STEJNOSĚRNÉ STROJE (OTORY) Princip činnosti motoru, konstrukční uspořádání, zákldní vlstnosti Obr. 1. Směr siločr budicího (sttorového) obvodu stejnosměrného stroje Obr. 2. Směr proudu kotevního (rotorového) obvodu stejnosměrného stroje 1
Obr. 3. Vznik síly (momentu) stejnosměrného motoru Obr. 4. Otáčení stejnosměrného motoru 2
Ke svorkám motoru přivádíme stejnosměrný proud, který prochází vodiči kotvy. Protože se tyto vodiče ncházejí v mgnetickém poli, působí n ně jistá síl motor se otáčí. Směr otáčení lze určit npř. prvidlem levé ruky. Kdyby všk vodiči procházel trvle stejnosměrný proud, přestly by se vodiče pohybovt po dosžení neutrální polohy - v ose mezi dvěm sousedními póly. Aby se kotv mohl otáčet dále původním směrem, musí se smysl proudu v nich po přechodu od jednoho pólu ke druhému změnit. Tuto změnu smyslu proudu ve vodičích rotorového vinutí obstrává komutátor. V homogenním mgnetickém poli mezi dvěm póly se otáčí závit, jehož zčátek konec jsou připojeny n dv kroužky, které se spolu s ním otáčejí. gnetický tok, spřžený s otáčejícím se závitem, se mění s čsem podle sinusovky v závitu se indukuje střídvé npětí. Polrit obou kroužků se periodicky mění podle toho, zd vodič spojený s kroužkem je pod severním nebo jižním pólem. I proud, který prochází uzvřeným vnějším obvodem, je střídvý. Komutátor u stejnosměrného motoru mění smysl proudu ve vodičích rotoru tk, že se rotor otáčí trvle jedním směrem. Tžná síl motoru pulsuje podobně jko pulsuje indukovné npětí dynm. Čím více cívek má motor, tím je th plynulejší. Zmenšuje se tím, že se některé cívky během komutce spojují krtáči nkrátko nepřispívjí k vytváření točivého momentu. Při stejné polritě pólů při stejném smyslu proudu v kotvě je směr otáčení motoru generátoru opčný, jk to plyne z obr. 5., neboť při stejné polritě pólů při stejném směru otáčení je směr proudu v kotvě motoru dynm opčný. Obr. 5. Směr otáčení dynm motoru Stejnosměrné motory s cizím buzením (CB) se používjí téměř výhrdně v regulčních pohonech pro nejrůznější plikce ve spojení s polovodičovými měniči. Nezávislost řídicích vstupů budicího vinutí vinutí kotvy motoru zjednodušuje návrh regulčních struktur dovoluje dosáhnout sndné řiditelnosti pohonu v obou smyslech otáčení ve všech prcovních režimech při širokém regulčním rozshu. Stejnosměrné motory s permnentními mgnety (P) se používjí zejmén v oblsti od velmi mlých ž do středních výkonů. U nejmenších výkonů je lze využívt i přímo, bez regulčních obvodů, u středních výkonů (servopohony) se obvykle používá k jejich npájení pulzních měničů. ezi výhody motoru s permnentním mgnetem ptří zejmén velice příznivý poměr výkon/hmotnost, reltivně sndné řízení otáček, u běžných typů pk tké cen dostupnost, široká nbídk. ezi nevýhody ptří složitější tedy držší rychlostní zejmén polohové 3
řízení v porovnání npříkld s krokovým motorem, dále díky komutátoru je pk tento motor zdrojem elektromgnetického rušení tké není bezúdržbový (npř. v porovnání s K). Stejnosměrný motor obvykle prcuje při reltivně vysokých otáčkách nízkém momentu, což je pro potřebu pohonů mobilních robotů nevýhodné. Řešením je použít převodovku. Tto převodovk, může být již součástí dného motoru. Spolu s převodovkou se motor tké může dodávt již se senzorem polohy nebo rychlosti. Výhodou je celková kompktnost tkovéhoto pohonu. Konstrukční provedení těchto speciálních motorů, které se vyznčují velkou proudovou ( tudíž momentovou) přetížitelností (ž 10 x I n ), mlou elektromgnetickou i mechnickou čsovou konstntou. Dobré vlstnosti těchto pohonů vyplývjí z toho, že budicí mgnetický tok je kolmý n směr proudu kotvy, motor tk vyvíjí vždy mximální moment. Této vlstnosti se u střídvých regulčních pohonů doshuje složitými regulčními obvody. V normálním prostředí se doshuje i dobré provozní spolehlivosti pohonu. echnický komutátor sběrné ústrojí motoru všk v kždém přípdě předstvuje nejslbší místo tohoto pohonu. To vede ke snze nhrdit jej v celém rozshu používných výkonů pohonem střídvým. temtický popis je totožný pro ob typy motorů, tj. s cizím buzením i permnentními mgnety. Provedení reálných motorů s budicím vinutím s permnentními mgnety Obr. 6. Schémtické uspořádání stejnosměrného stroje Hlvní části stejnosměrného stroje s budicím vinutím jsou vyznčeny n obr. 6 7., n němž je snímek přehledně uspořádného stroje dnes už nepoužívné otevřené konstrukce. sivní litá nebo svřovná kostr 1 tvoří mgnetový věnec, kterým se jko jhem uzvírá mgnetický tok. Věnec nese budicí vinutí, které se skládá z pólových jder, ukončených pólovými nástvci optřenými budicím vinutím 2. Cívky mgnetů jsou npájeny stejnosměrným proudem, obvykle z vlstních svorek stejnosměrného stroje, budí mgnetický tok. Tvr mgnetického pole ve vzduchové mezeře stroje je uprven tvrem pólových nástvců. Cívky jsou zpojeny tk, že střídvě budí severní jižní pól. 4
Obr. 7. Uspořádání stejnosměrného stroje 1 sttorová kostr, 2 hlvní pól s budicím vinutím, 3 pomocný pól, 4 kotv, 5 komutátor, 6 krtáče, 7 nosný svorník, 8 nosný kruh Obr. 8. Řez moderním stejnosměrným strojem s lištěným sttorem budicím vinutím 5
Obr. 9. Provedení stejnosměrného stroje Obr. 10. Sběrcí ústrojí stejnosměrného stroje 6
Obr. 11. Řez moderním stejnosměrným servomotorem s permnentními mgnety Obr. 12. Příkld mlého stejnosměrného motorku zde včetně integrovné převodovky Obr.13. Odkrytovná převodovk 7
Stejnosměrné motory s cizím buzením se používjí téměř výhrdně v regulčních pohonech pro nejrůznější plikce ve spojení s polovodičovými měniči. Pohon tvořený stejnosměrným motorem, npájeným z dynm známý jko Leonrdov skupin, se dnes používá jen ojediněle pro některé speciální plikce. Přes dlouholetou usilovnou snhu nhrdit pohon se stejnosměrným motorem s cizím buzením ve spojení s polovodičovým měničem pohonem střídvým má tento pohon v oblsti regulčních pohonů dosud dominující postvení. Lze to vysvětlit celou řdou jeho vlstností reltivně nízkými pořizovcími nákldy. Jeho předností proti střídvým regulčním pohonům je jednoduché výkonové schém řízení měniče. Nezávislost řídicích vstupů budicího vinutí vinutí kotvy motoru zjednodušuje návrh regulčních struktur dovoluje dosáhnout sndné řiditelnosti pohonu v obou smyslech otáčení ve všech prcovních režimech při širokém regulčním rozshu. Dobré vlstnosti pohonu vyplývjí z toho, že budicí mgnetický tok je kolmý n směr proudu kotvy, motor tk vyvíjí vždy mximální moment. Této vlstnosti se u střídvých regulčních pohonů doshuje složitými regulčními obvody. V normálním prostředí se doshuje i dobré provozní spolehlivosti pohonu. echnický komutátor sběrné ústrojí motoru všk v kždém přípdě předstvuje nejslbší místo tohoto pohonu. To spolu s výkonovým omezením motoru vede ke snze nhrdit jej v celém rozshu používných výkonů pohonem střídvým. ECHANICKÁ CHARAKTERISTIKA DC OTORU S CIZÍ BUZENÍ Pozn.: Odvození pltí i pro motor s permnentními mgnety, u kterého se ovšem nemůžeme dostt do oblsti odbuzení prcujeme s konstntním mgnetickým tokem. U I U i R L L b I b R b U b Obr. 14. Zpojení DC cize buzeného motoru Pro ustálený stv pltí pro DC motor zpojený dle obr. 14. tto soustv lineárních rovnic: U U b m = U + R I = cφ ω + R = R i b I = b P I kde U je npájecí npětí kotvy (rotoru), U b je npájecí npětí budicího obvodu (sttoru), U i je indukovné npětí, cφ je součin konstrukční konstnty stroje hodnoty mgnetického 8
toku ω je úhlová rychlost otáčení, 2 n ω = π, kde n jsou otáčky motoru. Jestliže ještě 60 vezmeme v úvhu vzth pro elektromgnetický moment motoru odvodit následující vzth pro rychlost otáčení motoru: m = cφ I, lze pk U R I U R ω = = 2 cφ cφ cφ Grficky je tto závislost vynesen n obr. 15. ( cφ ) = ω ω 0 ) b) c) Obr. 15. echnické chrkteristiky ss cize buzeného motoru Z rovnice mechnické chrkteristiky vyplývjí možnosti řízení rychlosti DC motoru: ) odporem R (vnějším odporem R p ). b) npětím zdroje U c) mgnetickým tokem φ - pouze u motorů s cizím buzením! (prostřednictvím budicího npětí U b ) První možnost se v dnešní době u nově nvrhovných pohonů neužívá vzhledem k tomu, že se jedná o nehospodárný způsob řízení rychlosti, přičemž se elektrická energie přeměňuje ve vnějším odporníku v teplo. Z rovnice mech. chrkteristiky vyplývá, že odpor kotvy R způsobuje úbytek rychlosti závisející n ztížení. Při ztížení jmenovitým momentem n je rychlost motoru ω n nižší než rychlost nprázdno ω O úbytek rychlosti je tedy R ω n = 2 n cφ ( ) Změnou npětí zdroje U měníme velikost rychlosti nprázdno ω O = U /(cφ). N velikost úbytku rychlosti nemá tto změn vliv, tkže mechnické chrkteristiky jsou rovnoběžné. Změnou mgnetického toku φ měníme jednk velikost rychlosti nprázdno, le tké úbytku rychlosti(~1/ φ 2 ), tkže chrkteristiky jsou při odbuzování měkčí než při řízení rychlosti npětím. 9
Obr. 16. echnické chrkteristiky DC cize buzeného motoru ve všech kvdrntech Poznámky k provedení mlých motorků s permnentními mgnety: 1) U těchto motorků můžeme provést rozběh přímým připojením n plné jmenovité npětí bez nebezpečí jejich zničení. Průběhy veličin viz obr. 17. Obr. 17. Rychlostní momentová chrkteristik stejnosměrného motorku s P 2) Z rovnice mechnické chrkteristiky plyne, že otáčky motoru lze ovlivnit změnou npájecího npětí motoru, jk je znázorněno v levé části obr. 18. Z obrázku je tké zřejmé, že kromě snížení otáček ω 01 n hodnotu ω 02 dojde tké ke snížení hodnoty záběrného momentu S1 n hodnotu S2. 10
U 1 U 2 U 1 >U 2 I S2 I S1 i 0 I 0 S2 S1 0 S Obr. 18. echnické chrkteristiky Levý obrázek znázorňuje vliv npětí n otáčky kromě snížení otáček dochází v tomto přípdě tké ke snížení momentu S. N prvém obrázku je znázorněn změn (snížení) otáček pomocí převodovky s převodovým poměrem i. V tomto přípdě dojde k snížení otáček z ω 0 n ω 0 /i k zvýšení momentu S n hodnotu i S, respektive n poněkud nižší reálnou hodnotu ηi S, kde η je účinnost převodovky. Pokud je zpotřebí snížit otáčky motoru při součsném zvýšení jeho momentu což je v drtivé většině přípdů čstý poždvek, je nutno použít mechnickou převodovku. Jmenovité otáčky stejnosměrných motorků bývjí totiž typicky v řádu jednotek tisíců z minutu. oment S se zvýší n hodnotu ηi S, kde η je účinnost převodovky. Účinnost převodovky η bývá podle jejího typu převodového poměru mezi 60 ž 95%. Převodovky se vyrábějí jko plnetové s nejvyšším přenášeným momentem, dále jko převodovky s předlohou ve vrintách s vysoce odolnými kermickými čepy nebo nopk s plstovými koly. Obvyklý postup při návrhu pohonu vychází z poždovného mechnického momentu rychlosti n výstupu pohonu, které jsou rozhodující pro výběr velikosti převodovky tím i pro výběr některého z přiřzených motorů podle jejich soupisu v ktlogovém listu převodovky. Přitom se respektuje doporučená rychlost n vstupu do převodovky, tj. rychlost motoru převodový poměr se zvolí tk, by nebyl překročen. Doldění poždovné rychlosti n výstupu je jednoduché díky sndnému ovládání rychlosti motoru velikostí npájecího npětí. Rychlost motoru přitom může být vyšší nebo nižší než jmenovitá, le nesmí přesáhnout nejvyšší přípustnou rychlost dnou typem motoru. Převodovk tvoří s motorem pohon. Výkon n výstupu pohonu je pro dné rozměry nejvyšší, jestliže je využit přípustný trvlý moment převodovky nejvyšší doporučená rychlost n vstupu převodovky. Dlší podmínkou pro optimlizci pohonu je použití motoru, který je schopen dávt trvle potřebný mechnický moment. Je to tkový moment, který po vynásobení účinností převodovky převodovým poměrem odpovídá přípustnému trvlému momentu převodovky. i S i S 11
BRZDĚNÍ DC OTORŮ S CIZÍ BUZENÍ Při brzdění je nutné obrátit směr momentu motoru. Prkticky se užívjí tři druhy brzdění: generátorické (rekuperční) odporové protisměrné (protiproudé) Generátorické brzdění (obr. 19) Generátorické brzdění spočívá v převedení motoru z motorického režimu do generátorického, při čemž je nutno překročit rychlost nprázdno ω O, odpovídjící npětí zdroje. To je možné dvěm způsoby: 1) V přípdě ktivního ztížení může dojít k urychlení motoru nd rychlost ω On, odpovídjící plnému npětí motoru U n motor přejde z prcovního bodu A do bodu B. 2) Druhá možnost spočívá v snížení npájecího npětí n hodnotu snížené rychlosti nprázdno ω O. Zdroj musí být schopen vést proud opčného směru. V přípdě npájení z dynm Leonrdov měniče čtyřkvdrntového pulzního měniče je tento přechod smovolný. V přípdě řízeného usměrňovče je nutné, by tyristorový měnič byl proveden jko dvouměničový reverzční, tj. umožňující ob směry proudu. Při snížení npětí nejprve dojde ke skoku do prcovního bodu C následně ke snižování rychlosti. Obr. 19. Generátorické brzdění DC motoru s cizím buzením (nebo s P) Brzdný proud (který je záporný) je dný vzthem : I U = cφω R moment (který je opět smozřejmě záporný) = cφ I 12
Brzdění do odporu (obr. 20) Obr. 20. Brzdění do odporu DC motoru s cizím buzením (nebo s P) Kotv motoru se při tomto brzdění odpojí od zdroje připojí n vnější odpor R p. Buzení zůstává konstntní. Npěťová rovnice má pk tvr: ( R R P ) I 0 = c φω + + Tkže brzdný moment = ( c ) φ 2 ω R + R P Ze sttických chrkteristik n obr. 20. je vidět závislost brzdného momentu n odporu. V průběhu brzdění klesá indukovné npětí brzdný moment. K udržení velikosti momentu je nutno vyřzovt odpor R p. V oblsti mlých rychlostí je hodnot brzdného momentu mlá. Brzděná energie setrvčných hmot se mění nehospodárně v teplo. Protiproudé brzdění (obr. 21) K protiproudému brzdění dojde přepólováním npětí n kotvě. Protože tomuto stvu odpovídjí n vlstní chrkteristice velké proudy momenty, je nutné, by se součsně s přepólováním zřdil do kotvy velký přídvný odpor k omezení proudového momentového rázu. Npěťová rovnice protiproudého brzdění ( R R P ) I U = cφω + + Odtud proud 13
I U + cφω = R + R = P rychlost: ω U n + cφn cφ ( R + R ) p = 2 ( cφ ) n Obr. 21. echnické chrkteristiky protiproudého brzdění DC motoru s CB (nebo s P) V důsledku přídvného odporu jsou chrkteristiky znčně měkké, brzdný moment klesá s rychlostí lze jej zvětšit postupným vyřzováním přídvného odporu R p.v klidu motor vyvíjí moment 0, který by způsobil rozběh v protisměru, tkže je nutno odpojit kotvu od zdroje v blízkosti nulové rychlosti (lze provést odstředivým spínčem nebo hlídčem brzdění). Energie setrvčných hmot, jkož i příkon odebírný ze sítě se mění v teplo v kotevním obvodě motoru. V přípdě potenciálního ztížení (brzdné spouštění břemene) je prcovní bod A ve 4. kvdrntu jk je zřejmé z obr. 21. DC SÉRIOVÉ OTORY (UNIVERZÁLNÍ JEDNOFÁZOVÉ SÉRIOVÉ KOUTÁTOROVÉ OTORY) Jednofázové sériové motorky jsou nejrozšířenějšími komutátorovými stroji n střídvý proud. Používjí se k nejrůznějším účelům, zejmén tm, kde se žádjí větší otáčky, než jkých lze dosáhnout indukčním motorem. Slouží k pohonu ručního nářdí, ventilátorů, vrtček, vysvčů, kuchyňských strojů pod. ohou prcovt i při npájení stejnosměrným proudem, proto se nzývjí univerzální. 14
Rotor tvoří normální stejnosměrná kotv s komutátorem sttor má u menších jednorázových strojů vyjádřené póly, větší stroje mjí sttor s rozloženým vinutím uloženým v drážkách. Protože se sttorovým obvodem uzvírá střídvý mgnetický tok, musí být složen z dynmových plechů. Komutátor těchto motorů působí jko měnič kmitočtu. gnetický obvod univerzálního motorku je velmi jednoduchý (obr. 22.). Stroj je obvykle dvoupólový, póly se jhem jsou prostřiženy vcelku, pomocné póly se nepoužívjí. Tžná síl ve střídvém mgnetickém poli: Obr. 22. gnetický obvod univerzálního motorku N obr. 23. je jednoduché schém jednofázového motoru se sériovým zpojením kotvy budicího vinutí. I když vinutím kotvy budicím vinutím prochází v kždém okmžiku proud jiného smyslu, n vodiče kotvy působí síl vždy stejného smyslu, neboť smysl proudu v kotvě polrit pólů se mění součsně (obr. 24) I ~ S φ bt 2 J ib -ib Ib=I -i i φ t Ib J S φ bt1 Obr. 23. Schém jednofázového komutátorového motoru Obr. 24. Smysl tžné síly při sériovém zpojení kotvy buzení Výkon při npájení stejnosměrným proudem je při npájení střídvým npětím P DC = UI P AC = UI cosϕ Příslušné momenty při znedbání ztrát jsou DC 60 60 = UI cosϕ 2π n = AC UI 2π n DC AC Při stejném momentu vyjde i poměr otáček n n AC DC = cosϕ 15
Otáčky při npájení stroje střídvým proudem jsou tedy menší než při npájení stroje stejnosměrným proudem n AC = n DC cosϕ Obr. 25. Schém zpojení mechnická chrkteristik univerzálního motorku echnická chrkteristik pro ob druhy proudů je sériová (obr. 25.). Výhodou sériového motorku je velký záběrný moment. Velká závislost otáček n ztížení drobným spotřebičům obvykle nevdí. Jmenovité otáčky bývjí v rozshu 2 000 ž 10 000 ot/min, při větších otáčkách prcuje motor s lepším účiníkem. echnické chrkteristiky stejnosměrného sériového motoru jej předurčuje pro užití v elektrické trkci. temtické vyjádření výše vykresleného tvru mechnické chrkteristiky n obr. 25. určíme n zákldě npěťové rovnice sériového motoru (obr. 23.). i ( I ) RI U = U + R I = cφ ω + kde celkový odpor kotvy R je součtem odporů vinutí kotvy R v, pomocných pólů R pp, odporu budicího vinutí R b přípdně přídvného odporu R p. omentová rovnice je: = cφ( I ) I Obě rovnice jsou vzhledem k závislosti mgnetického toku n kotevním proudu kotvy nelineární, tkže pro odvození mechnických chrkteristik je nutno znát závislost cφ (I ). Z tohoto důvodu se udávjí univerzální chrkteristiky pro typové řdy sériových motorů, jk je znázorněno n obr. 26., kde je součsně vynesen tké závislost momentu n proudu dle výše uvedeného vzthu pro moment stroje. Aproximcí mgnetizční chrkteristiky φ (I ) dvěm přímkovými úseky φ = k 1 I, φ = k 2 I, lze závislost momentu n proudu dělit n část prbolickou = cφ(i)i =c k 1 I 2 (tomu odpovídá φ ) lineární = cφ(i)i =c k 2 I (tomu odpovídá φ ). echnické chrkteristiky jsou pk dány vzthem U R ω = cφ( ) φ [ c ] 2 ( ) kde závislost φ () lze odvodit z obou křivek n obr. 26.), jk je nznčeno n obr. 26.b). 16
φ φ n 1,4 1,0 φ n 2,8 2,0 φ φ n 1,4 1,0 0,6 1,2 0,6 0,2 0,4 0,2 0,4 1,2 2,0 2,8 I 0,4 1,2 2,0 2,8 ) b) Obr. 26. Závislosti u DC seriového motoru n 3,6 Pro mlé ztížení I /I n < 0.3 / n < 0.15 je mechnická chrkteristik dán hyperbolou (obr. 27.) pro 0 všk s ohledem n remnentní mgnetizmus neroste rychlost neomezeně, nýbrž by vzrostl si n hodnotu 10 ž 20 násobku jmenovité rychlosti, což s ohledem n odstředivé síly působící n vinutí nelze připustit. Proto tky nelze tedy užít sériové motory pro pohony, které se mohou dostt do stvu nprázdno. ximálně přípustná rychlost je si čtyřnásobek jmenovité rychlosti. Zvětšením přídvného odporu jsou mechnické chrkteristiky měkčí (obr. 27). vlstní chrkteristik R p1 R p2>r p1 Obr. 27. echnická chrkteristik u DC seriového motoru vliv změny odporu Z rovnice mechnické chrkteristiky plyne, že otáčky lze jednoduše řídit změnou střední, resp. efektivní hodnotou npájecího npětí. Vyšší npětí znmená posunutí chrkteristiky směrem k větším otáčkám (obr. 29 ). Tto regulce je dnes relizován elektronickými regulátory otáček (ve skutečnosti npětí) s využitím nejčstěji tyristorů nebo triáků (dříve se používlo pro regulci otáček proměnný odpor zřzený do série s motorem nebo jeho prlelním připojením k rotoru stroje). Tento typ motoru se používl pro tvr mechnických chrkteristik s výhodou zejmén v elektrické trkci. V obr. 28 ) je použit pro řízení npětí polořízený můstek. Tkové uspořádání je v trkci obvyklé. á výhodu menšího zvlnění proudu, lepšího účiníku při více měničích spojených do série možnost relizovt menší zvlnění kotevního npětí. 17
) b) Obr. 28. ) Stejnosměrný seriový motor npájený přes trnsformátor řízený usměrňovč. b) Stejnosměrný seriový motor npájený ze stejnosměrné troleje přes stejnosměrný pulzní měnič Obr. 29. ) b) ) echnické chrkteristiky stejnosměrného sériového motoru při změně npětí b) Průběh npětí proudu motoru Pro brzdění (protiproudem), resp. běh opčným směrem musíme změnit znménko momentu. To nelze provést jk již bylo řečeno pouhou změnou polrity npájecího npětí, le musíme změnit propojení sttoru vůči rotoru viz obr. 30. K1 K2 + BV R p - K2 K1 K1...motor K2...brzd Obr. 30. Schém protisměrného brzdění u DC seriového motoru Poznámk. Komutátorové jednofázové motorky musí být odrušeny, by nerušily poslech rozhlsu televize. Odrušení se relizuje připojením kondenzátorů. 18