STEJNOSĚRNÉ STROJE 1. Princip činnosti stejnosměrného stroje 2. Rekce kotvy komutce stejnosměrných strojů 3. Rozdělení stejnosměrných strojů 4. Stejnosměrné generátory 5. Stejnosměrné motory 2002 Ktedr obecné elektrotechniky FEI VŠB-T Ostrv Ing.Stnislv Kocmn
STEJNOSĚRNÉ STROJE Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstršími elektrickými stroji nejprve se používly jko generátory pro výrobu stejnosměrného proudu. V řdě technických plikcí byly stejnosměrné generátory ( dynm ) v posledním období s rozvojem výkonové elektroniky postupně nhrzovány polovodičovými usměrňovči. V součsné době se stejnosměrné stroje používjí především jko motory v elektrických regulčních pohonech ( npř. obráběcích strojů, válcovcích stolic, těžních strojů, v utomobilovém průmyslu ) v elektrické trkci jko trkční motory. Podobně jko generátory jsou i stejnosměrné motory v řdě technických oblstí postupně nhrzovány, sice střídvými regulčními pohony s synchronními motory. Stejnosměrné stroje jsou vzhledem k synchronním strojům složitější, výrobně nákldnější tedy držší mjí nákldnější údržbu. Avšk stále existují oblsti, ve kterých se stejnosměrné stroje používjí pro své některé výhodné vlstnosti speciální chrkteristiky. Stejnosměrný stroj se skládá ze sttoru ( pevná, nepohyblivá část stroje ), n kterém jsou umístěny hlvní póly s budícím vinutím pomocné póly umístěné mezi hlvními póly pro zlepšení komutčních vlstností stroje. Hlvní póly se skládjí z pólového jádr pólového nástvce, ve kterém je u strojů velkých výkonů umístěno kompenzční vinutí, kterým se potlčuje tzv. rekce kotvy. Rotor ( pohyblivá část stroje, nzývná kotvou ) je složen z izolovných křemíkových plechů v jehož drážkách je umístěno vinutí. Jednotlivé cívky vinutí kotvy jsou připojeny k měděným vzájemně izolovným lmelám komutátoru, který je stejně jko mgnetický obvod 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. 1. 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.1 ). 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 motory ( přeměňují nopk elektrickou energii n mechnickou ). Princip činnosti je tedy vysvětlen zvlášť pro generátory zvlášť pro motory. Schém elementárního stroje je n obr.1), ve kterém pro větší přehlednost není nkreslen rotor stroje.
Obr.1. Princip činnosti stejnosměrného stroje : ) schém elementárního stroje, b) indukovné npětí v jednotlivých vodičích, c) indukovné npětí n svorkách stroje moment stroje ) princip činnosti stejnosměrného generátoru Otáčíme-li hřídelí s kotvou v nznčeném směru ( obr.1) ) otáčkmi n, pohybují se vodiče závitu v mgnetickém poli pólů dle indukčního zákon se do nich indukují tzv. pohybová npětí : u ind = B l v kde B mgnetická indukce v místě kde se vodiče právě nchází l délk vodiče v mgnetickém poli v rychlost pohybu vodiče v mgnetickém poli ( obvodová rychlost kotvy ) Směry indukovných npětí ve vodičích, b, jsou vyznčeny n obr.1). Z jednu polovinu otáčky si vodiče vymění míst indukovná npětí ve vodičích změní svůj směr. Ve vodičích se tedy indukují střídvá npětí. Vodiče jsou všk připojeny k lmelám komutátoru, které se s nimi společně otáčejí, tkže 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 indukovné do otáčejících se vodičů. Připojíme-li ke krtáčům zátěž ( npř. rezistor R ), protékjí jí stejnosměrný proud, ztímco ve vodičích kotvy je střídvý. Čsové průběhy indukovných npětí v jednotlivých vodičích indukovného npětí n svorkách neztíženého stroje jsou n obr.1b) 1c) jsou dány šířkou pólů tvrem pólových nástvců stroje. Při konstntní rychlosti v je okmžitá hodnot indukovného npětí úměrná mgnetické indukci B mgnetického pole ve vzduchové mezeře. gnetické pole ve vzduchové mezeře není konstntní, mezi póly je velmi slbé. Indukovné npětí n svorkách stroje je tímto znčně zvlněné, pulzující, pro jeho zlepšení se vinutí kotvy vyrábí s větším počtem cívek jemu odpovídjícímu počtu lmel komutátoru. b) princip činnosti stejnosměrného motoru
á-li stroj prcovt jko motor, připojíme ke krtáčům zdroj stejnosměrného npětí s polritou podle obr.1). Tím se změní směr proudu ve vodičích kotvy. N vodiče, kterými prochází proud které se ncházejí v mgnetickém poli působí síl, jejíž směr orientce je vyznčen n obr.1 jejíž velikost je dán vzthem : F B I = l kde I proud protékjící vodičem Síly působící n jednotlivé vodiče vytvářejí točivý moment kotv se tedy roztočí ve stejném směru jkým se otáčel kotv generátoru. Z jednu polovinu otáčky si vodiče vymění míst. Působením komutátoru se změní směr proudu v obou vodičích, tzn. i orientce síly působící n vodič. Komutátor u motoru tedy mění smysl proudu ve vodičích kotvy tk, že se kotv otáčí jedním směrem. Průběh momentu stejně jko průběh indukovného npětí u generátoru je opět pulzující ( obr.1c) ). Indukovné npětí moment stejnosměrného stroje ) indukovné npětí stejnosměrného stroje Pro jednodušší odvození indukovného npětí nhrdíme skutečný průběh mgnetické indukce ve vzduchové mezeře stroje obdélníkovým průběhem se střední velikostí B v, tkže všechny vodiče vinutí kotvy se ncházejí v mgnetickém poli s touto indukcí. Jestliže vodiče kotvy mjí ktivní délku l ( tj. délku v mgnetickém poli pod hlvním pólem sttoru ), jsou rozloženy n průměru D kotvy kotv se pohybuje rychlostí v dnou vzthem : v bude se v jednom vodiči kotvy indukovt npětí : Jestliže dosdíme z mgnetickou indukci B v mgnetický tok Φ dělený plochou vzduchové mezery ( dnou délkou pólu l pólovou roztečí τ ), vyjádříme rychlost v úhlovou rychlostí z délku l dosdíme ktivní délku příslušného počtu sériově zpojených vodičů dného konstrukčním provedením vinutí kotvy stroje, dostneme vzth pro celkové indukovné npětí v kotvě stroje : = π ind D n B ind = v l v = c Φ -1 ( V; Wb, rd s ) kde c- konstrukční konstnt stroje b) moment stejnosměrného stroje Pro odvození vzthu pro mechnický točivý moment stroje vyjdeme ze vzthu pro výkon přenášený vzduchovou mezerou ( nebo-li vnitřní elektrický výkon ) :
P δ = = em ind I kde em elektromgnetický moment stroje, pro který pltí: I ind em = = c Φ I kde I proud vinutím kotvy stroje echnický točivý moment n hřídeli stroje je v přípdě, že znedbáme moment mechnických ztrát roven momentu elektromgnetickému : em = c Φ I ( N m; Wb, A) 2. Rekce kotvy komutce stejnosměrných strojů Rekce kotvy je zpětné působení mgnetického pole kotvy n mgnetické pole hlvních pólů, které je tímto působením deformováno zeslbováno tké dochází k posunutí mgnetické neutrály z neutrální osy ( viz.obr.2 ). N obr.2) je mgnetické pole hlvních pólů při chodu stroje bez ztížení ( I = 0 ), n obr.2b) je smotné mgnetické pole kotvy, jejímž vinutím prochází proud n obr.2c) výsledné mgnetické pole stroje při ztížení. Obr.2. Působení rekce kotvy u stejnosměrného generátoru Nepříznivé vlivy rekce kotvy lze zcel potlčit kompenzčním vinutím, které je uloženo v pólových nástvcích hlvních pólů stroje je zpojeno do série s vinutím kotvy tk, by jím tekl proud opčným směrem, než je směr proudu ve vinutí kotvy pod příslušným pólem. Tím se mgnetické pole kompenzčního vinutí vinutí kotvy vzájemně zruší ve stroji zůstne pouze mgnetické pole hlvních pólů. Kompenzční vinutí je výrobně nákldné, proto se používá jen u strojů velkých výkonů.
Komutce je proces změny směru proudu v cívce vinutí kotvy je znázorněn n obr.3. N počátku komutce ( obr.3) ) leží krtáč ( umístěný v neutrální ose stroje ) n lmele 1 cívkou zpojenou mezi lmelmi 1 2 protéká proud v nznčeném směru. N obr.3b) je cívk spojen krtáčem nkrátko. Po skončení komutce ( obr.3c) ) leží krtáč n lmele 2 cívkou prochází tentýž proud jko n počátku komutce, le opčným směrem. Během doby komutce se do komutující cívky indukuje tzv. pohybové npětí ( viz kp.1 ) dné pohybem cívky v mgnetickém poli tzv. rektnční npětí indukovné právě čsovou změnou proudu v komutující cívce. Pohybové npětí bude ( se zjednodušením ) nulové v přípdě, že se komutující cívk bude ncházet v tzv. mgnetické neutrále, ve které je indukce mgnetického pole nulová. Poloh mgnetické neutrály se všk mění se ztížením stroje vlivem rekce kotvy ( viz.obr.2c) ), tím se komutující cívk nchází v mgnetickém poli s nenulovou indukcí indukuje se do ní tedy npětí. Vlivem indukčnosti cívky dochází k tzv. zpožděné komutci, kdy před ukončením komutce se do cívky indukuje velké rektnční npětí, jehož velikost je dán indukčností cívky velkou čsovou změnou proudu v komutující cívce. Tto npětí mjí z následek vznik jiskření ( elektrický oblouk ) mezi krtáčem odbíhjící lmelou, ndměrné ohřívání krtáčů komutátoru tím snižování životnosti sběrcího ústrojí. Proto je nezbytné potlčit npětí indukovné do komutující cívky, tj. zlepšit její komutci. Zlepšení komutce tím zvýšení životnosti sběrcího ústrojí se dosáhne použitím pomocných pólů, umístěnými n sttoru mezi hlvními póly ( obr.4 ). Jejich vinutí je zpojeno do série s vinutím kotvy tk, by se potlčilo rektnční npětí indukovné do vinutí kotvy při komutci. Obr.3. Proces komutce u stejnosměrného stroje
Obr.4. gnetický obvod stejnosměrného stroje 3. Rozdělení stejnosměrných strojů Stejnosměrné stroje rozdělujeme, bez ohledu zd prcují jko generátory nebo motory, podle způsobu npájení budícího vinutí hlvních pólů. Podle druhu buzení tedy rozeznáváme :, stroje s cizím buzením ( obr.5) ) budící vinutí hlvních pólů je npájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje nebo místo hlvních pólů s vinutím má stroj permnentní mgnety. b, stroje s derivčním buzením ( obr.5b ) budící vinutí hlvních pólů je zpojeno prlelně ke kotvě c, stroje se sériovým buzením ( obr.5c ) budící vinutí hlvních pólů je zpojeno do série s kotvou d, stroje s kompundním ( smíšeným ) buzením ( obr.5d ) 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. závislost svorkového npětí n ztěžovcím proudu generátoru při konstntním buzení rychlosti ), u motorů zejmén jejich mechnické chrkteristiky ( tj. závislost úhlové rychlosti n momentu motoru při různých tzv. regulčních prmetrech ).
kotv stroje buzení stroje ) b) c) d) Obr.5. Druhy stejnosměrných strojů: ) s cizím buzením, b) s derivčním buzením, c) se sériovým buzením, d) s kompundním buzením 4. Stejnosměrné generátory ( dynm ) 1. Stejnosměrný generátor s cizím buzením Schém zpojení je n obr.6. Budící vinutí je npájeno z nezávislého zdroje, budící proud I b není proto závislý n svorkovém npětí generátoru lze jej regulovt rezistorem R r. R z I =I vinutí pomocných pólů ind A 2 A 1 Q 1 Q 2 kotv F 1 I b + budící vinutí b F 2 R r - Obr.6. Schém zpojení stejnosměrného generátoru s cizím buzením Svorkové npětí ztíženého generátoru při I b = konst., ( n )= konst. je dáno vzthem :
kde R = ind R I = celkový činný odpor obvodu kotvy celkový úbytek npětí n obvodu kotvy svorkové npětí ind Neuvžujeme zde úbytek npětí n krtáčích k, který bývá kolem 1V úbytek npětí způsobený rekcí kotvy ( je nulový u strojů s kompenzčním vinutím ) r. Vnější chrkteristik je n obr.7. Svorkové npětí generátoru klesá se ztížením málo, stejnosměrný generátor s cizím buzením je tvrdý zdroj npětí. Z vnější chrkteristiky je vidět, že při zkrtu n svorkách generátoru ( tj. při = 0 ) doshuje proud kotvy znčných hodnot, tzn. pro generátor s cizím buzení je zkrt nebezpečný. Polritu svorkového npětí generátoru lze měnit přepólováním polrity buzení ( tj.změnou směru budícího proudu ) nebo změnou směru otáčení ( reverzcí ) generátoru ( v prxi se nepoužívá ). ind N R I I b (Φ ) = konst. ( n ) =konst. I N I Obr.7. Vnější chrkteristik stejnosměrného generátoru s cizím buzením Výhody generátoru : - široký plynulý rozsh řízení npětí - výhodné regulční vlstnosti - tvrdý zdroj npětí Nevýhody generátoru: - zvláštní zdroj buzení ( nepltí v přípdě generátoru s permnentními mgnety ) Použití generátoru: pro plikce, kde je zpotřebí plynule v širokém rozshu řídit stejnosměrné npětí, npř. ve speciálních soustrojích pro řízení otáček poháněných mechnizmů. 2. Stejnosměrný generátor s derivčním buzením Schém zpojení je n obr.8. Budící vinutí je připojeno prlelně ke kotvě. Podmínkou činnosti generátoru je existence tzv. remnentního, zbytkového mgnetizmu v mgnetickém obvodu sttoru. Hlvní póly, n kterých je umístěno budící vinutí, jsou složeny z ocelových plechů, tj. z feromgnetického mteriálu. Chrkteristickou vlstností těchto mteriálů je
vytváření zbytkového, tzv. remnentního mgnetického pole v přípdě, že předtím byly vystveny působení vnějšího mgnetického pole, které v mteriálu zůstává po zrušení tohoto vnějšího mgnetického pole. R z I ind I A 2 A 1 Q 1 Q 2 D 2 R r I b R b D 1 Obr. 8. Schém zpojení stejnosměrného generátoru s derivčním buzením Remnentní mgnetické pole lze definovt remnentní mgnetickou indukcí či remnentním mgnetickým tokem, který způsobí při otáčející se kotvě generátoru indukování mlého remnentního npětí do vinutí kotvy. Působením tohoto npětí protéká budícím vinutím proud, tím se zvýší mgnetický tok budících pólů tím i indukovné svorkové npětí generátoru. Celý děj se opkuje tk dlouho, ž se npětí n svorkách generátoru ustálí n hodnotě dnou vzthem : = I I = I b I ( R + R ) b b Vnější chrkteristik je n obr.9. r ind N R r =konst. (n)= konst. I k I N I I Obr.9. Vnější chrkteristik stejnosměrného generátoru s derivčním buzením Při ztížení se generátor s derivčním buzením chová jink než generátor s cizím buzením. Je to způsobeno tím, že při snižování svorkového npětí se zvyšováním
ztěžovcího proudu I se snižuje budící proud I b tedy i mgnetický tok, tj. generátor se odbuzuje tím dále klesá jk indukovné, tk i svorkové npětí generátoru. Při překročení mximálního ztěžovcího proudu I je vliv odbuzování generátoru již tk velký, že svorkové npětí společně se ztěžovcím proudem prudce klesjí. Při zkrtu n svorkách generátoru tj. při R z = 0 poteče vnějším obvodem pouze mlý zkrtový proud I k, jehož velikost je dán remnentním npětím celkovým odporem obvodu kotvy. Výhody generátoru: - není třeb zvláštní zdroj buzení - vydrží bez poškození zkrt n výstupních svorkách Nevýhody generátoru: - užší rozsh řízeného npětí - měkčí vnější chrkteristik Použití generátoru: jko budiče pro synchronní stroje, popř. n mobilních prostředcích 5. Stejnosměrné motory 1. Stejnosměrný motor s cizím buzením Schém zpojení je n obr.10. Budící vinutí je stejně jko u stejnosměrného generátoru s cizím buzením npájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje. I + - R S ind A 1 A 2 Q 2 Q 1 F 1 F 2 I b b + - Obr.10. Schém zpojení stejnosměrného motoru s cizím buzením Svorkové npětí ztíženého motoru při I b = konst., (n)= konst. je dáno vzthem :
= ind + R I = ind + pro RS = 0 Pohony se stejnosměrnými motory s cizím buzením byly v minulosti velmi rozšířeny jko pohony regulční. V součsné době jsou stále ještě vyráběny používány, i když jejich podíl v oblsti elektrických regulovných pohonů stále klesá n úkor střídvých regulovných pohonů s synchronními motory. Avšk zchovávání jejich technického význmu je způsobeno řdou výhod, mezi které zejmén ptří : - jednoduché řízení rychlosti ( otáček ) změnou svorkového npětí - velký točivý moment zejmén při nízké rychlosti - sndná změn smyslu otáčení rotoru - velký rozsh rychlosti, která není vázán n kmitočet střídvé npájecí sítě - velký rozsh výkonů ž do desítky W Vzhledem k jejich použití v oblsti regulovných pohonů se změříme n způsoby řízení rychlosti motorů jejich brzdění. Řízení rychlosti ( otáček ) stejnosměrného motoru s cizím buzením Pro odvození vzthu závislosti úhlové rychlosti motoru n jeho momentu = f ( ), popř. otáček n = f ( ) vyjdeme ze vzthu pro svorkové npětí motoru : = ind + R I = c Φ + R I ze vzthu pro moment motoru vyjádříme proud kotvy: = c Φ I I = c Φ který dosdíme do vzthu pro svorkové npětí : = c Φ + R c Φ nebo π = c Φ n + R 30 c Φ vyjádříme z něj úhlovou rychlost ( otáčky ): R = 2 c Φ c Φ 2 30 R 30 = 0 - nebo n = = n0 - n 2 2 c Φ π c Φ π V obou vztzích první člen = c Φ 0 c Φ 30 π, = n0 je 0 úhlová rychlost nprázdno n 0 jsou otáčky nprázdno výrz :
c 2 R Φ 2 = c 2 R Φ 2 30 π = n je roven úbytku rychlosti ( otáček n ), který je úměrný velikosti ztížení motoru ( tj. momentu motoru ). Ze vzthu pro úhlovou rychlost ( otáčky ) motoru je zřejmé, že rychlost ( otáčky ) motoru lze řídit třemi možnými způsoby :, změnou odporu R v obvodu kotvy zpojením přídvného rezistoru R S b, změnou svorkového npětí n kotvě motoru c, změnou mgnetického toku Φ ( tj. budícím proudem I b ) d, řízení rychlosti ( otáček ) motoru změnou odporu v obvodu kotvy ( při = konst., Φ = konst. ) echnické chrkteristiky jsou n obr.11. K řízení rychlosti je použit rezistor R S v obvodu kotvy motoru ( viz. obr.10 ). Při tomto způsobu řízení rychlosti zůstává rychlost nprázdno 0 ( otáčky n 0 ) konstntní poždovná rychlost otáčení motoru se nstvuje velikostí odporu R S. Tento způsob řízení rychlosti je málo používným z důvodu trvlých ztrát, které vznikjí n tomto odporu. Pro svoji nehospodárnost lze toto řízení použít jen u motorů velmi mlých výkonů, popř. pro rozběh motoru. Rozsh řízení klesá s klesjícím ztěžovcím momentem motoru, při chodu nprázdno je nulový. 0 R S1 < R S2 N R S =0 N 1 1 R S1 2 2 R S2 N Obr.11. echnické chrkteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou odporu v obvodu kotvy d b, řízení rychlosti motoru změnou npětí n kotvě ( při konstntním jmenovitém buzení Φ N ( I bn )= konst.) Principem tohoto způsobu řízení rychlosti je změn velikosti svorkového npětí motoru, což se prkticky provádí pomocí řízeného tyristorového usměrňovče ( obr.12 )
3PEN~50 Hz obvod kotvy obvod buzení Obr.12. Schém zpojení pro řízení rychlosti stejnosměrného motoru s cizím buzením směrňovč v obvodu kotvy je nejčstěji trojfázový plně řízený, tj. oszený tyristory v můstkovém zpojení. Bývá čsto i reverzční tzn. že umožňuje změnu směru otáčení rotoru. Řídícím úhlem α tyristorů v usměrňovči lze řídit střední hodnotu výstupního npětí usměrňovče tj. npětí n kotvě motoru. směrňovč v obvodu buzení je nejčstěji jednofázový, řízený, nereverzční v můstkovém zpojení echnické chrkteristiky jsou n obr.13. Změnou velikosti npětí n kotvě motoru při konstntním buzení je tvr ( sklon ) mechnických chrkteristik zchován ( =konst.). Výhodou tohoto způsobu řízení je plynulá změn rychlosti otáčení motoru v širokém rozshu od nuly ž do jmenovité rychlosti. Řízení je jen s mlými ztrátmi tj. hospodárné. 0N N 01 1 02 2 α=0 0 α=30 0 α=60 0 N 1 2 N N > 1 > 2 Obr.13. echnické chrkteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou npětí n kotvě
d c, řízení rychlosti motoru změnou mgnetického toku ( tj. změnou buzení) ( při konstntním jmenovitém npětí kotvy N = konst.) Používá se pro řízení rychlosti motoru nd rychlost jmenovitou, tj. pro > N, při mlých ztěžovcích momentech N. K řízení velikosti mgnetického toku se používá řízeného usměrňovče v budícím obvodu motoru. Řídícím úhlem α tyristorů v usměrňovči se mění střední hodnot výstupního npětí usměrňovče, tím se mění velikost budícího proudu mgnetického toku. echnické chrkteristiky jsou n obr.14. Z nich je vidět, že se snižováním mgnetického toku tj. s odbuzováním motoru se chrkteristiky změkčují. 02 φ N > φ 1 > φ 2 01 α =60 0 α =30 0 2 1 φ 2 0N N N α =0 0 φ 1 φ N Obr.14. echnické chrkteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou buzení Závislosti provozních veličin stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení jeho rychlosti jsou n obr.15. Brzdění stejnosměrného motoru s cizím buzením ožné způsoby brzdění ( snížení rychlosti ) motoru jsou n zákldě výkonové bilnce schémticky znázorněny n obr. 16. á li dojít k brzdění, tj. ke změně směru mechnického výkonu n hřídeli motoru, musí se změnit smysl momentu motoru, který tk působí proti smyslu otáčení rotoru. Jsou tedy možné následující způsoby brzdění : ) brzdění do odporu brzdného rezistoru Kotv motoru se odpojí od npájecího zdroje připojí se k vhodnému rezistoru, tím se změní směr proudu v kotvě tím smysl momentu motoru ( viz. obr.16b ). otor poháněný brzděným mechnizmem se tk stává generátorem, měnícím mechnickou energii n elektrickou, která se mění v odporu n Jouleovo teplo. echnické chrkteristiky při brzdění do odporu jsou n obr.17, ztráty při brzdění jsou rovny mechnickému výkonu ( viz. obr 16b ) b) brzdění protiproudem Nstává tehdy, jestliže je motor zpojen pro určitý směr otáčení, le vlivem setrvčnosti nebo účinkem břemene se otáčí v opčném směru. Tento způsob brzdění je možné provést následujícími způsoby :
- přepólováním ( reverzcí )npětí n svorkách kotvy, tím dojde ke změně směru proudu v kotvě motoru tedy ke změně smyslu momentu motoru. Pro omezení velikosti proudu při brzdění se do obvodu kotvy při reverzci zřzuje rezistor s dosttečně velkým odporem. Při tomto brzdění je nutno včs odpojit kotvu motoru od npájecí sítě rotor mechnicky dobrzdit, jink by se rozběhl do opčného směru. Ztráty při tomto způsobu brzdění jsou dány součtem dodného mechnického výkonu n hřídeli elektrického výkonu odebírného z npájecí sítě (viz obr.16c). echnická chrkteristik je n obr.18. I A, A P, I B Rozsh řízení v kotvě Rozsh řízení buzením při I A =konst. při I A konst. I A A P I B 0 n 1 n 2 n 3 n I A proud kotvy motoru A npětí kotvy P výkon motoru moment motoru I B proud budícím vinutím n 1 zákldní otáčky n 2 komutční mez otáček n 3 mximální otáčky při při odbuzování motoru Obr.15. Závislosti provozních veličin při řízení rychlosti stejnosměrného motoru s cizím buzením
P el P mec P npájecí síť hřídel stroje P P = P el - P mec ) R b P j P mec P - hřídel stroje P P + P j = P mec b) P el P mec P npájecí síť - hřídel stroje P P = P el + P mec c) P el P mec P npájecí síť - hřídel stroje P P = P mec - P el d) Obr.16. Výkonová bilnce stejnosměrného motoru : ) pohánění, b) brzdění do odporu, c) brzdění protiproudem, d) brzdění rekuperční
- změnou směru otáčení rotoru při spouštění břemene ( obr.19 ). Při zdvihu břemene se rotor otáčí npř.dolev, jk je nznčeno n obrázku. á li se stejné břemeno spouštět jeho pohyb dolů brzdit, je třeb zřdit do obvodu kotvy rezistor s dosttečně velkým odporem. Tím se sníží velikost proudu kotvou motor již nestčí vyvinout dosttečný moment pro zdvih břemene. Břemeno tk klesá, směr otáčení rotoru změní svůj smysl. Je opčný než odpovídá směru pro který je motor zpojen. otor je tk brzděn protiproudem. otor se v ustáleném stvu otáčí konstntní rychlostí brzdí spouštěné břemeno, protože moment motoru při brzdění nezměnil svůj smysl. R S1 < R S2 < R S3 R S3 R S2 R S > 0 R S1 R S =0 - - Obr.17. echnické chrkteristiky při brzdění do odporu Obr.18. echnická chrkteristik při brzdění protiproudem reverzcí npětí + R b směr otáčení při zdvihu břemene - + b - v spouštěné břemeno Obr.19. Brzdění protiproudem při spouštění břemene
c) brzdění rekuperční ( generátorické ) Nstává tehdy, jestliže rychlost motoru je větší než rychlost nprázdno, tj. při > 0. otor se tk stává generátorem dodává elektrickou energii do npájecí sítě ( viz. obr 16d ). Tohoto způsobu brzdění lze dosáhnout těmito způsoby : - spouštěním břemene při přepólovném npětí n svorkách kotvy motoru, tj. polrit npětí n kotvě musí být opčná než při zdvihu břemene. - snížením npětí n kotvě motoru řízeným usměrňovčem. Tím dojde ke snížení rychlosti nprázdno ( 0 = / c Φ ). V okmžiku snížení npětí je vlivem setrvčnosti rotujících hmot rychlost motoru stejná, tj. při dosttečně velkém snížení npětí pk pltí, že N > 01 proud I s momentem motoru tk musí změnit svůj smysl, jk je zřejmé ze vzthu pro úhlovou rychlost motoru tedy i z mechnické chrkteristiky n obr.20. Tento způsob brzdění je hospodárný, ztráty jsou rovny rozdílu mechnického elektrického výkonu.( viz. obr 16d ). 0 N N 01 1 - N Obr.20. echnické chrkteristiky při rekuperčním brzdění Použití stejnosměrných motorů s cizím buzením: - v utomobilovém průmyslu pro pohony různých mechnizmů, pro pohony obráběcích strojů, elektromobilů, válcovcích stolic, těžních strojů, pod. 2. Stejnosměrný motor se sériovým buzením Schém zpojení je n obr.21. 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 motoru je závislé n velikosti ztížení motoru : b ( ) I = I Φ = f I
+ - I R S ind A 1 A 2 Q 2 Q 1 S 1 I b S 2 Obr.21. Schém zpojení stejnosměrného motoru se sériovým buzením Celá mgnetizční chrkteristik Φ = f ( F m ), popř.φ = f ( I b ) ( obr.22) je u elektrických strojů nelineární lze ji rozdělit n nensycenou oblst pro kterou s určitým zjednodušením pltí : Φ 0A = k 1. I b = k 1. I n oblst nsycení pro kterou lze přibližně psát : Φ AB = k 2 Φ oblst nsycení A B 0 F m (I b ) Obr.22. gnetizční chrkteristik stejnosměrného stroje
Pro motor prcující v nensyceném stvu, tj. ztěžovném mlými proudy kotvy je jeho moment roven : 0A = c Φ 0A I = c k 1 I 2 pro motor prcující v nsyceném stvu, tj. ztěžovném velkými proudy kotvy : AB = c Φ AB I = c k 2 I S využitím těchto vzthů vzthu pro úhlovou rychlost motoru lze odvodit rovnici mechnické chrkteristiky motoru = f ( ) ( viz. skriptum Doc. Ing. Jn Smejkl, CSc. : Elektrotechnik, str. 114,115 ), která je zobrzen n obr. 23. R S =0 R S1 > R S Obr.23. echnické chrkteristiky stejnosměrného motoru se sériovým buzením echnická chrkteristik je tzv. měkká, rychlost nprázdno je teoreticky nekonečně vysoká, tzn. že motor nesmí nikdy prcovt bez ztížení. Z tohoto důvodu je motor trvle mechnicky spojen s prcovním mechnizmem, npř. s hnnou náprvou lokomotivy. Jejich výhodou je velký moment zejmén 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 vícemotorových pohonů npř. u lokomotiv řzením jednotlivých motorů do prlelních nebo sériových skupin Brzdění je možné těmito způsoby : - brzdění do odporu: buď přímo s přepólovným budícím vinutím nebo přepojením sériového motoru n motor s cizím buzením - brzdění protiproudem - brzdění rekupercí je možné pouze při npájení motoru ze stejnosměrného pulzního měniče
Použití motoru se sériovým buzením V elektrické trkci jko trkční motory ( npř. pro lokomotivy ), nebo jko tzv. univerzální motory, které se mohou npájet jk střídvým tk i stejnosměrným npětím používné pro elektrické nářdí ( npř. vrtčky, brusky, mlé kuchyňské spotřebiče ).