Stýskala, 2002 L e k c e z e l e k t r o t e c h n i k y Vítězslav Stýskala TÉMA 1 Oddíly 1-3 Sylabus tématu 1. Zařazení a rozdělení DC strojů dle ČSN EN 2. Základní zákony, idukovaná ems, podmínky, vztahy 3. Konstrukční uspořádání 4. Princip činnosti 5. Vznik síly a točivého momentu 6. Příklady použití 7. Schémata zapojení DC strojů 8. Zatěžovací a mechanické charakteristiky 9. Řízení rychlosti 1
Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE T O Č I V É NETOČIVÉ GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) MĚNIČE Stejnosměrné cizím buzením derivační kompaudní sériové Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé cizím buzením derivační kompaudní sériové Komutátorové síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN) speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.) usměrňovače střídavé měniče napětí střídače pulzní měniče měniče kmitočtu synchronní asynchronní asynchronní synchronní Michael FARADAY (1791-1867) Indukovaná ems Faraday tvrdí*, že indukovaná ems (elektromotorická síla) ve vodiči, vzniká důsledkem relativního pohybu vodiče a magnetického pole (nebo jeho časové změny) tak, že nutně dochází k protínání magnetických siločar vodičem. Směr indukované ems závisí na směru relativního pohybu mezi magnetem a vodičem. Okamžitá velikost indukovaného proudu I závisí na amplitudě mag. toku Φ m, resp. mag. indukce B m, rychlosti pohybu v a na počtu závitů N, resp. na aktivní délce vodiče l, která právě protíná magnetické siločáry. * Jestliže se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Velikost indukovaného napětí na koncích vodiče, například na cívce, závisí na charakteru změn magnetického pole. 2
Podmínky vzniku indukovaného napětí (ems) Magnetické (EM) pole Vodič Relativní pohyb, příp. změna magnetického pole Elektromagnetická indukce INDUKOVANÝ PROUD CÍVKA (INDUKTOR) VOLTMETR INDUKOVANÉ NAPĚTÍ (ems) - SMĚR POHYBU N MAGNET S 3
Heinrich Fridrich Lenz (1804-1865) Lenzův zákon Indukovaný proud má vždy takový směr, že se svými účinky snaží zabránit změně která ho vyvolala. - Jestliže například vznikl indukovaný proud přibližováním magnetu k cívce, brání magnetické (EM) pole vyvolané indukovaným proudem přibližování se magnetu. - Jestliže byl indukovaný proud vyvolán vzdalováním magnetu, snaží se magnetické pole tomuto vzdalování zabránit. Pozn. Lenzův zákon je určitou obdobou zákona setrvačnosti, který známe z mechaniky. Stejnosměrné (DC) stroje DC generátory mají shodnou konstrukci s DC motory, liší se pouze směrem toků výkonů. Dělí se na: - s cizím buzením - derivační - kompaudní - sériové 4
Konstrukční uspořádání DC stroje kostra ložiskový štít svorkovnice ventilátor ložisko komutátor kotva 5
Zapojení budícího, kotevního vinutí a vinutí pomocných pólů DC stroje Hlavní póly (budící) Kartáče Kotva (rotor) Pomocné póly Zdroje budícího a kotevního napětí Konstrukční uspořádání DC stroje a) s buzením b) s permanentními magnety 1 - kotva 2 - póly s cívkami 3 - póly s permanentními magnety 4 - kotva statoru 6
Princip stejnosměrného stroje DC generátoru P mec P el Princip stejnosměrného stroje DC motoru P 2 = M Ω P (el) = U a I a Zdroj kotevního napětí - 7
Budicí pole a pole kotvy DC motoru s cizím buzením I b n n I a Principielní uspořádání DC stroje Otáčky n (směr otáčení rotoru) SJ Severní pól hřídel kotva S komutátor Uhlíkové kartáče elektromagnetické pole elektromagnetické buzení, nebo permanentní magnet Jižní pól - Napájecí napětí kotvy, nebo kotevní napěrí 8
Činnost DC stroje Severní pól Jižní pól Napájecí napětí kotvy, nebo kotevní napěrí Vznik magnetického pole 9
Proud kotvou DC motoru l Vznik tažné síly DC motoru.. F = B I l 10
F = B I l l I a Vznik točivého momentu DC motoru M = 0,5 F a Animace principu činnosti DC stroje S U a.. napájení kotvy motoru _ J 11
Animované příklady použití DC motorů Stroje s cizím buzením jejich budící vinutí hlavních pólů je napájeno z a) nezávislého stejnosměrného zdroje a nebo b) má stroj permanentní magnety (PM). A1 A2 F1 kotva stroje A1 A2 buzení stroje F2 a) b) 12
Stroje s derivačním buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno paralelně ke kotvě. A1 A2 E1 E2 Stroje se sériovým buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno do série s kotvou. A1 A2 D1 D2 13
Stroje s kompaundním (smíšeným) buzením mají na hlavních pólech budící vinutí derivační i sériové. D2 A1 A2 D1 E1 E2 Rovnice zatěžovací charakteristiky DC generátoru s cizím buzením U a = U ind R a I a = U ind ΔU a kde ΔU a celkový úbytek napětí na obvodu kotvy 14
Zatěžovací charakteristika DC generátoru s cizím buzením R z U a I a U ind R a U a U a = f (I a ) při I b, (Φ) = konst. Ω, (n) = konst. R b I b U b U ind = U 0 U an R a I a 0 I I a m I a an Rovnice mechanické charakteristiky U R a a Ω = 2 c Φ c Φ nebo n = Ω 0 30 k π M 2 M = 30 M π Ω 0 = n - k 0 - M Δ M n( M) Otáčky naprázdno n 0 jsou přímo úměrné napájecímu napětí kotvy U a a nepřímo úměrné magnetickému toku Φ n 0 Ua Φ Sklon (tvrdost) charakteristiky vyjádřený koeficientem k M je přímo úměrný velikosti celkového odporu kotevního obvodu R a a nepřímo úměrný magnetickému toku. 15
Mechanická charakteristika (vlastní) DC motoru s cizím buzením U a - n(ω) n = f (M), n 0 n N při U a = U an, I b = konst. A Δn U ind I b R a I a U b - 0 M N M m M Rychlost ( otáčky ) motoru lze řídit těmito způsoby: a) Změnou velikosti celkového odporu v obvodu kotvy (zapojením přídavného rezistoru R S ) b) Změnou velikosti přiváděného svorkového napětí U a na kotvu motoru c) Změnou velikosti magnetického toku Φ ( tj. změnou budícím proudu I b ) d) Kombinací řízení rychlostí napětím kotvy i budícím proudem (magnetickým tokem) 16
Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti kotevního napětí α Řízený usměrňovač U a =var - U ind R a I a I b U b n, resp. Ω - n(ω) n 0N n N n 01 n 1 n 02 n 2 Φ = konst. (I b = konst.) U an > U a1 > U a2 α = 0 0 α =30 0 α = 60 0 Vlastní mech. charakteristika motoru U an U a1 U a2 0 M N M 17
Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti budícího proudu Ω Ua c Φ Ra Φ = 2 2 c M Řízený usměrňovač α U a =konst - U ind R a I a Φ = var I b = var U b =var - n(ω) Φ N > Φ 1 > Φ 2 n 02 Φ 2 α 2 = 60 0 odbuzování (stálý výkon P, M = konst.) n 01 Φ = var. n 2 n 1 α 1 =30 0 n 0N Φ 1 řízení napětím n N α =0 0 Φ N (stálý moment M, P = konst.) Φ = konst. 0 M N M 18
Zapojení DC motoru se sériovým buzením U - R S U ind I a = I b Mechanické charakteristiky DC motoru se sériovým buzením (DC-S) n Velkou výhodou DC-S motoru je to, že i při velmi proměnlivém zatěžování obvyklém v trakci a v jeřábech, zatěžuje napájecí síť rovnoměrně.je proto nejideálnějším trakčním motorem. Vhodný je také pro pohon jeřábové kočky nebo mostu. Jeho použití bylo i v těžkých pohonech válcoven. Nevhodný je pro aplikace v obráběcích strojích (častý chod naprázdno) a u PM s řemenovými převody. R S = 0 0 R S1 > R S M 19