Princip funkce stejnosměrného stroje stator vytváří konstantní magnetický tok Φ B, který protéká rotorem a) motor: do rotoru je přiváděn přes komutátor proud na rotoru je více vinutí, komutátor připojená vinutí přepíná tak, aby výsledná vzájemná poloha magnetického toku statoru a rotoru způsobila mechanický moment b) generátor: vnější pohon otáčí rotorem s komutátorem, na vinutích se změnou magnetického toku indukuje napětí U i komutátor připojená vinutí přepíná tak, aby se usměrňoval indukovaný proud konstrukce motoru i generátoru je stejná, pro funkci obou může být použit jeden stroj bez omezení liší se jen směrem toku energie Funkce stejnosměrneho motoru
budící vinutí je napájeno proudem I B, rotorem tak protéká magneticky tok φ B úhlem natočení komutátoru se připojí takové rotorové vinutí, aby rozdíl směrů magnetických os statoru i rotoru způsoboval mechanický otáčivý moment dalším pootočením rotoru se původní vinutí odpojí a připojí se další velikost indukovaného napětí závisí na velikosti magnetického toku statoru a na rychlosti otáčení rotoru velikost momentu na hřídeli: velikost napětí na svorkách: motor:
generátor: kde: U i indukované napětí R A ohmický odpor vinutí rotoru I A proud rotorem I B proud statorem Φ B magneticky tok statoru n počet otáček za minutu k M, k C jsou konstanty odkazující na přímou úměrnost parametrů Stejnosměrné motory Historie stejnosměrných motorů stejnosměrný motor jeden z prvních rotačních elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday v roce 1821 motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do nádrže rtuti ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil kolem drátu točivé magnetické pole moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím stal napájený motor
Princip činnosti komutátorový stroj s permanentními magnety s dvoupólovou kotvou nejjednodušší komutátorový stroj nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě elektromagnetu s dvěma póly rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky => tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr v okamžiku přepnutí polarity (mrtvý úhel motoru) udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost principiálně se tento motor trochu podobá střídavému synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama elektrorozvodná síť komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a ( a +) po každém pootočení o 180 (u dvoupólového motoru) takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce Funkce stejnosměrného motoru rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety vzhledem k polaritě statoru a rotoru se souhlasné póly (barvy) odpuzují a rotor se otáčí
opačné póly se přitahují, rotor se stále otáčí. V okamžiku, kdy se rotor dostane do vodorovné polohy, dojde na komutátoru k přepnutí polarity magnetického pole rotoru běžný komutátorový stroj buzený magnety motory s permanentním magnetem se dodnes využívají například v modelářství jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal problém s mrtvým úhlem motoru výhodou motoru s permanentním magnetem obecně je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí, výhodou při porovnání s ostatními komutátorovými stroji je úspora statorového vinutí Stejnosměrné motory vyžadují při nízkých otáčkách cizí chlazení. Motor s cizím buzením budicí vinutí je napájeno z vlastního zdroje nezávislého na napájení vinutí kotvy, takže jeho otáčky můžeme řídit v širokém rozsahu a vůbec nezávisí od zatížení Otáčky motorů s cizím buzením klesají při zatížení jen nepatrně.
otáčky se řídí napětím v obvodu kotvy nebo budícím proudem místo budicího vinutí může být použit permanentní magnet A1, A2 vývody vinutí kotvy F1, F2 vývody vinutí pro cizí buzení a) řízení otáček je-li spouštěcí rezistor R 1 v obvodu kotvy dimenzován na pro trvalý provoz, je možno regulovat otáčky při jmenovitém buzení od nuly (R 1 je maximální) do jmenovitých otáček (R 1 je odpojen) vyšších než jmenovitých otáček lze dosáhnout budícím reostatem R 2 zmenšením budícího proudu (odbuzením) při jmenovitém napětí na kotvě
b) zatěžovací charakteristika pro zvýšení otáček nad jmenovité otáčky je možné použít rezistor v obvodu buzení a snížením budicího napětí zvýšit otáčky motoru c) použití motory s cizím budením sa používají všude tam, kde sa vyžaduje plynulé a hospodárné řízení otáček v širokých mezích a nebo, kde sa požaduje dodržování nastavených otáček při velmi kolísajícím zatížení strojového zařízení jsou vhodné pro pohon obráběcích strojů, pro pohony v těžkých provozech ( těžné stroje, válcovací tratě...) kvůli nutnosti dvou zdrojů se často nepoužívá má stejné vlastnosti jako derivační motor
Derivační motor budicí vinutí je zapojené paralelně k vinutí kotvy při spouštění musí mít dostatečný záběrový moment, který sa dosáhneme tak, že na jeho budící vinutí připojíme plné napětí A1, A2 vývody vinutí kotvy E1, E2 vývody derivačního vinutí a) řízení otáček regulace se provádí stejně jako u motorů s cizím buzením otáčky lze regulovat spouštěcím odporem nebo odporem v obvodu buzení
b) zatěžovací charakteristika motor se chová stejně jako motor s cizím buzením má stejnou zatěžovací charakteristiku buzení je stálé a točivý moment M I derivační motor se může při přerušení obvodu budicího vinutí roztočit do vysokých otáček! n M n = f (I) M = f (I) I poněvadž budící proud je poměrně malý, je ztráta energie v regulačním odporu také malá a tato regulace otáček je hospodárná zvětší-li se zatížení při stálém buzení, bere motor ze sítě větší proud a indukované napětí se zmenší
menšímu indukovanému napětí odpovídá při stálém buzení menší rychlost otáčky se zatížením klesají, ne však o mnoho, poněvadž se zatížením se zvětšuje i reakce kotvy, která zeslabuje magnetický tok a pokles otáček se téměř vyrovná tím, že buzení se zatížením se nemění, jsou otáčky při stálém svorkovém napětí téměř konstantní c) použití derivační motor se používá na pohon obráběcích strojů, valcovacích stolic, lokomotivních toční a pod. Sériový motor budicí vinutí je zapojeno v sérii s vinutím kotvy => proud, který protéká vinutím kotvy, protéká také budicím vinutím sériový jednofázový motor je označován také jako univerzální motor jeho provoz je možný jak na střídavé napětí, tak na stejnosměrné napětí
motor má konstrukci i zatěžovací charakteristiku podobnou stejnosměrnému motoru se sériovým buzením otáčky jsou nezávislé na frekvenci napájecího napětí otáčky dosahují hodnot až 30 000 ot./min A1, A2 vývody vinutí kotvy D1, D2 vývody sériového vinutí a) řízení otáček pomocí předřadného rezistoru
pomocí děliče napětí (v Berkhausenově zapojení) elektronickou regulací napětí pomocí fázového spínání Elektronická regulace napětí
jiskřením kontaktů komutátoru vznikají vysokofrekvenční proudy, které deformují průběh napětí v síti a mohou být zdroji rušení elektronických zařízení proto je třeba je odrušit odrušení je možné provést pomocí děleného budicího vinutí nebo odrušovacími kondenzátory b) zatěžovací charakteristika sériové motory mají největší rozběhový moment má měkkou rychlostní charakteristiku, protože jeho otáčky jsou nepřímo úměrné zatížení rychlost zvětšujeme přemosťovaním budícího vinutí, ke kterému sa paralelně připojuje odporový bočník při běhu naprázdno se snadno roztočí do vysokých otáček, a proto na ně musí být připojena zátěž např. přes řetěz nebo jiné pevné spojení otáčky jsou značně závislé na velikosti zatěžovacího momentu vzhledem k rozměrům má velký točivý moment a velký výkon
při spouštění protéká motorem dosti velký proud, takže zabírací moment je velký má vždy větší zabírací moment než derivační motor při stejném jmenovitém výkonu, i když spouštěcí proud je stejný velkému zatížení odpovídají malé otáčky, malému zatížení velké otáčky c) použití většinou do výkonu 1,5 kw ruční elektrické nářadí vrtačky, brusky, pily kuchyňské elektrické spotřebiče mixéry, roboty, mlýnky stroje pro domácí použití sekačky, vysavače
Kompaundní motor jedno budicí vinutí je připojené sériově a druhé budicí vinutí je připojené paralelně k vinutí kotvy má vlastnosti sériového a derivačného motoru motor využívá výhod obou zapojení A1, A2 vývody vinutí kotvy D1, D2 vývody sériového vinutí E1, E2 vývody paralelního vinutí Kompaundní motor zatěžovací charakteristika mají větší rozběhový moment než derivační motory
používají se u zařízení, kde je rozběhový moment derivačních motorů nedostačující (např. u zdvihacích mechanizmů, valcovacích stolic, lisů a pod.
Spouštění a brzdění stejnosměrných motorů vinutí kotvy má malý činný odpor (řádově jednotky W) proto jím při rozběhu teče velký proud při otáčení vinutí kotvy v magnetickém poli se ve vinutí indukuje napětí protisměrné napětí kotvy toto napětí má opačný směr oproti napájecímu napětí. snižuje tak proud tekoucí vinutím kotvy Spouštění derivačního motoru pro omezení proudu při rozběhu se používají rezistory zapojené do obvodu kotvy
během rozběhu se spouštěcí odpor snižuje, buď skokově, nebo plynule snižování odporu musí probíhat tak, aby proud nepřekročil dovolené hodnoty spouštěcí rezistory mají velké tepelné ztráty výhodnější je použití řízeného usměrňovače, který umožňuje nejenom plynule řídit otáčky, ale také rekuperaci pro napájení buzení musí být výstupní napětí usměrňovače dokonale vyhlazeno (obvodu kotvy pulzní napětí nevadí) Brzdění do rezistoru vinutí kotvy je odpojeno od zdroje a připojeno na rezistor z motoru se tak v podstatě stává generátor, který dodává elektrickou energii do rezistoru
v rezistoru se elektrická energie přeměňuje v teplo Brzdění protiproudem změnou polarity napájecího napětí dojde k změně směru proudu i točivého momentu k omezení brzdného proudu se používá rezistor zařazený do obvodu kotvy po zastavení motoru se musí odpojit od napájení, jinak se roztočí opačným směrem jedná se o brzdění s velikými ztrátami
Brzdění rekuperační při snížení napětí na kotvě nebo zvýšení mechanických otáček běžícího motoru se motor stává generátorem aby bylo možné vyrobenou elektrickou energii dodávat zpět do sítě, musí být motor napájen řízeným usměrňovačem, který toto umožňuje
Měření stejnosměrných motorech měření charakteristik stejnosměrných motorů s cizím buzením se využívá na posouzení a nebo ověření základních vlastností motorů provádí se měření tří základních charakteristik: a) regulační charakteristika závislost otáček na změně napětí na kotvě n = f(u k )
závislost otáček na změně budícího proudu n = f(i B ) b) zatěžovací charakteristika závislost otáček na změně momentu n = f(m) z toho je jasné, že otáčky lze u stejnosměrných motorů měnit změnou napětí na cívkách statoru, nebo změnou buzení tj. změnou magnetického toku Φ v praxi se změna počtu otáček provádí těmito způsoby: změnou úrovně napětí na rotoru (nejvíce užívaný způsob)
zapojení rezistoru do série s rotorem (otáčky lze regulovat jen směrem dolů = velké ztráty) budícím proudem ve vinutí statoru pulzně šířkovou modulací polovodičovými PWM regulátory (mění se šířka proudového impulzu do vinutí statoru výhodou je větší moment při nižších otáčkách Řízení otáček provádí se v rozashu pod i nad jmenovitými otáčkami pokud výrobce neudává jinak, je možné jmenovité otáčky překročit max. o 10% a) řízení otáček do jmenovité hodnoty provádíme při jmenovitém buzení změnou otáček na kotvě usměrňovačem nebo spouštěčem, který je dimenzován pro trvalý provoz na jmenovité zatížení Otáčky se zvětšují s rostoucím napětí na kotvě. b) řízení otáček nad jmenovitou hodnotu Provádí se při jmenovitém napětí na kotvě zmenšováním budícího proudu Pro omezení budícího proudu se u derivačních motorů a u motorů s cizím buzením zapojuje do budícího obvodu proměnný rezistor zmenšením proudu se pole zeslabí Otáčky se zvětšují snížením budícího proudu.
při chodu naprázdno při přerušení buzení, např. přerušením vodiče v budícím reostatu, může motor dosáhnout nebezpečně vysokých otáček aby se zamezilo přerušení buzení, nesmí být budící reostat stejnosměrného motoru s cizím buzením jištěn nadproudovou ochranou Změna směru otáček reverzace u stejnosměrného motoru se provádí poměrně lehce a to: změnou polarity na přívodu ke kartáčům, tím dosáhneme změny směru protékajícího proudu ve vinutí rotoru změnou polarity v budícím vinutí aby nedošlo při přepólování k poškození budícího vinutí vlivem indukovaného napětí, provádí se u stejnosměrných motorů změna směru točení přehození (přepólování) přívodů v obvodu kotvy
Změna směru otáčení stejnosměrného motoru se provádí změnou směru proudu v kotvě. Leonardova skupina regulační soustrojí pro těžké pohony, např. válcových stolic a těžkých strojů, kde je třeba plynulé a hospodárné regulace otáček v širokých mezích skládá se z libovolného motoru, nejčastěji z trojfázového indukčního motoru, který pohání dynamo, budič a ze stejnosměrného motoru dynamo a motor mají cizí buzení a budí se společným budičem B změnou buzení dynama se řídí napětí, a tím i otáčky regulačního motoru změnou směru budícího proudu se změní i polarita dynama, tím se změní směr proudu v kotvě motoru, a tím i směr jeho otáčení
regulace je v obvodu malého proudu a lze ji výhodně řídit dálkově tlačítky, popřípadě i kombinovaně automaticky působením koncových i jiných spínačů