Tém 25 Jn Bednář bednj1@fel.cvut.cz mechnická chrkteristik n=f(m) závislost rychlosti n n elektromgnetickém momentu M vznikjícím ve stroji vzájemným působením vinutí protékných proudem mgnetických polí, dle obr. 1 rozlišujeme (1) tvrdá snížení otáček Δn l při jmen. momentu M N je mlé ve srovnání s otáčkmi nprázdno n 0 ; (2) měkká vyšší rozdíl Δn ll = n 0 - n N momentová chrkteristik M=f(I) proud I, který motor odebírá ze sítě; ob dodjí při jmen. proudu I N stejný moment, le (2) dle obr.1b umožňuje krátkodobě dodt M>M N (výhodné npř. pro rozběh) řízení rychlosti exitují dvě možnosti dle obr.1c () posouvt mechnickou chrkteristiku (b) měnit sklon mechnické chrkteristiky (změkčování chr. zřzováním předřdného odporu) Obrázek 1. () mechnická chr.; (b) momentová chr.; (c) řízení rychlosti brzdění změn smyslu toku energie n hřídeli motoru, nutno změnit smysl elektromgnetického momentu, dle obr.2 rozlišujeme (b) do odporu je jednouchý způsob, mechnický příkon se v odporu mří n Jouleovy ztráty; motor nejprve odpojit od sítě, připojit brzdný odpor R, je zchován smysl buzení, proud v kotvě změnil smysl (c) protiproudem záměnou přívodů ke kotvě změníme smysl proudu ( tím i momentu), problém je tepelné nmáhání, npájecí brzdný proud mřen v Jouleovy ztráty (d) rekuperce mechnická energie je vrácen zpět do sítě, energeticky výhodné Obrázek 2. () motorický režim; (b) bzdění do odporu; (c) bzdění protiproudem; (d) bzdění rekupercí 1 Stejnosměrné stroje Nepohyblivá část část sttor S je z odlitku, má tvr dutého válce, n němž jsou uloženy póly P 1, P 2 zkončené pólovými nástvci N 1, N 2. Budící vinutí n pólech z feromgnetického mteriálu, npájené stejnosměrným budícím proudem I B vytváří mgnetický tok Φ B. Rotor R je složen z izolovných plechů (listěný pro potlčení vlivu vířivých hysterezních ztrát otáčením kotvy v Φ B ) optřený vinutím. Nzývá se kotv místo km se indukuje npětí. Vzduchová mezer δ mezi S R je konstntní, pod N 1, N 2 vzniká homogenní mgnetické pole. V místě geometrické neutrály stroje g n (kolmá n osu pólů) je rovn nule (velká vzduchová mezer velký rozptyl). komutce je děj, kdy dochází ke změně smyslu proudu v komutující cívce při přechodu z jedné prlelní větve do druhé. N výstupu je pk pulzující npětí u krt se střední hodnotou U i. K přepojování vodičů (komutci) dochází v místě geometrické neutrální osy g n, kde je mgnetická indukce nulová (B δ 0). Cívk je v průběhu komutce krtáči spojen nkrátko. Vlivem ztížení motoru mech. Momentem dochází ke komutci mimo osu g n, indukovné npětí vytváří elektrický oblouk (poškozování komutátoru), lze potlčit 1. ntočení krtáčů do g n celé sbré ústrojí (brejle) nstvit by při předpokládném ztížení byl stv co nejméně šptný (ntáčí se proti směru otáčení kotvy), vhoné pro mlé motory s jedním směrem otáčení 2. vytvořit komutční póly úzké póly v mezeře mezi hlvními, jejich vinutí je v sérii mgnetické pole působí proti rekci kotvy, dobrá komutce je zjištěn pro libovolné ztížení směry otáčení
2 Stejnosměrné stroje vzthy svorkové npětíu = U + R I, kde indukovné npětí kotvy U k I Ω, celkový moment pk i i = M = k I I. (1.) Úprvou předešlých dostneme vzth pro otáčky U RI U RI n Ω = (2.) c Φ k I b b Obrázek 3. () příčný řez; (b,c) komutátor, průběh npětí; (d) neutrální os; (e) komutční póly; (f) složky rekce kotvy 1.1 Stejnosměrný motor s cizím buzením spouštění (rozběh) nutné splnit následující postup budící obvod připojit n zdroj npětí, nstvit jmenovitý budící proud, připojit npětí n kotvu (velký proudový nárz n počátku se rotor neotáčí není tedy indukovné npětí U i ), pro velké motory zmenšit proudový nárz souštěcím odporem regulce otáček změnou budícího proudu spojité řízení, proud měnit odporem, při zmenšování I b se rychlost zvyšuje (dle rovnice 2); změnou odporu v obvodu kotvy nespojité, zředit sdu odporů do obvodu kotvy přepínt, velké Jouleovy ztráty, mlá účinnost; změnou svorkového npětí výhodné, nutný regulovtelný zdroj reverzce změn polrity svorkového npětí U, nebo budícího npětí U b (záměn přívodů ke kotvě) bzdění lze použít brzdění do odporu (ztrátové), protiproudem (pozor n reverzci po n = 0) i rekuperci zhodnocení umožňuje řízení rychlosti v celém rozshu při optimální účinnosti (kombince změny U, U b ) brzdění rekupercí v celém rozshu otáček sndná reverzce, nevýhodou je závislost proudu kotvy n zátěžném momentu (rovnice 1) Obrázek 4. () proud indukovné npětí v kotvě; (b) cizí buzení; (c) prlelní buzení; (d) sériové buzení 1.2 Stejnosměrný motor s prlelním buzením spouštění využívá se spouštěcí odpor R s připojený přímo ke kotvě, by se nesnížil budící proud I b regulce otáček změnou budícího proudu pomocí R br (dle obr.4c) reverzce záměn přívodů v klidovém stvu (součsná změn I I b nevyvolá změnu v chodu) brzdění rekuperce jen v omezeném rozshu otáček, kdy U i > U zhodnocení výhodou je jednodušší npájení (jen jeden zdroj), nevýhodou omezené řízení otáček 1.3 Stejnosměrný motor se sériovým buzením spouštění zmenšit npájení U, by zkrtový proud I k nepřekročil přípustnou hodnotu v klidovém stvu (n=0), nebo do série s motorem zřdit spouštěcí odpor R s regulce otáček změnou svorkového npětí využívá se pro elektrickou trkci, pohyb mechnickou chrkteristikou; změn celkového odporu zhorší se účinnost, zvyšováním odporu obvodu kotvy se rychlost snižuje; zmenšování budícího toku bočník prlelně k budícímu vinutí, nebo kotvy reverzce záměn přívodů k budícímu vinutí nebo kotvě
Asynchronní stroje 3 brzdění nelze použít rekuperci, pltí vždy U i < U při zvýšení otáček se nejpreve zvýší U i, tím dojde ke snížení I zmenšení budícího toku Φ urychlováno (při použití pulzních měničů rekuperci použít lze) 2 Asynchronní stroje Rotor (dle obr.5b) se otáčí reltivní rychlostí oproti sttoru. Vlivem reltivního pohybu mgnetického pole vůči vodičům se v nich indukuje npětí, které vyvolá proud uzvírjící se čelními kroužky. Dle Lenzov prvidl se síl jíž působí pole n vodiče snží zbránit příčině svého vzniku (změně, která ji vyvoll) rotor se zčne otáčet ve směru pohybu sttorového pole. Sttor je složen z izolovných plechů. Souměrná trojfázová soustv dokáže vytvořit točivé mgnetické pole. Soustvu proudů přivedeme n souměrné třífázové vinutí. Kždé má dvě ktivní strny (U, U ). Zvedením proudu do cívky vzniká střídvé mgnetické pole s mgnetickou osou (po 120 - o u, o v, o w ). Pole kždé fáze zůstává v prostoru nehybná (cívk jko sttorové vinutí). Mgentická indukce kždé fáze se v čse mění n jednotlivých místech úměrně průběhu sinusového proudu. Rotor je táhnut sttorovým polem (jeho otáčky jsou menší synchronní), proto je definován skluz dle n n1 s =, (3.) n1 pro rozběh (n = 0) je skluz s = 0, pro běžící je s = 1, kdy otáčky n se blíží synchronním n 1 definovným dle f n = 60 1 p, (4.) kde p je počet pólpárů (pólových dvojic točivého pole) f je frekvence sítě (ČR má f = 50Hz). Obrázek 5. () točivé mg. pole; (b) klecová kotv; (c) indukovné npětí v kotvě; (d) vinutí fáze U sttoru Obrázek 6. () směr výsledného pole sttoru v jednotlivých okmžicích; (b) točivé pole 2p = 4 2.1 Asynchronní motor s kroužkovou kotvou Sttor stejný, rotor je optřen trojfázovým vinutím zpojeným do hvězdy. Vinutí je vyvedeno n sběrcí kroužky. Lze tk měnit odpor obvodu rotoru (snižovt záběrný proud pro rozběh). Po rozběhu se kroužky zkrtují rotorové vinutí je jko klecové. Vykzuje velký záběrný moment M Z i při mlém proudu (I k nepřekročí 3I n ). Moment zvrtu je definován při dném npětí nejvýšší možný záběrný moment, lze určit z momentové rovnice 2 3 U1 M m =, (5.) 2 Ω X 1 k Obrázek 7. () M=f(s); (b) momentová chr.; (c) Boucherotov dvojitá klec; (d,e) řízení rychlosti změnou frekvence
4 Synchronní stroje 2.2 Asynchronní motor s klecovou kotvou (nkrátko) Odpor vinutí je konstntní s větším motorem se blíží k 0, robustní konstrukce, nemá vedení v rotoru spouštění přímé připnutí n síť pro mlé výkony (kw), záběrný proud 4 6 I n ; přepínání Y-Δ pro velké výkony, pokud má sttorové vinutí do Δ, přepojením do Y snížíme záběrný proud moment 3x, po ustálení otáček nutno přepnout zpět do Δ; sttorový spouštěč zřzením rezisotrů do obvodu sttoru, pokles proudu, npětí 3x, momentu 9x; dvojitá klec rotoru (Boucherotov obr.7c) prcovní klec (dolní) má velkou mg. vodivost vede při rozběhu min. proud, rozběhová klec (horní s velkým odporem) konstruován pro velký M Z, v ustáleném stvu se proudy rozdělí v převráceném poměru odporů; vírová kotv vysoký poměr hloubky šířky drážky, podobné předchozí regulce otáček změnou svorkového npětí využívá se regulční trnsformátor, mlý rozsh otáček, pro běžné motory nevhodné; přepínání počtu pólů sttorového vinutí nespojitá změn relulce; změn npájecí frekvence metod nejvýhodnější, dle obr.7d,e, měníme synchr. rychlost f (0,50Hz), prc. s mlým skluzem s, proto je vysoká účinnost reverzce záměn dvou přívodů sttorového vinutí (změnit pořdí dvou fází) brzdění podsynchronní (protiproudem) přepojíme dvě sttorová vinutí, změní se smysl točení sttor. točivého pole (pozor n reverzci točení po překročení n = 0), energeticky nevhodné, skluz s > 1; ndsynchrooní (rekuperce) skluz s<1, mechnická energie urychlí otáčky n>n 1, dobrzdění protiproudem; stejnosměrným proudem sttor odpojit připojit k jedné fázi stejnosměrné npětí, dle Lenzov zákon vyvolán brzdný účinek, v rotoru se indukuje npětí vznikjí brzdné proudy Obrázek 8. () brzdění synchronního motru; (b,c) jednofázový synchronní motor 2.3 Jednofázový synchronní motor Jednofázová soustv nedokáže vytvořit točivé mgnetické pole (pouze kruhové), proto pro rozběh je nutné vytvořit dvoufázový stroj (pomocná fáze úhlově posunut o 90 ). Záběrný moment je nulový (stejné momenty v opčném smyslu), motor lze rozběhnout n obě strny (momentová chrkteristik je symetrická obr.8c), skluz nprázdno je větší (zpětná složk druhého rotčního pole) menší mximální moment 3 Synchronní stroje Obrázek 9. vznik kruhového pole ve doufázovém vinutí dle obr.8b Sttor optřen souměrným trojfázovým vinutím, které vytváří točivé mgnetické pole. Rotor (vyniklé póly nebo hldký) je optřen budícím vinutím npájeným stejnosměrným budícím proudem I b vytváří kruhové točivé pole. Sttorové i rotorové pole se svými nesouhlsnými póly přithují, přičemž sttorové pole táhne rotor. Energie přechází ze sttorového vinutí n rotor, kde koná mechnickou práci. Pole rotoru se pohybuje stejnou rychlostí n 1 jko pole sttoru synchronně. Po rozběhu jsou při kždém ztížení konstntní otáčky dle rovnice 4. Překročí-li moment M moment zvrtu, vypdne ze synchronismu. Vzniklé točivé pole nedokáže roztočit hmotu rotoru, proto se do pólových nástvců vkládá klecové vinutí. Rozběh je synchronní (šrfovná oblst je urychlující moment), při dosttečných n se rotor nbudí synchronizuje.
Krokové mlé motory 5 Obrázek 10. () rotor s vyniklými póly; (b) hldký rotor; (c) řez strojem; (d) synchronní rozběh synchronního stroje 3.1 Turbomotory Rychlosti 3000 1500 ot/min, nemůže mít vyniklé póly kvůli velkým odstředivým silám. Turbogenerátory poháněny rychloběžnými prními turbinmi. 3.2 Rekční motory Pro přesné konstntní rychlosti, rotor je nkrátko s vyfrézovnými drážkmi, je tk tjištěn různá mgnetická vodivost. 4 Krokové motory Pro npájení ovládání je nutný speciální elektrickáý obvod, který generuje sled npěťových pulzů, ty pk vyvoljí krok (ntočení) o přesně definovný mechnický úhel α n. Změnou sledu impulsů lze měnit smysl otáční. Vstupní řídící signál je zprcován řídící logikou, přiveden do elektronického komutátoru poté do výstupních budičů Sttor je optřen několikfázovým vinutím. Rotor může být psivní (změn mgnetické vodivosti po obvodu vzduchové mezery) nebo ktivní (obshuje permnentní mgnety vytváří pole konstntní velikosti). Toto pole reguje n sttorové pole buzené ovldčem. Dv sousední póly jedné fáze vytvoří tok opčného smyslu. Permnentní mgnet rotoru vytváří střídvě S, J. Proudem do příslušné fáze pk otočíme rotor o jednu pozici. Obrázek 11. () uspořádání krokovéhomotoru; (b) čtyřtktní řízení; (c) osmitktní řízení 5 Mlé motory hromdného použití sériový motor Podobná konstrukce jko sériový stejnosměrný motor, sttor je složen z izolovných plechů (sttorem i rotorem prochází střídvý mgnetický tok). Používá se v drobných domácích spotřebičích (mixér, vysvč, ). Moment má sinusový průběh se střední hodnotou.
6 Servomotory Obrázek 12. () průběh momentu sériového motoru; (b,c) řízení motoru trnzistorovým měničem stejnosměrný motor s permnentními mgnety Pro zřízení, kde není třeb velký výkon. Npájení je prováděno trnzistorovým měničem (zpojení se společným E, poloviční H můstek, plný H můstek). Díky nim je npájení vyhlzené spínání vysokou frekvecní zjistí vysokou účinnost. 6 Servomotory Používjí se jko kční členy utomtizovných systémů. sériový má budící vinutí rozděleno n dvě části, zpojují se do obvodu kotvy dle směru otáčení, výhodou je velký záběrný moment dvoufázový má rotor klecový, sttor má dvě vinutí fázově posunutá o 90 (jedno zpojeno n usměrněnou síť druhé pk n zesílený signál od snímče) [1.] Voženílek P., Jnoušek J. Zákldy silnoproudé elektrotechniky ČVUT Prh 2005 [2.] Květ B., kolektiv Elektrotechnik pro průmyslové školy strojnické hutnické SPN Prh 1961 [3.] Jnoušek J., Vydr M. Přednášky cvičení z X12ZSE ČVUT Prh 2005