MOTORY Vytvoření točivého magnetického pole Otáčením tyčového trvalého magnetu nebo tyčového elektromagnetu kolem vlastního středu vznikne točivé magnetické pole. V generátoru vytváří točivé magnetické pole otáčející se vnitřní rotor (kotva) nebo vnější rotor. V elektromotoru vytváří točivé pole trojfázový proud s fázemi připojenými na soustavy statorových vinutí, pootočených o 1200 proti sobě. Otáčky točivého pole jsou určeny síťovým kmitočtem a počtem pólů trojfázového vinutí (počet pólových párů). Otáčky jsou také označovány jako frekvence otáčení. f nS = p nS kmitočet (frekvence) otáčení f kmitočet (proudu) p počet pólových párů statoru Je-li točivé pole vytvářeno třemi statorovými vinutími odsazenými na obvodu po 1200, je kmitočet otáček pole stejný jako kmitočet sítě. Točivé pole má severní a jižní pól, tedy 1 pólový pár. Je-li na statoru 6 vinutí odsazených od sebe po 600, zdvojnásobí se počet pólových párů a otáčky (kmitočet) budou poloviční, protože cesta od jednoho pólu (vinutí) k druhému bude poloviční. Výkon a točivý moment V elektrických strojích točivých dochází ke ztrátám stejně jako v transformátorech, a to ke ztrátám v železe (přemagnetizační hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy) a ke ztrátám ve vinutí (v mědi), daným činným odporem drátu. Dále dochází ke ztrátám třením (v ložiscích a na kartáčích) a ke ztrátám při ventilaci. Měřítkem celkových ztrát je účinnost motoru, která je dána poměrem odváděného výkonu a odebíraného výkonu. P η= 2 P1 η účinnost P1 příjem výkonu P2 výdej výkonu Výkon odevzdávaný elektromotorem P2 lze vypočítat z točivého momentu a otáček. Vstupní výkon P1 lze měřit jako elektrický výkon odebíraný motorem ze sítě. Točivý moment je u elektromotoru výsledný účinek působení magnetického pole statoru a proudu procházejícího otáčejícím se rotorem. Proud procházející vinutím nebo klecí rotoru vyvolává v magnetickém poli statoru sílu F, která vytváří točivý moment. Měřením síly na obvodu hřídele či řemenice motoru může být zjištěn točivý moment, který může být měřen dynamometrem nebo nějakou brzdou, na které je měřena brzdná energie nebo brzdný výkon. M = F .r M točivý moment F síla r poloměr (rameno síly) Otáčky měříme nějakým otáčkoměrem (např. tachodynamem). Trojfázový motor se točí doprava, jsou-li fáze L1, L2, L3 připojeny postupně na svorky U1, V1, W1. Při jmenovitém výkonu má motor jmenovitý moment při jmenovitých otáčkách.
1
1. TROJFÁZOVÉ ASYNCHRONNÍ MOTORY
Asynchronní motory jsou nejdůležitější trojfázové motory. Magnetické pole statoru indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud pak vyvolá sílu otáčející rotorem. Tyto motory jsou také označovány jako indukční motory. Podle konstrukce rotoru se pak rozlišují různé typy asynchronních motorů.
1. Motory s kotvou nakrátko a) Konstrukce Stator se skládá z nosného tělesa (krytu) motoru, svazku statorových plechů a statorového vinutí. Konce statorového vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Obr. 2 Stator trojfázového asynchronního motoru
Obr. 1 trojfázový motor s kotvou nakrátko
Rotor (kotva) je sestaven z rotorových plechů nasazených ve svazku na hřídeli a z vodičů v drážkách rotoru. Vodiče jsou tvořeny hliníkovými nebo měděnými tyčkami a jsou na čelních stranách svazku rotorových plechů spojeny nakrátko zkratovacími kroužky. Vodivé tyčky spolu se zkratovacími kroužky mají podobu klece – klecový rotor. Obr. 3 Vinutí rotoru nakrátko (klec)
Rotor i stator jsou složeny z jednostranně izolovaných elektroplechů. Touto konstrukcí je prakticky zabráněno ztrátám vířivými proudy (jako u transformátorů). Obr. 4 Celkový pohled na rotor nakrátko
2
Obr. 5 Motor nakrátko 1 – stator, 2 – vinutí statoru, 3 – rotor, 4 – hřídel, 5 - ventilátor
b) Princip činnosti
Obr. 6 Indukční působení točivého pole na nehybný rotor
Obr. 7 Neměnný magnetický tok procházející rotorem p ři synchronních otáčkách
Klecový rotor lze považovat za nejjednodušší trojfázové vinutí. V momentu zapnutí se chová klecový rotor jako zkratované sekundární vinutí transformátoru. Točivé pole statoru způsobuje změny magnetického toku ve vodivých smyčkách tvořených vodiči rotoru. Rychlost změn magnetického toku procházejícího vodivými smyčkami stojícího rotoru odpovídá kmitočtu točivého elektromagnetického pole. Indukované napětí vyvolá průtok elektrického proudu klecovým rotorem. Asynchronní motory jsou indukční motory – proud v rotoru je vyvolán indukcí.
3
Podle Lenzova pravidla způsobí magnetické pole indukované proudem v rotoru točivý moment, který otočí rotorem ve směru otáčení točivého pole statoru. Pokud by dosáhly otáčky rotoru otáček točivého pole statoru, klesl by točivý moment na nulu. Točivý moment je úměrný rozdílu otáček rotoru a pole statoru, který nazýváme skluzové otáčky asynchronního motoru. Asynchronní motor potřebuje skluz otáček k indukci proudu v rotoru. Skluz otáček asynchronních motorů bývá běžně 3% až 8% jmenovitých otáček a je závislý na zátěži motoru (otáčky klesají s rostoucí zátěží). c) Základní vztahy f ns = min −1 p kde ns kmitočet otáčení (synchronní otáčky) f kmitočet proudu (Hz) p počet pólových párů statoru s relativní skluz
(
ns − n .100 (% ) ∆n = n s − n ns ∆n skluz otáček n otáčky rotoru ns otáčky točivého pole
)
s=
Obr. 8 Svorkovnice trojfázového asynchronního motoru a) Vinutí spojeno do hvězdy b) Vinutí spojeno do trojúhelníku
Obr. 9 Schéma motoru nakrátko
d) Provozní vlastnosti Klecový rotor (kotva nakrátko) je tvořena vodiči kruhového průřezu nebo vodiči jiných průřezů odpovídajících tvaru hlubokých drážek svazku rotorových plechů. Chování klecového rotoru lze vysvětlit na rotoru s vodiči kruhového průřezu. V okamžiku zapnutí motoru se nehybný rotor chová převážně jako indukčnost. Činný odpor vodivé klece je velmi malý. Rozběhový proud proto může dosáhnout až desetinásobku jmenovité hodnoty (jako zkratový proud transformátoru). Pro jeho velký fázový posun za magnetickým tokem je však točivý moment malý. S rostoucími otáčkami klesá indukované napětí i proud v rotoru. Protože klesá také jalový indukční odpor rotoru, zmenšuje se současně fázový posun mezi napětím a proudem v rotoru. Průběh momentu v závislosti na otáčkách ukazuje nárůst až do hodnoty MK momentu zvratu, kdy začne pokles rychlosti změn indukčního toku ve smyčkách rotoru převažovat nad vlivy zvětšujícími moment. Při jmenovitých otáčkách působí jmenovitý moment MN (jmenovité zatížení). V nezatíženém stavu dosahuje motor téměř synchronních otáček ns. V okolí jmenovitého momentu MN jsou změny skluzu úměrné změnám zatížení ∆M, neboť charakteristika je zde téměř lineární. Při nárůstu (kolísání) zatížení klesají (kolísají) otáčky málo, tak jako u stejnosměrného motoru s paralelním buzením. Takové stabilní chování otáček v závislosti na zatížení motoru se označuje jako chování derivačního motoru.
4
Sedlový moment MS odpovídá sedlu v momentové charakteristice, tedy nejmenšímu momentu mezi rozběhem a maximální hodnotou momentu MK. Rozdílným počtem drážek v rotoru a statoru a šikmým nebo stupňovitým uspořádáním tyčových vodičů lze docílit stoupající charakteristiky bez sedla.
Obr. 10 Zatěžovací charakteristika asynchronního Motoru s kotvou nakrátko
Obr. 11 Charakteristika asynchronního motoru s hlubokodrážkovým rotorem
Zvětšení rozběhového momentu při současném zmenšení rozběhového proudu lze dosáhnout použitím materiálů s větším elektrickým odporem na tyčky klece rotoru, např. hliníkových slitin. Při náběhu se tak zvětší činná část impedance rotoru a zmenší se tak fázový posun mezi magnetickým polem statoru a proudem rotoru, takže i přes pokles rozběhového proudu stoupne jeho činná složka.
Obr. 12 Provedení klecových rotorů
Obr. 13 Vytlačování proudu (rotor s dvojitou klecí)
Pro zmenšení ztrát ve vodičích rotoru při provozu jsou rotory konstruovány jako hlubokodrážkové, využívající efekt vytlačování proudu do vnějších vodičů s větším odporem při rozběhu.
2. Hlubokodrážkový rotor s dvojitou klecí (rozběhovou a pracovní) Obr. 14 Různé provedení dvojité klece
Ke zvýšení odporu klece rotoru při rozběhu lze vytvořit klec s dvojicemi vodivých tyček nad sebou tak, že vnější tyčky mají menší průřez a větší odpor.
5
Indukovaný proud vytváří kolem tyček magnetické pole. Obě rozptylová pole indukují zpětné napětí, která se snaží podle Lenzova pravidla zmenšit původní střídavé proudy v tyčkách. Magnetický tok kolem spodních tyček (bližších ose rotoru) je silnější, přestože se může převážně uzavírat v železe. Zeslabující účinek na proud je proto silnější než ve vnějších tyčkách rotorové klece. Proud je tedy vytlačován do vnějších tyček klece (skinefekt). Při velkých rozběhových proudech je tedy proud v rotorové kleci vytlačen do vnějších vodičů (rozběhové klece) s menším průřezem a větším odporem a rozběhový proud je pak menší, má větší činnou složku a tím menší fázové zpoždění za průběhem magnetického toku statoru a tedy větší silové účinky. Momentová charakteristika je pak při rozběhu příznivější než při jednoduché rotorové kleci s tyčkami kruhového průřezu. Tentýž efekt lze dosáhnout i při jiném tvaru hlubokých drážek (a tomu odpovídajících vysokých vodičů) rotoru. Při rostoucích otáčkách klesá proud ve vodičích rotoru, který pak není přesycen, klesne rozptylový tok a tím i efekt vytlačování proudu na povrch (skinefekt) rotorové klece. Při jmenovitých otáčkách je proudová hustota rovnoměrná v celém průřezu vysokých vodičů rotorové klece, tedy větší část proudu teče silnějšími vodiči pracovní klece.
Obr. 15 Průběh proudu (odběr)
Obr. 16 Průběh točivého momentu
Rotor s hlubokými drážkami má tedy velký rozběhový moment a malý rozběhový proud.
Obr. 17 Tvary drážek v rotorech nakrátko
U hlubokodrážkových rotorů s dvojitou klecí dochází k většímu rozptylu magnetického toku než u jednoduché klece s tyčkami kruhového průřezu. Je zde proto trochu menší účinnost (výkonová) právě tak jako účiník (cos φ).
Obr. 18 Typické charakteristiky motorů s kotvou nakrátko, jmenovitých výkonů 2 až 5 kW
6
Motory s kotvou nakrátko jsou výrobně levné, lehké, nenáročné na údržbu a neruší rozhlas jiskřením (jako komutátorové motory). Slouží jako pohony výrobních strojů malého a středního výkonu, např. pohony obráběcích strojů, jeřábů, ventilátorů a v zemědělství. Výhodných vlastností lze využít při zatěžování jmenovitým výkonem, při kterém má motor vysokou účinnost i účiník. 3. Reluktanční motor Obr. 19 Rotor a rotorový plech reluktančního motoru
•Svazek rotorových plechů klecového rotoru má na obvodu tolik vybrání, kolik má stator pólů. Magnetický tok (indukční čáry) statoru se pak uzavírá přes rotor, a to hlavně přes části oddělené malou vzduchovou mezerou a nikoliv přes vybrání s velkým magnetickým odporem velké vzduchové mezery. Rotor tím získá vlastní póly a brání se skluzu za otáčkami točivého pole statoru. Reluktanční (bránící se – skluzu) motor se rozbíhá jako motor s kotvou nakrátko a po rozběhu pracuje jako synchronní motor. Přetížení vede k asynchronnímu běhu se skluzem. Kvůli vybráním v rotoru jsou v těchto místech velké vzduchové mezery a tedy velký rozptyl magnetického toku. Proto mají reluktanční motory menší účiník a větší odběr proudu (pro menší indukční odpor) než odpovídající asynchronní motory. Jejich účinnost je však menší. Používají se k pohonu strojů s konstantními otáčkami, např. k pohonu tkalcovských stavů.
4. Rozběh motorů s kotvou nakrátko a) Statorové spouštění Motory s kotvou nakrátko mají na začátku rozběhu velké rozběhové proudy. Pro zabránění rušivému kolísání síťového napětí předpisují rozvodné závody pro motory vyšších výkonů spouštěcí zařízení. Přípustný rozběhový proud musí vyhovovat technickým podmínkám pro připojování zařízení k síti. U trojfázových motorů s výkonem nad 5 kW je vyžadován spouštěcí režim omezující rozběhový proud. Zmenšení velkého rozběhového proudu je u motorů s kotvou nakrátko možné jen zmenšením rozběhového napětí statoru. K tomu se používá statorový rozběhový režim. Odpovídajícím poměrem se zmenšuje výkon i točivý moment při zmenšování napětí. Je-li motor spouštěn při polovině jmenovitého napětí, má jen čtvrtinu rozběhového momentu. Průběh charakteristik ukazuje, že zde motor nedosáhne při jmenovité zátěži požadovaného momentu. Statorové rozběhové režimy mohou být používány jen při sníženém zatížení nebo rozběhu motoru bez zatížení.
7
Obr. 20 Charakteristiky točivého momentu motoru s kotvou nakrátko při plném a polovičním napětí
Statorový spouštěč s odpory
Obr. 21 Trojfázový motor s rozběhovými odpory v přívodním vedení
Obr. 22 Odporový spouštěč s nulovým bodem
Obr. 23 Měkký rozběh s jedním odporem
Ke zmenšení napětí statoru při rozběhu jsou do přívodů při rozběhu zařazovány omezovací odpory. Tím se zmenší odpovídajícím způsobem rozběhový proud. Pro rozběh motoru zapojeného do hvězdy mohou být odpory připojeny také na výstupní svorky, protože jsou s vinutími i takto v sérii. Mluvíme pak o režimu hvězdového spouštění. Při použití předřadných činných odporů dochází k tepelným ztrátám. Pro zabránění vzniku tepelných ztrát jsou požívány předřadné cívky, které však zase zhoršují účiník v síti. K rozběhu malých motorů s kotvou nakrátko se používá zapojení k měkkému rozběhu tvořené jen jedním odporem. Toto zapojení se používá hlavně pro snížení rozběhového momentu pohonů textilních strojů. b) Rozběhové transformátory Transformátory zmenšují při rozběhu napětí a tím i rozběhový proud motoru. Převodním poměrem transformátoru je tento proud odebíraný ze sítě ještě dále zmenšen. Odebíraný rozběhový proud se tedy zmenšuje úměrně čtverci zmenšení rozběhového napětí. Obr. 24 Trojfázový motor s rozběhovým transformátorem
8
Rozběhové transformátory jsou používány např. pro motory velkého výkonu. Z ekonomických důvodů jsou většinou používány autotransformátory. c) Rozběh hvězda – trojúhelník Motory, které mají napětí na (statorových) vinutích rovno síťovému napětí, jsou provozovány běžně v zapojení do trojúhelníku. Při rozběhu v zapojení do hvězdy se napětí na vinutích zmenší √3 krát. Podle pravidel o sdružení fází tak klesne odebíraný proud i výkon na třetinu. Rozběh s přepnutím z trojúhelníku na hvězdu se tedy může realizovat jen při malém zatížení motoru. Pokud by motor nebyl při rozběhu přepnut do trojúhelníku, mohl by být při jmenovitém zatížení přetížen a poškozen. Rozběh hvězda – trojúhelník je nejčastěji používaný postup rozběhu realizovaný pomocí činnosti statoru. Přepínání při rozběhu může být realizováno pomocí stykačů nebo ručně. Obr. 25 Trojfázový motor s ručním přepínačem hvězda - trojúhelník
Proudový náraz při spouštění a záběrný moment se tím sníží na 1/3 hodnot při jmenovitém napětí. Při spojení vinutí do hvězdy prochází každou fází proud Uf U IY = = s Z 3Z kde Uf je fázové napětí (V), Us sdružené napětí (V), Z impedance vinutí jedné fáze (Ω). Obr. 26 Schéma zapojení asynchronního motoru Y/D pro výpočet zmenšení proudového nárazu
Po přepojení do trojúhelníku odebírá motor ze sítě proud ID = 3I f =
3U s Z
neboť jednotlivé fáze jsou připojeny na sdružené napětí. Z poměru proudů IY a ID plyne Us IY = ID
3Z = 1 3U s 3 Z
takže I Y =
9
1 ID 3
Jestliže zmenšíme proudový náraz na 1/3, zmenšíme tím zároveň i záběrný moment a příkonový náraz na 1/3. Při spouštění motorů přepínačem hvězda - trojúhelník si musíme uvědomit, že v obvodu vznikají dva proudové nárazy. První při zapnutí statoru na síť a druhý při přepínání vinutí z hvězdy do trojúhelníku.
5. Motory s kroužkovou kotvou
Obr. 27 Štítek motoru s kroužkovou kotvou
Obr. 28 Motor s kroužkovou kotvou
Obr. 29 Celkové uspořádáni trojfázového kroužkového motoru 1 - svorník, na kterém jsou uloženy kartáče, 2 - rotorové vinutí, 3 - statorové vinutí, 4 - oko, 5 - kostra statoru, 6 - statorové plechy, 7 - ventilátor, 8 - rotorové plechy, 9 - volný konec h řídele, 10 - hřídel, 11 - ventilační otvor, 12 - patky motoru, 13 - statorové plechy, 14 - rotorové plechy, 15 - ložiskové víko, 16 - rotorová svorkovnice, 17 - ventilátor, 18 - ložiskové víko, 19 - kuličkové ložisko, 20 - sběrací kroužky, 21 - sběrací kartáče, 22 - kablíky od sběracích kartáčů
a) Konstrukce Stator motoru s kroužkovou kotvou má stejnou konstrukci jako stator motoru s kotvou nakrátko. Na hřídeli rotoru je svazek rotorových plechů a sběrné kroužky. V drážkách rotorového svazku plechu je uloženo vinutí rotoru. Vinutí rotoru má téměř vždy tři cívky (trojfázové vinutí), které je zapojeno většinou do hvězdy, zřídka do trojúhelníku.
10
Vinutí rotoru je připojeno na tři sběrací kroužky. Připojení na sběrací kroužky je realizováno třemi přítlačnými uhlíkovými kontakty (kartáči). Přes tyto uhlíkové kartáče mohou být zapojeny do obvodu cívek rotoru činné odpory, které slouží k rozběhu nebo regulaci otáček motoru. Přívody rotoru se třemi cívkami jsou označeny K, L, M. U motorů velkých výkonů může být rotor navinut jako dvoucívkový. Označení přívodů je pak K, L, Q.
Obr. 30 Motor s kroužkovou kotvou s trojfázovým vinutím kotvy a odpory
Obr. 31 Motor s kroužkovou kotvou s dvojfázovým vinutím kotvy a odpory
b) Princip činnosti Motor s kroužkovou kotvou s kroužky (resp. kartáči) propojenými nakrátko pracuje na stejném principu jako motor s kotvou nakrátko. Při nehybném rotoru působí stator s rotorem jako transformátor, ve kterém působí stator jako primární vinutí a rotor jako sekundární vinutí. Napětí naměřené takto při nehybném rotoru nazýváme klidové napětí rotoru. Při nakrátko zapojeném rotoru vyvolá napětí indukované v rotoru proud. Magnetické pole statoru a proud rotoru vyvolají otáčivý moment a roztočí rotor. Klidové napětí rotoru a klidový proud rotoru jsou udávány na štítku motoru kvůli dimenzování rozběhových odporů. Obr. 32 Schéma trojfázového kroužkového motoru
c) Provoz Vlastnosti motorů s kroužkovou kotvou jsou při zapojení kotvy nakrátko stejné jako vlastnosti asynchronních motorů s kotvou nakrátko. Při provozu se zátěží a odporech zapojených v obvodu kotvy stoupne skluz, protože ztráta na odporech musí být kryta větším indukčním výkonem. Je-li možno odpory stupňovitě nastavovat, je tak možno stupňovitě řídit otáčky motoru. Řízení otáček motoru s kroužkovou kotvou je možné při zatížení konstantním momentem. U motorů s kroužkovou kotvou velkých výkonů je snižování otáček pomocí odporů v trvalém provozu nehospodárné pro velké tepelné ztráty. d) Rozběh motoru s kroužkovou kotvou (rotorové spouštění) Zařazením spouštěcích odporů do obvodu kotvy motoru s kroužkovou kotvou je možno výrazně omezit rozběhový proud. Kvůli velkému podílu činné složky proudu kotvy stoupá nejprve znatelně rozběhový moment. Momentová charakteristika je plošší, moment zvratu je posunut do oblasti rozběhu. Motory s kroužkovou kotvou vyvíjejí velký rozběhový moment při malém rozběhovém proudu. Mohou být spouštěny zatížené.
11
Obr. 33 točivý moment a rozběhový proud motoru s kroužkovou kotvou s třístupňovým rozběhovým odporem
Obr. 34 Řízení otáček motorů s kroužkovou kotvou připojováním odporů do obvodu kotvy
Je-li během rozběhu stupňovitě zmenšován rozběhový odpor, může se motor při správném nastavení spouštěče měkce rozbíhat i s velkým zatížením. Jsou tak odstraněny špičky rozběhového proudu. Motory s výkony nad 20 kW mají většinou zařízení pro nadzvednutí kartáčů. Po rozběhu motoru jsou pomocí tyček kroužky zkratovány a současně jsou zvednuty kartáče. e) Použití Motory s kroužkovou kotvou jsou konstruovány od 5 kW do 500 kW. Používají se jako pohony přečerpávacích čerpadel, drtičů kamene a velkých obráběcích strojů a také jako pohony s velkými výkony a s těžkým rozběhem, např. pro zvedáky. Kvůli nebezpečí požáru (jiskření kartáčů) nesmějí být motory s kroužkovou kotvou používány v zemědělství. Obr. 35 Motor s kroužkovou s třístupňovými rozběhovými odpory
6. Motory s přepojovatelnými póly Veřejná napájecí síť má pevný kmitočet a změna otáček je u motorů s kotvou nakrátko prováděna přepínáním pólů. Mění-li se počet pólů statoru, mění se otáčky točivého pole a tím i otáčky rotoru.
12
Obr. 36 Motor s přepojovatelnými póly s Dahlanderovým vinutím (trojúhelník – dvojitá hvězda)
Obr. 37 Motor s p řepojovatelnými póly se dvěma odd ělenými statorovými vinutími
a) Motor s oddělenými statorovými vinutími Dvě oddělená statorová vinutí s rozdílnými počty pólů umožňují dvoje otáčky, které mohou být v libovolném celočíselném poměru, např. 3:4. Točivý moment je při obojích otáčkách téměř stejný, výkony motoru jsou přibližně v poměru otáček. Motory s oddělenými vinutími mají zvýšené náklady na vinutí i elektroplechy. Jsou proto používány jen tam, kde není použitelný poměr otáček 1:2. Na svorkovnici jsou zpravidla vyvedeny jen začátky vinutí. b) Motor s dělenými vinutími statoru Při děleném vinutí (Dahlanderovo zapojení) je každé vinutí statoru rozděleno odbočkou na dvě části. Přepínáním skupin (cívek) ze sériového zapojení na paralelní zapojení je totiž původní počet pólů zmenšen na polovinu a tím se zdvojnásobí otáčky točivého pole statoru. Nejpoužívanější Dahlanderovo zapojení je zapojení trojúhelník – dvojitá hvězda. Sériové spojení částí vinutí znamená sdružení vinutí do trojúhelníka, při paralelním zapojení umožní sdružení do hvězdy snížením napětí zabránit vysoké indukci v oblasti drážek statoru. Tím je dosaženo pomocí zdvojnásobení otáček přibližně 1,5-té zvýšení výkonu. Točivý moment zůstává v obou oblastech stejný. Proto se motory s Dahlanderovým zapojením hodí zvláště dobře pro pohony s konstantním točivým momentem, např. pro obráběcí stroje. Motory s Dahlanderovým zapojením umožňují zdvojnásobení otáček zmenšením počtu pólů na polovinu. Svorkovnice motoru s Dahlanderovým zapojením má pro každý počet pólů 3 svorky, neboť části vinutí bývají nejčastěji spojeny na statoru. Motor proto může být používán jen na jediné síťové napětí. Svorky pro nízké otáčky jsou označeny 1U, 1V, 1W a pro vysoké otáčky 2U, 2V, 2W. Zde často bývají od výrobce přehozeny svorky 1U a 1W. Výměna je vyžadována, aby při připojení stejného typu zůstal zachován směr otáčení motoru při obou hodnotách otáček. Má-li motor dvě oddělená a zároveň dělená vinutí, je možno přepojováním získat až 4 různé otáčky. Motory s přepojovatelnými póly jsou ve zvláštních případech provedeny jako přepojovatelné dvojitá hvězda – trojúhelník (YY/∆) nebo hvězda – dvojitá hvězda (Y/YY). Motory s přepínáním YY/∆ mají při obou stupních otáček stejné výkony. Motory s přepínáním Y/YY mají při dvojnásobných otáčkách čtyřnásobný točivý moment (použití např. pro motory ventilátorů).
13
7. Brždění trojfázových asynchronních motorů Pohony s trojfázovými asynchronními motory musí být často zabržděny, např. u jeřábů při spouštění břemene nebo u obráběcích strojů při rychlém zastavení. K brždění se nabízí řada možností. Při ztrátovém brždění je přeměňována kinetická energie v energii tepelnou, při rekuperačním brždění je přeměňována kinetická energie v elektrickou energii.
8. Poruchy motorů asynchronních: a) velké zahřívání ložisek - hnací řemeny jsou příliš utaženy (snížení napnutí řemenů); - vadná ložiska (výměna ložisek); - málo nebo příliš tuku v pouzdře ložiska (přimazání nebo snížení tuku); - nepřesné spojení motoru s poháněným strojem (motor i poháněný stroj osově vyrovnat a upevnit); - špatné upevnění motoru na podložce (vyrovnání motoru na základu).
14
b) motor se nerozbíhá - přerušení v přívodu (přerušení odstranit); - přerušení tavnou pojistkou (pojistku přezkoušet a vyměnit); - vypnutí ochranou motoru (kontrola nastavení ochrany, měřit odebíraný proud); - přerušené vinutí statoru (zkontrolovat vinutí, odstranit přerušení, převinout); - u motorů s kroužkovou kotvou: přerušené vinutí rotoru nebo spouštěče, kartáče nedosedají na kroužky (zkontrolovat kartáče a spouštěč, průchodnost vinutí rotoru, rotor převinout). c) motor se rozbíhá těžko, při zatížení značně klesají otáčky - příliš velká zátěž (zkontrolovat výkon, zmenšit zatížení nebo použít motor s větším výkonem); - motor je zapojen do hvězdy, vinutí statoru je dimenzováno na zapojení do trojúhelníka (zkontrolovat zapojení motoru a popř. přepojit ze zapojení Y na Δ); - příliš nízké napětí (použít větší motor); - přerušení vinutí rotoru nebo kroužku kotvy (odstranit přerušení, vyměnit rotor). d) při rozběhu Y/Δ motor nepracuje v zapojení do hvězdy - přerušení v přepínači Y/Δ nebo v ovladači stykačů (zkontrolovat přepínač popř. ovládač, odstranit závadu); - záběrný moment v zapojení Y není dostatečný (použít motor se zvláštní kotvou nebo motor s větším výkonem); - záměna vnějšího a neutrálního vodiče zapojení (změřit napětí a opravit); - rotor, řemenice nebo spojka nejsou vyváženy (vyvážit rotor, řemenici i spojku). e) motor se příliš zahřívá - motor je přetížen (odstranit příčinu přetížení); - napětí je příliš vysoké nebo příliš nízké (vyrozumět provozovatele sítě); - stator je zapojen do trojúhelníku místo do hvězdy (zapojit správně vinutí statoru); - provoz na dvě fáze z důvodu přerušení vodiče (změřit napětí, odstranit přerušení); - porucha v chlazení (odstranit poruchu v přívodu vzduchu). f) při zapnutí motoru spustí proudová ochrana - vinutí statoru je zkratováno, popř. zkrat na kostru (změřit izolační odpor, popř. převinout); - zkrat ve vodičích mezi spínačem a svorkovnicí (vodiče odpojit, odstranit izolační závadu, popř. vyměnit vodiče); - u motorů s kroužkovou kotvou: zkrat ve vinutí rotoru nebo mezi kroužky (zvednout kartáče, změřit izolační odpor, popř. převinout nebo opravit izolaci kroužků); - zkrat mezi vodiči ve spouštěči (spouštěč oddělit, zvednout kartáče, zkontrolovat, popř. vyměnit vodiče). g) motor odebírá velký proud a hučí - vadná kluzná nebo valivá ložiska (kluzná nebo valivá ložiska zkontrolovat a popř. vyměnit); - zkrat ve vinutí (zkontrolovat vinutí, stator převinout); - rotor se dře o svazek plechů (zkontrolovat vzduchovou mezeru, popř. vyměnit ložiska);
15
2. TROJFÁZOVÉ LINEÁRNÍ MOTORY
Lineární motory jsou pohony, které vyvolávají lineární pohyb. K pochopení činnosti lineárního motoru je možno si představit statorové vinutí rotačního motoru na obvodu přeříznuté a rozvinuté do roviny. Je-li toto rozvinuté vinutí opět napájeno trojfázovým proudem, pohybují se magnetické póly v rovině jedním směrem. Namísto točivého pole tak vzniká posuvné – postupné pole.
Obr. 38 Magnetická dráha poháněná lineárním motorem
a) Konstrukce Budicí část vytvářející postupné magnetické pole, odpovídající statoru trojfázového motoru, se nazývá induktor. Skládá se ze svazku induktorových plechů hřebenového tvaru a trojfázového vinutí uloženého v drážkách induktoru. Používají se dva induktory umístěné proti sobě, nebo jeden induktor. Pohyblivá část lineárního motoru odpovídající rotoru zapojenému nakrátko se nazývá kotva.
Obr. 39 Lineární motor se dvěma induktory
Kotva je uložena mezi oběma induktory a je tvořena masivním vodivým tělesem, např. hliníkovou deskou. Kotva z feromagnetického materiálu, např. z oceli, umožňuje postrádat jeden z induktorů, protože magnetický tok mezi póly se uzavírá přes kotvu mezi póly jednoho induktoru (a nemusí se uzavírat mezi protějšími póly dvou induktorů). Ocelová kotva může být potažena dobrým vodičem, např. hliníkem. b) Princip činnosti Postupné pole induktoru indukuje v kotvě silné vířivé proudy. Podle Lentová pravidla jsou tyto proudy takového směru, že jejich indukované pole oslabuje postupné pole induktoru. Vířivé proudy vyvolají v prostředí postupného pole induktoru sílu ve směru pohybu postupného pole. Je-li induktor upevněn a kotva pohyblivě uložena, pohybuje se kotva s postupným polem. Je-li naopak pohyblivý induktor a kotva upevněná, pohybuje se induktor v opačném směru než postupné pole. Obr. 40 Charakterisriky lineárního motoru a motoru s kotvou nakrátko
16
c) Vlastnosti Lineární motory se chovají podobně jako asynchronní motory. Rychlost postupného pole závisí na kmitočtu budicího proudu, uspořádání a vzájemné vzdálenosti pólů induktoru. K indukčnímu působení postupného pole na kotvu je nutný skluz při pohybu. Při zatížení může skluz přesáhnout 50%, neboť lineární motory mají velkou vzduchovou mezeru a velký odpor kotvy (pro vířivé proudy). Proto bývá rychlost pohybu mnohem menší než rychlost postupného pole. Lineární motory pracují s velkým skluzem a největší sílu mají při rozběhu. d) Použití Lineární motory jsou používány jako pohon pro transport materiálu, pro pohon pásových dopravníků, ovládání vrat, ovládání pohybu velkých desek a pro pohon magnetických vlaků vznášejících se nad kolejnicí.
17
3. SYNCHRONNÍ MOTOR
a) Konstrukce Stator synchronního motoru má stejnou konstrukci jako stator asynchronního motoru. Na svazku statorových plechů je uloženo trojfázové vinutí, potřebné k vytvoření točivého pole. Kotva se skládá z železného jádra, buď masivního nebo složeného se svazku plechů a budicího vinutí, napájeného přes sběrné kroužky stejnosměrným proudem. Kotva působí jako elektromagnet, který má stejný počet pólů jako stator. U malých motorků bývají používány kotvy z permanentních magnetů. Obr. 41 Malé synchronní motorky s kotvou z permanentního magnetu
Obr. 42 Silové působení na otáčející se kotvu
Obr. 43 Úhel zatížení synchronního motoru
b) Princip činnosti Při zapnutí má točivé pole okamžité otáčky odpovídající počtu pólů a kmitočtu napájecího napětí. Póly rotoru jsou přitahovány protipóly statoru a odpuzovány statorovými póly stejného druhu. Rotor se vzhledem ke své setrvačné hmotě neroztočí okamžitě synchronně s točivým polem statoru. Jakmile se otáčky kotvy přiblíží díky rozběhovému systému (např. rozběhová klec v rotoru) otáčkám točivého pole, je kotva vtažena do synchronních otáček a běží dál synchronně. Synchronní motory potřebují k rozběhu pomocný rozběhový systém. Má-li rotor motoru doplňkové vinutí nakrátko, může se synchronní motor rozbíhat jako asynchronní. Po rozběhu a zapnutí buzení kotvy pak běží motor synchronně. Během asynchronního rozběhu musí být budicí vinutí rotoru zkratováno přes odpor, aby se nenaindukovalo velké napětí, které by prorazilo izolaci vinutí. Při provozu zabrání zkratované vinutí při nárazovém kolísání zatížení prudkému kolísání otáček rotoru. Toto vinutí se proto nazývá tlumicí vinutí.
18
c) Vlastnosti Při rozběhu běží motor synchronně s točivým polem statoru. Při rostoucím zatížení motoru narůstá vzdálenost (pootočení) mezi póly kotvy a protipóly (rotujícími) statoru. Póly rotoru tak zůstávají zpět o úhel zátěže za póly točivého pole, nebo též za polohou při běhu naprázdno (bez zatížení motoru). Synchronní motory mají i při zatížení stejné otáčky jako točivé pole statoru.
Obr. 44 Závislost točivého momentu na úhlu zatížení
Obr. 45 Synchronní motor jako fázový kompenzátor
Točivý moment je tím větší, čím větší je úhel zátěže. Uprostřed mezi dvěma sousedními póly (kladným a záporným) statoru působí na póly rotoru největší síla, kdy předbíhající pól statoru táhne a následující tlačí. U dvoupólového motoru je tedy optimální úhel zátěže 900. Při dalším nárůstu úhlu zátěže točivý moment opět klesá. Moment zvratu nastane v polovině úhlu mezi sousedními póly, tj. při úhlu zátěže 900 u dvoupólového motoru. Synchronní motory většinou mají moment zvratu (maximální moment) dvojnásobný než jmenovitý moment. Při překročení momentu zvratu se přeruší spojení mezi točivým polem a kotvou. Kotva vypadne ze synchronismu a zastaví se. Synchronní motory jsou však méně citlivé na pokles napětí než motory asynchronní. Magnetická indukce točivého pole a točivý moment se zmenšují proporcionálně s poklesem napětí. Je-li synchronní motor provozován s větším než jmenovitým budicím proudem, mluvíme o přebuzeném provozu (synchronní generátor). Motor působí současně jako generátor a dodává do sítě induktivní jalový výkon. Synchronní motory mohou být tedy použity jako kompenzátory fázového posunu. V přebuzeném režimu mohou být použity ke kompenzaci jalového proudu jako kompenzační kondenzátory. V nevybuzeném (málo vybuzeném rotoru) režimu odebírají synchronní motory induktivní jalový výkon ze sítě. Pro konstantní otáčky jsou synchronní motory používány také jako malé střídavé motory. Tyto motory mají kotvu tvořenou permanentním magnetem, např. na principu stíněných pólů. Jsou používány do elektrických hodin, programovaných časových spínačů, časových relé a jako pohon zapisovacích jednotek k měřicím přístrojům.
19
4. MOTORY S TOČIVÝM MAGNETICKÝM POLEM
Motory s točivým polem s kotvou nakrátko jsou robustní, levné a neruší rádio. Proto jsou konstruovány také na jednofázový střídavý i stejnosměrný proud.
1. Jednofázový indukční motor a) Roztáčecí motor – jednofázový motor bez pomocné fáze Připojte na svorky U1 a V1 trojfázového motoru malého výkonu (0,37 kW a 230 V – fázových napětí) na síťové napětí ~230 V. - motor bručí, ale netočí se - opatrně roztočte rotor rukou – motor se rozeběhne ve směru roztočení Střídavé mag. pole ve statoru je možno rozložit na dvě stejně silná točivá pole, která mají opačné směry otáčení. Je-li motor roztočen, např. pomocí řemenice, způsobí zesílení točivého pole působícího ve směru roztočení. Motor pak běží dále ve směru roztočení. Moment působící proti směru roztočení slábne s rostoucími otáčkami. Magnetické střídavé pole působí na otáčející se klecový rotor točivým momentem. Stator roztáčecího motoru obsahuje jen dvě vinutí U1, U2 (ze tří možných) ve 2/3 drážek. Roztáčecí motory se používají např. u malých míchaček betonu a u brusek.
Obr. 47 Rozložení st řídavého pole do dvou protism ěrných polí
Obr. 46 Točivé momenty roztáčecího motoru
b) Jednofázový indukční motor s pomocnou fází Jednofázový indukční (asynchronní) motor má ve statoru, složeném ze statorových plechů, dvojí vinutí. Rotor je v klecovém provedení. Hlavní vinutí vyplňuje 2/3 drážek ve statoru a je připojeno na svorky U1, U2.
20
Pomocné vinutí (pomocná fáze) je ve zbývající třetině drážek a je o 900 pootočeno oproti hlavnímu vinutí. Předpokladem pro vznik točivého mag. pole statoru je časové posunutí průběhu střídavého proudu v pomocném vinutí oproti průběhu proudu v hlavním vinutí. Střídavá magnetická pole hlavního a pomocného vinutí jsou pak vzájemně časově a tedy i prostorově posunuta (pootočena) a společně vytvářejí točivé mag. pole. Točivé pole jednofázového motoru uskuteční i rozběh motoru. Obr. 48 Vinutí statoru jednofázového indukčního motoru
Jednofázové indukční motory se rozbíhají samy. Obr. 49 Fázový posun mezi proudy v hlavním a v pomocném vinutí jednofázového motoru s pomocnou fází
Otáčky motoru jsou určeny stejně jako u trojfázových asynchronních motorů kmitočtem napájecího napětí a počtem pólových párů hlavního vinutí. Fázové posunutí mezi proudy v hlavním a pomocném vinutí je dosaženo kondenzátorem, činným odporem nebo zvýšenou indukčností pomocného vinutí. Diagram průběhu indukčnosti točivého pole má eliptický tvar. Je-li do pomocného vinutí jednofázového indukčního motoru zapojena kapacita, indukčnost nebo činný odpor, vznikne v motoru točivé mag. pole. Obr. 50 Magnetické pole statoru v okamžicích t 1, t2 odpovídajících obrázku 49
2. Motor se stíněnými póly a) Rychloběžný motor se stíněnými póly Stator motoru se stíněnými póly má oddělené póly. Od nich je oddělena drážkou menší část. Kolem tohoto odděleného (odstíněného) pólu je uloženo vinutí nakrátko. Tímto vinutím nakrátko prochází jen část magnetického toku statorového vinutí. Dochází tak k velkému rozptylu. Mezi proudem ve statorovém vinutí a proudem tekoucím vinutím nakrátko je fázový posun. Tyto fázově posunuté proudy vytvářejí mag. pole, jehož magnetické póly se postupně posunují od jednoho statorového pólu k dalšímu (hlavní pól 1, odstíněný pól 1, hlavní pól 2, odstíněný pól 2). Toto nerovnoměrné točivé pole otáčí kotvou nakrátko.
21
Obr. 51 Motor se stíněnými póly v asymetrickém provedení (dvoupólovém)
Obr. 52 Motor se stíněnými póly
Směr otáčení motoru se stíněnými póly směřuje vždy od hlavního pólu k oddělenému pólu. Směr otáčení je podmíněn uspořádáním pólů a nemůže být elektricky změněn. Je-li kotva vyrobena z magneticky tvrdého materiálu (hysterezí kotva), běží takový motor po rozběhu dále jako synchronní motor. Motory se stíněnými póly jsou robustní a levné. Kvůli malé účinnosti kolem 30% se vyrábějí tyto motory jen asi do výkonů 300W. Používají se do větráků topení, kalových čerpadel a odstředivek prádla. Jako synchronní pohon jsou používány např. pro programové spínače (automatické pračky). b) Pomaloběžný motor se stíněnými póly Tyto motory mívají 10 nebo 16 pólů a tomu odpovídající nízké otáčky. Jsou většinou provedeny s vnějším rotorem. Stator se pak skládá z prstencové budicí cívky a dvou statorových polovin z ocelového plechu. Obě poloviny mají po obvodu plechové jazyky (zahnuté pásky), které působí jako jazýčkové póly. Pólování jazýčkových pólů obou statorových polovin je stejné, neboť je určováno magnetickým polem cívky. Každý druhý pólový jazyk působí jako oddělený (odstíněný) pól. Kolem všech stíněných pólů jedné poloviny statoru leží společný prstenec nakrátko, který způsobuje fázové posunutí mag. toků oddělených pólů oproti mag. tokům hlavních pólů. Rotor je přes jazýčkové póly nasazen jako hrnec. Na jeho vnitřní straně je kroužek z magneticky tvrdého materiálu. Mag. pole statoru indukuje v rotoru vířivé proudy, které způsobují asynchronní běh rotoru. V magnetickém materiálu rotoru se vytvářejí točivým polem oddělené póly a rotor se pak otáčí otáčkami stejnými s otáčkami točivého pole. Obr. 53 20-ti pólový synchronní motor se stíněnými póly
Pomaloběžné motory se stíněnými póly jsou jednofázové synchronní motory. Synchronní motory se stíněnými póly mívají výkony od 1W do 3W. Používají se např. v hodinách, v programovatelném řízení, časových relé, nebo v zapisovačích měřicích přístrojů.
22
3. Krokový motor Stejnosměrná vinutí statoru motoru mohou být pomocí stejnosměrných impulsů nastavována na proměnnou polaritu. Změnami směru proudu v jednotlivých vinutích dochází k přepólování jednotlivých pólových párů. Dochází-li k přepólování postupně v jednom směru, vznikne točivé pole, které se může měnit po krocích, nebo určitou rychlostí otáček. Kotva z permanentního magnetu se vždy natočí podle polarity pole statoru. Krokové motory se vyrábějí jako jednofázové nebo vícefázové. Polarita statorových pólů může být měněna dvěma způsoby: a) Je-li každé vinutí tvořeno dvěma cívkami, mluvíme o unipolárním provozu. Každá cívka je zdrojem magnetického toku v jednom směru. Přepínáním cívek se mění polarity pólových párů statoru. b) Je-li budicí vinutí každého magnetu tvořeno jen jednou cívkou a přepólování je realizováno změnou směru proudu v cívce, mluvíme o bipolárním provozu.
Obr. 54 Dvoufázový krokový motor unipolární
Obr. 55 Dvoufázový krokový motor bipolární
23
5. STEJNOSMĚRNÉ MOTORY
Stejnosměrné stroje mají nezávisle na svém použití jako generátor nebo jako motor stejnou konstrukci a stejné označení vývodů na svorkách.
Obr. 56 Stejnosměrný motor s cizím chlazením
Obr. 57 Stejnosměrný motor s cizím buzením
Obr. 58 Budicí pole a pole kotvy
Obr. 59 Prokázání existence pole kotvy
1. Princip činnosti stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory mají velký rozběhový moment a umožňují stupňovité řízení otáček. Jejich otáčky mohou být mnohem vyšší než otáčky motorů s točivým polem. Budicí vinutí protékané stejnosměrným proudem vytváří budicí magnetické pole, jehož magnetický tok se uzavírá přes jádro kotvy. Má-li kotva závit (nebo celé vinutí) protékaný proudem, překrývá se magnetické pole této proudové smyčky pod každým hlavním pólem s budicím magnetickým polem. Na vodiče závitů protékaných proudem působí pod každým pólem síla, jejíž směr lze určit podle pravidla levé ruky. Vzniká tak točivý moment otáčející smyčkou směrem k neutrální zóně. V neutrální zóně nepůsobí na smyčku žádný točivý moment. Pro zachování dosavadního směru otáčení proudem protékané smyčky je třeba po průchodu neutrální zónou změnit (přepólovat) směr průtoku proudu smyčkou. Toto přepólování je zajištěno komutátorem. K získání rovnoměrného a velkého točivého momentu je kotva opatřena více smyčkami (vinutími), rozloženými po obvodu kotvy (rotoru). Jednotlivá vinutí rotoru jsou spojena s lamelami komutátoru tak, že strany cívek pod jedním budicím pólem jsou protékány proudy stejného směru. Osa magnetického pole kotvy zůstává proto ve stejné poloze i přesto, že se kotva otáčí.
24
Kotva má severní a jižní pól, daný polohou kartáčů, přes které je napájena. Natáčením nosiče kartáčů můžeme natáčet osu magnetického pole kotvy. Zdrojem točivého momentu komutátorových motorů jsou budicí magnetická pole statoru a magnetické pole rotoru. Osy obou polí nemění svou polohu. Směr otáčení motoru lze obrátit změnou směru jednoho z magnetických polí (budicího pole statoru nebo pole kotvy) obrácením směru proudu v příslušném vinutí. Používá se především přepólování kotvy. Zvláště při střídavém obousměrném provozu motoru tak zabráníme přerušování budicího pole.
2. Spouštění stejnosměrných motorů Již při nízkém napětí protéká motorem jmenovitý proud. 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 odpor. Spouštěcí odpory jsou zapojeny do obvodu kotvy sériově s vinutím. Jsou plynule nebo stupňovitě nastavitelné a omezují proud během rozběhu motoru.
Obr. 60 Derivační motor se spouštěcím odporem a odporovým regulátorem pole
Obr. 61 Náhradní zapojení kotvy
Obr. 62 Omezení spouštěcího proudu 5-stupňovým odporovým spouštěčem
25
3. Řízení otáček stejnosměrných motorů S rostoucím napětím na kotvě zpočátku narůstá i proud a tím moment, který zrychluje otáčení kotvy. S rostoucími otáčkami pak narůstá i protisměrné napětí kotvy. Vzorec U A = U i + I A R A ukazuje, že s rostoucím napětím kotvy Ui se zmenšuje opět proud IA. Je-li dosaženo zvýšení napětí na kotvě UA při konstantním točivém momentu motoru, je proud kotvy stejný před změnou i po změně otáček. Je-li napětí na kotvě zvýšeno na jmenovité napětí, dosáhne motor při jmenovitém buzení jmenovitých otáček. Spouštěcí odpory jsou pro velké tepelné ztráty používány jen k rozběhu morů malých výkonů. K řízení otáček napětím na kotvě se používá téměř bezztrátová tyristorová regulace. Kotva může být napájena buď ze stejnosměrné sítě přes pulzní měnič, nebo ze střídavé či trojfázové sítě přes řízený usměrňovač. Těmito způsoby řízené stejnosměrné motory mají cizí buzení (protože pulzující proud není pro buzení vhodný). Otáčky kotvy (motoru) narůstají s klesajícím budicím proudem (při neměnném zatížení motoru) v širokém rozpětí kolem jmenovitých hodnot. Zeslabením budicího pole je možno zvýšit otáčky stejnosměrného motoru nad jmenovitou hodnotu. Regulace budicího pole slouží především k udržení otáček při kolísavém zatížení, nelze ji však použít k velkému zvýšení otáček, protože by mohlo dojít k mechanickému poškození rotoru odstředivými silami. Rotor by se rozletěl.
4. Zpětné působení kotvy Při zatížení vzniká v kotvě stejnosměrného motoru stejně jako u stejnosměrného generátoru příčné pole. Motory s výkonem nad 1kW mají proto komutační póly, které udržují neutrální zónu ve stejné poloze při kolísavém zatížení. Protože směr otáčení motoru je (při jinak stejných směrech proudů) opačný než směr otáčení generátoru, mění se také polarita komutačních pólů. Ve stejnosměrném motoru následuje za každým hlavním pólem ve směru otáčení komutační pól stejného druhu. Motory s výkonem nad 100 kW mají ještě navíc kompenzační vinutí.
26
5. Zapojení stejnosměrných motorů Stejnosměrné motory se dělí na různé typy podle připojení budicího vinutí statoru k vinutí kotvy.
a) Motor s cizím buzením Budicí vinutí motoru s cizím buzením není propojeno s obvodem kotvy a je napájeno vnějším zdrojem stejnosměrného napětí. Motory s permanentními magnety namísto budicích cívek jsou rovněž stejnosměrné motory s cizím buzením. Při rozběhu a při snižování otáček je snižováno napětí na kotvě, např. pomocí spouštěcího odporu. Ke zvýšení otáček stejnosměrného motoru s cizím buzením (pomocí statorového vinutí) nad jmenovité otáčky je možno použít regulační odpor v obvodu budicího vinutí, kterým je možno snížit budicí proud. Často je obvod kotvy i obvod budicího vinutí napájen přes usměrňovač ze sítě střídavého napětí. Napájecí i budicí napětí pak může být snižováno regulačním transformátorem nebo řízeným usměrňovačem. Cizí buzení je (na rozdíl od buzení ostatních typů stejnosměrných motorů) nezávislé na napětí na kotvě motoru a zůstává tak nezměněné i při poklesu napětí na kotvě. Otáčky motorů s cizím buzením jsou ve srovnání s derivačními motory ještě stabilnější při kolísání zatížení. Motory s cizím buzením jsou používány jako pohony strojů s proměnlivým mechanickým odporem, např. pro pohon obráběcích strojů. Pokud jsou stejnosměrné motory provozovány při běžném zatížení a nízkých otáčkách (snížením napájecího napětí), je třeba je intenzivně chladit. Stejnosměrné motory vyžadují při nízkých otáčkách cizí chlazení.
27
Obr. 64 Zat ěžovací charakteristika motoru s cizím buzením
Obr. 63 Zapojení stejnosměrného motoru s cizím buzením, s pomocnými póly, spouštěčem a regulátorem budicího pole
b) Derivační motor Derivační motor je stejnosměrný motor s budicím vinutím zapojeným paralelně k vinutí kotvy. Otáčky derivačního motoru lze regulovat spouštěcím odporem a odporem regulátoru budicího pole (resp. Budicího proudu). 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 chováním derivačních motorů. Otáčky derivačního motoru nelze řídit napětím na rotoru jako u motoru s cizím buzením. 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. Derivační motory mohou být používány pro pohony stejně jako motory s cizím buzením. Obr. 65 Derivační motor
c) 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 stejnosměrných 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. Motory se sériovým buzením nesmějí být spojovány se zátěží plochými řemeny a plochými řemenicemi, protože plochý řemen snadno spadne. Při nárůstu zatížení motoru se sériovým buzením narůstá společný proud v kotvě i budicím vinutí, klesají otáčky a narůstá točivý moment.
28
Otáčky motoru se sériovým buzením jsou velmi závislé na zatížení. Pokles otáček motoru se sériovým buzením při nárůstu zatížení je zvláště veliký, je-li motor v provozu se spouštěcím odporem. Při nárůstu proudu se pak ještě zmenšuje napětí o úbytek na spouštěcím odporu. Otáčky poklesnou, protože kotva musí vytvářet menší protisměrná napětí. Motory se sériovým buzením se používají především pro pohon vozidel, počínaje elektrickými nákladními kárami, přes tramvaje a trolejbusy až po elektrické lokomotivy. Je-li stator motoru vyroben z elektroplechů, pracuje motor se sériovým buzením i na střídavý proud.
Obr. 67 Zat ěžovací křivka motoru se sériovým buzením
Obr. 66 Motor se sériovým buzením
d) Kompaundní motory 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 i odporem regulátoru pole (budicího proudu). 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 hlavní magnetický tok. Je-li sériové budicí vinutí zapojené tak, že jeho pole oslabuje paralelní vinutí (antikompaudní zapojení), je motor velmi nestabilní a lehce se přetočí. K takovému zapojení může dojít omylem při přepólování směru otáčení, např. při přepólování sériového zapojení se svorky B1 na D2 namísto na B2. Pak při rostoucím proudu stoupají otáčky, protože slábne hlavní pole. I přes velkou nestabilitu 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.
29
Kompaundní motory jsou používány tam, kde nestačí malý rozběhový moment derivačních motorů, např. u zdvihacích mechanismů. Velké derivační motory a motory s cizím buzením nad 12kW výkonu mívají většinou pomocné sériové budicí vinutí a chovají se pak jako kompaundní motor. Bez sériového budicího vinutí by docházelo k nárůstu otáček při zatížení, protože pole kotvy oslabuje hlavní pole.
Obr. 68 Kompaudní motor s pomocnými póly a regulátorem rozběhu a pole
Obr. 69 Zat ěžovací charakteristiky kompaundního a derivačního motoru
6. Poruchy motorů komutátorových U komutátorových motorů vyžadují zvláštní údržbu komutátory a uhlíkové kartáče. Komutátory se skládají z měděných lamel, které jsou mezi sebou izolovány slídou. Tato slídová izolace musí být vyříznuta přesně v požadované hloubce. Přečnívající slída nebo opotřebované kartáče způsobují jiskření. Přečnívání slídy se zamezí u malých motorů požitím tvrdých kartáčů. Při výměně kartáčů je třeba dbát na použití kartáčů ze stejného materiálu. Nové kartáče se zabrušují. Přitom se vloží jemnozrnný brusný papír brusnou stranou ven mezi komutátor a přitlačené kartáče a pohybuje se tam a zpět, dokud kartáče nejsou zaobleny stejně jako komutátor. § § §
Tvrdé kartáče Grafitové (měkké) kartáče Elektrografitové kartáče
§
Kartáče s kovem
u malých motorů; při větších výkonech motorů; při větších obvodových rychlostech a při větší hustotě proudu jsou to nejpoužívanější kartáče; při zvlášť velké hustotě proudu, např. u startérů automobilů.
30
Směrné hodnoty pro hledání závad na vinutí stejnosměrných strojů: Motory s cizím buzením a derivační motory mají mít velký odpor budicího vinutí RE. U Vypočteme jej z budicího napětí a budicího proudu: RE = E . IE Jejich budicí proud je při výkonech do 10 kW zhruba 6 % až 10 % jmenovitého proudu. Odpor kotvy má být malý. Jeho hodnota je jen několik ohmů (podle velikosti motoru). Vinutí sériového buzení, pomocných pólů a kompenzační vinutí mají mít menší odpor než kotva. Poruchy: a) motor se nerozbíhá - přerušení obvodu kotvy (odstranit přerušení); - kartáče nepřiléhají (kartáče lépe upevnit, popř. vyměnit). b) motor se nerozbíhá nebo jen s nepatrným momentem - zkrat ve vinutí nebo na kostru (měřit odpor vinutí, odstranit zkrat, popř. nové vinutí); - přerušení v derivačním buzení (změřit napětí, přerušení odstranit, popř. nové vinutí). c) silné jiskření kartáčů, nadproudová ochrana reaguje - přívody vinutí kotvy na komutátoru jsou odpájeny (změřit odpor, přívod ke komutátoru připájet, popř. nové vinutí); - přerušení ve vinutí sériového buzení, pomocných pólů nebo rušení v kompenzačním vinutí (změřit odpor rušení, popř. nové vinutí). d) silné jiskření kartáčů nebo kroužků - slídová izolace přesahuje lamely (zarovnat slídovou izolaci); - komutátor je znečištěn uhlíkovým prachem nebo olejem (vyčistit komutátor, odstranit prach mezi lamelami); - komutátor má rýhy a není kruhový (demontovat motor, komutátor přesoustružit, zarovnat slídovou izolaci); - vadné vinutí kotvy (kotvu znova navinout); - u nastavitelných kartáčů nejsou kartáče v neutrálním pásmu (zkontrolovat polohu kartáčů a správně nastavit); - příliš měkké nebo příliš tvrdé kartáče (kartáče vyměnit podle údajů výrobce).
31
6. KOMUTÁTOROVÉ MOTORY
1. Motor s kotoučovým rotorem Jsou to stejnosměrné motory s rotorem bez železného jádra. Setrvačný moment je proto malý. Motory s kotoučovou kotvou se rychle rozbíhají a rychle zastavují.
Obr. 70 Díly motoru s kotoučovým rotorem
Obr. 72 Kotoučový rotor s nalepenými a propojenými vodivými dráhami
Obr. 71 Schéma vinutí kotvy
Obr. 73 Motor s kotou čovým rotorem s rotorovým a budicím magnetickým polem
a) Konstrukce Kotva motoru je tvořena plastovým kotoučem s vinutím po obou stranách. Vinutí je tvořeno vodivými drahami vyřezanými v měděné fólii nalepené na kotouč rotoru. Spojením konců oboustranných vodivých drah, např. letováním, 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. Trvalé magnety jsou při montáži motoru zmagnetizovány trvale vestavěným magnetizačním vinutím. Jejich magnetická pole se uzavírají přes prstencová jádra. Motory s kotoučovou kotvou jsou stejnosměrné motory s cizím buzením. b) Princip činnosti Vodivé dráhy kotoučového rotoru napájené stejnosměrným proudem vytvářejí magnetické pole, které se překrývá s budicím polem. Podle pravidla levé ruky působí na vodivé dráhy protékané proudem síla vytvářející točivý moment. Přepólováním napájení kotvy lze změnit směr otáčení motoru. 32
c) Vlastnosti 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 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. d) Použití 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. Servomotory jsou pomocné motory pro řízení nebo nastavování. Řídí malou energií např. otáčky stejnosměrného motoru, který pohání s vynaložením velké energie pracovní stroje. Motory s kotoučovým rotorem se používají např. pro pohon navíječek, ventilů a posuvů obráběcích strojů. Pro svou přesnost a rychlost jsou motory s kotoučovým rotorem často používány namísto krokových motorů.
2. Univerzální motory Komutátorové motory se sériovým buzením na střídavý proud (jednofázové komutátorové sériové motory) mají kvůli ztrátám vířivými proudy složen stator i rotor z elektroplechů. Stator má vyniklé póly pro nasazení cívek budicího vinutí. Univerzální motor odpovídá svou konstrukcí komutátorovému sériovému motoru. Při připojení motoru na střídavé napětí se mění současně proud kotvy i budicí proud, takže má točivý moment stále stejný směr. Univerzální motory mají provozní vlastnosti jako komutátorové sériové motory.
Obr. 74 Univerzální motor
Budicí vinutí však klade střídavému proudu indukční jalový odpor, který omezuje proud a tím i výkon motoru. Ke zmenšení tohoto indukčního jalového výkonu jsou univerzální motory na střídavé napětí vyráběny s menším počtem závitů budicího vinutí. Univerzální motory patří k nejvíce používaným malým motorům. Dosahují vyšších otáček než jednofázové asynchronní motory a tím i větších výkonů při stejných rozměrech. Protože jejich kotva bývá většinou pevně spojena s větrákem i poháněnou soustavou, nehrozí nebezpečí přetočení motoru. Rušení rádiového příjmu jiskřením kartáčů se odstraňuje odrušovacím kondenzátorem. Univerzální motory se používají k pohonu domácích spotřebičů a malého elektrického nářadí.
33
3. Trojfázový derivační motor Trojfázový derivační motor se svými vlastnostmi podobá trojfázovému asynchronnímu motoru. Provádí se jednak s napájením do statoru, jednak s napájením do rotoru. Dovoluje nezávisle na zatížení řídit stupňovitě otáčky při velké účinnosti. Obr. 75 Trojfázový komutátorový derivační motor napájený do rotoru
a) Trojfázový derivační motor s napájením do rotoru – Schrage Má na rotoru dvě vinutí, která tvoří transformátor. Jedno je připojeno přes kroužky k síti, druhé je vyvedeno na komutátor a působí jako stejnosměrné budicí vinutí. Každá fáze statorového vinutí je připojena ke dvěma kartáčům komutátoru, které se mohou proti sobě natáčet (přibližovat nebo vzdalovat). Do statorového vinutí se indukuje napětí z rotoru. Jsou-li kartáče přiloženy ke stejné lamele, spojují statorové vinutí nakrátko a motor se chová jako asynchronní motor, jemuž jsme zaměnili rotor se statorem. Přesuneme-li kartáče na různé lamely, pak se na statorové napětí superponuje napětí rotorové, a to tak, že se buď přičítá nebo odčítá. Tím se posouvají úhlové rychlosti z oblasti podsynchronní do oblasti nadsynchronní. Otáčky je tak možno regulovat od 50% do 150% otáček točivého pole rotoru. Trojfázové derivační motory mohou být provozovány při nižších i vyšších otáčkách, než jsou otáčky točivého pole. b) Trojfázový derivační motor s napájením do statoru – Winter-Eichberg Pracuje podobně jako asynchronní motor. Ve statoru vzniká točivé magnetické pole. Ve vinutí rotoru se indukuje napětí se skluzovým kmitočtem. Komutátor působí jako měnič kmitočtu, který mění skluzový kmitočet rotoru na síťový kmitočet statoru.
Obr. 76 Trojfázový komutátorový derivační motor napájený do statoru
34
