STEJNOSMĚRNÉ STROJE
1. 2. 3. 4. 5.
Princip činnosti stejnosměrného stroje Reakce kotvy a komutace stejnosměrných strojů Rozdělení stejnosměrných strojů Stejnosměrné generátory Stejnosměrné motory
2002 Katedra obecné elektrotechniky FEI VŠB-TU Ostrava Ing.Stanislav Kocman
STEJNOSMĚRNÉ STROJE
Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstaršími elektrickými stroji a nejprve se používaly jako generátory pro výrobu stejnosměrného proudu. V řadě technických aplikací byly stejnosměrné generátory ( dynama ) v posledním období s rozvojem výkonové elektroniky postupně nahrazovány polovodičovými usměrňovači. V současné době se stejnosměrné stroje používají především jako motory v elektrických regulačních pohonech ( např. obráběcích strojů, válcovacích stolic, těžních strojů, v automobilovém průmyslu ) a v elektrické trakci jako trakční motory. Podobně jako generátory jsou i stejnosměrné motory v řadě technických oblastí postupně nahrazovány, a sice střídavými regulačními pohony s asynchronními motory. Stejnosměrné stroje jsou vzhledem k asynchronním strojům složitější, výrobně nákladnější a tedy dražší a mají nákladnější údržbu. Avšak stále existují oblasti, ve kterých se stejnosměrné stroje používají pro své některé výhodné vlastnosti a speciální charakteristiky. Stejnosměrný stroj se skládá ze statoru ( pevná, nepohyblivá část stroje ), na kterém jsou umístěny hlavní póly s budícím vinutím a pomocné póly umístěné mezi hlavními póly pro zlepšení komutačních vlastností stroje. Hlavní póly se skládají z pólového jádra a pólového nástavce, ve kterém je u strojů velkých výkonů umístěno kompenzační vinutí, kterým se potlačuje tzv. reakce kotvy. Rotor ( pohyblivá část stroje, nazývaná kotvou ) je složen z izolovaných křemíkových plechů v jehož drážkách je umístěno vinutí. Jednotlivé cívky vinutí kotvy jsou připojeny k měděným vzájemně izolovaným lamelám komutátoru, který je stejně jako magnetický obvod nasazen na hřídeli stroje. Na komutátor dosedají kartáče, umístěné ve speciálních držácích, jimiž se přivádí proud do vinutí kotvy. Komutátor a kartáče tvoří sběrné ústrojí stroje. 1. Princip činnosti stejnosměrného stroje Princip činnosti lze vysvětlit na elementárním stroji, jehož vinutí kotvy tvoří pouze dva vodiče a, b spojené do jednoho závitu umístěném na rotoru a který se otáčí v magnetickém poli vytvořeném dvojicí hlavních pólů ( s jedním severním a jižním pólem s roztečí τ, viz. obr.1 ). Závit je připojen ke dvěma lamelám komutátoru, které jsou navzájem izolovány a otáčejí se společně s rotorem. Na komutátor dosedají dva nepohyblivé kartáče, které jsou umístěny do tzv. neutrální osy tj. do geometrické osy mezi dvěma sousedními hlavními póly. Stejnosměrné stroje mohou pracovat jako generátory ( přeměňují mechanickou energii na elektrickou ) a nebo jako motory ( přeměňují naopak elektrickou energii na mechanickou ). Princip činnosti je tedy vysvětlen zvlášť pro generátory a zvlášť pro motory. Schéma elementárního stroje je na obr.1a), ve kterém pro větší přehlednost není nakreslen rotor stroje.
Obr.1. Princip činnosti stejnosměrného stroje : a) schéma elementárního stroje, b) indukované napětí v jednotlivých vodičích, c) indukované napětí na svorkách stroje a moment stroje a) princip činnosti stejnosměrného generátoru Otáčíme-li hřídelí s kotvou v naznačeném směru ( obr.1a) ) otáčkami n, pohybují se vodiče závitu v magnetickém poli pólů a dle indukčního zákona se do nich indukují tzv. pohybová napětí : u ind = B ⋅ l ⋅ v kde B – magnetická indukce v místě kde se vodiče právě nachází l – délka vodiče v magnetickém poli v – rychlost pohybu vodiče v magnetickém poli ( obvodová rychlost kotvy ) Směry indukovaných napětí ve vodičích a, a b, jsou vyznačeny na obr.1a). Za jednu polovinu otáčky si vodiče vymění místa a indukovaná napětí ve vodičích změní svůj směr. Ve vodičích se tedy indukují střídavá napětí. Vodiče jsou však připojeny k lamelám komutátoru, které se s nimi společně otáčejí, takže ke spodnímu kartáči ( + ) je vždy připojen vodič pod jižním pólem a k hornímu kartáči ( - ) vodič pod severním pólem. Polarita napětí na kartáčích se tedy nemění, to znamená, že komutátor usměrňuje střídavé napětí indukované do otáčejících se vodičů. Připojíme-li ke kartáčům zátěž ( např. rezistor R ), protékají jí stejnosměrný proud, zatímco ve vodičích kotvy je střídavý. Časové průběhy indukovaných napětí v jednotlivých vodičích a indukovaného napětí na svorkách nezatíženého stroje jsou na obr.1b) a 1c) a jsou dány šířkou pólů a tvarem pólových nástavců stroje. Při konstantní rychlosti v je okamžitá hodnota indukovaného napětí úměrná magnetické indukci B magnetického pole ve vzduchové mezeře. Magnetické pole ve vzduchové mezeře není konstantní, mezi póly je velmi slabé. Indukované napětí na svorkách stroje je tímto značně zvlněné, pulzující, pro jeho zlepšení se vinutí kotvy vyrábí s větším počtem cívek a jemu odpovídajícímu počtu lamel komutátoru. b) princip činnosti stejnosměrného motoru
Má-li stroj pracovat jako motor, připojíme ke kartáčům zdroj stejnosměrného napětí s polaritou podle obr.1a). Tím se změní směr proudu ve vodičích kotvy. Na vodiče, kterými prochází proud a které se nacházejí v magnetickém poli působí síla, jejíž směr a orientace je vyznačena na obr.1a a jejíž velikost je dána vztahem : F = B ⋅ Ia ⋅ l kde I a – proud protékající vodičem Síly působící na jednotlivé vodiče vytvářejí točivý moment a kotva se tedy roztočí ve stejném směru jakým se otáčela kotva generátoru. Za jednu polovinu otáčky si vodiče vymění místa. Působením komutátoru se změní směr proudu v obou vodičích, tzn. i orientace síly působící na vodič. Komutátor u motoru tedy mění smysl proudu ve vodičích kotvy tak, že se kotva otáčí jedním směrem. Průběh momentu stejně jako průběh indukovaného napětí u generátoru je opět pulzující ( obr.1c) ). Indukované napětí a moment stejnosměrného stroje a) indukované napětí stejnosměrného stroje Pro jednodušší odvození indukovaného napětí nahradíme skutečný průběh magnetické indukce ve vzduchové mezeře stroje obdélníkovým průběhem se střední velikostí Bav, takže všechny vodiče vinutí kotvy se nacházejí v magnetickém poli s touto indukcí. Jestliže vodiče kotvy mají aktivní délku l ( tj. délku v magnetickém poli pod hlavním pólem statoru ), jsou rozloženy na průměru D kotvy a kotva se pohybuje rychlostí v danou vztahem : v =π ⋅D⋅n
bude se v jednom vodiči kotvy indukovat napětí : U ind = Bav ⋅ l ⋅ v Jestliže dosadíme za magnetickou indukci Bav magnetický tok Φ dělený plochou vzduchové mezery ( danou délkou pólu l a pólovou roztečí τ ), vyjádříme rychlost v úhlovou rychlostí Ω a za délku l dosadíme aktivní délku příslušného počtu sériově zapojených vodičů daného konstrukčním provedením vinutí kotvy stroje, dostaneme vztah pro celkové indukované napětí v kotvě stroje : U ind = c ⋅ Φ ⋅ Ω
( V; Wb, rad ⋅ s ) -1
kde c- konstrukční konstanta stroje b) moment stejnosměrného stroje Pro odvození vztahu pro mechanický točivý moment M stroje vyjdeme ze vztahu pro výkon přenášený vzduchovou mezerou ( nebo-li vnitřní elektrický výkon ) :
Pδ = M em ⋅ Ω = U ind ⋅ I a kde Mem – elektromagnetický moment stroje, pro který platí: M em =
U ind ⋅ I a = c ⋅Φ ⋅ I a Ω
kde I a – proud vinutím kotvy stroje Mechanický točivý moment na hřídeli stroje je v případě, že zanedbáme moment mechanických ztrát roven momentu elektromagnetickému : M ≅ M em → M = c ⋅ Φ ⋅ I a (N ⋅ m; Wb, A )
2. Reakce kotvy a komutace stejnosměrných strojů Reakce kotvy je zpětné působení magnetického pole kotvy na magnetické pole hlavních pólů, které je tímto působením deformováno a zeslabováno a také dochází k posunutí magnetické neutrály z neutrální osy ( viz.obr.2 ). Na obr.2a) je magnetické pole hlavních pólů při chodu stroje bez zatížení ( I a = 0 ), na obr.2b) je samotné magnetické pole kotvy, jejímž vinutím prochází proud a na obr.2c) výsledné magnetické pole stroje při zatížení.
Obr.2. Působení reakce kotvy u stejnosměrného generátoru Nepříznivé vlivy reakce kotvy lze zcela potlačit kompenzačním vinutím, které je uloženo v pólových nástavcích hlavních pólů stroje a je zapojeno do série s vinutím kotvy tak, aby jím tekl proud opačným směrem, než je směr proudu ve vinutí kotvy pod příslušným pólem. Tím se magnetické pole kompenzačního vinutí a vinutí kotvy vzájemně zruší a ve stroji zůstane pouze magnetické pole hlavních pólů. Kompenzační vinutí je výrobně nákladné, proto se používá jen u strojů velkých výkonů.
Komutace je proces změny směru proudu v cívce vinutí kotvy a je znázorněna na obr.3. Na počátku komutace ( obr.3a) ) leží kartáč ( umístěný v neutrální ose stroje ) na lamele 1 a cívkou zapojenou mezi lamelami 1 a 2 protéká proud v naznačeném směru. Na obr.3b) je cívka spojena kartáčem nakrátko. Po skončení komutace ( obr.3c) ) leží kartáč na lamele 2 a cívkou prochází tentýž proud jako na počátku komutace, ale opačným směrem. Během doby komutace se do komutující cívky indukuje tzv. pohybové napětí ( viz kap.1 ) dané pohybem cívky v magnetickém poli a tzv. reaktanční napětí indukované právě časovou změnou proudu v komutující cívce. Pohybové napětí bude ( se zjednodušením ) nulové v případě, že se komutující cívka bude nacházet v tzv. magnetické neutrále, ve které je indukce magnetického pole nulová. Poloha magnetické neutrály se však mění se zatížením stroje vlivem reakce kotvy ( viz.obr.2c) ), tím se komutující cívka nachází v magnetickém poli s nenulovou indukcí a indukuje se do ní tedy napětí. Vlivem indukčnosti cívky dochází k tzv. zpožděné komutaci, kdy před ukončením komutace se do cívky indukuje velké reaktanční napětí, jehož velikost je dána indukčností cívky a velkou časovou změnou proudu v komutující cívce. Tato napětí mají za následek vznik jiskření ( elektrický oblouk ) mezi kartáčem a odbíhající lamelou, nadměrné ohřívání kartáčů a komutátoru a tím snižování životnosti sběracího ústrojí. Proto je nezbytné potlačit napětí indukované do komutující cívky, tj. zlepšit její komutaci. Zlepšení komutace a tím zvýšení životnosti sběracího ústrojí se dosáhne použitím pomocných pólů, umístěnými na statoru mezi hlavními póly ( obr.4 ). Jejich vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy tak, aby se potlačilo reaktanční napětí indukované do vinutí kotvy při komutaci.
Obr.3. Proces komutace u stejnosměrného stroje
Obr.4. Magnetický obvod stejnosměrného stroje
3. Rozdělení stejnosměrných strojů Stejnosměrné stroje rozdělujeme, bez ohledu zda pracují jako generátory nebo motory, podle způsobu napájení budícího vinutí hlavních pólů. Podle druhu buzení tedy rozeznáváme : a, stroje s cizím buzením ( obr.5a) ) – budící vinutí hlavních pólů je napájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje a nebo místo hlavních pólů s vinutím má stroj permanentní magnety. b, stroje s derivačním buzením ( obr.5b ) – budící vinutí hlavních pólů je zapojeno paralelně ke kotvě c, stroje se sériovým buzením ( obr.5c ) – budící vinutí hlavních pólů je zapojeno do série s kotvou d, stroje s kompaundním ( smíšeným ) buzením ( obr.5d ) – na hlavních pólech je budící vinutí derivační a sériové. Podle druhu buzení má každý stroj své charakteristické vlastnosti, které lze posoudit podle příslušných charakteristik stroje. U generátorů to jsou zejména jejich vnější charakteristiky ( tj. závislost svorkového napětí na zatěžovacím proudu generátoru při konstantním buzení a rychlosti ), u motorů zejména jejich mechanické charakteristiky ( tj. závislost úhlové rychlosti na momentu motoru při různých tzv. regulačních parametrech ).
kotva stroje buzení stroje
a)
c)
b)
d)
Obr.5. Druhy stejnosměrných strojů: a) s cizím buzením, b) s derivačním buzením, c) se sériovým buzením, d) s kompaundním buzením
4. Stejnosměrné generátory ( dynama ) 1. Stejnosměrný generátor s cizím buzením Schéma zapojení je na obr.6. Budící vinutí je napájeno z nezávislého zdroje, budící proud I b není proto závislý na svorkovém napětí Ua generátoru a lze jej regulovat rezistorem R r . Rz Ua Ia=I
vinutí pomocných pólů
Uind A1 Q1
A2 kotva
F1
Ib
budící vinutí
F2
Q2
Rr
+ Ub -
Obr.6. Schéma zapojení stejnosměrného generátoru s cizím buzením Svorkové napětí zatíženého generátoru při I b = konst., Ω ( n )= konst. je dáno vztahem :
U a = U ind − Ra ⋅ I a = U ind − ∆U a kde Ra − celkový činný odpor obvodu kotvy ∆Ua – celkový úbytek napětí na obvodu kotvy Ua – svorkové napětí Neuvažujeme zde úbytek napětí na kartáčích ∆Uk, který bývá kolem 1V a úbytek napětí způsobený reakcí kotvy ( je nulový u strojů s kompenzačním vinutím ) ∆Ur . Vnější charakteristika je na obr.7. Svorkové napětí generátoru klesá se zatížením málo, stejnosměrný generátor s cizím buzením je tvrdý zdroj napětí. Z vnější charakteristiky je vidět, že při zkratu na svorkách generátoru ( tj. při Ua = 0 ) dosahuje proud kotvy značných hodnot, tzn. pro generátor s cizím buzení je zkrat nebezpečný. Polaritu svorkového napětí generátoru lze měnit přepólováním polarity buzení ( tj.změnou směru budícího proudu ) nebo změnou směru otáčení ( reverzací ) generátoru ( v praxi se nepoužívá ) . Ua Uind UaN
Ra ⋅ Ia Ib (Φ ) = konst. Ω ( n ) =konst. IaN
Ia
Obr.7. Vnější charakteristika stejnosměrného generátoru s cizím buzením Výhody generátoru : - široký a plynulý rozsah řízení napětí - výhodné regulační vlastnosti - tvrdý zdroj napětí Nevýhody generátoru: - zvláštní zdroj buzení ( neplatí v případě generátoru s permanentními magnety ) Použití generátoru: pro aplikace, kde je zapotřebí plynule a v širokém rozsahu řídit stejnosměrné napětí, např. ve speciálních soustrojích pro řízení otáček poháněných mechanizmů. 2. Stejnosměrný generátor s derivačním buzením Schéma zapojení je na obr.8. Budící vinutí je připojeno paralelně ke kotvě. Podmínkou činnosti generátoru je existence tzv. remanentního, zbytkového magnetizmu v magnetickém obvodu statoru. Hlavní póly, na kterých je umístěno budící vinutí, jsou složeny z ocelových plechů, tj. z feromagnetického materiálu. Charakteristickou vlastností těchto materiálů je
vytváření zbytkového, tzv. remanentního magnetického pole v případě, že předtím byly vystaveny působení vnějšího magnetického pole, a které v materiálu zůstává po zrušení tohoto vnějšího magnetického pole. Rz Ua I Uind
A1 Q1
A2 D2 Ib
Ia Q2
Rr
Rb D1
Obr. 8. Schéma zapojení stejnosměrného generátoru s derivačním buzením Remanentní magnetické pole lze definovat remanentní magnetickou indukcí či remanentním magnetickým tokem, který způsobí při otáčející se kotvě generátoru indukování malého remanentního napětí do vinutí kotvy. Působením tohoto napětí protéká budícím vinutím proud, tím se zvýší magnetický tok budících pólů a tím i indukované a svorkové napětí generátoru. Celý děj se opakuje tak dlouho, až se napětí na svorkách generátoru ustálí na hodnotě danou vztahem : U a = I b ⋅ (Rb + Rr ) I = Ia − Ib Vnější charakteristika je na obr.9. Ua Uind UaN
R r =konst. Ω (n)= konst. Ik
IN
IM
I
Obr.9. Vnější charakteristika stejnosměrného generátoru s derivačním buzením Při zatížení se generátor s derivačním buzením chová jinak než generátor s cizím buzením. Je to způsobeno tím, že při snižování svorkového napětí Ua se zvyšováním
zatěžovacího proudu I se snižuje budící proud Ib a tedy i magnetický tok, tj. generátor se odbuzuje a tím dále klesá jak indukované, tak i svorkové napětí generátoru. Při překročení maximálního zatěžovacího proudu IM je vliv odbuzování generátoru již tak velký, že svorkové napětí společně se zatěžovacím proudem prudce klesají. Při zkratu na svorkách generátoru tj. při Rz= 0 poteče vnějším obvodem pouze malý zkratový proud Ik, jehož velikost je dána remanentním napětím a celkovým odporem obvodu kotvy. Výhody generátoru: - není třeba zvláštní zdroj buzení - vydrží bez poškození zkrat na výstupních svorkách Nevýhody generátoru: - užší rozsah řízeného napětí - měkčí vnější charakteristika Použití generátoru: jako budiče pro synchronní stroje, popř. na mobilních prostředcích
5. Stejnosměrné motory 1. Stejnosměrný motor s cizím buzením Schéma zapojení je na obr.10. Budící vinutí je stejně jako u stejnosměrného generátoru s cizím buzením napájeno z nezávislého stejnosměrného zdroje. Ua
+
-
Ia RS
Uind A2 Q2
A1
F1
Q1
Ib
+ Ub
F2
-
Obr.10. Schéma zapojení stejnosměrného motoru s cizím buzením Svorkové napětí zatíženého motoru při I b = konst., Ω (n)= konst. je dáno vztahem :
U a = U ind + Ra ⋅ I a = U ind + ∆U a
pro RS = 0
Pohony se stejnosměrnými motory s cizím buzením byly v minulosti velmi rozšířeny jako pohony regulační. V současné době jsou stále ještě vyráběny a používány, i když jejich podíl v oblasti elektrických regulovaných pohonů stále klesá na úkor střídavých regulovaných pohonů s asynchronními motory. Avšak zachovávání jejich technického významu je způsobeno řadou výhod, mezi které zejména patří : - jednoduché řízení rychlosti ( otáček ) změnou svorkového napětí - velký točivý moment zejména při nízké rychlosti - snadná změna smyslu otáčení rotoru - velký rozsah rychlosti, která není vázána na kmitočet střídavé napájecí sítě - velký rozsah výkonů až do desítky MW Vzhledem k jejich použití v oblasti regulovaných pohonů se zaměříme na způsoby řízení rychlosti motorů a jejich brzdění. Řízení rychlosti ( otáček ) stejnosměrného motoru s cizím buzením Pro odvození vztahu závislosti úhlové rychlosti motoru na jeho momentu Ω = f ( M ), popř. otáček n = f ( M ) vyjdeme ze vztahu pro svorkové napětí motoru : U a = U ind + Ra ⋅ I a = c ⋅ Φ ⋅ Ω + Ra ⋅ I a a ze vztahu pro moment motoru vyjádříme proud kotvy: M = c ⋅Φ ⋅ I a → I a =
M c ⋅Φ
který dosadíme do vztahu pro svorkové napětí : U a = c ⋅ Φ ⋅ Ω + Ra ⋅
M c ⋅Φ
nebo U a = c ⋅ Φ ⋅
π M ⋅ n + Ra ⋅ 30 c ⋅Φ
a vyjádříme z něj úhlovou rychlost ( otáčky ):
Ω=
Ua R − 2 a 2 ⋅ M = Ω 0 - ∆Ω c ⋅Φ c ⋅Φ
nebo n =
U a 30 R 30 ⋅ − 2 a 2 ⋅ ⋅ M = n0 - ∆n c ⋅Φ π c ⋅Φ π
V obou vztazích první člen Ua U a 30 = Ω0 , ⋅ = n0 c ⋅Φ c ⋅Φ π je Ω 0 úhlová rychlost naprázdno a n0 jsou otáčky naprázdno a výraz :
Ra ⋅ M = ∆Ω c ⋅Φ 2 2
a
Ra 30 ⋅ ⋅ M = ∆n 2 c ⋅Φ π 2
je roven úbytku rychlosti ∆Ω ( otáček ∆n ) , který je úměrný velikosti zatížení motoru ( tj. momentu motoru M ). Ze vztahu pro úhlovou rychlost ( otáčky ) motoru je zřejmé, že rychlost ( otáčky ) motoru lze řídit třemi možnými způsoby : a, změnou odporu R a v obvodu kotvy zapojením přídavného rezistoru RS b, změnou svorkového napětí Ua na kotvě motoru c, změnou magnetického toku Φ ( tj. budícím proudem Ib ) ad a, řízení rychlosti ( otáček ) motoru změnou odporu v obvodu kotvy ( při Ua= konst., Φ = konst. ) Mechanické charakteristiky jsou na obr.11. K řízení rychlosti je použit rezistor RS v obvodu kotvy motoru ( viz. obr.10 ). Při tomto způsobu řízení rychlosti zůstává rychlost naprázdno Ω 0 ( otáčky n0 ) konstantní a požadovaná rychlost otáčení motoru se nastavuje velikostí odporu RS . Tento způsob řízení rychlosti je málo používaným z důvodu trvalých ztrát, které vznikají na tomto odporu. Pro svoji nehospodárnost lze toto řízení použít jen u motorů velmi malých výkonů, popř. pro rozběh motoru. Rozsah řízení klesá s klesajícím zatěžovacím momentem M motoru, při chodu naprázdno je nulový.
Ω Ω0 ΩN Ω1
RS1 < RS2
∆ΩN RS=0
∆Ω1 ∆Ω2
RS1
Ω2 RS2 MN
M
Obr.11. Mechanické charakteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou odporu v obvodu kotvy ad b, řízení rychlosti motoru změnou napětí na kotvě ( při konstantním jmenovitém buzení Φ N ( IbN )= konst.) Principem tohoto způsobu řízení rychlosti je změna velikosti svorkového napětí motoru, což se prakticky provádí pomocí řízeného tyristorového usměrňovače ( obr.12 )
3PEN~50 Hz
M obvod kotvy
obvod buzení
Obr.12. Schéma zapojení pro řízení rychlosti stejnosměrného motoru s cizím buzením Usměrňovač v obvodu kotvy je nejčastěji trojfázový plně řízený, tj. osazený tyristory a v můstkovém zapojení. Bývá často i reverzační tzn. že umožňuje změnu směru otáčení rotoru. Řídícím úhlem α tyristorů v usměrňovači lze řídit střední hodnotu výstupního napětí usměrňovače tj. napětí na kotvě motoru. Usměrňovač v obvodu buzení je nejčastěji jednofázový, řízený, nereverzační v můstkovém zapojení Mechanické charakteristiky jsou na obr.13. Změnou velikosti napětí na kotvě motoru při konstantním buzení je tvar ( sklon ) mechanických charakteristik zachován (∆Ω=konst.). Výhodou tohoto způsobu řízení je plynulá změna rychlosti otáčení motoru v širokém rozsahu od nuly až do jmenovité rychlosti. Řízení je jen s malými ztrátami tj. hospodárné.
Ω Ω 0N ΩN Ω 01 Ω1 Ω 02 Ω2
α=00 0
α=30
UaN Ua1
0
α=60
Ua2 MN
M
UaN > Ua1 > Ua2 Obr.13. Mechanické charakteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou napětí na kotvě
ad c, řízení rychlosti motoru změnou magnetického toku ( tj. změnou buzení) ( při konstantním jmenovitém napětí kotvy UaN = konst.) Používá se pro řízení rychlosti motoru nad rychlost jmenovitou, tj. pro Ω > Ω N, při malých zatěžovacích momentech MN. K řízení velikosti magnetického toku se používá řízeného usměrňovače v budícím obvodu motoru. Řídícím úhlem α tyristorů v usměrňovači se mění střední hodnota výstupního napětí usměrňovače, tím se mění velikost budícího proudu a magnetického toku. Mechanické charakteristiky jsou na obr.14. Z nich je vidět, že se snižováním magnetického toku tj. s odbuzováním motoru se charakteristiky změkčují.
Ω Ω 02
φ N> φ 1> φ 2
Ω 01 Ω2 Ω1 Ω 0N ΩN
α =600
α =300
α =00
MN
φ2 φ1 φN M
Obr.14. Mechanické charakteristiky stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení rychlosti změnou buzení Závislosti provozních veličin stejnosměrného motoru s cizím buzením při řízení jeho rychlosti jsou na obr.15. Brzdění stejnosměrného motoru s cizím buzením Možné způsoby brzdění ( snížení rychlosti ) motoru jsou na základě výkonové bilance schématicky znázorněny na obr. 16. Má – li dojít k brzdění, tj. ke změně směru mechanického výkonu na hřídeli motoru, musí se změnit smysl momentu M motoru, který tak působí proti smyslu otáčení rotoru. Jsou tedy možné následující způsoby brzdění : a) brzdění do odporu brzdného rezistoru Kotva motoru se odpojí od napájecího zdroje a připojí se k vhodnému rezistoru, tím se změní směr proudu v kotvě a tím smysl momentu motoru ( viz. obr.16b ). Motor poháněný brzděným mechanizmem se tak stává generátorem, měnícím mechanickou energii na elektrickou, která se mění v odporu na Jouleovo teplo. Mechanické charakteristiky při brzdění do odporu jsou na obr.17, ztráty při brzdění jsou rovny mechanickému výkonu ( viz. obr 16b ) b) brzdění protiproudem Nastává tehdy, jestliže je motor zapojen pro určitý směr otáčení, ale vlivem setrvačnosti nebo účinkem břemene se otáčí v opačném směru. Tento způsob brzdění je možné provést následujícími způsoby :
-
přepólováním ( reverzací )napětí na svorkách kotvy, tím dojde ke změně směru proudu v kotvě motoru a tedy ke změně smyslu momentu motoru. Pro omezení velikosti proudu při brzdění se do obvodu kotvy při reverzaci zařazuje rezistor s dostatečně velkým odporem. Při tomto brzdění je nutno včas odpojit kotvu motoru od napájecí sítě a rotor mechanicky dobrzdit, jinak by se rozběhl do opačného směru. Ztráty při tomto způsobu brzdění jsou dány součtem dodaného mechanického výkonu na hřídeli a elektrického výkonu odebíraného z napájecí sítě (viz obr.16c). Mechanická charakteristika je na obr.18.
IA, U A P, M IB
R o zsah řízení v ko tvě
R o zsah řízení buzením při I A ≠ ko nst. při I A =ko nst. IA UA
P
M IB 0
n1
n2
n3
n
IA proud kotvy motoru
UA napětí kotvy
P výkon motoru
M moment motoru
IB proud budícím vinutím
n1 základní otáčky
n2 komutační mez otáček
n3 maximální otáčky při při odbuzování motoru
Obr.15. Závislosti provozních veličin při řízení rychlosti stejnosměrného motoru s cizím buzením
M
Pel
U
Pmec
Ω PM
napájecí síť
hřídel stroje
∆P
∆P = Pel - Pmec
a)
Rb
∆ Pj
Ω
Pmec
PM hřídel stroje -M
∆P
∆P + ∆Pj = Pmec
b)
Pel
U
Ω
Pmec
PM napájecí síť
hřídel stroje -M
∆P
∆P = Pel + Pmec
c)
U
Pel
Ω
Pmec
PM napájecí síť
hřídel stroje -M
∆P
∆P = Pmec - Pel
d)
Obr.16. Výkonová bilance stejnosměrného motoru : a) pohánění, b) brzdění do odporu, c) brzdění protiproudem, d) brzdění rekuperační
-
změnou směru otáčení rotoru při spouštění břemene ( obr.19 ). Při zdvihu břemene se rotor otáčí např.doleva, jak je naznačeno na obrázku. Má–li se stejné břemeno spouštět a jeho pohyb dolů brzdit, je třeba zařadit do obvodu kotvy rezistor s dostatečně velkým odporem. Tím se sníží velikost proudu kotvou a motor již nestačí vyvinout dostatečný moment pro zdvih břemene. Břemeno tak klesá, směr otáčení rotoru změní svůj smysl. Je opačný než odpovídá směru pro který je motor zapojen. Motor je tak brzděn protiproudem. Motor se v ustáleném stavu otáčí konstantní rychlostí a brzdí spouštěné břemeno, protože moment motoru při brzdění nezměnil svůj smysl. Ω
RS1< RS2< RS3
Ω
RS3 RS2
RS > 0
RS1
RS=0
M
-M
Obr.17. Mechanické charakteristiky při brzdění do odporu
-M
M
Obr.18. Mechanická charakteristika při brzdění protiproudem reverzací napětí
směr otáčení při zdvihu břemene
Rb +
Ω M M
Ua
-
+
Ub
v spouštěné břemeno
Obr.19. Brzdění protiproudem při spouštění břemene
c) brzdění rekuperační ( generátorické ) Nastává tehdy, jestliže rychlost motoru je větší než rychlost naprázdno, tj. při Ω > Ω 0. Motor se tak stává generátorem a dodává elektrickou energii do napájecí sítě ( viz. obr 16d ). Tohoto způsobu brzdění lze dosáhnout těmito způsoby : - spouštěním břemene při přepólovaném napětí na svorkách kotvy motoru, tj. polarita napětí na kotvě musí být opačná než při zdvihu břemene. -
snížením napětí na kotvě motoru řízeným usměrňovačem. Tím dojde ke snížení rychlosti naprázdno ( Ω0 = Ua/ c⋅Φ ). V okamžiku snížení napětí je vlivem setrvačnosti rotujících hmot rychlost motoru stejná, tj. při dostatečně velkém snížení napětí pak platí, že ΩN > Ω 01 a proud Ia s momentem M motoru tak musí změnit svůj smysl, jak je zřejmé ze vztahu pro úhlovou rychlost motoru Ω a tedy i z mechanické charakteristiky na obr.20. Tento způsob brzdění je hospodárný, ztráty jsou rovny rozdílu mechanického a elektrického výkonu.( viz. obr 16d ).
Ω Ω0 ΩN
UaN
Ω01
Ua1
-M
MN
M
Obr.20. Mechanické charakteristiky při rekuperačním brzdění Použití stejnosměrných motorů s cizím buzením: - v automobilovém průmyslu pro pohony různých mechanizmů, pro pohony obráběcích strojů, elektromobilů, válcovacích stolic, těžních strojů, apod.
2. Stejnosměrný motor se sériovým buzením Schéma zapojení je na obr.21. Motor má budící vinutí zapojeno do série s obvodem kotvy. Proud kotvy je totožný s budícím proudem a magnetický tok je tak funkcí proudu kotvy, tj. buzení motoru je závislé na velikosti zatížení motoru : I a = I b → Φ = f (I a )
Ua
+
-
Ia RS
Uind A2 Q2
A1
S1
Q1
Ib
S2 Obr.21. Schéma zapojení stejnosměrného motoru se sériovým buzením Celá magnetizační charakteristika Φ = f ( Fm ), popř.Φ = f ( Ib ) ( obr.22) je u elektrických strojů nelineární a lze ji rozdělit na nenasycenou oblast pro kterou s určitým zjednodušením platí :
Φ 0A = k1 . I b = k1 . I a a na oblast nasycení pro kterou lze přibližně psát :
Φ AB = k2
Φ
oblast nasycení A
0
B
Fm(Ib)
Obr.22. Magnetizační charakteristika stejnosměrného stroje
Pro motor pracující v nenasyceném stavu, tj. zatěžovaném malými proudy kotvy je jeho moment roven : M 0A = c ⋅Φ
0A
⋅ I a = c ⋅ k1 ⋅ I a2
a pro motor pracující v nasyceném stavu, tj. zatěžovaném velkými proudy kotvy : M AB = c ⋅Φ AB ⋅ I a = c ⋅ k2 ⋅ I a S využitím těchto vztahů a vztahu pro úhlovou rychlost Ω motoru lze odvodit rovnici mechanické charakteristiky motoru Ω = f ( M ) ( viz. skriptum Doc. Ing. Jan Smejkal, CSc. : Elektrotechnika, str. 114,115 ), a která je zobrazena na obr. 23.
Ω
RS=0 RS1> RS M Obr.23. Mechanické charakteristiky stejnosměrného motoru se sériovým buzením Mechanická charakteristika je tzv. měkká, rychlost naprázdno je teoreticky nekonečně vysoká, tzn. že motor nesmí nikdy pracovat bez zatížení. Z tohoto důvodu je motor trvale mechanicky spojen s pracovním mechanizmem, např. s hnanou nápravou lokomotivy. Jejich výhodou je velký moment zejména při nízké rychlosti. Řízení rychlosti je možné těmito způsoby : -
změnou odporu v obvodu kotvy RS změnou napětí na kotvě pomocí řízeného usměrňovače nebo pulzního měniče změnou buzení pomocí paralelně připojeného rezistoru k budícímu vinutí u vícemotorových pohonů např. u lokomotiv řazením jednotlivých motorů do paralelních nebo sériových skupin
Brzdění je možné těmito způsoby : -
brzdění do odporu: buď přímo s přepólovaným budícím vinutím a nebo přepojením sériového motoru na motor s cizím buzením brzdění protiproudem brzdění rekuperací je možné pouze při napájení motoru ze stejnosměrného pulzního měniče
Použití motoru se sériovým buzením V elektrické trakci jako trakční motory ( např. pro lokomotivy ), nebo jako tzv. univerzální motory, které se mohou napájet jak střídavým tak i stejnosměrným napětím používané pro elektrické nářadí ( např. vrtačky, brusky, malé kuchyňské spotřebiče ).
