Princip funkce stejnosměrného stroje

Princip funkce stejnosměrného stroje  stator vytváří konstantní magnetický tok ΦB, který protéká rotorem a) motor:  do rotoru je přiváděn přes komutátor proud  na rotoru je více vinutí, komutátor připojená vinutí přepíná tak, aby výsledná vzájemná poloha magnetického toku statoru a rotoru způsobila mechanický moment b) generátor:  vnější pohon otáčí rotorem s komutátorem, na vinutích se změnou magnetického toku indukuje napětí Ui  komutátor připojená vinutí přepíná tak, aby se usměrňoval indukovaný proud  konstrukce motoru i generátoru je stejná, pro funkci obou může být použit jeden stroj bez omezení  liší se jen směrem toku energie Funkce stejnosměrneho motoru

 budící vinutí je napájeno proudem IB, rotorem tak protéká magneticky tok φB  úhlem natočení komutátoru se připojí takové rotorové vinutí, aby rozdíl směrů magnetických os statoru i rotoru způsoboval mechanický otáčivý moment  dalším pootočením rotoru se původní vinutí odpojí a připojí se další  velikost indukovaného napětí závisí na velikosti magnetického toku statoru a na rychlosti otáčení rotoru

 velikost momentu na hřídeli:

velikost napětí na svorkách: motor:

generátor:

kde: Ui … indukované napětí RA …ohmický odpor vinutí rotoru IA … proud rotorem IB … proud statorem ΦB … magneticky tok statoru n … počet otáček za minutu kM , kC … jsou konstanty odkazující na přímou úměrnost parametrů

Stejnosměrné motory Historie stejnosměrných motorů  stejnosměrný motor → jeden z prvních rotačních elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday v roce 1821  motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do nádrže rtuti  ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet  elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil kolem drátu točivé magnetické pole  moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím stal napájený motor

Princip činnosti  komutátorový stroj s permanentními magnety s dvoupólovou kotvou  nejjednodušší komutátorový stroj  nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě elektromagnetu s dvěma póly  rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky => tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr  v okamžiku přepnutí polarity (mrtvý úhel motoru) udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost  principiálně se tento motor trochu podobá střídavému synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama elektrorozvodná síť  komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a − (− a +) po každém pootočení o 180° (u dvoupólového motoru)  takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce Funkce stejnosměrného motoru  rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí  stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety  vzhledem k polaritě statoru a rotoru se souhlasné póly (barvy) odpuzují a rotor se otáčí

 opačné póly se přitahují, rotor se stále otáčí. V okamžiku, kdy se rotor dostane do vodorovné polohy, dojde na komutátoru k přepnutí polarity magnetického pole rotoru  běžný komutátorový stroj buzený magnety  motory s permanentním magnetem se dodnes využívají například v modelářství  jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal problém s mrtvým úhlem motoru  výhodou motoru s permanentním magnetem obecně je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí, výhodou při porovnání s ostatními komutátorovými stroji je úspora statorového vinutí Stejnosměrné motory vyžadují při nízkých otáčkách cizí chlazení. Motor s cizím buzením  budicí vinutí je napájeno z vlastního zdroje nezávislého na napájení vinutí kotvy, takže jeho otáčky můžeme řídit v širokém rozsahu a vůbec nezávisí od zatížení Otáčky motorů s cizím buzením klesají při zatížení jen nepatrně.

 otáčky se řídí napětím v obvodu kotvy nebo budícím proudem  místo budicího vinutí může být použit permanentní magnet

A1, A2 – vývody vinutí kotvy

F1, F2 – vývody vinutí pro cizí buzení

a) řízení otáček  je-li spouštěcí rezistor R1 v obvodu kotvy dimenzován na pro trvalý provoz, je možno regulovat otáčky při jmenovitém buzení od nuly (R1 je maximální) do jmenovitých otáček (R1 je odpojen)  vyšších než jmenovitých otáček lze dosáhnout budícím reostatem R2 zmenšením budícího proudu (odbuzením) při jmenovitém napětí na kotvě

b) zatěžovací charakteristika  pro zvýšení otáček nad jmenovité otáčky je možné použít rezistor v obvodu buzení a snížením budicího napětí zvýšit otáčky motoru

c) použití  motory s cizím budením sa používají všude tam, kde sa vyžaduje plynulé a hospodárné řízení otáček v širokých mezích a nebo, kde sa požaduje dodržování nastavených otáček při velmi kolísajícím zatížení strojového zařízení  jsou vhodné pro pohon obráběcích strojů, pro pohony v těžkých provozech ( těžné stroje, válcovací tratě ...)  kvůli nutnosti dvou zdrojů se často nepoužívá  má stejné vlastnosti jako derivační motor

Derivační motor  budicí vinutí je zapojené paralelně k vinutí kotvy  při spouštění musí mít dostatečný záběrový moment, který sa dosáhneme tak, že na jeho budící vinutí připojíme plné napětí

A1, A2 – vývody vinutí kotvy E1, E2 – vývody derivačního vinutí

a) řízení otáček

 regulace se provádí stejně jako u motorů s cizím buzením  otáčky lze regulovat spouštěcím odporem nebo odporem v obvodu buzení

b) zatěžovací charakteristika  motor se chová stejně jako motor s cizím buzením → má stejnou zatěžovací charakteristiku  buzení je stálé a točivý moment M  I  derivační motor se může při přerušení obvodu budicího vinutí roztočit do vysokých otáček!

n M

n = f (I)

M = f (I)

I

 poněvadž budící proud je poměrně malý, je ztráta energie v regulačním odporu také malá a tato regulace otáček je hospodárná  zvětší-li se zatížení při stálém buzení, bere motor ze sítě větší proud a indukované napětí se zmenší

 menšímu indukovanému napětí odpovídá při stálém buzení menší rychlost  otáčky se zatížením klesají, ne však o mnoho, poněvadž se zatížením se zvětšuje i reakce kotvy, která zeslabuje magnetický tok a pokles otáček se téměř vyrovná  tím, že buzení se zatížením se nemění, jsou otáčky při stálém svorkovém napětí téměř konstantní

c) použití  derivační motor se používá na pohon obráběcích strojů, valcovacích stolic, lokomotivních toční a pod.

Sériový motor  budicí vinutí je zapojeno v sérii s vinutím kotvy => proud, který protéká vinutím kotvy, protéká také budicím vinutím  sériový jednofázový motor je označován také jako univerzální motor → jeho provoz je možný jak na střídavé napětí, tak na stejnosměrné napětí

 motor má konstrukci i zatěžovací charakteristiku podobnou stejnosměrnému motoru se sériovým buzením  otáčky jsou nezávislé na frekvenci napájecího napětí  otáčky dosahují hodnot až 30 000 ot./min

A1, A2 – vývody vinutí kotvy D1, D2 – vývody sériového vinutí

a) řízení otáček 

pomocí předřadného rezistoru

 pomocí děliče napětí (v Berkhausenově zapojení)  elektronickou regulací napětí pomocí fázového spínání

Elektronická regulace napětí

 jiskřením kontaktů komutátoru vznikají vysokofrekvenční proudy, které deformují průběh napětí v síti a mohou být zdroji rušení elektronických zařízení → proto je třeba je „odrušit“  odrušení je možné provést pomocí děleného budicího vinutí nebo odrušovacími kondenzátory b) zatěžovací charakteristika  sériové motory mají největší rozběhový moment  má měkkou rychlostní charakteristiku, protože jeho otáčky jsou nepřímo úměrné zatížení  rychlost zvětšujeme přemosťovaním budícího vinutí, ke kterému sa paralelně připojuje odporový bočník  při běhu naprázdno se snadno roztočí do vysokých otáček, a proto na ně musí být připojena zátěž např. přes řetěz nebo jiné pevné spojení

 otáčky jsou značně závislé na velikosti zatěžovacího momentu  vzhledem k rozměrům má velký točivý moment a velký výkon

 při spouštění protéká motorem dosti velký proud, takže zabírací moment je velký  má vždy větší zabírací moment než derivační motor při stejném jmenovitém výkonu, i když spouštěcí proud je stejný  velkému zatížení odpovídají malé otáčky, malému zatížení velké otáčky

c) použití  většinou do výkonu 1,5 kW  ruční elektrické nářadí – vrtačky, brusky, pily  kuchyňské elektrické spotřebiče – mixéry, roboty, mlýnky  stroje pro domácí použití – sekačky, vysavače

Kompaundní motor  jedno budicí vinutí je připojené sériově a druhé budicí vinutí je připojené paralelně k vinutí kotvy  má vlastnosti sériového a derivačného motoru   motor využívá výhod obou zapojení

A1, A2 – vývody vinutí kotvy D1, D2 – vývody sériového vinutí E1, E2 – vývody paralelního vinutí

Kompaundní motor – zatěžovací charakteristika  mají větší rozběhový moment než derivační motory

 používají se u zařízení, kde je rozběhový moment derivačních motorů nedostačující (např. u zdvihacích mechanizmů, valcovacích stolic, lisů a pod.

Spouštění a brzdění stejnosměrných motorů  vinutí kotvy má malý činný odpor (řádově jednotky W)  proto jím při rozběhu teče velký proud  při otáčení vinutí kotvy v magnetickém poli se ve vinutí indukuje napětí – protisměrné napětí kotvy  toto napětí má opačný směr oproti napájecímu napětí.  snižuje tak proud tekoucí vinutím kotvy

Spouštění derivačního motoru

 pro omezení proudu při rozběhu se používají rezistory zapojené do obvodu kotvy

 během rozběhu se spouštěcí odpor snižuje, buď skokově, nebo plynule  snižování odporu musí probíhat tak, aby proud nepřekročil dovolené hodnoty  spouštěcí rezistory mají velké tepelné ztráty  výhodnější je použití řízeného usměrňovače, který umožňuje nejenom plynule řídit otáčky, ale také rekuperaci  pro napájení buzení musí být výstupní napětí usměrňovače dokonale vyhlazeno (obvodu kotvy pulzní napětí nevadí)

Brzdění do rezistoru

 vinutí kotvy je odpojeno od zdroje a připojeno na rezistor  z motoru se tak v podstatě stává generátor, který dodává elektrickou energii do rezistoru

 v rezistoru se elektrická energie přeměňuje v teplo

Brzdění protiproudem  změnou polarity napájecího napětí dojde k změně směru proudu i točivého momentu  k omezení brzdného proudu se používá rezistor zařazený do obvodu kotvy  po zastavení motoru se musí odpojit od napájení, jinak se roztočí opačným směrem  jedná se o brzdění s velikými ztrátami

Brzdění rekuperační  při snížení napětí na kotvě nebo zvýšení mechanických otáček běžícího motoru se motor stává generátorem  aby bylo možné vyrobenou elektrickou energii dodávat zpět do sítě, musí být motor napájen řízeným usměrňovačem, který toto umožňuje

Měření stejnosměrných motorech  měření charakteristik stejnosměrných motorů s cizím buzením se využívá na posouzení a nebo ověření základních vlastností motorů  provádí se měření tří základních charakteristik: a) regulační charakteristika  závislost otáček na změně napětí na kotvě → n = f(Uk)

 závislost otáček na změně budícího proudu → n = f(IB)

b) zatěžovací charakteristika → závislost otáček na změně momentu → n = f(M)

 z toho je jasné, že otáčky lze u stejnosměrných motorů měnit změnou napětí na cívkách statoru, nebo změnou buzení tj. změnou magnetického toku Φ  v praxi se změna počtu otáček provádí těmito způsoby:  změnou úrovně napětí na rotoru (nejvíce užívaný způsob)

 zapojení rezistoru do série s rotorem (otáčky lze regulovat jen směrem dolů = velké ztráty)  budícím proudem ve vinutí statoru  pulzně šířkovou modulací polovodičovými PWM regulátory (mění se šířka proudového impulzu do vinutí statoru – výhodou je větší moment při nižších otáčkách

Řízení otáček  provádí se v rozashu pod i nad jmenovitými otáčkami  pokud výrobce neudává jinak, je možné jmenovité otáčky překročit max. o 10% a)

řízení otáček do jmenovité hodnoty  provádíme při jmenovitém buzení změnou otáček na kotvě usměrňovačem nebo spouštěčem, který je dimenzován pro trvalý provoz na jmenovité zatížení Otáčky se zvětšují s rostoucím napětí na kotvě.

b)

řízení otáček nad jmenovitou hodnotu  Provádí se při jmenovitém napětí na kotvě zmenšováním budícího proudu  Pro omezení budícího proudu se u derivačních motorů a u motorů s cizím buzením zapojuje do budícího obvodu proměnný rezistor → zmenšením proudu se pole zeslabí

Otáčky se zvětšují snížením budícího proudu.

 při chodu naprázdno při přerušení buzení, např. přerušením vodiče v budícím reostatu, může motor dosáhnout nebezpečně vysokých otáček  aby se zamezilo přerušení buzení, nesmí být budící reostat stejnosměrného motoru s cizím buzením jištěn nadproudovou ochranou

Změna směru otáček – reverzace  u stejnosměrného motoru se provádí poměrně lehce a to:  změnou polarity na přívodu ke kartáčům, tím dosáhneme změny směru protékajícího proudu ve vinutí rotoru  změnou polarity v budícím vinutí  aby nedošlo při přepólování k poškození budícího vinutí vlivem indukovaného napětí, provádí se u stejnosměrných motorů změna směru točení přehození (přepólování) přívodů v obvodu kotvy

Změna směru otáčení stejnosměrného motoru se provádí změnou směru proudu v kotvě.

Leonardova skupina  regulační soustrojí pro těžké pohony, např. válcových stolic a těžkých strojů, kde je třeba plynulé a hospodárné regulace otáček v širokých mezích  skládá se z libovolného motoru, nejčastěji z trojfázového indukčního motoru, který pohání dynamo, budič a ze stejnosměrného motoru  dynamo a motor mají cizí buzení a budí se společným budičem B

 změnou buzení dynama se řídí napětí, a tím i otáčky regulačního motoru  změnou směru budícího proudu se změní i polarita dynama, tím se změní směr proudu v kotvě motoru, a tím i směr jeho otáčení

 regulace je v obvodu malého proudu a lze ji výhodně řídit dálkově tlačítky, popřípadě i kombinovaně automaticky působením koncových i jiných spínačů