ELEKTRICKÁ ZAŘÍZENÍ 5 KOMUTÁTOROVÉ STROJE MĚNIČE JIŘÍ LIBRA UČEBNÍ TEXTY PRO VÝUKU ELEKTROTECHNICKÝCH OBORŮ
1
Obsah 1.
Úvod k elektrickým strojům............................................................................................... 4
2.
Stejnosměrné stroje ............................................................................................................ 5 2.1.
Úvod ke stejnosměrným strojům................................................................................ 5
2.2.
Porovnání asynchronních, synchronních a stejnosměrných strojů............................. 6
2.3.
Konstrukce stejnosměrných strojů ............................................................................. 7
2.4.
Princip činnosti stejnosměrného generátoru – dynama.............................................. 9
2.5.
Princip činnosti stejnosměrného motoru .................................................................. 11
2.6.
Vinutí stejnosměrných strojů ................................................................................... 12
2.6.1.
Póly stejnosměrných strojů .............................................................................. 12
2.6.2.
Statorové vinutí ................................................................................................ 13
2.6.3.
Rotorové vinutí................................................................................................. 13
2.7.
Princip komutace...................................................................................................... 14
2.8.
Zpětné působení kotvy – reakce kotvy..................................................................... 15
2.9.
Komutace a pomocné (komutační) póly .................................................................. 17
2.10.
Vliv reakce kotvy a komutace na chod stejnosměrných strojů ............................ 18
2.11.
Druhy stejnosměrných strojů a jejich řízení......................................................... 18
2.12.
Zapojení stejnosměrných generátorů – dynam.................................................... 20
2.12.1.
Dynamo s cizím buzením................................................................................. 20
2.12.2.
Dynamo s buzením permanentním magnetem ................................................. 20
2.12.3.
Derivační dynamo ............................................................................................ 21
2.12.4.
Sériové dynamo................................................................................................ 22
2.12.5.
Kompaundní dynamo ....................................................................................... 22
2.13.
Úvod ke stejnosměrným motorům ....................................................................... 23
2.13.1.
Princip činnosti stejnosměrných motorů .......................................................... 23
2.13.2.
Spouštění stejnosměrných motorů ................................................................... 23
2.14.
Řízení otáček stejnosměrných motorů ................................................................. 24
2.15.
Zapojení stejnosměrných motorů ......................................................................... 24
2.15.1.
Motor s cizím buzením..................................................................................... 24
2.15.2.
Motory s permanentními magnety ................................................................... 25
2.15.3.
Derivační motor................................................................................................ 25
2.15.4.
Motor se sériovým buzením............................................................................. 26
2.15.5.
Kompaundní motor .......................................................................................... 26
2.16.
Označení svorek stejnosměrných strojů ............................................................... 27
2.17.
Motor s kotoučovým rotorem.............................................................................. 28
3.
Komutátorové motory na střídavý proud ......................................................................... 29 3.1.
Rozdělení střídavých komutátorových motorů ........................................................ 29
3.2.
Konstrukce jednofázových komutátorových motorů ............................................... 30
3.3.
Jednofázové komutátorové motory .......................................................................... 31
3.3.1.
Jednofázový sériový univerzální komutátorový motor.................................... 31
3.3.2.
Jednofázové trakční motory ............................................................................. 31
3.3.3.
Repulzní motor................................................................................................. 32
3.4.
4.
3.4.1.
Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru ...................... 33
3.4.2.
Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru ....................... 34
Měniče.............................................................................................................................. 35 4.1.
Rotační měniče......................................................................................................... 35
4.2.
Leonardova skupina ................................................................................................. 36
4.3.
Polovodičové pohony stejnosměrných motorů ........................................................ 37
4.3.1.
Tyristorové řízené usměrňovače ...................................................................... 37
4.3.2.
Stejnosměrné měniče napětí (pulzní měniče)................................................... 38
4.4.
5.
Trojfázové derivační komutátorové motory............................................................. 33
Polovodičové pohony střídavých motorů................................................................. 39
4.4.1.
Polovodičové stykače....................................................................................... 39
4.4.2.
Softstartéry ....................................................................................................... 39
4.4.3.
Měnič kmitočtu s napěťovým střídačem .......................................................... 40
Použitá literatura a informační zdroje .............................................................................. 41
3
1. Úvod k elektrickým strojům Definice elektrického stroje Elektrický stroj je zařízení, které na principu elektromagnetické indukce umožňuje přeměnu jedné formy energie na druhou, přitom jedna z nich je elektrická. Schématicky lze elektrický stroj vyjádřit: •
primární elektrický okruh
•
magnetický obvod
•
sekundární elektrický obvod
U generátoru (obrázek vpravo nahoře) si můžeme jako primární okruh představit budicí obvod, který v magnetickém obvodu vytvoří magnetický tok a s využitím mechanické energie zabezpečí, že se v pracovním vinutí začne indukovat napětí a generátor začne dodávat elektrickou energii. Pracovní vinutí představuje sekundární obvod. U motoru (obrázek vpravo dole) se obdobným způsobem mění elektrická energie na mechanickou, primárním okruhem je pracovní vinutí a sekundárním budicí, popř. rotorové vinutí. Pokud některá z částí chybí, nelze hovořit o elektrickém stroji. Např. tlumivka nemá sekundární elektrický obvod, usměrňovač nepracuje na principu elektromagnetické indukce, žárovka mění elektrickou energii na světelnou a tepelnou, přeměna energie však neprobíhá s využitím elektromagnetické indukce. Základní rozdělení elektrických strojů •
netočivé stroje – transformátory (jednofázové, třífázové)
•
točivé stroje – generátory, motory
Rozdělení točivých elektrických strojů •
podle druhu proudu o stejnosměrné o střídavé (jednofázové, třífázové)
•
podle velikosti napětí, výkonu – nízkonapěťové, vysokonapěťové, malého výkonu, výkonové
•
podle principu funkce o střídavé stroje (synchronní, asynchronní – indukční) o komutátorové (stejnosměrné – motory, dynama, střídavé) o speciální – krokové, lineární motory, rotační měniče
4
Problematika netočivých a střídavých strojů je popsána v učebních textech 3 a 4.
2. Stejnosměrné stroje 2.1. Úvod ke stejnosměrným strojům I když jsou stejnosměrné stroje nejsložitější, jsou nejstarším druhem elektrických strojů. Již v roce 1831 britský fyzik Michael Faraday předvedl první princip dynama v historii. Jeho stroj se skládal z měděného kotouče o poloměru 15 cm, který se otáčel mezi dvěma póly trvalého magnetu. O půl století později v roce 1881 ohromil elektrotechnický svět vynálezce Thomas Alva Edison svým dynamem, které dodávalo proud pro 2 000 žárovek a ve své době bylo největší na světě. Velkou výhodou stejnosměrných strojů je snadné řízení otáček a vlastnost, že každý stejnosměrný stroj může pracovat jako dynamo nebo jako motor. Proto v minulosti došlo k jejich výraznému rozšíření. V současné době jejich význam klesá z důvodu rozvoje elektroniky a snížení cen měničů kmitočtů, které se používají k regulaci pohonů se synchronními nebo asynchronními motory. Důvodem náhrady stejnosměrných strojů je jejich složitost, vysoká cena, náročná údržba a v rotačních pohonech nízká energetická účinnost. Stejnosměrné motory stále nacházejí uplatnění tam, kde je požadována plynulá regulace otáček a velký záběrový moment, jako např. v elektrické trakci, při pohonech obráběcích strojů. Dále se stejnosměrné motory malých výkonů používají pro různá automatizační zařízení a elektrické spotřebiče napájené ze sítě nebo z baterií, jako jsou přístroje spotřební elektroniky, dětské hračky apod. Generátory stejnosměrného proudu se nazývají dynama. Používají se především pro velké výkony pohonů, např. dieselelektrických lokomotiv. I v této oblasti jsou vytlačovány alternátory. Jako zdroje stejnosměrných proudů pro menší výkony jsou v současné době nahrazovány stejnosměrnými zdroji s řízenými polovodičovými usměrňovači. Derivační dynama se používají v místech bez elektrických rozvodů jako zdroje stejnosměrného proudu pro buzení jiných strojů nebo nabíjení akumulátorů. Na obrázcích vpravo a dole vidíme historická dynama velkého výkonu.
5
2.2. Porovnání asynchronních, synchronních a stejnosměrných strojů Vlastnost, funkce umístění pracovního vinutí
asynchronní stator
umístění budícího vinutí
synchronní
stejnosměrné
stator
rotor
rotor
stator (sériové, derivační, smíšené, cizí, u malých strojů permanentní magnet)
druh rotorového vinutí
kotva nakrátko nebo vinutá
budicí stejnosměrné, permanentní magnet u malých strojů
pracovní vinutí
napájení
stator – střídavé
stator – střídavé,
stejnosměrné
rotor – stejnosměrné přídavná zařízení
spouštěcí rezistory u motoru s kotvou vinutou
budič nebo zdroj budícího napětí, zařízení pro rozběh
pro velké výkony budiče, popř. regulátory
spouštění
jednoduché
složité
konstrukčně složité, ovládání v principu jednoduché
obsluha
jednoduchá
složitá (rozběh, buzení)
jednoduchá u malých strojů, u větších je složitější
stabilita otáček
poměrně stabilní
stabilní, přesné dle kmitočtu sítě
otáčky kolísají se změnou napětí kotvy a se zatížením (především u sériových motorů
regulace otáček
obtížná – změnou počtu pólů, změnou kmitočtu, změnou
obtížná – změnou počtu pólů, změnou kmitočtu
jednoduchá (změnou napětí kotvy, popř. budicího proudu)
6
skluzu regulace výkonu
není
změnou buzení
změnou buzení
při přetížení
klesnou otáčky, motor motor vypadne ze motor je schopen se ale nezastaví synchronních otáček a pracovat i při velkém zastaví se přetížení
pracovní otáčky
asynchronní motor synchronní, motor nemůže pracovat nemůže pracovat v synchronních v jiných otáčkách otáčkách – v rotoru se neindukuje žádné napětí
nastavují se napětím kotvy, po dosažení jmenovitého napětí snížením budícího proudu motoru
záběrový moment
malý
malý
velký
záběrový proud
velký
velký
motor lze rozbíhat plynule bez proudových nárazů
zatěžování sítě jalovým výkonem
značné
nezatěžuje
citlivost na změnu napájecího napětí
malá
malá
velká
výroba proudu
nemůže vyrábět bez připojení k síti, nevytvoří se magnetické pole
po nabuzení může vyrábět nezávisle el. proud
po nabuzení může vyrábět nezávisle elektrický proud, derivační nebo kompaundní dynamo žádný zdroj budícího proudu nepotřebuje
2.3. Konstrukce stejnosměrných strojů Stroje s komutátorem jsou většinou konstruovány pro stejnosměrný proud, ale také pro střídavý jednofázový a trojfázový proud. Stator bývá tvořen tělesem stroje s vnitřními póly, tvořeným plným ocelovým prstencovým jádrem s pólovými nástavci a jádry cívek z elektrotechnických plechů, na kterých jsou umístěny cívky statorového budicího vinutí.
7
Pro malé výkony jsou stejnosměrné stroje konstruovány také se statorem s permanentními magnety, které nahrazují budicí statorové cívky. Ve strojích s většími výkony jsou mezi hlavními póly statoru umístěny ještě pomocné (komutační) póly, tvořené cívkami na jádrech z plechů nebo plné oceli. V pólových nástavcích hlavních pólů může být ještě uloženo kompenzační vinutí. Stejnosměrné stroje bývají také stavěny bez vyniklých statorových pólů. Jejich stator je tvořen svazkem statorových plechů s drážkami pro vinutí, tak jako statory trojfázových motorů. V drážkách je pak uloženo budicí vinutí i vinutí pomocných komutačních pólů. Stator složený z elektrotechnických plechů se používá v případech, kdy je stejnosměrné buzení napájeno tepavým proudem usměrňovače a ne ideálním stejnosměrným proudem. Kotva (rotor) stejnosměrného stroje se skládá z ocelového hřídele a svazku rotorových plechů nalisovaného na hřídeli. V drážkách svazku rotorových plechů je uloženo pracovní vinutí napojené na komutátor umístěný rovněž na hřídeli stroje. Komutátor (kolektor) je válec, jehož plášť je tvořen lamelami z tvrdé měděné slitiny, oddělenými od sebe slídou. K lamelám jsou připojeny (pájením, bodovým svařováním, lisováním) vývody rotorových vinutí. Na statoru stroje je nosič kartáčů s čepy (sběrací ústrojí), na kterých jsou otočně upevněny držáky uhlíkových kartáčů.
8
Uhlíkové kartáče jsou přitlačovány k povrchu komutátoru tak, aby po lamelách klouzaly při otáčení rotoru. Konstrukci stejnosměrného stroje vidíme na obrázku dole.
Na dalším obrázku jsou zobrazeny důležité konstrukční díly stejnosměrného stroje.
2.4. Princip činnosti stejnosměrného generátoru – dynama Při otáčení kotvy s jedním závitem vinutí v magnetickém poli statoru generátoru se plynule mění velikost magnetického toku procházejícího tímto závitem. Přímo proti pólům se indukuje v pohybujícím se závitu největší napětí, protože je tu největší změna magnetického toku působícího na závit. Ve vodorovné poloze jsou vodiče závitu rovnoběžné s magnetickými siločárami a žádné napětí se v nich neindukuje. Při dalším otáčení se ve vodičích závitu indukuje napětí opačné polarity. V závitu se indukuje střídavé napětí, jak je uvedeno na obrázku. Připojíme-li konce závitu na kroužky, můžeme z uhlíkových kartáčů odebírat střídavý proud – obrázek vlevo. Generátor v tomto případě pracuje jako alternátor. V praxi je však pro alternátor výhodnější umístit vinutí na stator a magnet nebo budicí vinutí na rotor.
9
Pokud připojíme konce závitu na lamely komutátoru (obrázek vpravo), můžeme odebírat stejnosměrný proud. Je to způsobeno tím, že při průchodu závitu vodorovnou polohou se mění nejen polarita indukovaného napětí, ale zároveň na uhlíkový kartáč se přesune druhá lamela komutátoru s opačným napětím. Komutátor tedy pracuje jako přepínač polarity výstupního napětí nebo proudu. Komutátor je v podstatě mechanický rotační usměrňovač. Tímto konstrukčním řešením získáme generátor stejnosměrného proudu – dynamo. Z popsaného principu je zřejmé, že princip vzniku indukovaného napětí v alternátoru i dynamu je stejný. Velikost indukovaného napětí je závislá na počtu závitů vinutí kotvy, velikosti magnetického toku a počtu otáček kotvy. K dosažení vyrovnanějšího průběhu stejnosměrného napětí vyráběného dynamem se používá kotva, která má vinutí tvořena větším počtem vzájemně pootočených smyček – viz obrázek.
Vinutí má takový počet závitů, který je potřebný pro dosažení požadovaného napětí. Každé smyčce vinutí pak připadne na komutátoru dvojice protilehlých lamel. Lamely jsou uspořádány tak, že kartáče odebírají napětí vždy jen z dvojice lamel odpovídající smyčce s největším indukovaným napětím, tj. při pohybu kolmo na směr indukčních čar – na obrázku vinutí 1 – 2. Napětí z ostatních smyček vinutí jsou přitom nevyužita.
10
Pokud jsou však smyčky na kotvě sériově propojeny, žádná indukovaná napětí nezůstanou nevyužita. Napětí všech smyček se sčítají.
I přes malá indukovaná napětí v jednotlivých smyčkách vinutí může dávat dynamo velké napětí, má-li na kotvě vinutí s potřebným počtem závitů. U stejnosměrných strojů se používá tento způsob provedení vinutí. Kotva dynama mívá většinou bubnové provedení s hladkým povrchem. Při zvyšování otáček dynama vzrůstá indukované napětí. V praxi se napětí dynama reguluje budicím proudem. Úpravou tvaru pólových nástavců hlavních pólů se získá výhodnější průběh indukovaného napětí, jak je uvedeno na následujícím obrázku. Spojením většího počtu cívek ve vinutí kotvy bude průběh výstupního napětí méně zvlněný.
2.5. Princip činnosti stejnosměrného motoru Stejnosměrný motor i dynamo mají shodnou konstrukci statoru i rotoru – kotvy. Přivedeme-li na kartáče stejnosměrné napětí, motor se roztočí. U motoru však není možné použít nejjednodušší řešení komutátoru se dvěma lamelami, protože v případě, kdy mezera mezi lamelami komutátoru bude menší, než je šířka uhlíkového kartáče, dojde ke zkratování napájecího napětí přes uhlíky a lamely komutátoru, což je znázorněno na obrázku vlevo. Bude-li mezera větší než šířka uhlíku, motor se v poloze uhlíků v mezerách komutátoru
11
nerozběhne, protože na lamelách komutátoru nebude napětí. Tento stav je znázorněn na obrázku uprostřed.
Proto mívají nejjednodušší stejnosměrné motoru kotvu se třemi vinutími a třemi lamelami komutátoru, jak je uvedeno na obrázku nahoře vpravo. To umožňuje bezproblémový běh motoru. Skutečné provedení kotvy malého stejnosměrného obrázku vidíme na obrázku vpravo. Tyto motory se používají v elektrických hračkách, modelech dopravních prostředků a celé řadě dalších zařízení na malá napětí a malé výkony.
2.6. Vinutí stejnosměrných strojů 2.6.1.
Póly stejnosměrných strojů
Póly u stejnosměrných strojů mají jiný význam než póly u střídavých strojů, kde jejich počet měl vliv na otáčky motorů nebo kmitočet generátorů. U stejnosměrných strojů póly určují počet paralelních větví vinutí kotvy. Nejjednodušší jsou dvoupólové stroje, které mají 2 uhlíkové kartáče a vinutí kotvy vytváří 2 paralelní větve. Rovněž na statoru jsou 2 póly – viz obrázek vlevo. U čtyřpólového stroje, který je na obrázku uprostřed, jsou 2 dvojice uhlíkových kartáčů. Protilehlé kartáče jsou propojeny. Ve vinutí kotvy jsou 4 paralelní větve. Také stator v tomto případě musí být čtyřpólový. Na obrázku vpravo je šestipólový stroj. Má 3 dvojice uhlíkových kartáčů střídavě propojených do dvou skupin. Stator je šestipólový.
12
Zvyšováním počtu pólů se zvětšuje počet paralelních větví ve vinutí kotvy, což je důležité především při konstrukci stejnosměrných motorů a dynam velkých výkonů. Při větším počtu paralelních větví se celkový proud rozdělí do jednotlivých větví a vinutí je možné navíjet menšími průřezy vodičů, což usnadňuje výrobu. Počet pólů ve statoru a počet pólů vytvořených v kotvě musí být vždy shodný.
2.6.2.
Statorové vinutí
Ve statoru stejnosměrného stroje jsou umístěny budicí cívky, připojené k vinutí rotoru sériově, paralelně nebo kombinovaně. Ke statoru dále patří kompenzační vinutí a pomocné (komutační) vinutí. Budicí cívky mohou být zapojeny v sérii, paralelně, nebo ve skupinách paralelně. Každý stejnosměrný stroj má tolik budících cívek, kolik má pólů.
2.6.3.
Rotorové vinutí
Smyčková vinutí Rotory stejnosměrných strojů mají většinou dvouvrstvé vinutí. Protože strany cívky rotoru musí ležet vždy pod nestejnojmennými póly, platí tak jako pro trojfázové vinutí, že krok vinutí (drážkový krok) musí přibližně odpovídat pólovému dělení. Vinutí rotoru stejnosměrného stroje je možné rovněž navinout podle obrázku vpravo s průměrným (vlevo) nebo zkráceným (vpravo) krokem. Jsou-li cívky rotoru připojeny na lamely komutátoru tak, že konec jedné cívky je na
13
lamele spojen se začátkem cívky sousední, nazývá se toto sériové spojení smyčkové vinutí a jednotlivé smyčky jsou přes kartáče postupně zkratovány. Zapojení smyčkového vinutí je na obrázku. Rozdíl v pořadí lamel, na které je připojen začátek a konec vinutí jedné cívky rotoru, se nazývá krok vinutí nebo krok komutátoru. Vinutí rotoru na obrázku je provedeno jako nekřížené. Začátek cívky 1 je připojen na lamelu 1 a tam spojen s koncem cívky10. Konec cívky 1 je spojen se začátkem cívky 2 a tento způsob se u dalších cívek opakuje. Pokud by bylo zapojení provedeno tak, že by byl začátek cívky 1 připojen na lamelu 1 a konec na lamelu 10, vzniklo by křížené smyčkové vinutí. Počet paralelně zapojených proudových okruhů je u smyčkového vinutí vždy roven počtu pólů a počtu kartáčů. Vlnivá vinutí Zatímco smyčkové vinutí má stejný počet postupně zkratovaných paralelních cívek jako pólů, je u vlnivého vinutí počet do série zapojených cívek poloviční, tedy roven počtu pólových párů. Komutátorový krok tak odpovídá dvojnásobnému pólovému dělení. Plán zapojení sériově řazených cívek má vlnitý vzhled, proto se vinutí nazývá vlnivé. Zapojení vlnivého vinutí je na obrázku vpravo. Vinutí na obrázku je čtyřpólové. Nezávisle na počtu pólů stroje jsou vždy současně zapojeny paralelně dvě větve cívek. Počet lamel musí být lichý, neboť jinak by konec cívky prvního obvodu sériově přes lamely spojených cívek začínajícího na lamele 1 opět skončil na této lamele a obvod by byl zkratován. Přesto však může být buď počet drážek nebo počet lamel dělitelný beze zbytku počtem pólů.
2.7. Princip komutace Na obrázku vpravo je znázorněn princip komutace u motoru. Část komutátoru je zde zakreslena v rozvinutém tvaru. Šipka ukazuje směr otáčení. Při otáčení se pod
14
komutátorem uhlíkový kartáč postupně dotýká jednotlivých lamel komutátoru. Je-li lamela komutátoru širší než uhlík, mohou nastat tyto případy: Dotýká-li se uhlík jedné lamely (obrázek nahoře), prochází poloviční hodnota proudu cívkami napravo od uhlíku směrem doprava, a cívkami nalevo od uhlíku směrem doleva. Pootočí-li se komutátor o půl lamely (druhý obrázek shora), je cívka zapojená mezi lamelami 2 a 3 uhlíkem zkratována, ostatními cívkami prochází poloviční hodnota proudu ve směru šipek Pootočí-li se komutátor dále o půl lamely (třetí obrázek shora), změní se směr proudu v cívce zapojené mezi lamelami 2 a 3. Při dalším pootočení se změní směr proudu v cívce zapojené mezi lamelami 3 a 4, dále v cívce zapojené mezi lamelami 5 a 6. Tímto způsobem se mění polarita proudu v cívkách nalevo od uhlíku na opačnou. Z obrázku je zřejmé, že komutátor vykonává funkci přepínače polarity. U dynama je princip komutace stejný. Obrázek v tomto případě platí pro uhlík připojený k zápornému pólu dynama. U kladného pólu by byly směry šipek opačné. Komutátor u dynama pracuje jako mechanický usměrňovač.
2.8. Zpětné působení kotvy – reakce kotvy Příčné pole kotvy Hlavní póly stejnosměrného stroje vytvářejí budicí magnetické pole, které se uzavírá přes kotvu tvořenou svazkem rotorových plechů. Kartáče jsou umístěny tak, že mají vždy kontakt s lamelami, na které jsou připojeny vývody toho vinutí kotvy, které je v neutrální zóně, tedy bez napětí. Tím je zabráněno jiskření mezi lamelami rotujícího komutátoru a sběrnými uhlíkovými kartáči. Tvar magnetického pole a průběh magnetické indukce jsou znázorněny na levém obrázku. Při zatížení protéká vinutím kotvy proud. Cívka kotvy tak vytváří magnetické pole, které je v okamžiku maxima kolmé k magnetickému poli statoru a je označováno jako příčné pole kotvy. Jeho tvar a průběh magnetické indukce jsou uvedeny na prostředním obrázku. Hlavní budicí pole statoru vytváří společně s příčným polem kotvy společné pole, jehož osa je pootočena ve směru otáčení kotvy. Tento stav je zobrazen na obrázku vpravo. Úhel pootočení způsobeného zpětným působením kotvy se zvětšuje s proudovou zátěží dynama. Dochází přitom k deformaci průběhu magnetické indukce a tím i výstupního napětí.
15
Účinkům zpětnému působení kotvy lze zabránit buď pootočením uhlíkových kartáčů o stejný úhel do nové neutrální osy a nebo s pomocí kompenzačního vinutí, které svým magnetickým účinkem deformaci magnetického pole odstraní (obrázek vpravo).
Natočení uhlíkových kartáčů Tento způsob odstranění nepříznivých účinků zpětného působení kotvy je jednoduchý, má však pouze omezené možnosti využití. Lze jej použít u strojů s jedním směrem otáčení a se stabilním výkonovým zatížením. Toho lze prakticky využít pouze u dynam a motorů s jedním směrem točení a neměnným zatížením. Kompenzační vinutí Kompenzační vinutí zabraňuje deformacím budicího pole v oblasti hlavních pólů. Kompenzační vinutí je uloženo v pólových nástavcích hlavních pólů. Je zapojeno sériově s vinutím pomocných komutačních pólů a s vinutím kotvy. Velké stroje s vysokými otáčkami jsou vybaveny pomocnými póly i kompenzačními vinutími. Umístění jednotlivých vinutí vidíme na následujícím obrázku.
16
2.9. Komutace a pomocné (komutační) póly Jak již bylo uvedeno, při komutaci dochází ke změně směru proudu v cívkách kotvy. Komutující cívka je přitom zkratována uhlíkovým kartáčem, který propojí mezeru mezi lamelami, na které jsou připojeny konce cívky – viz obrázek nalevo. Tento stav nastává v oblasti neutrální osy. Protože jsou kartáče umístěny v neutrální ose, neindukuje se v komutující cívce vlivem otáčení napětí. Avšak indukuje se v ní tzv. reaktanční napětí, které je způsobeno časovou změnou proudu a indukčností komutující cívky. Toto napětí je největší v okamžiku, kdy uhlíkový kartáč opouští lamelu, a kdy dochází k odstranění zkratu komutující cívky. To se projeví jiskřením na odběhové hraně uhlíkového kartáče a k opalování kartáčů i lamel elektrickými oblouky a jiskrami. Pro potlačení vlivu reaktančního napětí postačí umístit komutující cívku do vhodného magnetického pole, které způsobí v cívce vznik tzv. komutačního napětí, které působí proti reaktančnímu napětí a neutralizuje jeho vliv. Toho lze dosáhnout buď natočením kartáčů z neutrální polohy, a nebo vložením pomocných pólů mezi hlavní póly budicího vinutí. Natočení kartáčů z neutrální polohy
17
V kapitole zaměřené na zpětné působení kotvy bylo popsáno, že proud kotvy způsobuje vznik magnetického pole kotvy, které způsobuje deformaci budicího magnetického pole vytvořeného hlavními póly. Dochází k vychýlení neutrální osy, které zle kompenzovat natočením uhlíkových kartáčů. Na točení neutrální osy vlivem zpětného působení kotvy má také vliv na komutaci. Pouhé natočení kartáčů sice odstraní tento vliv, neodstraní však reaktanční napětí komutující cívky. K tomu je nutné natočit kartáče o další úhel, aby se komutující cívka dostala do vlivu sousedního pólu s indukcí odpovídající potřebnému komutačnímu napětí. Natočení kartáčů má i v tomto případě svoje omezení – lze je použít u strojů se stabilní zátěží a jedním směrem točení. Pomocné póly Vliv reaktančního napětí v komutujících cívkách je možno kompenzovat magnetickým polem pomocného vinutí statoru. Mezi hlavními póly statoru jsou umístěny úzké pomocné (komutační) póly (obrázek vpravo nahoře). Protože je indukce příčného pole kotvy závislá na proudu kotvy, je vinutí komutačních pólů zapojeno v sérii s vinutím kotvy. Tím je dosaženo stavu, že i při kolísajícím proudovém zatížení mají příčné pole kotvy i komutační pole stejně velikou a opačnou indukci a vždy se vzájemně kompenzují, takže nedochází k pootáčení neutrální zóny v magnetickém poli statoru. Zapojení kompenzačního vinutí a vinutí pomocných pólů je na obrázku vpravo dole.
2.10. Vliv reakce kotvy a komutace na chod stejnosměrných strojů Z uvedených údajů vyplývá, že správnou funkci stejnosměrných strojů ovlivňuje celá řada faktorů. Na komutaci dále nepříznivě působí nerovný nebo znečistěný povrch komutátoru, vlhkost, přítomnost mastnoty, nevhodný materiál uhlíkových kartáčů, nevhodné upevnění nebo nastavení kartáčů, jejich tlak na komutátor nebo chvění stroje. Ne vždy se podaří dosáhnout bezjiskrové komutace. Problémy komutace jsou také příčinou, která ovlivňuje a omezuje výkonové a napěťové parametry stejnosměrných strojů. Je zřejmé, že jejich seřízení a údržba vyžadují vysoce kvalifikované pracovníky.
2.11. Druhy stejnosměrných strojů a jejich řízení Podle způsobu spojení mezi budicím vinutím statoru a vinutím kotvy rozeznáváme různé druhy stejnosměrných strojů. Druh buzení a praktické použití jsou uvedeny na následujícím obrázku.
18
Buzení permanentním magnetem, z cizího zdroje, paralelní a smíšené se používá u motorů i dynam. Sériové buzení se používá pouze u motorů, u dynam pouze výjimečně. Řízení výstupního napětí dynam Výstupní napětí dynam lze regulovat otáčkami a buzením. Regulace změnou otáček se běžně neprovádí, využívá se pouze u dynam s permanentním magnetem, která pracují jako snímače otáček – tzv. tachodynama (levý obrázek). U nich se využívá toho, že výstupní napětí je přímo úměrné otáčkám. Na obrázku vpravo je automobilní dynamo, jehož výstupní napětí je závislé na otáčkách spalovacího motoru, řízení výstupního proudu je však prováděno budicím proudem. Řízení výstupního napětí se běžně provádí budicím proudem. Zvyšováním velikosti budicího proudu se zvyšuje velikost výstupního napětí. U dynam s cizím buzením lze změnou polarity budicího proudu změnit polaritu výstupního napětí. Řízení otáček stejnosměrných motorů Otáčky stejnosměrných motorů lze řídit ve dvou stupních – napětím kotvy a budicím proudem. Při spuštění musí být motor plně nabuzen, aby měl potřebný točivý moment. Zvyšováním napětí na kotvě rostou otáčky. Po dosažení jmenovitého napětí na kotvě lze otáčky dále zvyšovat snižováním budicího proudu. Otáčky motoru dále rostou, klesá však točivý moment. Budicí proud lze snížit max. o 30%, protože otáčky se prudce zvyšují a mohlo by dojít k poškození motoru odstředivými silami, které by mohly vést až k roztržení motoru. Proto jsou do budicích obvodů stejnosměrných motorů zařazována podproudová relé, která při poklesu budicího proudu pod minimální hodnotu pohon motoru vypnou.
19
2.12. Zapojení stejnosměrných generátorů – dynam 2.12.1. Dynamo s cizím buzením Budicí vinutí dynama s cizím buzením není propojeno s vinutím kotvy. Budicí proud je dodáván z cizího zdroje, např. ze síťového zdroje s usměrňovačem. Při zatížení klesá vyráběné napětí oproti napětí naprázdno vlivem odporu vinutí kotvy. Velikost výstupního napětí měníme změnou budícího proudu. Změnu polarity výstupního napětí dosáhneme změnou polarity budícího proudu, což je nejpoužívanější způsob. Změny polarity lze rovněž dosáhnout změnou směru otáčení. Dynamo s cizím buzením je tvrdý zdroj napětí, jehož napětí jen málo kolísá se změnou zatížení, jak je patrné ze charakteristiky zatěžovací vpravo. Napětí dynama lze plynule řídit od nuly až po jmenovitou hodnotu, což je znázorněno v levé části obrázku. Snadno lze také měnit polaritu výstupního napětí. Nevýhodou je nutnost pomocného zdroje pro buzení. Dynama s cizím buzením byla v minulosti nejčastěji používanými zdroji ve stejnosměrných pohonech u pracovních strojů. Dynamo s cizím buzením se používá např. v Leonardově skupině pro pohon stejnosměrného motoru, jehož otáčky lze regulovat ve velkém rozsahu. Dále se používá pro budič statorů motoru a dynama. Budič i dynamo jsou na společném hřídeli a jsou poháněny většinou asynchronním (trojfázovým) motorem.
2.12.2. Dynamo s buzením permanentním magnetem Má obdobné vlastnosti jako dynamo s cizím buzením. Protože má budící vinutí nahrazeno permanentním magnetem, není možné v tomto případě měnit velikost výstupního napětí, protože magnetické pole permanentního magnetu je neměnné. Velikost výstupního napětí je možné měnit pouze změnou otáček – viz charakteristika vlevo.
20
Buzení permanentním magnetem se v praxi používá tachometrických dynam, zkráceně tachodynam. Jedná se o stejnosměrné generátory používané k měření rychlosti otáčení, které využívají principu přímé závislosti indukovaného elektromotorického napětí na rychlosti otáčení.
2.12.3. Derivační dynamo Derivační dynamo má budící vinutí připojené paralelně k vinutí kotvy. Při rozběhu dynama se v kotvě indukuje díky remanentnímu (zbytkovému) magnetismu statoru malé napětí. Při správném připojení budicího vinutí protéká nejprve malý budicí proud, který zesílí indukci magnetického pole a ta způsobí zvětšení indukovaného napětí. Vyšší napětí způsobí zvětšení budicího proudu a tento jev se opakuje, až se dosáhne jmenovitého napětí nastaveného regulačním rezistorem v budicím obvodu. Derivační dynamo se nabudí samo a nepotřebuje žádný zdroj budicího proudu. Při obráceném připojení budicího vinutí zeslabí budicí proud zbytkové magnetické pole a dynamo se odbudí – odmagnetuje. Potom jej bez použití cizího zdroje nelze nenabudit. Výhodou derivačního dynama je odolnost proti zkratům, jak je uvedeno na zatěžovací charakteristice (obrázek vpravo). Při zkratu klesá svorkové napětí kotvy a tím i budící proud, takže dojde k odbuzení dynama. Zkratový proud je nižší než proud jmenovitý. U derivačního dynama je důležitá hodnota odporu regulačního rezistoru. Na charakteristice vlevo jsou různé hodnoty odporu vyjádřeny přímkami. Podmínkou pro správnou funkci regulace je, aby přímka protínala charakteristiku výstupního napětí v jednom bodu. Regulační rozsah je vyjádřen průsečíky odpovídajícími maximální a minimální hodnotě odporu regulačního rezistoru (2. až 4 přímka zleva). První přímka zleva nemá zřetelný průsečík a většinou je její průběh shodný s charakteristikou napětí. Při této hodnotě rezistoru není zřejmý pracovní bod, což se projeví tím, že výstupní napětí nebude mít stabilní hodnotu a bude se změnou zatížení výrazně měnit svoji hodnotu. S takto nastaveným pracovním bodem nebude dynamo správně pracovat. U derivačního dynama je z tohoto důvodu regulační rozsah výstupního napětí omezený. Pokud se derivační dynamo nevybudí a nezačne dodávat proud, může to mít různé příčiny. Buď nemá stator žádný zbytkový magnetismus, nebo je chybně připojeno budicí vinutí, a nebo je dynamo zkratováno. V případě, že nemá stator zbytkový magnetismus, je nutné budicí vinutí krátkodobě připojit ke zdroji odpovídajícího stejnosměrného napětí, aby se zbytkový magnetismus obnovil.
21
K nastavení budicího napětí slouží většinou nastavitelný rezistor, který může být posuvný nebo otočný. Při odpojení buzení by se mohlo v budicím statorovém vinutí indukovat velké napětí, které by mohlo prorazit izolaci. Proto se musí budicí vinutí při odpojení (od vinutí rotoru) zkratováno. Svorkové napětí derivačního dynama s rostoucím zatížením klesá ještě více než u generátoru s cizím buzením. Malý úbytek napětí na vinutí kotvy způsobí zmenšení napětí na budicím vinutí a následné zmenšení budicího proudu. Při obrácení směru otáčení musí být zachován směr proudu v budicím vinutí, aby byl nadále v souladu s orientací zbytkového magnetického pole. Při změně směru otáček dynama je nutno přepólovat (přehodit) vývody kotvy.
2.12.4. Sériové dynamo Sériové dynamo lze nabudit pouze tehdy, je-li zatíženo. Budicí proud a tím i velikost výstupního napětí jsou závislé na zatěžovacím proudu. Výstupní napětí se mění se změnou zátěže. Z charakteristiky na obrázku nalevo je zřejmé, že napětí s rostoucím odběrem proudu roste. Růst napětí se zpomalí teprve v oblasti nasycení magnetického obvodu statoru. U zatíženého dynama se napětí v této oblasti začne snižovat. Sériová dynama se pro svoje vlastnosti běžně nepoužívají.
2.12.5. Kompaundní dynamo Kompaundní dynamo má dvě budicí vinutí nasazená na stejných hlavních pólech statoru. Jedno budicí vinutí je zapojeno jako derivační paralelně k vinutí kotvy a druhé budicí vinutí je zapojeno sériově k vinutí kotvy. Regulační odpor je v paralelní větvi sériově s derivačním vinutím. Sériové budicí vinutí je většinou zapojeno tak, že s rostoucím zatížením svým sílícím magnetickým polem posílí magnetické pole paralelního vinutí. Sériové budicí vinutí tedy způsobí při rostoucím proudovém zatížení nárůst svorkového napětí (viz charakteristika kompaundního dynama) na rozdíl od chování derivačního dynama (viz jeho charakteristika). Je-li sériové vinutí dimenzováno tak, že je svorkové napětí při konstantních
22
otáčkách nezávislé na zatížení, má dynamo vyvážené sériovo – paralelní (kompaundní) buzení. Sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení. Klesá-li se zatížením napětí, je generátor podkompenzován, narůstá-li se zatížením napětí, je překompenzován (viz charakteristika překompaundovaného dynama). Zvýšené napětí dynama v tomto případě pokrývá úbytky napětí na zátěži, např. na motoru. Působí-li sériové budicí vinutí proti paralelnímu, získáme charakteristiku protikompaundního dynama. Toto řešení se používá např. u rotačních svářeček. Kompaundní dynama se sdruženým sériovo-paralelním buzením jsou důležité stejnosměrné generátory. Používají se např. jako zdroj budicího proudu pro synchronní trojfázové generátory.
2.13. Úvod ke stejnosměrným motorům 2.13.1. Princip činnosti stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory mají velký rozběhový moment a umožňují plynulé nebo stupňovité řízení otáček. Jejich otáčky mohou být mnohem vyšší než otáčky asynchronních nebo synchronních motorů. Budící vinutí napájené stejnosměrným proudem vytváří budicí magnetické pole, jehož magnetický tok se uzavírá přes jádro kotvy. Protéká-li cívkami kotvy motoru proud, překrývá se magnetické pole cívek pod každým hlavním pólem s budicím magnetickým polem. Na vodiče cívek, kterými protéká proud, působí pod každým pólem síla, jejíž směr lze určit podle pravidla levé ruky (motorového pravidla). Vzniká tak točivý moment otáčející cívky směrem k neutrální zóně. V neutrální zóně nepůsobí na smyčku žádný točivý moment. Pro zachování dosavadního směru otáčení proudem protékané cívky je třeba po přechodu neutrální zónou změnit (přepólovat) směr průtoku proudu touto cívkou. Toto přepólování je zajištěno komutátorem. K získání rovnoměrného a velkého točivého momentu je kotva opatřena více cívkami rozloženými po obvodu kotvy. Jednotlivé cívky rotoru jsou spojeny s lamelami komutátoru tak, že stranami cívek pod jedním budicím pólem protékají proudy stejného směru. Osa magnetického pole kotvy zůstává proto stále ve stejné poloze i přesto, že se kotva otáčí. Směr otáčení motoru lze obrátit změnou směru jednoho z magnetických polí – budicího pole statoru nebo pole kotvy. Změna se provede obrácením směru proudu v příslušném vinutí. V praxi se používá se především změna směru proudu kotvy, protože při změně směru točení motoru tím zabráníme přerušování proudu v budicím vinutí.
2.13.2. Spouštění stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory mají kotvy s velmi malým odporem. Při zapnutí na plné provozní napětí protéká motorem proud několikanásobně vyšší než proud jmenovitý. Pro rozběh velkých motorů je proto nutné použít spouštěcí rezistory. Spouštěcí rezistory jsou zapojeny do obvodu kotvy sériově s vinutím. Jsou plynule nebo stupňovitě nastavitelné a omezují proud během rozběhu motoru. U derivačních motorů s paralelním buzením se často používají samostatné spouštěcí rezistory pro napájení kotvy a samostatné rezistory pro omezení budicího proudu. Rezistory pro
23
omezení budicího proudu jsou zapojeny tak, aby během rozběhu budicí proud neomezovaly. Za provozu pak slouží k řízení otáček. Při otáčení kotvy v magnetickém poli statoru se plynule mění se sinusovou závislostí velikost magnetického toku, který prochází vnitřní plochou otáčejícího se závitu. Ve vinutí kotvy se tím indukuje napětí stejně jako v generátoru. Jeho velikost roste s indukcí pole statoru a s otáčkami. Toto indukované napětí působí proti napájecímu napětí a je označováno jako protisměrné napětí kotvy. Protisměrné napětí kotvy dosahuje při jmenovitých otáčkách hodnoty blížící se velikosti napájecího napětí kotvy. Proto je provozní proud tekoucí kotvou podstatně menší, než by odpovídalo malému odporu vinutí. Protisměrné napětí kotvy stejnosměrného motoru omezuje proud tekoucí kotvou běžícího motoru.
2.14. Řízení otáček stejnosměrných motorů Jak již bylo uvedeno, lze otáčky stejnosměrných motorů řídit napětím kotvy a budicím proudem. Při spuštění musí být motor plně nabuzen, aby měl potřebný točivý moment. Zvyšováním napětí na kotvě rostou otáčky – viz charakteristika nalevo. Po dosažení jmenovitého napětí na kotvě lze otáčky dále zvyšovat snižováním budicího proudu – viz charakteristika nalevo. Otáčky motoru dále rostou, klesá však točivý moment. Budicí proud lze snížit max. o 30%, protože otáčky se prudce zvyšují a mohlo by dojít k poškození motoru odstředivými silami, které by mohly vést až k roztržení motoru.
2.15. Zapojení stejnosměrných motorů 2.15.1. Motor s cizím buzením Budicí vinutí motoru s cizím buzením není propojeno s obvodem kotvy a je napájeno vnějším zdrojem stejnosměrného napětí. Při spuštění musí být motor plně nabuzen. Otáčky motoru se postupně zvyšují zvyšováním napětí na kotvě, např. pomocí spouštěcího rezistoru. Snížením napětí na kotvě se otáčky snižují. Ke zvýšení otáček motoru s cizím buzením nad jmenovité otáčky je možno použít regulační odpor v obvodu budicího vinutí, kterým je možno snížit budicí proud. Otáčky rostou, ale točivý moment klesá. S ohledem na zvyšující se otáčky lze budicí proud snížit max. o 30%. 24
Obvod kotvy a obvod budicího vinutí je možné napájet přes usměrňovač ze sítě střídavého napětí. Napájecí napětí i budicí proud se pak mohou řídit regulačním transformátorem nebo řízeným usměrňovačem. Cizí buzení je na rozdíl od buzení ostatních typů stejnosměrných motorů nezávislé na napětí kotvy motoru a tím na jeho zatížení, zůstává nezměněné i při poklesu napětí na kotvě. Otáčky motorů s cizím buzením jsou proto ve srovnání s derivačními motory stabilnější – viz charakteristika napravo. Motory s cizím buzením se používají jako pohony strojů s proměnlivým mechanickým odporem, jako jsou např. obráběcí stroje. Jejich výhodou je především stabilita otáček a široké regulační schopnosti. Pokud se stejnosměrné motory provozují při běžném zatížení a nízkých otáčkách, je zapotřebí je intenzivněji chladit. K tomu se používají ventilátory poháněné samostatnými asynchronními motory (obrázek vpravo).
2.15.2. Motory s permanentními magnety Motory s permanentními magnety ve statoru jsou rovněž stejnosměrné motory s cizím buzením. Jejich vlastnosti jsou shodné. Používají se převážně pro malé výkony, např. v automobilech, dětských hračkách, modelech apod.
2.15.3. Derivační motor Derivační motor má budící vinutí zapojeno paralelně k vinutí kotvy. Otáčky lze, tak jako u jiných stejnosměrných motorů, regulovat napětím na kotvě a budicím proudem. Na obrázku vlevo je regulační rezistor zapojen do série s motorem. Nevýhodou tohoto zapojení je skutečnost, že s napětím kotvy se regulací omezuje také budicí proud. Motor při rozběhu má v tomto případě malý záběrný moment. Proto se otáčky derivačního motoru regulují samostatným spouštěcím rezistorem v obvodu kotvy a samostatným regulátorem budicího proudu. Zapojení je na obrázku vpravo.
25
Při spuštění musí být motor nabuzen. Otáčky motoru se řídí napětím na kotvě a budicím proudem. Při běhu naprázdno i při zatížení se chová derivační motor jako motor s cizím buzením. Má stejnou zatěžovací charakteristiku. Motory, které se při běhu naprázdno nepřetočí a při rostoucím zatížení mají jen malý pokles otáček, nazýváme motory s derivační charakteristikou. Při provozu derivačních motorů i motorů s cizím buzením je nutno zajistit, aby nedošlo k odpojení buzení, protože by se mohla kotva ve slabém poli zbytkového magnetismu roztočit do příliš vysokých otáček.
2.15.4. Motor se sériovým buzením Budicí vinutí motoru se sériovým buzením je zapojeno v sérii s vinutím kotvy. K rozběhu i k řízení otáček se používá předřazený stavitelný spouštěcí odpor. Veškerý proud kotvy protéká i budicím vinutím a je tedy stejně velký. Motory se sériovým buzením mají ze všech motorů největší rozběhový moment. Při rozběhu bez zatížení postupně klesá proud a slábnutí budicího pole podporuje další nárůst otáček. Motory se sériovým buzením se při běhu naprázdno přetočí do nadměrných otáček. Zatěžovací charakteristika je na obrázku vpravo. Motory se sériovým buzením nesmějí být spojovány se zátěží řemeny nebo řetězy, protože se mohou přerušit nebo spadnout. Motor pak běží bez zatížení a ve vysokých otáčkách. Může dojít k jeho poškození. Při nárůstu zatížení motoru se sériovým buzením narůstá společný proud v kotvě i budicím vinutí, klesají otáčky a narůstá točivý moment. Otáčky motoru se sériovým buzením jsou velmi závislé na zatížení, což je zřejmé ze zatěžovací charakteristiky. Motory se sériovým buzením se používají především pro pohon vozidel, jako jsou např. tramvaje, trolejbusy a elektrické lokomotivy.
2.15.5. Kompaundní motor Kompaundní motor je stejnosměrný motor se sérioparalelním buzením. Na pólech statoru kompaundního motoru je stejně jako u kompaundního generátoru navinuto sériové i paralelní budicí vinutí. Otáčky kompaundního motoru lze regulovat odporem spouštěče v obvodu kotvy i odporem regulátoru budícího proudu.
26
V kompenzovaném (vyváženém) kompaundním motoru je sériové budicí vinutí zapojené tak, že jeho magnetické pole má stejný směr jako pole paralelního vinutí. Při běhu naprázdno se chová kompaundní motor jako derivační motor. Při zatížení však klesají otáčky trochu rychleji, neboť s rostoucím proudem kotvy roste i vlivem sériového buzení hlavní magnetický tok. Je-li sériové budicí vinutí zapojené tak, že jeho pole oslabuje paralelní vinutí, v tzv. antikompaundním zapojení, je motor velmi nestabilní a lehce se přetočí. V tomto případě při rostoucím proudu stoupají otáčky, protože slábne hlavní pole. I přes velkou nestabilitu při chodu naprázdno je toto zapojení výjimečně používáno ke zmenšení vlivu kolísavého zatížení na otáčky motoru. Nárůst zatížení má snahu motor zpomalit, ale nárůst proudu doprovázející nárůst zátěže oslabí hlavní pole, což vede ke snaze otáčky zvýšit. Otáčky zatíženého motoru jsou pak stabilní. Kompaundní motory se používají v případech, kdy nevyhovuje malý rozběhový moment derivačních motorů, např. u zdvihacích mechanismů. Velké derivační motory a motory s cizím buzením mívají většinou pomocné sériové budicí vinutí a chovají se pak jako kompaundní motor. Bez sériového budicího vinutí by docházelo k nárůstu otáček pří zatížení, protože pole kotvy oslabuje hlavní pole.
2.16. Označení svorek stejnosměrných strojů Označování vývodů na svorkách stejnosměrných strojů (viz tabulka) je pro motory i generátory stejné. Číslice před písmeny označují rozdělení vinutí. 1B a 2B značí např. 2 části symetricky rozděleného komutačního vinutí. Číslice za písmeny udávají začátek (např. B1) a konec vinutí (např. B2). Onačení vývodů stejnosměrných strojů označení
druh vinutí
A
vinutí kotvy
B
vinutí komutačních pólů
C
kompenzační vinutí
D
sériové budicí vinutí
E
paralelní budicí vinutí
F
vinutí pro cizí buzení
Na směru proudu ve vinutí kotvy a v budicím vinutí statoru závisí směr otáčení stejnosměrného motoru nebo polarita výstupního napětí dynama. Označení vývodů je stanoveno tak, že při běhu motoru doprava teče každým vinutím proud od začátku ke konci, tedy v kotvě derivačního motoru od A1 k A2 a v budicím vinutí od E1 k E2. Obdobně se postupuje u dynama pro určení polarity výstupního napětí.
27
Stejnosměrný motor se otáčí doprava, protéká-li každým vinutím proud od začátku vinutí ke konci vinutí. Při určení směru otáčení doprava se vychází z pohledu na motor ze strany vyvedeného hřídele a na generátor ze strany hnacího hřídele. Při změně směru otáčení je třeba přednostně přepólovat směr proudu ve vinutí kotvy. Tím zůstane zachován zbytkový magnetismus v železe budicího obvodu. Pomocné póly jsou automaticky přepólovány zároveň s kotvou.
2.17. Motor s kotoučovým rotorem Motory s kotoučovým rotorem jsou stejnosměrné motory s rotorem bez železného jádra. Setrvačný moment je proto malý. Motory s kotoučovou kotvou se rychle rozbíhají a rychle zastavují. Kotva motoru je tvořena plastovým kotoučem s vinutím po obou stranách (levý obrázek dole). Vinutí je tvořeno vodivými dráhami vyřezanými v měděné fólii nalepené na kotouč rotoru (obrázek vpravo). Spojením konců oboustranných vodivých drah, např. pájením, vznikne průchozí vinutí. Přívod proudu do kotvy je realizován přes kartáče, a to většinou přímo na vodivé dráhy rotoru, které tvoří komutátor. Budicí pole zajišťují permanentní magnety upevněné na prstenci statoru z měkkého železa (obrázek uprostřed a vpravo). Trvalé magnety jsou při montáži motoru zmagnetizovány trvale vestavěným magnetizačním vinutím. Jejich magnetická pole se uzavírají přes prstencová jádra.
Motory s kotoučovou kotvou se chovají jako stejnosměrné motory s cizím buzením. Princip činnosti a vlastnosti Vodivé dráhy kotoučového rotoru napájené stejnosměrným proudem vytvářejí magnetické pole, které se překrývá s budicím polem. Podle pravidla levé ruky (motorového pravidla) působí na vodivé dráhy protékané proudem síla vytvářející točivý moment. Přepólováním napájení kotvy lze změnit směr otáčení motoru. Díky malé hmotnosti rotoru mohou být u motoru s kotoučovým rotorem dosaženy jmenovité otáčky během několika milisekund. Rovněž zastavení nebo změna směru otáčení probíhají velmi rychle. Odkryté neizolované vodivé dráhy umožňují dobré chlazení, tj. velkou
28
proudovou hustotu a také velké krátkodobé proudové přetížení. Homogenní budicí pole zaručuje i při malých otáčkách rovnoměrný běh při konstantním točivém momentu a dovoluje přesné nastavení polohy kotvy. Motory s kotoučovým rotorem jsou vyráběny s výkony od 20W až do 10kW. K buzení je používána řídicí elektronika. Při regulovaném pohonu mohou být otáčky motoru kontrolovány pomocí tachogenerátoru. Motory s kotoučovým rotorem se používají jako servomotory, pro pohon navíječek, ventilů a posuvů obráběcích strojů. Pro svou přesnost a rychlost jsou motory s kotoučovým rotorem často používány namísto krokových motorů.
3. Komutátorové motory na střídavý proud 3.1. Rozdělení střídavých komutátorových motorů •
jednofázové o sériové univerzální motory o sériové trakční motory o repulsní motory – otáčky se řídí natáčením kartáčů, dnes se již nepoužívají
•
třífázové o třífázový derivační motor napájený do statoru o třífázový derivační motor napájený do rotoru
Porovnání vlastností komutátorových motorů na střídavý proud s vlastnostmi synchronních a asynchronních motorů Výhody •
možnost mnohonásobně vyšších otáček než u střídavých motorů
•
hospodárné a plynulé řízení otáček
•
lehký rozběh, velký záběrový moment, malý záběrný proud
•
dobrý účiník
•
velká momentová přetížitelnost
Nevýhody •
složitost a vyšší cena
•
horší účinnost
•
složitější údržba, vnitřní chlazení motoru nasává prach z okolí
•
jiskření komutátoru neumožňuje použití v některých prostředích
29
•
výkonové omezení dané otáčkami, komutací a konstrukcí
3.2. Konstrukce jednofázových komutátorových motorů Tyto motory jsou konstrukčně řešeny obdobně, jako motory stejnosměrné. Na rozdíl od nich musí být statorový magnetický obvod vždy složen z plechů, protože v něm dochází ke střídavé magnetizaci. Rotor má obdobnou konstrukci jako u stejnosměrných motorů, má však větší počet cívek a tím i lamel na komutátoru. Tvar statorových a rotorových plechů je na obrázku vpravo. Rozložený motor je na následujícím obrázku.
Střídavý proud vytvoří v budícím vinutí střídavý magnetický tok se síťovým kmitočtem. Komutátor zajišťuje, že kotvou prochází proud se stejným kmitočtem. V motoru vznikne točivý moment. Při změně polarity proudu se mění současně polarita budícího proudu i proudu kotvy. Směr točivého momentu se však nemění (obrázek vpravo). Tato podmínka platí pouze u motoru se sériovým buzením. U paralelního buzení dochází vlivem induktivního charakteru budícího vinutí a činného charakteru vinutí kotvy k fázovému posunu proudů, což je příčinou nerovnoměrného chodu motorů. Z toho důvodu se v praxi používají výhradně sériové jednofázové komutátorové motory. Problémem komutátorových strojů je komutace, neboť proud v cívce je střídavý, má kmitočet sítě. Komutaci nepříznivě ovlivňuje tzv. transformační napětí, které se ve vinutí kotvy indukuje vlivem střídavého magnetického toku. Komutace tak neprobíhá při nulové hodnotě napětí, což se projevuje větším jiskřením kartáčů. Proto se u střídavých komutátorových motorů používají kotvy s 2x až 3x větším počtem cívek a tím i lamel na komutátoru. Na jednu cívku pak připadá menší napětí, čímž se jiskření kartáčů omezí.
30
U větších motorů se rovněž používají pomocné póly pro zrušení transformačního napětí a kompenzační vinutí pro potlačení reakce kotvy.
3.3. Jednofázové komutátorové motory 3.3.1.
Jednofázový sériový univerzální komutátorový motor
Používá se pro pohon elektrického ručního nářadí, vysavačů, kuchyňských spotřebičů. Tyto motory nemají kompenzační vinutí ani pomocné póly a jsou většinou dvoupólové. Univerzální se nazývají proto, že mohou být napájeny střídavým i stejnosměrným proudem. Ukázka univerzálního sériového komutátorového motoru je na obrázku vpravo. Charakteristika univerzálního motoru odpovídá sériovému stejnosměrnému motoru. Momentová charakteristika ukazuje, že motor má velký záběrový moment, který se zatížením klesá. Otáčky motoru lze řídit předřadným rezistorem a nebo hospodárně tyristorovým nebo triakovým regulátorem.
U univerzálních motorů jiskří uhlíkové kartáče. Jiskření se projevuje rušením sdělovacích a automatizačních zařízení. Toto rušení se omezuje zapojením kotvy mezi cívky budicího vinutí a použitím odrušovacích kondenzátorů (obrázek vlevo). Ke zlepšení komutace komutátorových motorů, která je horší než komutace stejnosměrného motoru, používáme u jednofázových strojů komutační póly a kompenzační vinutí, takže uspořádání je stejné jako u kompenzovaného stejnosměrného sériového motoru. Větší motory se spouštějí obvykle spouštěcím transformátorem.
3.3.2.
Jednofázové trakční motory
Jednofázový sériový motor má velký záběrový moment a používal se také jako trakční motor u elektrických lokomotiv. Otáčky trakčního sériového motoru lze hospodárně regulovat odbočkami napětí na transformátoru. Pro zlepšení komutace vyžadoval napájení střídavým
31
proudem nižší frekvence, např. 16 2/3 Hz. Vysoké napětí se v elektrické lokomotivě transformuje na nižší hodnotu pro napájení hnacích sériových motorů. U nás se tyto motory příliš nepoužívaly.
3.3.3.
Repulzní motor
Jedná se o typ elektrického komutátorového motoru pro použití na střídavý proud. Dříve se používal jako trakční motor pro elektrické vlaky, byl ale nahrazen jinými typy motorů a v současnosti má pouze historický význam. Statorové vinutí je připojeno přímo na síťové napájení nižší frekvence a rotorové vinutí je připojeno ke komutátoru a kartáčům, podobně jako u stejnosměrných motorů. Rotorové a statorové vinutí není u tohoto motoru vodivě propojeno. Výhodou repulsního motoru byla plynulá mechanická regulace pomocí natáčení uhlíkových kartáčů proti statoru. Nevýhodou je nižší účinnost a proudové nárazy spojené s jiskřením při rozjezdech. Motor má stator a rotor, které nejsou elektricky propojeny. Rotorový proud se generuje indukcí. Rotorové vinutí je připojeno ke komutátoru, na který dosedá dvojice zkratovaných kartáčů, které se natáčejí proti ose statoru. Natáčením kartáčů lze motor spustit, zastavit, změnit rychlost i směr otáčení. Osa kartáčů rovnoběžná s póly (magnetickou osou) V případě, že osa kartáčů je ve směru magnetického pole, kotva se chová jako elektromagnet – viz obrázek vlevo. Stejné magnetické póly rotoru a statoru jsou proti sobě a navzájem se odpuzují. Točivý moment je v této poloze nulový. V této poloze motor nemůže pracovat. Osa kartáčů kolmá na póly (magnetickou osou) V případě, že kartáče jsou posunuty o 90 stupňů tak, aby magnetická osa byla kolmá k ose statoru, navzájem se napětí indukované v cívkách ruší, vinutím neprochází proud a točivý moment je opět nulový. Motor se chová jako vypnutý – viz obrázek vpravo. Běh motoru Natočíme-li kartáče z magnetické osy, bude se ve vinutí rotoru indukovat napětí, které se objeví na svorkách uhlíkových kartáčů. Kotvou začne procházet proud. Proud v obvodu kotvy bude vytvářet vlastní magnetické pole a kotva začne otáčet. Směr otáčení je určen polohou kartáčů s ohledem na magnetické pole statoru. V případě, že kartáče jsou natočeny ve směru hodinových ručiček od hlavní magnetické osy, motor se bude otáčet ve směru hodinových ručiček. Pokud jsou kartáče posunuty proti směru hodinových ručiček od hlavního magnetické osy, motor se bude otáčet proti směru hodinových ručiček. Záběrový moment motoru je určen úhlem natočení kartáčů při spuštění motoru. Maximální točivý moment se získá při
32
natočení kartáčů o 45 stupňů. Natáčením kartáčů se řídí otáčky motoru. Repulzní motor je na obrázku vpravo.
3.4. Trojfázové derivační komutátorové motory 3.4.1.
Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru
Pro tento motor se též používá název Winterův – Eichbergův Motor má na statoru střídavé třífázové vinutí podobně jako asynchronní motor. Na komutátoru má pro každou pólovou dvojici 3 nebo 6 řad kartáčů. Kartáče jsou připojeny na jezdce sekundárního vinutí řiditelného třífázového transformátoru. Středy vinutí jednotlivých fází jsou spojeny do hvězdy. Pohybem jezdců se mění velikost i směr napětí přiváděného na kotvu. Trojfázový proud vytvoří ve statoru točivé magnetické pole se synchronními otáčkami. Jsou-li jezdce umístěny ve středu vinutí, je napětí přiváděné z transformátoru nulové a motor pracuje jako asynchronní s kotvou nakrátko. Posunutím jezdců nahoru působí napětí transformátoru proti napětí kotvy, zvětšuje se skluz a otáčky klesají. Posunutím jezdců dolů působí napětí transformátoru ve stejném směru jako napětí kotvy, skluz se zmenší, dostává se do záporných hodnot a otáčky motoru se zvyšují. Regulace je hospodárná, její rozsah je až 1 : 10.
33
Motor má tvrdou derivační charakteristiku. Nevýhodou je vysoká cena motoru. V současnosti jsou tyto složité motory nahrazeny jinými druhy pohonů, např. asynchronními pohony s měniči kmitočtu.
3.4.2.
Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru
Tento motor se rovněž nazývá Schrageho. Motor má na rotoru třífázové vinutí vyvedené ke kroužkům, toto vinutí je napájeno ze sítě. V drážkách rotoru je dále umístěno stejnosměrné vinutí, které je připojené na komutátor. Statorové vinutí je trojfázové a je připojeno ke kartáčům na komutátoru. Pro každou dvojici pólů jsou na komutátoru tři dvojice kartáčů označené na obrázku A a B. Kartáče A i B se pomocí převodu navzájem proti sobě natáčejí o stejný úhel. Jsou-li kartáče A i B na jedné lamele, je vinutí statoru spojeno nakrátko a motor pracuje jako asynchronní. Proti běžným asynchronním motorům je rozdíl pouze v opačném uložení vinutí – na rotoru je pracovní a na statoru rotorové.
Vzájemným posouváním kartáčů dochází k tomu, že napětí statoru působí na napětí kotvy. Působí-li proti sobě, zvyšuje se skluz a otáčky klesají, působí-li ve stejném smyslu, skluz klesá až do záporných hodnot a otáčky se zvyšují.
34
Nevýhodou motoru je jeho složitost vyplývající z uložení rotorových vinutí a složitý mechanismus natáčení kartáčů. Jeho výhodou je skutečnost, že nepotřebuje řiditelný transformátor a má velký rozsah regulace otáček. Trojfázové derivační komutátorové motory jsou v současné době nahrazovány stejnosměrnými motory napájenými z řízených stejnosměrných usměrňovačů nebo asynchronními pohony s měniči kmitočtu.
4. Měniče 4.1. Rotační měniče Rotační měnič je točivý elektrický stroj nebo soustrojí k přeměně elektrické energie v elektrickou energii s jiným napětím, druhem proudu, kmitočtem nebo počtem fází. Motorgenerátory jsou tvořeny elektromotorem a generátorem na společném hřídeli. Rotační svařovací agregát Pro svářecí agregát je použit jako pohon asynchronní motor s kotvou nakrátko a jako zdroj velkého svářecího proudu je obvykle použito dynamo. Jako zdroj svařovacího proudu je možné použít synchronní generátor – alternátor. Střídavý proud alternátoru se usměrní křemíkovými diodami. Synchronní měniče Synchronní měniče se skládají ze synchronních strojů s rozdílnými počty pólů. Bývají používány většinou jako měniče kmitočtu, např. z 50 Hz na 40 Hz. Změna kmitočtu je možná i s pomocí usměrňovače.
35
Rotační měniče s asynchronním pohonem Používají se k napájení spotřebičů, které pro svoji funkci potřebují napětí o vyšším kmitočtu (např. indukční pece). Jsou tvořeny asynchronním motorem, synchronním generátorem a obvykle ještě derivačním dynamem, které vyrábí budicí proud pro generátor. Výsledný kmitočet je dán poměrem počtu pólů synchronního generátoru a asynchronního motoru.
4.2. Leonardova skupina Používá u strojů a zařízení, kde se požaduje široké rozmezí regulace otáček motorů vyšších výkonů. Využívá se regulačních vlastností stejnosměrného motoru s cizím buzením, jako zdroj napájecího stejnosměrného proudu se používá dynamo s cizím buzením, které je poháněné asynchronním motorem. Jako zdroj budícího proudu se může použít napětí z usměrňovače, častěji je použit budič. Jako budič se používá derivační dynamo nebo dynamo s cizím buzením. U pohonů vyšších výkonů se regulace provádí na budiči dynama a budiči motoru. Při rozběhu motoru je stejnosměrný motor plně nabuzen, dynamo je odbuzeno. Nabuzením dynama se postupně zvyšuje napětí na kotvě dynama a tím i na kotvě motoru až do výše jmenovitého napětí. Otáčky motoru s napětím na kotvě rostou. Po dosažení jmenovitého napětí kotvy se otáčky dále zvyšují snižováním budícího proudu, až do dosažení jmenovitých otáček motoru. Hodnota budícího proudu nesmí klesnout pod určitou mez, aby se motor nadměrnými otáčkami nepoškodil. Vzhledem k tomu, že budící obvody spotřebují asi 10 % celkového výkonu, je regulace celkem hospodárná. Při řízení budičů je výkon budících obvodů ještě minimálně 10 x menší.
36
Brzdění motoru probíhá tzv. rekuperací. Při brzdění si motor vymění funkci s dynamem. Roztočený nabuzený motor pracuje jako zdroj napětí, který dodává proud do dynama, které začne pracovat jako motor a má snahu přetočit pohánějící asynchronní motor do nadsynchronních otáček. Ten začne vyrábět proud a dodávat do sítě, čímž se zbrzdí. Tento proces probíhá i při rychlém snížení otáček motoru. Leonardova skupina má široké možnosti uplatnění. Nevýhodou je malá energetická účinnost (potřeba chodu asynchronního motoru), velké rozměry a vysoká cena. V současnosti jsou rotační pohony nahrazovány řízenými usměrňovači pro napájení stejnosměrných motorů a nebo asynchronními motory řízenými polovodičovými měniči kmitočtu.
4.3. Polovodičové pohony stejnosměrných motorů Jsou tvořeny kombinací motoru s cizím buzením a řídícího elektronického obvodu. Jejich výhodou je nižší cena, malé rozměry a především vysoká energetická účinnost.
4.3.1.
Tyristorové řízené usměrňovače
Na obrázku je schéma jednoduchého tyristorového usměrňovače. Z průběhů napětí pro různé úrovně sepnutí tyristoru je zřejmé, že výstupní napětí je značně zvlněné.
V trojfázových napájecích soustavách se nejčastěji používá můstkové zapojení tyristorů. Trojfázový můstkový usměrňovač vytváří usměrněné napětí ze šesti sinusových průběhů, a to ze tří sdružených napájecích napětí a tří sinusových napětí posunutých oproti sdruženým napětím o 180°. Při řídicím úhlu α = 0° je tvořeno výstupní napětí kladnou obálkou zmíněných šesti sinusových průběhů. Příklad zapojení tyristorů a průběhu výstupního napětí je na obrázku.
37
4.3.2.
Stejnosměrné měniče napětí (pulzní měniče)
Pro svou funkci využívají tranzistory zapojené v obvodu stejnosměrného proudu, které spínají v nastavených intervalech proud do motoru. Napětí na motoru a tím i jeho otáčky se řídí šířkou impulzů. Tranzistor má nízké ztráty ve dvou provozních stavech. Když je plně vypnutý, nebo když je plně sepnutý. Když je plně vypnutý, je na něm napětí, ale neteče přes něj proud, takže jsou v tomto stavu jeho ztráty nulové. Když je plně sepnutý, může přes něj téct proud, ale je na něm pouze saturační napětí, které je poměrně nízké, takže jeho ztrátový výkon je v tomto stavu rovněž nízký. Na obrázku je příklad zapojení čtyřkvadrantového pulzního měniče používaného pro napájení zejména stejnosměrných servomotorů s permanentními magnety, dále průběhy napětí a proudu motoru pro jeden směr řízení.
38
4.4. Polovodičové pohony střídavých motorů 4.4.1.
Polovodičové stykače
Polovodičové stykače umožňují rychlé a nehlučné zapnutí třífázových motorů a odporových zátěží. Zapnutí přitom probíhá automaticky v optimálním časovém okamžiku a potlačuje nežádoucí proudové a napěťové špičky. Používají se v případech, kdy je požadována vysoká frekvence spínání, která přesahuje možnosti elektromechanických spínacích prvků. Jsou odolné proti nárazům nebo vibracím. Jsou vhodné pro použití v pracovním prostředí obsahujícím velké množství nečistot a prachu.
4.4.2.
Softstartéry
Tyto spouštěče motorů ovládají napájecí napětí motoru při spouštění a umožňují jeho plynulý rozběh. Softstartér plynule řídí napájecí napětí třífázového motoru při rozběhu v závislosti na zátěžovém chování pracovního stroje. Zvyšování otáček proto probíhá šetrným způsobem. Výsledkem je odstranění mechanických rázů a potlačení proudových špiček. Softstartéry jsou elektronickou alternativou ke klasickým spouštěčům hvězda-trojúhelník.
39
4.4.3.
Měnič kmitočtu s napěťovým střídačem
Frekvenční měniče mění jednofázový nebo třífázový napájecí proud s konstantním napětím a frekvencí na nový třífázový zdroj napětí, jehož napětí a frekvence jsou proměnné. Toto řízení napětí a frekvence umožňuje plynulé řízení rychlosti třífázových motorů. Pohon může být provozován se jmenovitým zatěžovacím momentem i při nízkých rychlostech. Frekvenční měnič mění konstantní napětí napájecí sítě na stejnosměrné napětí. Z tohoto stejnosměrného napětí vytváří pro trojfázový motor novou trojfázovou síť s proměnlivým napětím a proměnlivou frekvencí. Přitom frekvenční měnič odebírá z napájecí sítě prakticky pouze činný výkon (cos φ ~ 1). Jalový výkon potřebný pro provoz motoru dodává meziobvod stejnosměrného napětí. Díky tomu je možné upustit od kompenzace účiníku cos φ na straně síťového napájení. Blokové schéma frekvenčního měniče je na následujícím obrázku.
V moderních pohonech se používají ve většině aplikací napěťové střídače. V současné době se používají nejvíce měniče v uspořádání, které je znázorněno na následujícím obrázku. Na vstupu měniče je neřízený usměrňovač, což je konstrukčně i ekonomicky nejvýhodnější. Ve stejnosměrném meziobvodu je velký kondenzátor. Ten lze považovat za zátěž pro usměrňovač a současně jako zdroj energie pro napěťový střídač. Spínače VT1 až VT6 jsou pro malé a střední výkony tvořeny nejčastěji tranzistory IGBT a pro velké výkony GTO tyristory.
40
Na dalším obrázku jsou charakteristiky udávající závislost točivého momentu na kmitočtu.
5. Použitá literatura a informační zdroje Ing. Josef Říha, Elektrické stroje a přístroje, 3. vydání, SNTL 1990 Peter Bastian, Praktická elektrotechnika. 2. upr. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006, 303 s. ISBN 80-867-0615-X. Klaus Tkotz, Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006, 623 s. ISBN 80-867-0613-3. Ing. Hubert Meluzin, Otázky a odpovědi u elektrotechniky III, vyd. ALFA Bratislava, 1981 Wikipedie – otevřená encyklopedie, http://cs.wikipwdia.org Obrázky byly získány na webových stránkách: •
ABB Asea Brown Boveri Ltd, www.abb.cz
•
Eaton Elektrotechnika s.r.o., www.eatonelektrotechnika.cz
•
Siemens AG, www.cee.siemens.com
•
PSP Pohony a.s., www.pohony.cz
•
Pohonnatechnika.cz, www.pohonnatechnika.cz
•
MM Průmyslové spektrum, www.mmspektrum.com
•
ATAS elektromotory Náchod a.s., www.atas.cz
•
Elektrorevue, www.elektrorevue.cz
•
Galerie fotografií na http://www.google.cz
41
