Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava
10. STŘÍDAVÉ STROJE
Obsah 1. Asynchronní stroje 1. Význam a použití asynchronních strojů 1.2 Princip činnosti a provedení asynchronního motoru. 1.3 Výkon a moment asynchronního motoru (momentová a proudová charakteristika) 1.4 Spouštění, řízení rychlosti a brzdění asynchronních motorů 1.5 Jednofázový asynchronní motor 2. Synchronní stroje 2.1 Význam a použití synchronních strojů 2.2 .Základy konstrukce synchronních strojů 2.3 Princip činnosti synchronního stroje 2.4 Spouštění a řízení rychlosti synchronního motoru 2.5 Krokové motory
2008
Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Doc. Ing. Václav Vrána, CSc.
1
Střídavé stroje
1 Asynchronní stroje 1.1 Úvod - Význam a použití asynchronních strojů Asynchronní stroje se užívají nejčastěji jako motory. Jsou nejrozšířenějšími elektromotory vůbec a používají se proto, že jsou nejjednodušší, nejlacinější, jsou rovněž provozně nejspolehlivější a vyžadují malou údržbu. Užívají se k pohonům zařízení jako jsou čerpadla, ventilátory, kompresory, pásové dopravníky, jeřáby, výtahy, obráběcí stroje, atd.
1.2 Princip činnosti a provedení asynchronního motoru ( AM ) Princip činnosti AM je založen na indukci napětí a proudů v rotoru a proto se také často nazývá indukčním motorem.
v
Otáčky magnetického pole statoru nS1 AM (tzv. synchronní otáčky) jsou dány vztahem 60 ⋅ f1 n S1 = [ot,min/-1; Hz;] 2⋅ p kde : p = počet pólových dvojic, 2 p = počet pólů , f1 = kmitočet napětí
Mírou asynchronizmu tj. rozdílu otáček synchronních a mechanických otáček rotoru n je proměnná s zvaná skluz, definovaná vztahem : n -n s = S1 ⋅ 100 [%] nS1 Asynchronní stroje připojené k napájecí síti mohou také pracovat jako generátory (mechanickou energii přeměňují na elektrickou) v případě, že mechanické otáčky rotoru budou vyšší než otáčky synchronní, stroj bude dodávat činný elektrický výkon do sítě. Otáčí-li se rotor proti směru otáčení točivého magnetického pole, pracuje jako asynchronní brzda, tj. moment AM působí proti směru otáčení rotoru. Rozdělení AM podle provedení rotorového vinutí: podle počtu fází statorového vinutí:
- trojfázové
- s kotvou nakrátko (klecové) –v drážkách rotoru jsou uloženy vodivé tyče, nejčastěji hliníkové, spojené na čelních stranách kruhy nakrátko
- jednofázové
- s kotvou kroužkovou –v drážkách rotoru je trojfázové vinutí, jehož vývody jsou připojeny na tři kroužky nalisované na hřídeli stroje a ke kterým přiléhají pevně osazené kartáče umožňující vyvedení vinutí na svorkovnici stroje.
(pouze nakrátko)
Možné způsoby zapojení trojfázového statorového vinutí Vinutí všech fází statoru je vyvedeno na svorkovnici a označeno podle obr.1a, kde začátky vinutí jsou označeny U1 V1 W1 U1, V1, W1 a konce U2, V2, U1 V1 W1 W1 U1 V1 W1 W2. L1 L2 L3 L3 L1 L2 Pomocí vodivých spojek a)-připojení vinutí fází b) spojení do hvězdy (Y) c) spojení do trojúhelníka (D) (měděných plíšků), nebo Obr.1 Svorkovnice třífázového asynchronního motoru vnějším spínačem, popř. stykači lze spojit vinutí buď do hvězdy (obr.1b), nebo do trojúhelníka(obr. 1c). W2
U2
V2
W2
U2
V2
W2
2
U2
V2
Střídavé stroje
1.3. Výkon a moment asynchronního motoru Grafickým vyjádřením závislosti momentu motoru na otáčkách a skluzu M = f(n,s) je tzv. momentová charakteristika na obr.2. Moment AM, kromě parametrů BRZDA MOTOR GENERÁTOR M motoru, závisí na druhé mocnině (protisměrná) (nadsynchronní brzda) napájecího napětí a na kmitočtu napájecí sítě. N ..jmenovitý pracovní bod Ml
Mm=Mb n=0 s=1
-n s
sb
n=nS1 s=0
n -s
Se snižujícím se napětím klesá moment motoru včetně jeho Mb maximální hodnoty – kvadraticky.
Se změnou kmitočtu se moment mění nepřímo úměrně k této změně. -M Jmenovitý moment motoru na Obr.2 Momentová charakteristika asynchronního stroje hřídeli MN (bod N na obr.2) pro jmenovitý výkon motoru PN a jmenovité otáčky nN se určí ze známého vztahu : P PN P MN = N = = 9,55 ⋅ N N ⋅ m, W, min -1 nN Ω N 2π ⋅ n N 60 Závislost proudu motoru na otáčkách (popř. skluzu) - proudová charakteristika asynchronního stroje je na obr.4,
(
I1
BRZDA
)
MOTOR
GENERÁTOR GENERÁTOR
(protisměrná) (protisměrná)
(nadsynchronní (nadsynchronní brzda) brzda)
II1l1l N
I1l záběrový proud (proud nakrátko) I10.. proud naprázdno
II1N 1N I10 10 -n s
n=0 s=1
nN n=nS1 S1 sNN s=0
n -s
Obr.3. Proudová charakteristika asynchronního stroje
1.4 Spouštění, řízení rychlosti a brždění trojfázových AM V okamžiku připojení k napájecí síti protéká motorem záběrný proud, který bývá u běžných motorů nakrátko asi 4 až 8 násobek jmenovitého proudu (v závislosti na konstrukčním provedení daného motoru, např. na počtu pólů, provedení drážek, apod.). Požadavky při spouštění motoru a) dostatečně velký záběrný moment b) malý záběrný proud Způsoby spouštění AM s kotvou kroužkovou Tyto AM se spouštějí pomocí spouštěcího odporu RS zapojeného v obvodu rotoru který je přes kartáče a kroužky připojen k vinutí rotoru. Stator motoru se připojí na síť při maximální
3
Střídavé stroje
hodnotě RS , který se během rozběhu motoru postupně snižuje až je na konci rozběhu zcela vyřazen a vinutí rotoru je spojeno nakrátko. Způsoby spouštění motorů s kotvou nakrátko ( klecových ) U AM nakrátko jsou možné tyto způsoby spouštění: a) přímým připojením k napájecí síti. S ohledem na proudový náraz při spouštění AM je spouštění přímým připojením na veřejnou napájecí síť povoleno pouze u malých motorů s výkonem do 3 kW. Toto neplatí ve velkých průmyslových závodech a v elektrárnách, kde jsou napájecí sítě a přípojky velkých výkonů b) přepínáním vinutí statoru hvězda - trojúhelník (Y – D, ). Motor má pro své jmenovité parametry vinutí statoru zapojeno do M trojúhelníla-D. Na počátku rozběhu MD motoru se jeho statorové vinutí spojí do hvězdy.-Y – tím se napětí na fázi sníží z hodnoty sdruženého napětí na Přepnutí MlD Y-D hodnotu fázového napětí, statorový MY Rozběh- Y proud a moment motoru se sníží 3 x.. Ke konci rozběhu se vinutí opět MlY přepne do původního zapojeni –D. np n Poměr proudů , momentů a výkonů při spojení vinutí do Y a D je tedy: Obr.4. Momentové charakteristiky při IY : ID = 1 : 3, : MY : MD = 1 : 3 , spouštění AM přepínáním Y – D : PY : PD = 1 : 3 K přepnutí vinutí motoru z Y na D se v praxi používají speciální spínače, nebo kombinace stykačů. K vlastnímu přepnutí musí dojít ke konci rozběhu tak, aby proudový a momentový ráz byl malý. d) řízeným polovodičovým měničem napětí - -rozběhový člen ( softstartér ) Motor je na počátku rozběhu připojen na řízené napětí, které je vytvořeno ve fázově řízeném polovodičovém měniči tzv softstartétu, který umožní řízený pozvolný rozběh AM při výrazném snížení záběrného proudu a tím momentu. Po ukončení rozběhu se může měnič vyřadit přemosťovacím stykačem (tzv. bypasse)
Řízení rychlosti asynchronních motorů Z rovnice pro skluz AM vyplývá následující vztah pro otáčky motoru : 60 ⋅ f1 n = nS1 ⋅ (1 − s ) = ⋅ (1 − s ) = f ( f1 , p, s ) = f (nS1 , s ) p Otáčky AM lze tedy prakticky řídit: - buď změnou synchronních otáček nS1 (energeticky výhodné) - nebo změnou skluzu s (energeticky nevýhodné). Příkon motoru je vždy úměrný synchronním otáčkám, jeho výkon je úměrný otáčkám n - řízení rychlosti motoru změnou otáček synchronních Jednou z možností je změna kmitočtu napájecího napětí. Používá se hlavně u motorů s kotvou nakrátko. Mezi řízený AM a napájecí siť je zapojen trojfázový měnič kmitočtu, který může
4
Střídavé stroje
být v různém provedení (přímého měniče kmitočtu (cyklokonvertoru), nebo nepřímého měniče kmitočtu sestávajícího z usměrňovače a střídače Měniče kmitočtu umožňují plynulou změnu výstupního kmitočtu v širokém rozsahu a tomu odpovídající plynulou změnu otáček AM.: Druhou možností je změna počtu pólových dvojic –p. Provádí se buď přepojením statorového vinutí, nebo připojením dalšího vinutí s jiným počtem pólů. Tím lze dosáhnout pouze skokové změny synchronních otáček. Motory musí mít na statoru takové vinutí, jehož počet pólů lze měnit. - řízení otáček změnou skluzu V tomto případě se jedná o změnu sklonu momentové charakteristiky při stejných otáčkách synchronních. Toto je možné u AM provést buď změnou napětí, nebo změnou impedance v obvodech statoru nebo rotoru. Změny otáček lze dosáhnou pouze u zatíženého motoru, kdy skluz bude závislý na jeho pracovním bodě (průsečík momentové charakteristiky motoru a zatěžovacího mechanismu). Možný rozsah řízení otáček je zde velmi nízký a proto se tento způsob řízení používá jen zřídka (např. pro pohony ventilátorů, čerpadel apod.)). Změny smyslu otáčení tzv. reverzace chodu motoru se provede přepojením sledu přívodních fází k motoru , čímž se změní smysl otáčení magnetického pole.
Brzdění asynchronních motorů Z obr. 2 a 3 je zřejmé, že třífázový asynchronní motor může vytvářet i brzdný moment jestliže: - otáčky rotoru jsou vyšší než otáčky synchronní (točivého pole) , v tomto případě se jedná o tzv. generátorické brzdění, protože motor pracuje jako generátor a dodává elektrickou energii do napájecí sítě, - směr otáčení rotoru je opačný směru otáčení magnetického pole (tzv. protiproudé, protisměrné brzdění), směr otáčení magnetického pole lze změnit změnou sledu přívodních vodičů k motoru (vzájemným přepojením dvou fází). Kromě těchto dvou způsobů brzdění existuje ještě tzv. brzdění stejnosměrným proudem, kdy se otáčející se motor odpojí od napájecí sítě a připojí se ke zdroji stejnosměrného proudu, čímž vznikne brzdný moment, který se snaží motor zastavit.
1.5 Jednofázový asynchronní motor (JAM) Tyto motory se používají pro pohony zařízení malých výkonů, cca do výkonu 500 W. jako např. pračky, ledničky, drobné stroje a ruční nářadí - vrtačky, brusky, atd. Připojíme-li vinutí statoru k napětí vytvoří se pouze střídavé pulsující magnetické pole, které nevytvoří točivý moment potřebný k rozběhu motoru. JAM lze roztočit buď mechanicky a nebo vytvořením točivého magnetického pole statoru vyžadující dvě vinutí vzájemně posunutá o 90 0, kterými musí procházet proudy vzájemně časově posunuté. Na statoru je uloženo pracovní vinutí (hlavní fáze- HF) a ve zbývající třetině vinutí rozběhové (pomocná fáze-PF), které je obvykle paralelně připojeno k vinutí hlavní fáze přes kondenzátor C způsobující vzájemný posun proudů ve vinutích a vznik momentu motoru . Změnu směru otáčení jednofázového AM lze provést přehozením konců vinutí pomocné nebo hlavní fáze. Otáčky motoru jsou závislé na kmitočtu napájecího napětí a na počtu pólů.
5
Střídavé stroje
L1
L1
N
N HF
M MC HF
MR PF
PF
S
M C
C
a) s rozběhovým C
b) s trvale připojeným C
n
n0
Obr.6. Momentové charakteristiky jednofázových AM M – bez pomocné fáze MR - s odporovou fází MC – s rozběhovým kondenzátorem
Obr.5 Schéma zapojení jednofázového AM
2. Synchronní stroje 2.1 Význam a použití Synchronní stroje jsou dodnes nejdůležitějšími elektrickými generátor\y pro výrobu elektrické energie, které jsou také nazývány alternátory a jsou nejčastěji v trojfázovém provedení. Alternátory, které jsou v elektrárnách poháněny parními nebo plynovými turbínami se nazývají turboalternátory, nebo jsou-li poháněny vodními turbínami nazývají se hydroalternátory . Později se synchronní stroje začaly používat také jako motory, jednak jako synchronní kompenzátory (pro zlepšování účiníku v elektrické síti), jednak pro pohony velkých čerpadel, ventilátorů a kompresorů (průmyslových zařízení, které nevyžadují časté spouštění a pracují s konstantní rychlostí a s málo proměnným zatížením). S rozvojem polovodičové a výpočetní techniky se synchronní motory uplatňují i v oblasti pohonů s řízením rychlosti a polohy a to jak u pohonů velkých výkonů řádově megawattů, tak i u malých výkonů v oblasti průmyslové automatizace a robotiky (tzv. servomechanismy)
2.2 Základy konstrukce synchronních strojů q
q
STATOR S VINUTÍM KOTVY
d S
J
a,
J
ROTOR S BUDÍCÍM VINUTÍM
S
b,
Obr 6 Možné konstrukční typy synchronních strojů a) stroj s vyniklými póly, b) stroj s hladkým rotorem
6
Stator synchronního stroje se příliš neliší od statoru asynchronního stroje a obsahuje trojfázové vinutí, které je umístěno v drážkách. Na rotoru je pak umístěno budící vinutí napájené stejnosměrným proudem přes sběrací kroužky a kartáče. Podle provedení rotoru se rozlišují dva základní typy synchronních strojů, a sice stroje s vyniklými póly ( hydrostroje ) obr.6a) a stroje s hladkým rotorem ( turbostroje )
Střídavé stroje
obr.6b). Synchronní stroje s permanentními magnety mají místo budícího vinutí na rotoru magnety. Chlazení synchronních strojů je vzduchové, u strojů vysokých výkonů vodíkové a vodní.
2.3 Princip činnosti synchronního stroje Generátor: Otáčí-li poháněcí stroj, (např.turbína) nabuzeným rotorem indukují se v jednotlivých cívkách statoru střídavá napětí, sinusového průběhu, která jsou v jednotlivých cívkách vzájemně časově posunutá o úhel 120 0. Prochází-li vinutím statoru střídavý trojfázový proud, vzniká stejně jako u asynchronního stroje točivé magnetické pole s otáčkami nS1 , které má stejnou rychlost otáčení jako rotor a jeho magnetické pole, skluz (rozdíl otáček) stroje je tedy nulový. Proto se stroj nazývá synchronní. Rotor stroje vychýlen oproti magnetickému poli o určitý kladný úhel (předbíhá). n nS1 = n, s = 0, f 1 = p ⋅ S1 60 Motor: Konstrukčně je motor obdobný synchronnímu alternátoru. Stator motoru je připojen ke trojfázové střídavé síti, proud statoru M vytvoří točivé magnetické pole, které se otáčí synchronní rychlostí. Rotor vytvářející magnetický tok je vtažen do točivého pole a otáčí se stejnými – Mmax synchronními otáčkami. Velikost momentu motoru je v závislosti na rychlostí neměnná a je závislá pouze na úhlu vychýlení rotoru (zpožďuje se) oproti magnetickému poli. Maximální mezní hodnota tohoto momentu Mmax je při tomto úhlu rovném n π/2. Jeho zvýšením dojde k výpadku ze 0 synchronismu a motor se zastaví (poruchový stav nS1 doprovázený proudovými a momentovými rázy). obr.2 Momentová charakteristika synchronního motoru
2.4 Způsoby spouštění a řízení rychlosti synchronního motoru Nejpoužívanější způsoby spouštění : a) s asynchronním rozběhem : kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno ještě tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se tedy rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko, po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno. Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se vtáhne do synchronismu. b) řízený rozběh - motor je napájen z měniče kmitočtu umožňujícího plynulé zvyšování kmitočtu a tím i rychlosti točivého magnetického pole:
Řízení otáček synchronního motoru Otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího napětí. Lze k tomu použít výkonové polovodičové měniče. Pro regulované pohony se synchronními motory se používají nepřímé měniče kmitočtu ( např. ventilový pohon), nebo přímé měniče kmitočtu tzv. cyklokonvertory. Možnost skokové změny synchronních otáček změnou počtu pólů se nevyužívá..
2.5 Krokové motory Tyto motory patří mezi speciální provedení synchronního motoru
7
Střídavé stroje
Konstrukce a řízení pohybu je přizpůsobeno krokovému režimu.. Změnou polohy magnetického toku na statoru (která se uskuteční diskrétně po krocích) působí na zubový (popř. drážkovaný) rotor, vzniká synchronizační (reluktanční) moment způsobující pootočení rotoru do nové rovnovážné polohy, ve které je minimální magnetický odpor (reluktance). Velikost kroku je dána počtem fází na statoru, počtem pólů a způsobem řízení (s plným krokem - symetrické; s polovičním krokem - nesymetrické). Vhodným postupným střídáním ve vedení proudu ve fázových vinutích na statoru dochází k nespojitému (přetržitému) pohybu rotoru – krokování. Úhel (dráha) pohybu je pak úměrná počtu impulzů (kroků), rychlost pohybu je pak úměrná kmitočtu řídících impulzů. Změnou sledu spínání fází se mění i směr otáčení motoru. Charakteristické použití KM s využitím jeho hlavní přednosti je pro polohování pracovního mechanismu tj v otevřené regulační smyčce (bez zpětné vazby). Je to vlastně nejjednodušší převedení digitální informace na mechanickou polohu - úhel natočení, - dráhu rotoru.
8
Střídavé stroje
