto brzdění je možné, jsou-li otáčky rotoru vyšší než jmenovité. Generátorové brzdění do odporu (dynamické brzdění). Brzdění protiproudem.
Brzdění motoru s cizím buzením Rovnice pro momentovou charakteristiku: n = U CΦ R k ( C ) M 2 Φ Do rekuperačního brzdění je možno přejít snížením napětí (tj. přechodem na novou momentovou charakteristiku). Pokud platí n > n0 stroj pracuje jako dynamo. Je-li n < n0, motor se vrací do motorického stavu a dosáhne ustálenou rychlost n1 (resp. n2). Příkladem je elektromobil, který zastavuje na rovině pomocí snižování napětí na kotvě. Rekuperační brzdění tedy probíhá od rychlosti n1 do n0 (n0 s čarou).
Brzdění motoru s cizím buzením Při brzdění do odporu odpojíme napájení a připojíme ke kotvě odpor. Momentová rovnice brzdění je následující: 0 = R 1 I + CΦω R1 ω = CΦ ω = R I 1 ( C ) M 2 Φ Maximální brzdný moment dostaneme zapojením kotvy motoru dokrátka.
Brzdění motoru s cizím buzením Brzdění protiproudem se realizuje změnou polarity napájecího napětí kotvy a připojením odporu do obvodu kotvy. Aby po dosažení nulové rychlosti nedošlo k reverzaci otáčení, musíme vypnout při dosažení nulové rychlosti napájení motoru. Rovnice pro momentovou charakteristiku brzdění je: ω = U CΦ R ( C ) M 2 Φ Přepólováním napájení kotvy se zde mění + na Vložením přídavného odporu se zvýší strmost charakteristiky
Aplikace stejnosměrných motorů s cizím buzením v automobilech Pohony stěračů Buzení zajištěno permanentním magnetem. Stroje tohoto typu se používají též v dalších pomocných pohonech (ventilátory topení). Přepínač (2) je ovládací, ve vypnuté poloze zkratuje vinutí kotvy a tím motor zabrzdí. Přepínač (3) je doběhový kontakt, který navrací raménko stěrače do výchozí polohy. Po jejím dosažení vačka přepne z polohy K3 (napájení doběhu) do polohy K4 (zkrat kotvy dynamické zabrzdění).
Elektronicky komutované motory náhrada kontaktního komutátoru Základní myšlenka BLDC motorů: Zbavit se komutátoru. Prohození pozice kotvy a buzení. Kotva vybavena permanentním magnetem, vytvářejícím potřebný budicí tok. Stator osazen třemi sadami cívek, napájených třemi střídavými napětími obdélníkového průběhu, posunutých vzájemně o 120 elektrických a spínaných v závislosti na aktuální poloze rotoru. Vlastnosti pohonu s elektronicky komutovaným DC motorem (BLDC motor (brushless DC motor)): jednoduché řízení (odměřování úhlu po 60 ) nespojité řízení (nutná elektron. komutace), napájení dvoufázovým obdélníkovým proudem, velké momentové pulsace při malých rychlostech horší rovnoměrnost otáčení, pohony s těmito motory jsou levné.
Principiální provedení rotoru a statoru BLDC motory
BLDC motor Spínání proudu jednotlivých fází během jedné otáčky
Elektronický spínač pro BLDC motor
Oblasti aplikací BLDC motorů v automobilech Ventilační motory pro klimatizaci a větrání Perspektivně i pro pohon elektromobilů
Konec prezentace