Elektrické stroje – Úvod – Transformátory - Elektrické stroje točivé Určeno pro studenty komb. formy FMMI předmětu 452702 / 04 Elektrotechnika
Elektrické stroje jsou vždy měniče energie jejichž rozdělení a provedení je závislé na druhu použitého proudu a výstupní formě energie (mechanická, elektrická).
Podle způsobu dosažení změny magnetického toku hovoříme o indukovaném napětí vzniklém
transformací
pohybem
samoindukcí
1
Indukované napětí vzniklé transformací
ui 2 = N 2 *
dΦ h dt
Indukované napětí vzniklé pohybem
ui = N 2 *
dΦ x ,t dΦ x dx =N⋅ ⋅ , dt dx dt
ui = 2 ⋅ N ⋅ B x ⋅ l ⋅ v
2
Indukované napětí vzniklé samoindukcí
ui = N 2 *
di dΦ t di ⋅ = L⋅ ⋅ dt dt dt
Silové účinky
F = B .I . l
M = 0,5 . d . sum Fi
3
Základní rozdělení ES dle pohybu:
- netočivé (bez pohybu) - točivé (s pohybem) - lineární (s pohybem)
Elektrické stroje točivé
Def.: Točivý ES je zařízení, které má části schopné vykonávat relativní točivý pohyb a které je určeno pro elektromechanickou přeměnu energie. Elektrické stroje točivé přeměňují elektrickou (elektromagnetickou) formu energie na mechanickou formu energie (motory) a naopak (generátory).
4
Základní rozdělení EST (dle charakteru napájecího napětí )
•
střídavé stroje (AC stroje) jednofázové, trojfázové, m - fázové
•
stejnosměrné stroje (DC stroje)
•
ostatní
ELEKTRICKÉ STROJE
T O Č I V É
• • • •
cizím buzením derivační kompaudní sériové
TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové)
• • • •
Komutátorové
Střídavé
Stejnosměrné
MOTORY
Střídavé (Alternátory)
Stejnosměrné
GENERÁTORY
NETOČIVÉ
cizím buzením derivační kompaudní sériové
• synchronní • asynchronní
MĚNIČE
síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN)
•usměrňovače
speciální (autotransformátory,
střídavé měniče napětí
bezpečnostní, izolační, atd.)
•střídače •pulzní měniče •měniče kmitočtu
• asynchronní • synchronní
5
Základní konstrukce elektrických strojů točivých Rotor s:
klecovým vinutím
3-fázovým vinutím s kroužky
vyniklými póly vč. permanentních magnetů
vinutím a s komutátorem
Asynchronní klecový motor,
Asynchronní motor s vinutým rotorem
Synchronní stroj
Komutátorový motor
Krokový motor
Stejnosměrný stroj
Stator s: 3-fázovým vinutím
Asynchronní motor (s kotvou) nakrátko
Kroužkový asynchronní motor
vyniklými póly Motor se stíněným pólem
Synchronní stroj s vyniklými (vyjádřenými) póly
Transformátory Kat. 452
Transformátory Kat. 452 Značky ve schématech
Říjen 2004
Václav Vrána
6
Úvod Definice: Transformátory jsou elektrické netočivé stroje, které umožňují změnu velikosti (transformaci) střídavého napětí při konstantní frekvenci
Podle počtu fází je rozdělujeme na a
jednofázové
trojfázové
1. Princip činnosti ideálního transformátoru b
Magnetický obvod d I1 1
Φn
- nulový rozptyl: N1
~
Φσ
U1 primární vinutí
1’ 2
• Podmínky:
I2
Φσ = 0 - nulové ztráty:
ΣΔ P = 0 , R1 = R2= 0 , Převodový poměr:
Φσ
U2 sekundární vinutí
2’
N2
U ind1 N1 U = =K = 1 U2 U ind2 N 2
Obr.1 Jednofázový transformátor s železným jádrem
Indukovaná napětí v jednotlivých vinutích: Uind1= 4,44 . f . Φm . N1 ,
Uind2 = 4,44 . f . Φm . N2
7
2. Princip činnosti skutečného transformátoru • Skutečné ztráty - ΔP > 0 R1 > 0 , R2 > 0 • Rozptylové toky kolem vinutí Φσ1> 0 Φσ2 >0 • Skutečné napětí sekundárního vinutí U2 ≅ Uind2 - ΔU ΔU ≅ I . Zk
3.
Pracovní stavy transformátoru
• Transformátor naprázdno. I1 = I10 ,
I1o
1
I2 = 0
N1
~
U1 1’
primární vinutí
2 U20
N2 2’
Převod transformátoru
sekundární vinutí
K=
U1 U 20
Příkon odebíraný transformátorem ze sítě slouží ke krytí ztrát naprázdno, které jsou - železném jádře - Δ PFe - ve vinutí - Δ PCu.
8
Pracovní stav transformátoru : transformátor nakrátko ZK
I1k
1
U
N1
~
~
U1 1’ 2
Z2=0 U2=0
IK
primární vinutí
I2k
Obr, Náhradní schéma N2
U2=0
sekundární vinutí
Z K = Z N ⋅ uK =
2’
UN
IN
⋅ uK
Z K = ∑ R + j ⋅ ∑ X ο = R1 + R2 ⋅ K 2 + j ( X ο 1 + X ο 2 ⋅ K 2 )
Příkon odebíraný transformátorem ze sítě slouží ke krytí ztrát nakrátko, které jsou ve vinutí.
Pracovní stav transformátoru: - nakrátko Poměrné napětí nakrátko uK, uK% Při stavu transformátoru nakrátko se sníží primární napětí na hodnotu UK, při které proud odebíraný ze sítě má hodnotu
IK = IN ZK UK
~
IN
Obr, Náhradní schéma
U ind1 N1 U1 = = K = Uind2 N2 U2
uK =
UK Z ⋅I Z = K N = K UN ZN ⋅ IN ZN
uK % =
UK Z ⋅ 100 = K ⋅ 100 UN ZN
Proud nakrátko
IK =
IN ⋅ 100 uK%
9
Transformátor při zatížení Jsou všechny ostatní pracovní stavy transformátoru, (vyjma stavů naprázdno a nakrátko). Vzájemné fázové poměry napětí a proudů lze zobrazit v tzv. fázorových diagramech a přibližně závisí na charakteru a velikosti zatěžovací impedance Z2, ( 0 < Z2 < ∞ ) a parametrech vinutí (R a X). ZK
U2
Zatěžovací charakteristika transformátoru napětí naprázdno
U20
U
~
Z2.K2 -1
I2.K
U2N
U2.K
N síťové transformátory
rozptylové transformátory
Obr, Zjednodušené náhradní schéma IN
IK
I2
Účinnost transformátorů ΔP P2 P1 − ΔP = = 1− ⋅ 100 η= P1 P1 P1 ΔP = ΔPFe + ΔPCu
(W) .... ztráty v transformátoru
P1 = U1 . I1 . cosϕ1
(W) .... činný příkon transformátoru
P2 = U2 . I2 . cosϕ2
(W) .... činný výkon transformátoru.
V praxi se dosahuje účinnosti 85 až 99 % ( transformátory větších výkonů mají vyšší účinnost). Účinnost je závislá na velikosti zatížení a klesá úměrně s velikostí zatížení .
10
4. Konstrukce a provedení transformátorů • magnetický obvod (jádro) - transformátorové izolované plechy, tloušťky 0,5 a 0,35 mm - ferit • systém chlazení - vzduch - olej • vinutí - materiál : měď, hliník - počet vinutí : dvou a vícevinuťové
5. Autotransformátory I1
b
1
2
U1
U1 - U2
I. a
U2 2’
c
a) pro snižování napětí
U2 – U1
I.
I1
I2 1 2N1 U ind1 U1 = = K = Uind2 N2 U2
I1 + I2
II.
1’
I2
b
U2
a
II.
I1 + I2
U1 1’
c
2’
b) pro zvyšování napětí
Obr.9 - Zapojení autotransformátoru
Výhody: Tvrdý chod, nízké pořizovací náklady Nevýhody: Bezpečnost osob při poruše
11
6. Měřící (přístrojové) transformátory - Měřící transformátor napětí (MTN) U ind1 N1 U1 = = K = Uind2 N2 U2
Měřené napětí (např. vn)
U1 = K ⋅ U 2 K=
U1 primár
M m
N
sekundár
N1 N2
N1 >
n
N2
Jmenovité sekundární napětí transformátoru (na straně voltmetru) U2 bývá obvykle 100 V.
U2
V RiV >> 0 Obr. 10 - MTN
6. Měřící (přístrojové) transformátory - Měřící transformátor proudu (MTP) I1
K
L
k
l
U ind1 zkratovač N1 U1 = = K = Uind2 N2 U2
I2
A Ri ≈ 0
I 2 = K ⋅ I1 I2 K N K= 1 N2 I1 =
N2 >
N1
Obr.11 Zapojení MTP
Jmenovitý sekundární proud transformátoru (na straně ampérmetru) I2 bývá obvykle 5 A (1 A).
12
7. Speciální transformátory
• Pecní transformátory - odporové, - obloukové, - indukční • Svařovací transformátory
3f transformátory Přívody nižšího napětí
Konstrukce chlazení 3f transformátoru
Přívody vyššího napětí
• Suchý a vyčištěný transformátor (např. při výrobě nebo po opravě) je umístěn v nádobě z vlnitého ocelového plechu. • Nádoba je naplněna transformátorovým olejem a hermeticky uzavřena. • Vinutí jsou vyvedeny přes izolační půchodky ven. • Chladící olej cirkuluje a odvádí ztrátami vzniklé teplo od vinutí a jader do radiátorů. Řez 3f transformátorem s olejovým chlazením
13
3f transformátory - Výroba suchých typů transformátorů Suchý transformátor vn, 16 MVA
Montáž vinutí 6 kV, 1,5 MVA
Suchý transformátor pro nn
Suchý transformátor vn, 300 kVA
© Stýskala, 2002
ASYNCHRONNÍ STROJE Obecně •
•
Jednofázový asynchronní motor
Asynchronní stroj (AS) je používán jako 1f a 3f motor (AM) a také jako generátor. Nejčastěji však jako motor. Je nazýván “ tažným koněm” průmyslu.
Rozběhový kondenzátor
Většina AM používaných v průmyslu je s klecovým rotorovým vinutím, tzv. “ nakrátko”.
•
Oba motory, třífázový i jednofázový motory mají široké použití.
•
AS jako asynchronní generátor má ojedinělé použití, jako typický je použití ve větrných elektrárnách, apod.
Ložiskový štít-zadní Ložiskové pouzdro Hřídel Výkonový štítek stroje
Svorkovnice
14
ASYNCHRONNÍ MOTORY • Stator - konstrukce
Řez statorovým vinutím Jádro
– Jádro (paket) z izolovaných Statorová dynamoplechů s drážkami drážka – Vinutí z izolovaných Cu vodičů, zpravidla tří nebo jednofázové, je vytvarováno a uloženo oddělené drážkovou izolací v drážkách jádra
• Rotor klecového AM - konstrukce – Paket z izolovaných dynamolechů s Řez tyčí rotorového drážkami na vnějším obvodu vinutí – Kovové tyče vinutí zalisovány v Rotorové tyče mírné zešikmení drážkách, zpravidla slitiny na bázi Al – Dva kroužky spojující tyče nakrátko – Drážky a tyče jsou zešikmeny z důvodů snížení hlučnosti vlivu harmonických
Spojovací kruhy
Názorný řez 3f AM v patkovém provedení statorová svorkovnice
motorový přívod elektrické energie příkon P1
výkonový štítek ventilátor
kryt ventilátoru proud chladícího vzduchu
ložiska 3f statorové vinutí hřídel
výkon P2
ztráty ΔP
přední a zadní ložiskový štít patka
litinová nebo hliníková kostra s chladícími žebry
15
KROUŽKOVÉ ASYNCHRONNÍ MOTORY Rozdílnost konstruce • • • • •
Koncepce 3f AM s vinutým rotorem
Vinutý rotor: Trojfázové rotorové vinutí je uloženo v rotorových drážkách. Je zapojen zpravidla do hvězdy (Y), zřídka do trojúhelníka (D) Konce fází rotoru jsou vyvedeny na kroužky, začátky do uzlu (Y) Tři uhlíkové kartáče dosedají na tři kroužky Rotorové vinutí může být spojeno s externími variabilními rezistory nebo se samostaným zdrojem (měničem)
Statorové jádro - paket z izolovaných dynamoplechů
Rotorový paket z izolovaných dynamoplechů Fáze
Fáze
Třífázové statorové vinutí
W
U V-
Vzduchová mezera
Statorové drážky s vinutím
U+
3f rotorové vinutí uložené v rotorových drážkách vyvedené na kroužky Fáze
W+
W-
UV+
V
hřídel motoru
ASYNCHRONNÍ MOTORY Princip činnosti 3f AM
•
Statorové vinutí je napájeno třífázovým napětím, které v něm vyvolá souměrný střídavý proud.
• •
Protékající třífázový proud generuje ve statoru točivé EM pole. Toto EM pole rotuje (obíhá, otáčí se) synchronní úhlovou rychlostí Ω1 = π·n1/30. Synchronní rychlost je úměrná synchronním otáčkam n1, ty závisí na frekvenci napájecího napětí AM a počtu pólových dvojic (pólpárů) p:
n1 = 60 ·f / p
(min-1)
•
Rotující EM pole indukuje indukované napětí do vodičů rotorového vinutí nakrátko.
•
Indukované napětí vyvolá v klecovém vinutí rotoru el. proud.
16
Princip vzniku kruhového točivého magnetického pole ve statoru 3f AM
napájení z 3f střídavého zdroje harmonického napětí
fáze statorového vinutí
Uu
∼ n1 ….. synchronní otáčky točivého
mag. pole ve statorovém vinutí, resp. ve statorovém paketu
Uv
∼
Uv
∼
Působení kruhového točivého magnetického pole ve statoru 3f AM na rotor, vznik točivého momentu n1 … synchronní otáčky
Statorové vinutí
Stator
n …. otáčky (aktuální) rotoru 3 fázový zdroj
Rotor (rotorové vinutí není nakresleno)
17
ASYNCHRONNÍ MOTORY Tyče rotorového vinutí
Vznik tažné síly AM
• Točivé EM pole indukuje proud v tyčích rot. vinutí
BIndukce rotatingB I1
• Vzájemné působení tohoto proudu a EM točivého pole vyvolá hybnou sílu přenášenou na hřídel
n, Ω
l
F = B · I1 · l • l
točivého EM pole
Síla F Force
je délka rotoru
Ring Rotorové kruhy
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Význam skluzu
• Když se rotor otáčí stejnou úhlovou rychlostí (resp. otáčkami) jakou má točivé EM pole statoru, je jím indukované napětí, proud a moment roven nule. Proto k vytvoření momentu musí mít rotor AM rychlost menší než je rychlost synchronní (Ω < Ω1 , resp. n < n1).
• Motor ke své činnosti potřebuje stále určitý rozdíl rychlosti (otáček) rotoru vůči rychlosti (otáčkám) synchronní, vytvořené EM polem statoru. Tento poměrný pokles otáček se nazýván skluz s a je dán vztahem: s = (n1 - n)/n1
• Frekvence indukovaného napětí a proudu v rotoru je:
f2 = s⋅ f1
• Jmenovitý skluz sn (při jmenovitém zatížení) AM bývá od 0,5 do 5%, u velmi malých motorů až 10%.
18
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Skluz - Příklad výpočtu Třífázový AM 14,7 kW, 3x230V, 50Hz, šestipólový, zapojený do Y, má jmenovitý skluz 5%. Vypočtěte: a) Synchronní otáčky a synchronní rychlost b) Jmenovité otáčky rotoru c) Jmenovitý moment motoru
Řešení a) Synchronní otáčky : n1 = 60 ⋅ f /p = 60 ⋅ 50 / 3 = 1 000 ot./min., tj. 16,667 ot./s. synchronní úhlová rychlost : Ω 1 = 2 ⋅ π ⋅ n1 = 104,669 rad./s. b) Otáčky rotoru: nn = (1 - s ) ⋅ n1 = (1 - 0,05) ⋅ 1 000 = 950 ot./min., tj. 15,83 ot./s. úhlová rychlost rotoru: Ω n = 2 ⋅ π ⋅ nn = 99,465 rad./s. Jmenovitý moment motoru: Mn= P2n/ Ω n = 147,8 Nm
b)
ASYNCHRONNÍ MOTORY 3f AM - Momentová charakteristika - průběh a důležité hodnoty Momentová charakteristika, tzn. n = f (M) závislost rychlosti, resp. otáček AM na zatěžovacím momentu se dá sestrojit např. pomocí programu MathCad. •
Obrázek s m.ch. AM ukazuje důležité body a hodnoty, včetně nominálního bodu A.
• AM pracuje jako motor v rozsahu skluzu od 1 do 0.
M
n1 0,0 0,05
n0
n = f (M)
0,1
n nz
A 0
0,2
N
0,3 v
MN
0,4 0,5
n , resp. Ω
s
MM
0,6 0,7 0,8
MZ M
0,9 s = 1,0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
19
Asynchronní motory 3 pracovní režimy, plynulé přechody
Řízení rychlosti AM, brzdění Řízení rychlosti AM
Brzdění AM
• Změnou frekvence statorového napětí (frekvenční měnič) • Změnou rotorového odporu (podsynchronní kaskáda) • Změnou počtu pólů (Dahlanderovo zapojení)
• Protiproudé (reverzace fází) motor pracuje jako brzda s>1 • Nadsynchronní (generátorické) (frekvenční měnič / dahlander) s<0 • Dynamické (stejnosměrné)
20
ASYNCHRONNÍ MOTORY “ Jednofázový AM ” Statorový paket z izolovaných Statorové dynymoplechů drážky s vinutím
OBECNĚ
• Je nejvíce používán v chladničkách, pračkách, ždímačkách, hodinách, vrtačkách, malých kompresorech, pumpách, atd.
Hlavní vinutí
Klecový rotor
+
_
Rotorov tyče
• U tohoto typu motoru je v drážkách statorovém paketu uloženo dvojí Startovací vinutí uspořádané navzájem kolmo. - pomocné vinutí Jedno je hlavní (pracovní), a druhé pomocné je pro rozběh (stratovací).
Kroužky spojující tyče nakrátko
ASYNCHRONNÍ MOTORY Jednofázový AM
- Princip spouštění
• Spouštění 1f AM vyžaduje vytvoření točivého EM pole. • Točivé EM pole k rozběhu je zde vytvořeno (např. pomocí kapacitoru v) proudy ve vinutích navzájem fazově posunutími o 90o (el.).
odstředivý spínač
I
rozběhové vinutí
U
hlavní vinutí
C
rotor
21
Stejnosměrné (DC) motory • mají obdobnou konstrukci jako DC generátory • vyžadují jeden nebo dva DC napájecí zdroje • možnost řízení jejich otáček je jednoduchá • vyrábějí a používají se v širokém rozsahu výkonů od setin W, až po jednotky MW • v současnosti jsou jejich aplikace nahrazovány AC pohony především z důvodů spolehlivosti, menších nároků na údržbu, levnější pořizovací ceny a příznivějšího poměru výkonu na jednotku hmotnosti
Konstrukční uspořádání DC motoru
22
Zapojení budícího, kotevního vinutí a vinutí pomocných pólů DC motoru Hlavní póly (budící)
Kotva (rotor)
Kartáče
Pomocné póly
Zdroj budícího a kotevního napětí
Principielní uspořádání DC motoru Otáčky n (směr otáčení rotoru)
Uhlíkové kartáče
hřídel
S kotva
elektromagnetické pole – elektromagnetické buzení, nebo permanentní magnet
+
-
Napájecí napětí kotvy
komutátor
Jižní pól
Severní pól
J S
23
+
Napájecí napětí kotvy
Jižní pól
Severní pól
Principielní uspořádání DC motoru a jeho činnost
Animace principu činnosti DC motoru
S
+ Ua .. napájení kotvy motoru
J
24
Řez špičkovým převodovým DC motorem firmy MAXON
Druhy stejnosměrných strojů • Podle toku energie – motory, generátory • Obdobně jako AM – 3 režimy – motor – generátor – brzda • Podle zapojení budicího vinutí – viz obr. níže
25
Mechanické charakteristiky DC motorů Vlastností DC motorů je velký záběrný proud viz charakteristiky, realizace rozběhu a) Jen vyjímečně přímým připojením (univerzální motorky, serva) b) při sníženém napětí c) S předřadným odporem Mechanické charakteristiky motoru se sériovým buzením (univerzální motor)
Mechanické charakteristiky motoru s cizím buzením, příp. s permanentními magnety
Použití stejnosměrných strojů • Trakce (sériové motory, motory s cizím buzením) • Hračky, servomotorky Zvláštní druh jsou tzv. univerzální motory • jedná se o upravený sériový motor, který lze napájet DC i AC napětím, využití – vysavače, ruční nářadí • Mech. charakteristiky jsou shodné se sériovým motorem
26
Synchronní stroje
Synchronní motor 3 150 kW Synchronní generátor 14 500 kW
Synchronní stroje Dělení synchronních strojů Podle směru toku energie Motory
Generátory (alternátory)
Podle provedení konstrukce rotoru S hladkým S vyniklými rotorem póly S permanentními magnety
Charakteristické vlastnosti: synchronní rychlost, vysoká účinnost, možnost měnit účiník (kompenzovat) Charakteristické využití: generátory (turboalternátory, hydrogenerátory), synchronní stroj jako tzv. „ventilový pohon“ pro pohon např. ropovodu, pohony válcovacích stolic (velké výkony, malé otáčky)
27
Synchronní stroje
Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační (využívaný ve většině běžných AC generátorů) u(t)
Časový průběh indukovaného napětí
ωt S
Rychlost otáčení, resp. otáčky n
J Mag. indukce B
~ VOL
TMET
R
i(t) - (střídavý proud – obou polarit)
u(t) –
střídavé indukované napětí
28
Hlavní části generátoru •
Kotevní vinutí: je nejčastěji 3f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá „vyrobená“ indukovaná elektrická energie
• Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče (často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole •
Stator: pevná část generátoru
•
Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje
•
Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím, pozn. Napájení je možné i bez kartáčů indukcí tzv. bezkontaktní buzení větší spolehlivost
-------------------------------------------------------------------------------------------------° Hnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory ...
Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně L1
tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru
L3
L1
L2
L3
kroužky
L2
3f statorové vinutí
Nulový vodič Kartáče
N (S)
+ DC BUDIČ S (J)
Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje
29
Pohled na 3f synchronní hydroalternátor (vodní dílo Lipno, 2x 60 MW)
Charakteristiky synchronních strojů Rozběh synchr. motoru: a) asynchronní, poté vtažení do synchronismu b) cizím pomocným motorem c) pomocí frekvenčního měniče, cyklokonvertoru
Momentová charakteristika synchronního stroje
30
