Robert Stirling v roce 1816 patent na teplovzdušný motor s uzavřeným oběhem a vnějším přívodem tepla

STIRLINGŮV MOTOR Robert Stirling v roce 1816 patent na teplovzdušný motor s uzavřeným oběhem a vnějším přívodem tepla Ideální představa: komprese a expanse probíhají za izotermické změny odvod a přívod tepla probíhá za izochorické změny Realizace: 2 písty: kompresní (studený) a expanzní (teplý). Vzájemný pohyb obou pístů (v jednom směru, proti sobě a od sebe) je dán speciálním mechanizmem. Oba prostory (kompresní a expansní) jsou propojeny a pracovní plyn je v oběhu uzavřen. 3 výměníky tepla (chladič, regenerátor, ohřívač)

Qp

3

4

T

Qrek

2

1

Qo s 20013/2014

Pohonné jednotky I.

Scholz

1

STIRLINGŮV MOTOR 1- expanzní prostor 2- kompresní prostor 3- ohřívač 4- regenerátor 5- chladič

20013/2014


Scholz

2

STIRLINGŮV MOTOR Rombický mechanizmus (zdvojený KM se dvěma protiběžnými KH

20013/2014


Scholz

3

ERICSSONŮV MOTOR Ericsson vynalezl další variantu teplovzdušného motoru – patent 1833. Ideální představa: komprese a expanse probíhají za izotermické změny odvod a přívod tepla probíhá za izobarické změny Realizace: 2 pístové stroje: kompresní (studený) a expanzní (teplý). Vzájemný pohyb obou pístů dán obyčejným klikovým mechanizmem. Pracovní prostory (kompresní a expansní) jsou propojeny nuceně ovládanými ventily. Pracovní plyn je v oběhu otevřen, nebo uzavřen bez nebo s regenerací uzavřen. 3 výměníky tepla (chladič, regenerátor, ohřívač)

20013/2014


Scholz

4

SHRNUTÍ K TEPLOVZDUŠNÝM MOTORŮM Vznikly současně s rozvojem pístových parních strojů na začátku 19. století. Teplovzdušné motory však zůstaly ve stínu parních strojů a s nástupem motorů s vnitřním spalováním se přestaly používat. Renezanci lze očekávat v budoucnosti se snižováním zásob fosilních paliv. Stirlingův motor vyl zdokonalován fou Philips v letech 1930 -1950 (výkonnější regenerace tepla, použití jako pracovního plynu He , H2 z důvodů snížení průtokových ztrát, zvýšení účinnosti. Dnes aplikace v solárních systémech, vývoj i pro kosmické stanice. Fa TEDOM vývoj typu A pro kogenerační jednotku.

VÝHODY 1.Nezávislost na typu tepelného zdroje (odpadní teplo z technologických procesů, sluneční energie ze solárních systémů, spalování podřadných paliv) a nezávislost na atmosférickém kyslíku. 2.Možnost zvýšení účinností regenerací tepla. 3.Odpadá ventilový rozvod, zapalovací systém. 4.Nízká hladina hlučnosti (ponorky), dl. životnost a příznivé emise.

NEVÝHODY 1.Nízký kompresní poměr vlivem škodlivého objemu výměníků (minimalizace objemu vede ke zmenšení teplosměnných ploch a snížení průtočných průřezů vede ke zvýšení tlakových ztrát. 2.Komplikace s mechanizmy ovládání pohybu pístů. 3.Omezení max. teplot 700°C (působí nepřetržitě a pracovní prostor je stále ohříván) a tlaků 8 MPa (těsnost uzavřeného oběhu a doplňování pracovního plynu) 4.Převod tepla přes výměníky znamenají pomalejší změnu výkonu. 5.Velké výrobní náklady, cena.

20013/2014


Scholz

5

ELEKTROMOTORY Význam použití EM jako pohonného ústrojí v posledních letech vzrůstá (elektromobilita). Lokálně řeší ekologii ve městech, skladech, výstavištích. Globální ekologický přinos je sporný. Dělení dle momentové charakteristiky: 1)Stejnosměrné sériové (nejměkčí) Střídavé asynchronní 2)

Stejnosměrné derivační

3)

Střídavé synchronní (tvrdá)

M

1

2

3

n 20013/2014


Scholz

6

STEJNOSMĚRNÝ SÉRIOVÝ MOTOR POUŽITÍ: elektrická trakce (lokomotivy, tramvaje) Svorkové napětí

Kotva je s budícím vinutím spojena v sérii

U

Indukované napětí



Výkony

Rs

J



Rm

P  M   I  k    M  k   I M  k  k  I 2

M=f(n)

k M 2 

Při odlechčení motoru

n, 

20013/2014

Lenz-Jouleovy ztráty v obvodu kotvy

  k  I

U  I  R Ui dostaneme funkci

Ui  k   

Výkon motoru na hřídeli (efektivní výkon)

Dosazením do základní rovnice

R  Rm  Rs

I U  I 2  R  I  k    

Příkon motoru

Ui

U  I  R Ui


Scholz

M  0,   

Ve skutečnosti jsou vždy ztráty, ovšem odstředivé síly by mohly narušit pevnost rotoru - Motor musí být vždy zatížen 7

ŘÍZENÍ , REGULACE STEJNOSMĚRNÉHO SÉRIOVÉHO MOTORU a)SPOUŠTĚNÍ

Ui  k     0

vlivem indukovaného napětí

proto předřazujeme při rozběhu odpor

U  I  R  k   

b)REGULACE OTÁČEK dle vzorce



2.

U Změnou magnetického toku 

3.

Odporem v obvodu kotvy

1.

I

vzniká velký proud

Rs

U Rm  Rs

, který postupně snižujeme

U  I R k 

Změnou svorkového napětí

Rb snižuje 

R U

M



Rs

Ui

J Rm

U



, R



Rb 4.

Brzděni pouze do odporové zátěže po odpojení akumulátoru, bez rekuperace na dobrzdění musí být mechanická brzda, neboť

20013/2014


Scholz

  0 Mbr  0 8

STEJNOSMĚRNÝ DERIVAČNÍ MOTOR POUŽITÍ: elektromobily, akumulátorové vozíky

Svorkové napětí

Budící obvod může být samostatný (cizí buzení)

Indukované napětí

U

Výkony



Rs

U  I  R Ui

Ui

Rm

Ib

Ui  k   

I U  I 2  R  I  k    

Příkon motoru

I

Lenz-Jouleovy ztráty v obvodu kotvy

Výkon motoru na hřídeli (efektivní výkon)



Teorie shodná se sériovým motorem až na podstatný rozdíl, že buzení je fcí Ib

Dosazením do základní rovnice

dostaneme funkci

P  M   I  k    M  k   I   k  I b M  k  k  I  I b

M

U  I  R Ui

R  Rm  Rs

M=f(n)

k     U M  k   R R 2

Běh na prázdno 20013/2014

M  0  o 

U k  Pohonné jednotky I.

o

Scholz

n,  9

ŘÍZENÍ , REGULACE STEJNOSMĚRNÉHO DERIVAČNÍHO MOTORU a)SPOUŠTĚNÍ

vlivem indukovaného napětí

Ui  k     0

proto předřazujeme při rozběhu odpor BUZENÍ MUSÍ BÝT VŽDY V ČIMMOSTI

b)REGULACE OTÁČEK dle vzorce

2.

U Změnou magnetického toku 

3.

Odporem v obvodu kotvy

1.

U  I  R  k   



U Rm  Rs

, který postupně snižujeme

U  I R k  M

Rb snižuje  M



U 

R 4.

Rs

M

Změnou svorkového napětí

R

I

vzniká velký proud



Brzděni



M

  o do odporové zátěže po odpojení akumulátoru, bez rekuperace na dobrzdění musí být mechanická brzda



  o Po přechodu z motorového do generátorového provozu nastane plynulé elektrické brzdění s rekuperací energie (prakticky při jízdě z kopce ) 20013/2014


Scholz

M

10

TŘÍFÁZOVÝ ASYNCHRONNÍ MOTOR Skládá se z primární části (stator) napojené na 3-fázovou síť a ze sekundární části (rotor) s vinutím spojené nakrátko. Vinutí obou částí je na železných jádrech a mezi oběma částmi je vzduchová mezera. Ve vzduchové mezeře vzniká otáčivé magnetické pole, v rotoru se indukuje napětí a teče jím proud. Vzájemným účinkem působení magnetického pole a proudu vzniknou silové účinky a tím točivý moment. Otáčivé pole 3 fáz. sítě se transformuje na točivý mechanický moment rotoru

Příkon

P3  3 U1  I1  cos 

Otáčivé magnetické pole Výkon magnetického pole

 po  2

Výkon motoru


U1 , I1  fáze  220V

f po p

 2  n po

Ppo  2  n po  M

Výkon lze na rotor převézt za předpokladu nesynchronních otáček magnetického pole s rotorem (skluz – s)

20013/2014

M  k  I

 po   s  po

 po  

   po 1  s  n  n po 1  s 

Pm 2 n M Scholz

11

TŘÍFÁZOVÝ ASYNCHRONNÍ MOTOR - charakteristika Při synchronních otáčkách (s=0) je M=0 Se zatížením se zvyšuje skluz roste proud v rotoru a moment se zvětšuje lineárně do bodu zvratu.

M

M  k   I

MZ

Po jeho překročení se magnetický tok vlivem rozptylu zmenšuje rychleji než narůstá proud a moment se se zmenšuje do momentu záběrového

Mz při

s 1   0

MOTOR

1 GENERÁTOR

0

1 1 S  0    po S 0    po S 1

0 20013/2014

s

Motorický provoz – rotor se pohybuje ve směru točivého pole. Motor potřebuje příkon ze sítě a odevzdává na hřídeli rotoru mechanický výkon Generátorový provoz – rotor se pohybuje ve směru točivého pole a vznikající moment působí proti směru otáčení pole. Mechanický výkon se mění v elektrický, do sítě dodává činnou složku proudu Brzdění– rotor se pohybuje proti směru točivého pole. Obě energie se mění v teplo


Scholz

12

TŘÍFÁZOVÝ ASYNCHRONNÍ MOTOR – řízení, regulace SPOUŠTĚNÍ – nevýhodou provedení s kotvou nakrátko je malý záběrový moment při velkém proudu (při výkonech nad 5 kW). Řešením je: a)Použití kroužkových motorů. Vinutí kotvy je vyvedeno 3 páry kroužků mimo rotor a zařazené odpory zvětší odpor v rotoru po dobu spouštění , zvýší se záběrový moment při nižších proudech. b)Snížení svorkového napětí na statoru přepínačem trojúhelník – hvězda. c)Plynulou změnou frekvence od 0. Dnes prioritní řešení u vozidel ve spojení s frekvenční změnou otáček. Využití měniče frekvence potřebného ke spojení akumulátoru se střídavým motorem

n REGULACE OTÁČEK Plynulou změnou frekvence BRZDĚNÍ

f po p

1s S 0

Rekuperací – v generátorovém provozu

   po

20013/2014


Scholz

13

TŘÍFÁZOVÝ SYNCHRONNÍ MOTOR Historicky znám jako generátor střídavého proudu. Skládá se z primární části (stator) napojené na 3-fázovou síť a ze sekundární části (rotor) s budícím vinutím, které je napájeno přes kroužky z odděleného stejnosměrného zdroje, nebo Ve vzduchové mezeře mezi rotorem a statorem obíhají dvě magnetická pole: - stojaté magnetické pole rotoru vůči magnetům, - točivé magnetické pole statoru vytvořené 3-fázovým proudem. Obě pole se skládají do výsledného a točivý moment vzniká tehdy, když se obě pole vůči sobě nepohybují (tj. rotor se otáčí synchronně s magnetickým polem statoru).

Příkon:

P3  3 U1  I1  cos 

Výkon motoru: Otáčky:

P  P3  n  n po  ns 

ŘÍZENÍ, REGULACE

Ub

SPOUŠTĚNÍ:   0   S  M  0 1)S vlastním asynchronním rozběhem (budící vinutí spojíme nakrátko) nezatíženého motoru. Po synchronizaci (přifázováni) se pomocí spojky připojí k zatížení. 2)Frekvenční rozběh

f p

M

n

n  n po  ns

REGULACE OTÁČEK: Frekvenční měnič řeší problém rozběhu i změnu otáček (téměř bezztrátová regulace) 20013/2014


Scholz

14

PŘÍKLADY POUŽITÍ ELEKTROMOTORŮ stejnosměrné – použití pro manipulační vozíky ve skladech a v projektech elektromobilů s nižším výkonem Lohner-Porsche Elektromobil – r.1900 2 elektromotory v hlavách předních kol (2x2kW/120 min-1), v= 50km/h, baterie 90V, jízdní doba 3 hodiny.

P

20013/2014


Scholz

EL

A

15

PŘÍKLADY POUŽITÍ ELEKTROMOTORŮ střídavé – větší výkon – mezi motorem a akumulátorem musí být navíc měnič frekvence  Asynchronní (Fiat, GM, …)  Synchronní (Nisan, Mazda, Suzuki, …) buzení rotoru permanentními magnety

Nisan Pivo 2 4 elektromotory uložené v kolech, Akumulátory Li-ion v podvozku, na němž se kabina otáčí (pivot)

Při akceleraci vyžaduje vozidlo rychlý výdej energie, což samotný akumulátor nezabezpečí. Proto se používá tzv. superkondenzátor (K), který je schopen vydat svou energii velmi rychle a překlenout okamžité špičky a vyrovnat zatížení akumulátoru. Vybíjení a zpětné nabíjení kondenzátoru řídí regulační člen (R).

A M K

20013/2014

EM

R


Scholz

16

Robert Stirling v roce 1816 patent na teplovzdušný motor s uzavřeným oběhem a vnějším přívodem tepla

Recommend Documents