Konstrukce stejnosměrného stroje

Stejnosměrné stroje

Konstrukce stejnosměrného stroje póly pól. nástavce stator rotor s vinutím v drážkách geometrická neutrála konstantní vzduchová mezera δ budicí vinutí magnetická osa stejnosměrný budicí proud b způsobí budicí tok Φ b

Hlavní pól stejnosměrného stroje jho statoru budicí vinutí hlavní pól pólový nástavec rotor

Princip funkce ss. stroje: n n Kotva vinutí el. stroje, do kterého se indukuje napětí z b Φ b u iv i v i a u kart

Princip funkce ss. stroje: n n z Dynamo: b Φ b u iv i v i a u kart Motor: b Φ b i a i v F M

dealizovaná situace: gn S Φ b b gn J Φ b u kart gn B δ (x) ~ u i1 ( Blv ) Komutátor = mechanický usměrňovač B δ u i1 Skutečná kotva: více drážek závitů, lamel komutátoru

Princip působení elektrických strojů Vodiče rotoru (kotvy) tvoří cívky, jejichž aktivní části leží na průměru.

Princip působení elektrických strojů n Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu

Konstrukce vinutí kotvy Existuje mnoho druhů. b Nemusíme je znát, jenom si PAMATOVAT! : n i v i v magnetická osa solenoidu Vinutí se chová jako: solenoid Fe Napětí na kartáčích = Σ napětí vodičů ( Zařídí konstruktér stroje)

Magnetické pole ve vzduchové mezeře

ndukované a elektromotorické napětí V = 2N počet aktivních vodičů na kotvě, zapojených do 2a paralelních větví. pro závislost na otáčkách

Elektromagnetický moment Síla, působící na jeden vodič: Moment, působící na jeden vodič: Celkový elektromagnetický moment: ( nezahrnuje převod mezi ω m a n )

a = 0 Vliv proudu a b na pole ve stroji: a > 0, b = 0 Φ a a Φ a ( reakce kotvy ) Φ b Φ a Φ geometrická neutrála (gn) Φ je výsledné pole Φ b Vliv Φ a na Φ : a) v gn se objevil tok b) pole Φ b v hlavních pólech se deformuje

Nepříznivý vliv Φ a (složka a) : natočení no ( no neutrální osa = spojnice bodů, kde B(x) = 0 dynama natočení no ve směru n! i v n gn Φ a Φ a Φ Φ b no Φ b Proč posuv vadí? Zhoršuje komutaci!

Nepříznivý vliv Φ a (složka b) : deformace pole Deformace pole ve vzduchové mezeře ( vliv složky b ) Nárůstu indukce odpovídá zvýšení lamelového napětí nebezpečí pro izolaci vinutí kotvy. Omezí se kompenzačním vinutím v pólových nástavcích, zapojeným do série s kotvou.

Příklad skutečného vinutí kotvy:

Příklad skutečného vinutí kotvy: Komutace cívky: u iv i cív >> 0 jiskření zničení komutátoru u iv (S) u iv Dvě řešení: (J) a) mechanické natočení kartáčů do no tam B = 0 u iv, i cív =0 (Při změně a se no natáčí!!) b) komutační póly kart = u iv

Komutační póly Princip funkce: Φ KP = Φ a vinutí KP v sérii s kotvou: a Φ KP proto v gn je stále B = 0 Φ KP Kartáče trvale v gn!! Ve stroji bude výsledný tok : Mechanická úhlová rychlost: V dalším budeme předpokládat úplné potlačení toku reakce kotvy ( Φ a = 0 ) x. l dx b Bb. 30 n p 0 (rad/s ; ot/min)

Podélný řez stejnosměrným strojem

Příčný řez stejnosměrným strojem

Napětí indukované ve vinutí kotvy R uhl i R a a Svorkové napětí: R z = i R a a Δ kde: R a. kotva KP Δ = R uhl. a 1 2 V Pro další úvahy ho zanedbáme.

Dynamo s cizím buzením i R a a Charakteristika naprázdno 0 ( b ) při n = konst, = a = 0 0 N b b (nebo breg) 0 rem bn b symetrické

Dynamo s cizím buzením R a a Charakteristika vnější (zatěžovací) i ( a ) při n, b = konst. b1 > b2 0 b1 b b (nebo breg) b2 b3 a

Dynamo s cizím buzením Hodnocení: zdroj napětí ( 0 ), při P N tvrdší zdroj snadná regulace napětí změnou b snadná změna polarity napětí ± pomocí ± b ( ± n zřídka )

Dynamo s paralelním buzením (derivační) b Funkce při chodu naprázdno: R b a R a n irem b i b i i ( b ) i i rem i = ( R a R bc ). b Musí být správná polarita buzení. Dynamo pracuje za kolenem magnetizační charakteristiky. b

Dynamo s paralelním buzením (derivační) b Vnější charakteristika R b i a R a a b atd. : vnější charakteristika měkčí Blízko R z = 0 buzení téměř ve zkratu b, 0 cizí buzení (Φ b rem ) N

Dynamo se sériovým buzením Nabuzení při zatížení: R a R b n irem Φ b i i R z Φ b konst Musí být správná polarita buzení. Jako zdroj se sériové dynamo nepoužívá

Stejnosměrné motory m Ra k a

M moment elektromagnetický, vnitřní M moment na hřídeli M = M ΔM kde ΔM je moment ztrát třením stálený stav: n = konst M M p zátěžný moment M M = M p = M ΔM

Motor s cizím buzením Φ b b Polarita a určena, směr i v dán smyslem vinutí kotvy. n e iv i v Levá ruka: směr F v, M, n Pravá ruka: směr e iv v (potvrzení Lenzova pravidla) a

a Motor s cizím buzením R a Rozběh motoru: i b Nejdříve nabudit b = bn a R a n 0 0 i i ak R a Malé motory: kotvu přímo na zdroj ( R a relativně velký) Velké motory: buď R a sp ( postupně R a sp 0, protože i ) nebo = 0 a postupně

Motor s cizím buzením Základní charakteristiky: Momentová: M(),, b = konst. M k b a Rychlostní: n(),, b = konst. n k 1 b R k 1 a a b Mechanická: n(m),, b = konst. n k R M a 2 2 1 b k1 b

Motor s cizím buzením a R a i Mechanická charakteristika ω m (M ), b, = konst R R a. 2 k k. k M a m m 2 b b b m Při P N M Ra k k b b motor tvrdší otáčky ( R a relativně ) ω m ω m0 ~ R a M

Motor s cizím buzením a R a Řízení otáček i b m k b R k a 2 M a) Změna budicího proudu buď b reg nebo R b reg 2 b ω m b1 < b2 b ω m! b1 b2 Nikdy nepřerušit buzení!! žívané řízení, η dobrá (ΔP br malé ) M

a Motor s cizím buzením R a R a reg i b Řízení otáček m k b R k a 2 M b) Změna celkového odporu v kotvě 2 b ω m ω m0 R a reg = 0 : jednoduché : η, měkká charakteristika R a reg M

Motor s cizím buzením a R a i Řízení otáček m k b R k a 2 M c) Změna svorkového napětí na kotvě 2 b dm dm k 2 Ra 2 b b nezávisí na napětí Nejlepší řízení, η optimální, malé kolísání n, v automatizaci nejčastěji. ω m ω m0 ~ R a 1 < N M N 1

a Motor s cizím buzením R a Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu i b Raději ± a pomocí ± ± Φ b nebezpečí odbuzení

Motor s cizím buzením a R a Brzdění Počáteční stav J i n >> 0, J >> 0 b P p P p = P m ΔP M ΔP M p P m n Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

Motor s cizím buzením a R a Brzdění do odporu J R i b M ΔP M p P m n

Motor s cizím buzením a R a Brzdění do odporu J R i b ΔP j Stejné n, b po přepojení ± a (dynamo) ± M M ΔP M p P m n Výhoda: jednoduchost Nevýhoda: kinetická energie do R 2 při n 0 také i, a, M 0 ( ponechat b, zmenšovat R )

Motor s cizím buzením a R a Brzdění protiproudem J i b M ΔP M p P m n

Motor s cizím buzením a R a R a reg Brzdění protiproudem J a i b i Stejné n, b po přepojení a 0 Ra nutno vložit R a reg Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n P p M ΔP M p P m n Energie do R a R a reg ΔP = P p P m

Motor s cizím buzením a rek R a a rek Brzdění rekuperací J Motor: i P rek b i < odpovídá směr a M ΔP M p P m n Brzdění: b, při stálých n i až i > ± a rek Důsledek: n i, proto musíme b, po nasycení Fe nepomůže Obvyklé řešení v regulovaných soustavách: i > a rekuperace až do n 0

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu točení pohonu. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!)

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i >

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i > Motor s cizím buzením Možnosti: Φ (přibudit, b ) n (jeřáb, spouštění břemena)

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působíli moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě a nebo toku Φ, tzn. budicího proudu b. (NE!!!) Brzdění rekuperací Proud R a i Požadavek i > Motor s cizím buzením Možnosti: Φ (přibudit, b ) n (jeřáb, spouštění břemena) Motor se sériovým buzením Nelze dosáhnout požadavku i > Rekuperací brzdit nelze

Brzdění DC motorů Brzdění do odporu Motor s cizím buzením a M b E i i R a _ ω m a _ Odpojit od napájení a připojit na odpor Pracuje jako dynamo a M b E i R B Polaritu buzení zachovat Smysl proudu v kotvě je určován E moment působí proti smyslu točení. _ ω m!

Brzdění do odporu Brzdění DC motorů Motor se sériovým buzením Po přepojení kotvy na odpor M ω m i E _ M E i ω m Změna smyslu proudu v kotvě i v buzení NEBRZDÍ!!! R B

Brzdění do odporu Brzdění DC motorů Motor se sériovým buzením Po přepojení na odpor M E i ω m _ M E i ω m R B Ale co s tím? Jde to opravit? Musí to jít!! Jinak nepojede vlak!!!

Brzdění do odporu Motor se sériovým buzením Brzdění DC motorů Prohodit přívody k buzení, neodbudit neměnit smysl b!!! M E i ω m M E i ω m M E i ω m _ R B R B Heuréka!!! BRZDÍ

Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením Brzdění DC motorů M b _ ω m E i a _

Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením M b E i _ ω m Brzdění DC motorů a záměna přívodů ke kotvě M b E i _ ω m a a R a i N a R a i N!!! Nutno omezit (komutace)

a Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením a M b E R a i i N ω m a _ Brzdění DC motorů a R a M b E i _ ω m _ i N a M b E i R B!!! Nutno omezit pomocí R B (komutace) _ ω m _

Brzdění protiproudem Motor se sériovým buzením Brzdění DC motorů Filozofie brzdění je analogická pro motory všech typů: pro motory stejnosměrné, DC i střídavé AC.

Motor s cizím buzením Hodnocení: Pro soustavy samočinné regulace ideální, umožňuje: řízení rychlosti v max. rozsahu n při optimální η brzdění rekuperací v celém otáčkovém rozsahu snadná změna smyslu otáčení

Motor s paralelním buzením ( derivační ) a b Rozběh motoru: malé motory přímo R a R a reg R b reg velké R a sp pro k i Řízení otáček m k b R k a 2 M 2 b R a sp R a sp R b reg R a reg ano ano ne

Motor se sériovým buzením R ac a = b = R ac = R b R a (v lineární části mag. char.) c Φ b c M R c ac i m Pro Φ b ~ platí: M = c. 2 c M i k R c ac M c R c ac m c M POZOR! Sériový motor nesmí mít M p = 0, protože pak M 0 a ω m!!!

Sériový motor R ac R a sp Rozběh motoru: i n 0 0 i k R ac Φ b Malé motory: kotvu přímo na zdroj ( R ac relativně velký) Velké motory: buď R a sp ( postupně R a sp 0, protože i ) nebo = 0 a postupně

Sériový motor R ac Mechanická charakteristika ω m (M ), = konst Φ b i m c M ω m M

Sériový motor R ac R a reg Řízení otáček Φ b i m c M R c a) napětím Pro dané M je ω m ~ nejlepší řízení: η optimální ( pulsní měnič u tyristorové tram.) ac b) odporem R a reg jednoduché, ale η c) změnou budicího toku bočníkem paralelně k vinutí budicímu nebo kotvy

Sériový motor R ac Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu Φ b i M = k. Φ b. a Změnou: ± Φ b nebo ± a, ne obojí ( proto nejde ± ) Řešení

Sériový motor R ac Změna smyslu otáčení Nutná změna smyslu momentu Φ b i Změnou: ± Φ b nebo ± a, ne obojí ( proto nejde ± ) Řešení

Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b n i P p M ΔP M p P m n

Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b rem n i rem ΔP M p P m n

Sériový motor R ac Brzdění do odporu J Φ b n i M ΔP M p P m n

Sériový motor R ac Brzdění do odporu J R n Φ b i ΔP j M ΔP M p P m n Nevýhoda: kinetická energie do R 2 při n 0 také i,, M 0 (zmenšovat R )

Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b n i P p M ΔP M p P m n

Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b rem n i rem ΔP M p P m n

Sériový motor R ac Brzdění protiproudem J Φ b n i M ΔP M p P m n

Sériový motor Φ b R ac R a reg n i P p i Po přepojení: 0 Rac nutno vložit R a reg Brzdění protiproudem M ΔP M p P m J n Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n Energie do R ac R a reg ΔP = P p P m

Sériový motor R ac Brzdění rekuperací J Φ b n i P p Musí i >, aby nastalo ± M ΔP M p P m n v klasické trakci nelze ( s elektronikou ano ) Vysvětlení srovnáním s chováním cize buzeného motoru.

DC motor v trakci Buzení cizí sériové jízda do svahu: c b ω m R a a c ω m R ac jízda ze svahu: vozidlo je urychlováno svou hmotností n i i > n i stále i < Z Á V Ě R automatická rekuperace brzděním n i i > nebrzdí rekuperací! stále motor, stále n!

P O R O V N Á N Í Cize buzený motor Sériový motor Na chvíli připustíme zvýšení proudu na 2. N Krátkodobě větší M vhodné pro trakci, jeřáby