Konstrukce stejnosměrného stroje

Stejnosměrné stroje

Konstrukce stejnosměrného stroje póly + pól. nástavce rotor s vinutím v drážkách

stator

geometrická neutrála konstantní vzduchová mezera δ

budicí vinutí

magnetická osa stejnosměrný budicí proud Ib způsobí budicí tok Φb

Hlavní pól stejnosměrného stroje jho statoru

budicí vinutí hlavní pól

pólový nástavec rotor

Princip funkce ss. stroje: n n

Kotva – vinutí el. stroje, do kterého se indukuje napětí

z

Ib → Φb → uiv → iv → ia → ukart

Princip funkce ss. stroje: n n

z

Dynamo: Ib → Φb → uiv → iv → ia → ukart

Motor:

Ib → Φb → ia → iv → F → M

Idealizovaná situace: gn

gn „S“ ↓ Φb

Ib

gn „J“ ↑ Φb ukart

Bδ (x) ~ ui1 („Blv“) Komutátor = mechanický usměrňovač

Bδ ui1 Skutečná kotva: více drážek → závitů, lamel komutátoru

Princip působení elektrických strojů

Vodiče rotoru (kotvy) tvoří cívky, jejichž aktivní části leží na průměru.


n

Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy stejná polarita proudu


n



n



n



n


Konstrukce vinutí kotvy Existuje mnoho druhů.

Ib

Nemusíme je znát, jenom si

PAMATOVAT ! : iv

n

iv

magnetická osa solenoidu Vinutí se chová jako: solenoid + Fe

Napětí na kartáčích = Σ napětí vodičů ( Zařídí konstruktér stroje)

Magnetické pole ve vzduchové mezeře





Indukované a elektromotorické napětí V = 2N - počet aktivních vodičů na kotvě, zapojených do 2a paralelních větví.

- pro závislost na otáčkách

Elektromagnetický moment Síla, působící na jeden vodič:

Moment, působící na jeden vodič:

Celkový elektromagnetický moment:

( nezahrnuje převod mezi ωm a n )

Vliv proudu Ia na pole ve stroji: Ia > 0, Ib = 0

Ia = 0

Ia → Φa („reakce kotvy“)

Ib

Φb + Φa → Φ Φ je výsledné pole Φa

Φb Vliv Φa na Φ :

geometrická neutrála (gn)

a) v gn se objevil tok

b) pole Φb v hlavních pólech se deformuje

Nepříznivý vliv Φa (složka a) : natočení no ( no - neutrální osa = spojnice bodů, kde B(x) = 0 U dynama natočení no ve směru n ! n

iv

gn Φa

Φa

Φ

Φb

Φb

Proč posuv vadí?

Zhoršuje komutaci !

no

Nepříznivý vliv Φa (složka b) : deformace pole Deformace pole ve vzduchové mezeře ( vliv složky b ) Nárůstu indukce odpovídá zvýšení lamelového napětí – nebezpečí pro izolaci vinutí kotvy.

Omezí se kompenzačním vinutím v pólových nástavcích, zapojeným do série s kotvou.

Příklad skutečného vinutí kotvy:

Příklad skutečného vinutí kotvy:

Příklad skutečného vinutí kotvy: Komutace cívky:

uiv → icív >> 0 → jiskření → zničení komutátoru Dvě řešení: (J) a) mechanické natočení kartáčů do no tam B = 0 → uiv , icív =0

(S)

uiv

uiv

(Při změně Ia se no natáčí !!) b) komutační póly

-

Ukart = ∑ uiv

+

Komutační póly

Princip funkce:

ΦKP= - Φa

vinutí KP v sérii s kotvou: ΦKP

Ia

proto v gn je stále B = 0

ΦKP

Kartáče trvale v gn !! V dalším budeme předpokládat úplné potlačení toku reakce kotvy ( Φa = 0 ) p

Ve stroji bude výsledný tok : Mechanická úhlová rychlost:

   b   Bb  x .l.dx 

 30

´0

n

(rad/s ; ot/min)

Podélný řez stejnosměrným strojem

Příčný řez stejnosměrným strojem

Napětí indukované ve vinutí kotvy

Svorkové napětí:

Ra

Ia

U = Ui – RaIa - ΔU

+ +

U

Ui

Ruhl

-

kde: Rz

Ra …. kotva + KP ΔU = Ruhl.Ia  1÷2 V Pro další úvahy ho zanedbáme.

Dynamo s cizím buzením Charakteristika naprázdno Ra

Ia

U0 ( Ib) při n = konst, I = Ia = 0

+ +

U

Ui

U0

UN

Ib

+ Ub

-

(nebo Ubreg)

U0 rem

IbN Ib

symetrické

Dynamo s cizím buzením Charakteristika vnější Ra

(zatěžovací)

Ia

U ( Ia ) při n, Ib= konst.

+ +

U

Ui

-

Ib1 > Ib2 U

U0

Ib1 Ib2

Ib

+ Ub

-

Ib3

(nebo Ubreg)

Ia

Dynamo s cizím buzením Hodnocení: - zdroj napětí ( U  U0 ), při PN

tvrdší zdroj

- snadná regulace napětí U změnou Ib - snadná změna polarity napětí ± U pomocí ± Ib ( ± n zřídka )

Dynamo s paralelním buzením (derivační) Ib

I

Funkce při chodu naprázdno:

Ia

Rb

n

Ra

+

→ Uirem → Ib → Ui

→ Ib Ui (Ib)

Ui

U

Ui

-

Ui rem

Musí být správná polarita buzení.

Ui = ( Ra + Rbc ).Ib

Ib

Dynamo pracuje za kolenem magnetizační charakteristiky.

Dynamo s paralelním buzením (derivační) Ib

I

Vnější charakteristika

Ia

Rb

I → Ia → U

Ra

+

→ Ib atd. : vnější charakteristika měkčí

U

Blízko Rz = 0 buzení téměř ve zkratu Ib ,U → 0

Ui

-

U cizí buzení

(Φb rem)

IN I

Dynamo se sériovým buzením Nabuzení při zatížení: n

→ Uirem → I → Φb

→Ui

→I

I

Ra + Rb

+

Ui -

U Rz

U

Musí být správná polarita buzení. Jako zdroj se sériové dynamo nepoužívá

Φb  konst I

Stejnosměrné motory

U  Ra  I a m  k 

M - moment elektromagnetický, vnitřní M’ – moment na hřídeli M’ = M - ΔM kde ΔM je moment ztrát třením Ustálený stav:

n = konst Mp – zátěžný moment

+ U

-

M

M’

M’ = Mp = M - ΔM

Motor s cizím buzením Φb

n eiv

Polarita Ia určena U , směr iv dán smyslem vinutí kotvy.

Ib

Levá ruka: směr Fv , M , n

iv

Pravá ruka: směr eiv

Iv

(potvrzení Lenzova pravidla) Ia U

Motor s cizím buzením Ia

Rozběh motoru:

Ra

Nejdříve nabudit

+

U

U Ui Ia  Ra

Ui -

Ib

Ib = IbN

n  0  U i  0  I ak 

Malé motory: kotvu přímo na zdroj U Velké motory: buď Ra sp ( postupně Ra sp nebo U = 0 a postupně

U Ra

( Ra relativně velký) 0 , protože Ui

)

Motor s cizím buzením Základní charakteristiky:

Momentová: M(I) , U, Ib= konst.

M  k  b  I a

Rychlostní: n(I) , U, Ib= konst.

Ra  I a U n  k1   b k1   b

Mechanická: n(M) , U, Ib= konst.

Ra  M U n  2 2 k1   b k1   b


Mechanická charakteristika

Ra

ωm (M ) ,

+

U

Ib , U = konst

U U  RaR.Iaa M mm   2 2 k   bk .k   b

Ui -

Ib

M U  Ra k  b m  k  b Při PN

ωm

ω m0 ~ Ra

→ motor „tvrdší otáčky“ ( Ra relativně ) M


Řízení otáček

Ra

Ra  M U m   2 2 k  b k  b

+

U

Ui

a) Změna budicího proudu

-

buď Ub reg nebo Rb reg

Ib ωm Ib

→ ωm

Ib1 < Ib2

!

Ib1 Ib2

Nikdy nepřerušit buzení!! Užívané řízení, η dobrá (ΔPbr malé ) M


Řízení otáček

Ra +Ra reg

Ra  M U m   2 2 k  b k  b

+

U

Ui

b) Změna celkového odporu v kotvě

-

Ib ωm

ωm0

Ra reg = 0

„+“ : jednoduché „ -“ : η

, měkká charakteristika Ra reg M


Řízení otáček

Ra

Ra  M U m   2 2 k  b k  b

+

U

Ui

c) Změna svorkového napětí na kotvě

-

Ib dm R   2 a 2 nezávisí na napětí dM k  b

ωm

ωm0

U1 < UN ~ Ra

Nejlepší řízení, η optimální, malé kolísání n , v automatizaci nejčastěji. M

UN U1


Změna smyslu otáčení

Ra

Nutná změna smyslu momentu

+

U

Ui

Raději ± Ia pomocí ± U

-

Ib

± Φb → nebezpečí odbuzení


Brzdění

Ra +

U

Mp

Ui

Pp

-

Ib n >> 0 , J >> 0

J

Počáteční stav

+ U

-

Pp = Pm + ΔP

Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

M ΔP

Pm

n


Brzdění

Ra +

U

Mp

Ui

Pp

-

Ib n >> 0 , J >> 0

J

Počáteční stav

+ U

-

Pp = Pm + ΔP

Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

M ΔP

PPmm

n


Brzdění do odporu

Ra

J +

U

R

Mp

Ui

+

-

Ib

U

-

Pm

M ΔP

n


Brzdění do odporu

Ra

J +

R

Mp

Ui

ΔPj

-

Ib

+ U

Pm

M

-

Stejné n , Ib → po přepojení ± Ia (dynamo) → ± M

Výhoda: jednoduchost Nevýhoda: kinetická energie do „ RI2“ při n 0 také Ui , Ia , M 0 ( ponechat Ib , zmenšovat R )

ΔP

n


Brzdění protiproudem

Ra

J +

U

Mp

Ui

+

-

Ib

U

-

Pm

M ΔP

n



Ra + Ra reg

J +

U

Mp

Ui Ia

Pp

-

- nutno vložit Ra reg

U

Ib

Stejné n , Ib → po přepojení

+

U  Ui Ia  0 Ra

Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n

Energie do Ra + Ra reg

ΔP = Pp + Pm

Pm

M ΔP

n

Motor s cizím buzením IIa rek a

Ra

Ia rek

Brzdění rekuperací J

+

U

Mp

Ui

Prek

-

Ib Motor:

+ U

-

Ui < U odpovídá směr Ia

Brzdění: Ib , při stálých n → Ui Důsledek: n

→ Ui

Pm

M

n

ΔP

až Ui > U → ± Ia rek

, proto musíme Ib , po nasycení Fe nepomůže

Obvyklé řešení v regulovaných soustavách: U a rekuperace až do n  0

→ Ui > U

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

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působí-li moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě Ia nebo toku Φ, tzn. budicího proudu Ib. (NE !!!)

Brzdění rekuperací

U  Ui Proud I  Ra

Požadavek Ui > U

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působí-li moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě Ia nebo toku Φ, tzn. budicího proudu Ib. (NE !!!)

Brzdění rekuperací


Požadavek Ui > U

Motor s cizím buzením

Možnosti: - Φ (přibudit, Ib ) - n (jeřáb, spouštění břemena)

Brzdění DC motorů Motor brzdí, působí-li moment M proti smyslu otáčení motoru. Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu v kotvě Ia nebo toku Φ, tzn. budicího proudu Ib. (NE !!!) Brzdění rekuperací


Požadavek Ui > U


Možnosti: - Φ (přibudit, Ib ) - n (jeřáb, spouštění břemena)

Motor se sériovým buzením

Nelze dosáhnout požadavku Ui > U

Rekuperací brzdit nelze

Brzdění DC motorů Odpojit od napájení a připojit na odpor

Brzdění do odporu

Pracuje jako dynamo


+ Ib

Ib

_

M

_

M

ωm

Ui

Ui Ia

Ia U

U  Ui  Ra  I a

ωm

E

E

+

+

_

RB

Polaritu buzení zachovat

!

Smysl proudu v kotvě je určován E moment působí proti smyslu točení.

Brzdění DC motorů Brzdění do odporu Motor se sériovým buzením

Po přepojení kotvy na odpor

I

I ωm

M

ωm

M

Ui

E

E I

I U

_

Ui RB

+ Změna smyslu proudu v kotvě i v buzení

NEBRZDÍ

!!!

Brzdění DC motorů Brzdění do odporu Po přepojení na odpor

Motor se sériovým buzením

I

I ωm

M

ωm

M

Ui

E

E I

I

U

_

Ui RB

+ Ale co s tím? Jde to opravit? Musí to jít !! Jinak nepojede vlak !!!

Brzdění DC motorů Brzdění do odporu

Motor se sériovým buzením Prohodit přívody k buzení, neodbudit – neměnit smysl Ib !!!

I

I

ωm

M

ωm

M

Ui E

I

I U

I

_

E

Ui RB

ωm

M Ui E

RB

+ Heuréka !!! BRZDÍ

Brzdění DC motorů Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením

+ Ib _ ωm

M Ui

E Ia U +

_

Brzdění DC motorů Brzdění protiproudem

záměna přívodů ke kotvě


Ib

+ Ib

E

Ui

Ia U +

ωm

E

Ia

Ui

_

M

_ ωm

M

+

U _

+

 U  Ui U  Ui I    I  I N Ia   IN a Ra Ra

_ !!! Nutno omezit (komutace)

Brzdění DC motorů Brzdění protiproudem Motor s cizím buzením

Ib _

ωm

Ui

_

Ui

ωm

Ui Ia

E

Ia

_

M

_

M

M

Ib

+

Ib

+

+

ωm

E

RB

E

Ia

U U

+

+ _

 U  Ui U  Ui   I  I N Ia   I N Ia  Ra Ra

_

U +

_

!!! Nutno omezit pomocí RB (komutace)

Brzdění DC motorů Brzdění protiproudem Motor se sériovým buzením

Filozofie brzdění je analogická pro motory všech typů: pro motory stejnosměrné, DC i střídavé AC.

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

Motor s paralelním buzením ( derivační ) Ib

I

Rozběh motoru: - malé motory přímo

Ia Ra+Ra reg +

U

Ui -

Ra sp

Ra sp

- velké Ra sp pro Ik

Rb reg

Řízení otáček Ra  M U m   2 2 k  b k  b

Rb reg

- ano

Ra reg

- ano

U - ne

Motor se sériovým buzením I

+

U

Φb

(v lineární části mag. char.)

Ia = I b = I Rac = Rb + Ra

Rac

Ui

Pro Φb ~ I platí: M=

c.I2

I 

-

m 

M c

Ui U  Rac  I   k  cI

Rac U  c Rac U     c c c M c M

U m  c M

POZOR! Sériový motor nesmí mít Mp = 0 , protože pak M  0 a ωm ∞ !!!

Sériový motor Rac + Ra sp

I

+

U

Φb

Rozběh motoru:

n  0  Ui  0  Ik 

U Rac

Ui -

Malé motory: kotvu přímo na zdroj U Velké motory: buď Ra sp ( postupně Ra sp nebo U = 0 a postupně

( Rac relativně velký) 0 , protože Ui

)

Sériový motor Mechanická charakteristika

Rac

I

ωm (M ) , U = konst +

U

Φb

U m  c M

Ui -

ωm

M

Sériový motor Rac + Ra reg

I

+

U

Φb

Ui -

Řízení otáček

Rac U m   c c M a) napětím Pro dané M je ωm ~ U - nejlepší řízení: η optimální ( pulsní měnič u tyristorové tram.) b) odporem Ra reg - jednoduché, ale η c) změnou budicího toku - bočníkem paralelně k vinutí budicímu nebo kotvy

Sériový motor Změna smyslu otáčení

Rac

I

+

U

Φb

Ui -

Nutná změna smyslu momentu M = k. Φb .Ia Změnou: ± Φb nebo ± Ia , ne obojí ( proto nejde ± U )

Řešení

Sériový motor Změna smyslu otáčení

Rac

I

+

U

Φb

Nutná změna smyslu momentu

Ui -

Změnou: ± Φb nebo ± Ia , ne obojí ( proto nejde ± U )

Řešení

Sériový motor Brzdění do odporu

Rac

I

J n

U

Φb

+

Ui -

Mp Pp

+ U

-

Pm

M ΔP

n


Rac

J n Φb rem

+

Ui rem -

Mp

+

Pm

U

-

ΔP

n


Rac

J n Φb

+

Mp Ui

+ U

-

Pm

M ΔP

n


Rac

I

J

I n

R

Φb

+

Mp Ui

-

ΔPj

+ U

Nevýhoda: kinetická energie do „ RI2“ při n 0 také Ui , I , M 0 (zmenšovat R )

Pm

M ΔP

n

Sériový motor Brzdění protiproudem

Rac

I

J n

U

Φb

+

Ui -

Mp Pp

+ U

-

Pm

M ΔP

n


Rac

J n Φb rem

+

Ui rem -

Mp

+

Pm

U

-

ΔP

n


Rac

J n Φb

Mp Ui

+ U

-

Pm

M ΔP

n

Sériový motor I


Rac+ Ra reg

J

I

-

n

U

Φb

Ui

Mp

Pp

+ Po přepojení:

+ U

U  Ui I  0 Rac

-

Pm

M ΔP

- nutno vložit Ra reg

Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n

Energie do Rac + Ra reg

ΔP = Pp + Pm

n

Sériový motor Brzdění rekuperací

Rac

I

J n

U

Φb

+

Ui

Mp Pp

-

+ U

Pm

M

Musí Ui > U , aby nastalo ± I

ΔP

- v klasické trakci nelze ( s elektronikou ano ) Vysvětlení srovnáním s chováním cize buzeného motoru.

n

DC motor v trakci Buzení

cizí

jízda do svahu:

sériové

U  c  I b  ωm  Ra  I a

jízda ze svahu: n

U  c  I  ωm  Rac  I

vozidlo je urychlováno svou hmotností n → I → Ui →U →U >U i

i

stále Ui < U

ZÁVĚR automatická rekuperace brzděním n U

nebrzdí rekuperací !

→ Ui

stále motor,

→ Ui > U

stále n

!

POROVNÁNÍ

Cize buzený motor

Sériový motor

Na chvíli připustíme zvýšení proudu na 2.IN

Krátkodobě větší M → vhodné pro trakci, jeřáby

Konstrukce stejnosměrného stroje

Recommend Documents