Spalovací turbíny, elektromotory

KATEDRA VOZIDEL A MOTORŮ

Spalovací turbíny, elektromotory

#14/14

Karel Páv

2 / 15

Spalovací turbína  1791 – John Barber – první patent (spalování při konstantním objemu s výbuchem)  1930 – Frank Whittle - turbovrtulová plynová turbina v letectví  1950÷1960 – první turbiny v automobilech Rover, Fiat, GM, Chrysler

Použití:  Hlavně v letectví  Lodní a železniční doprava  Pro automobily nevýhodné z důvodu pomalých změn výkonu Spalovací komora

T 3 3

2

Spotřebič 4

Kompresor Turbína

1

4

p

p 2 p3  p1 p4

T2 T3  p2     T1 T4  p1 

 1 

2 1

0.6 0.5

s

ht [-]

0.4

ht 

0.3

q př  qodv

0.2

q př

0.1

1

ht  1 

0 1

2

3

4

5

6

7

8

p [-]

9

10 11 12 13 14 15

p

 1 



w c p T3  T2   c p T4  T1  PT  PK   q př c p T3  T2  Ppř

3 / 15

Spalovací turbína s rekuperací Výměník tepla

T

Spalovací komora

3

4‘ 2‘

2‘ 3

2

4

4 Spotřebič

p

p 2 p3  p1 p4

Kompresor

T2 T3  p2     T1 T4  p1 

2 Turbína

1

4‘

1

 1 

s Sdílené teplo: qvym  c p T2'  T2   c p T4  T4'  Dodávané teplo ve spalovací komoře: q př  c p T3  T2'  0.8

S rekuperací

0.7

ht 

0.6

ht [-]

0.5 0.4

w c p T3  T2'   c p T4'  T1  PT  PK   q př c p T3  T2'  Ppř

T ht  1  1 p T3

0.3 0.2 0.1

 1 

 Ve skutečnosti je turbína zatížena značnými ztrátami

0 1

2

3

4

5

6

7

8

p [-]

9

10 11 12 13 14 15

4 / 15

Ztráty spalovací turbíny  Ztráty vzniklé nevratnými změnami v kompresoru a v turbíně (vyjádřeno izoentropickou účinností)  Teplotní ztráty odvodem tepla do okolí c p T2 s  T1  h   Tlakové ztráty prouděním plynu sK c p T2  T1  T

2s

q př  c p T3  T2 

p4

T2 s T3  p T1 T4 s

4s p1

s 0.6 0.5 0.4

ht [-]

c p T3  T4 s 

(bez ztrát odvodem tepla)

w  PT  PK  c p T3  T4 s hsT  c p T2 s  T1 

p2 4

1

c p T3  T4 

p3

3

2

hsT 

hs = 0,8

0.3

 1 

1 hsK

(bez ztrát prouděním)

T3 hsK hsT 1  1 T 1 w p ht   q př  T3  hsK   1  1 1 T  1  p  1

0.2

 Požadavek na žárupevné materiály při vyšších teplotních poměrech

0.1 0 1

2

3

4

5

6

7

8

p [-]

9

10 11 12 13 14 15

5 / 15

Spalovací turbína Jednohřídelová

 Jednoduchá konstrukce  Nevhodné pro automobil

Dvouhřídelová

Točivý moment

 Oddělená výkonová turbina pracuje nezávisle na otáčkách kompresoru  Ideální charakteristika pro automobil  K rozjezdu není zapotřebí spojky  Zcela postačuje pouze redukční dvoustupňová převodovka

Otáčky motoru

6 / 15

Spalovací turbína pro automobil

 Startování roztočením na 5000 min-1  Otáčky kompresoru 30 000÷50 000 min-1  Stlačení vzduchu v radiálním kompresoru, stupeň stlačení p ≈ 4  Předehřev vzduchu rekuperací tepla pomocí rotačního voštinového výměníku n = 10÷20 min-1  Vstřikování paliva o tlaku 5 MPa  Spalování s přebytkem vzduchu  Natáčení variabilních statorových lopatek pro zvýšení účinnosti Výměník tepla Spalovací komora 5‘ 2‘ 3

2

Kompresor

1

Turbína kompresoru 4 Výkonová turbína

5

Spotřebič

7 / 15

Spalovací turbína ve srovnání se spalovacím motorem Výhody:  Vyvážení  Kompaktnost uspořádání  Provozní spolehlivost  Vysoký hmotnostní výkon 3÷5 kW/kg  Lepší předpoklady pro zvládnutí stacionárního spalování Nevýhody:  Vysoká teplotní expozice dílů  Vysoká cena  Nižší účinnost 25÷35%  Sirénový hluk

T

tmax ≈ 2300°C

PSM

tmax ≈ 950÷1400°C

ST s

8 / 15

Elektromotory  Přeměňují elektrickou energii na mechanickou práci  Využívá se silového účinku magnetického pole

dF  I  dl  B  [ N, A, m, T ]

… Lorentzův zákon (B – magnetická indukce)

 Ve vinutí v pohyblivém magnetickém poli je indukováno napětí

U i   v  B dl

[ V, m/s, T, m ]

Ui  kU     [ V, Wb, rad/s ]

l

( – magnetický tok)

   B  dS  k  I S

 Základní části EM:

Elektrický obvod (cívky kotvy, budící cívky, komutátor, kroužky, kartáče) Magnetický obvod (trafoplechy, feromagnetický stator) Mechanická část (ložiska, svorkovnice, chlazení)

 Konstrukce elektromotoru většinou umožňuje více režimů provozu:

Motorický Generátorický (rekuperace, do odporu) Brzdění (přepólování, energie se mění v teplo)

 Ztráty:

Ohmické ztráty ve vinutí V magnetickém obvodu (vířivé proudy) Mechanické (v ložiskách)

9 / 15

Elektromotory  Pro pohon vozidel se nejčastěji používají:  Stejnosměrné motory s elektronickou komutací (nahradily komutátorové motory)  Střídavé asynchronní motory s frekvenčním měničem  Střídavé synchronní motory s frekvenčním měničem (s permanentním magnetem)  Výhody:  Příznivá momentová charakteristika  Jednoduchost konstrukce  Životnost, bezúdržbovost  Vyvážení  Tichost chodu  Možnost individuálního řízení síly na kolech  Vozidlo nemusí mít převodovku s řazením

Porsche (r.1900)

 Baterie 90V  Doba jízdy 3h

 Nevýhody:  Nutnost akumulace elektrické energie nebo použití spalovacího motoru s generátorem (zvyšování ceny a hmotnosti automobilu)  Cena a hmotnost baterií (200÷400 kg, energetická hustota <1 MJ/kg)  Nároky na bezpečnost s ohledem na nebezpečí úrazu elektrickým proudem  Aplikace v lokomotivách ve spojení se vznětovým PSM:  PSM  Dynamo  Stejnosměrný motor  PSM  Alternátor  Usměrňovač  Stejnosměrný motor  PSM  Alternátor  Střídavý asynchronní nebo synchronní motor

10 / 15

Stejnosměrné elektromotory  Výkon až 7 MW při U=1200V

M

S permanentními magnety

M

M

M

S cizím buzením

S paralelním (derivačním) buzením

M

Se sériovým buzením

Se smíšeným (kompaundním) buzením

Stejnosměrný motor s cizím buzením nebo s permanentními magnety  Elektromobily -

+

U

Ik

Rk K RkIk

Ui

Ub

Rb Ib

Příkon EM: P  U  I k  kU      I k  Rk  I k2

U  U i  Rk  I k Ui  kU     Ik 

U  kU     Rk

Výkon motoru

Ztráty v obvodu P  M   kotvy

Moment EM: M  kU    I k Otáčky EM: n  U 

k   U  kU      M U Rk 2



R M U  k kU   kU   2

Způsoby řízení otáček:  Změnou odporu v obvodu kotvy (nevýhodné)  Změnou napětí na kotvě  Změnou magnetického toku (odbuzování)

M

Mmax R  U n0

n

11 / 15

Stejnosměrné elektromotory Stejnosměrný derivační motor  Elektromobily s nižším výkonem, akumulátorové vozíky -

+

U Rk

Rs

Ik+Ib

K RkIk

Ui

Rb

RbIb

RsIk

  k  I b

Ib 

U Rb  Rr

Ik 

U Rk

M  kU    I k  kU  k  I b  I k Pro Rs=0:

U  U i  Rk  I k Ui  kU    

Ib

Rr

kU  k U 2 M Rk Rb  Rr

RrIb

 kU  k    1   R  R b r  

 kU  k    1   R  R b r  

 Při U=konst. má derivační motor stejnou charakteristiku jako motor s cizím buzením. Způsoby řízení otáček:  Změnou odporu Rs v obvodu kotvy (nevýhodné)  Změnou svorkového napětí (vyvolá i změnu buzení)  Změnou magnetického toku vřazením odporu Rr (odbuzování)

 Brzdění (platí i pro cizí buzení): M  Rekuperační (při n > n0)  Do odporu (při n < n0)  Protiproudem (přepólování b. vinutí)

M

Mmax Rs2

Rs1

M

Mmax

U2

Mmax Rr2

U1

 Spouštění stejnosměrných motorů:

 Snížení svorkového napětí  Předřazení spouštěcího odporu Rs

Rs2>Rs1

U2
n

Rr2>Rr1 Rr1 n0

n

n0

n

12 / 15

Stejnosměrné elektromotory Stejnosměrný sériový motor  Lokomotivy, tramvaje Rk

Rb

RkIk

RbIk

Rs

K Ui

U  Ui  Rk  Rb  Rs  I k

+

U

RsIk

Ik

Ui  kU    

  k  I k Ik 

U Ui U  R R  kU  k  

R  U  kU      k

M  kU    I k  kU  k  I

U R   kU   kU  k

kU  k U 2 M R  kU  k  2

2 k

M

 Motor musí být zatížen, jinak hrozí přetočení.

U

R,  n0 n

 Způsoby řízení otáček:  Změnou spouštěcího odporu Rs v obvodu kotvy (nevýhodné)  Změnou napětí na kotvě  Změnou buzení pomocí paralelně připojeného rezistoru k budícímu vinutí  Brzdění:  Do odporu (musí být přepólováno budící vinutí) – tepelné ztráty: mechanický výkon na hřídeli  Protiproudem (přepólování budícího vinutí) – tepelné ztráty: mech. výkon na hřídeli + elektrický výkon  Sériový motor není schopen rekuperace při brzdění (n0  ).  Sériové motory bývají napájeny i střídavým proudem (vrtačky, kuchyňské spotřebiče).

Střídavé elektromotory

13 / 15

Asynchronní

Synchronní  Podstatou je vytvoření rotujícího magnetického pole statoru pomocí 3-fázové sítě

3-fázový asynchronní motor Stator

Zapojení vinutí do  Zapojení vinutí do Y (využívá se při rozběhu motoru)

Synchronní otáčky magnetického pole: ns 

Rotor

f1 p

Frekvence napájecího proudu statoru

Počet pólových dvojic vytvořených statorovým vinutím

S kotvou nakrátko (klecový) S vinutím do Y s kroužkovou kotvou (kroužky spojeny přes regulační odpory nebo nakrátko)

 Při otáčkách rotoru nrot < ns se v rotorových cívkách indukuje napětí – proto též označení „Indukční motory“  Cívky jsou nakrátko (nebo uzavřené přes odpor) takže jimi protéká proud vytvářející magnetické pole  Na rotor působí síla (moment)

Skluz: s 

ns  nrot ns

Příkon: P  3 U1  I1  cos 1

… fázové veličiny (U1 = 230 V), 1 – fázový posun mezi U1 a I1

Střídavé elektromotory

14 / 15

3-fázový asynchronní motor Generátorický provoz:  Při n > ns  Vznikající moment působí proti směru otáčení pole.  Mechanický výkon se mění v elektrický, do sítě se dodává činná složka proudu.

+M Brzda

-n s

Generátor

Motor

n=0 s=1

s=0 n=ns

+n -s

Brzdění protiproudem:  Realizováno přepojením dvou přívodních fází.  Rotor se pohybuje proti směru otáčení mg. pole.  Mechanická i elektrická energie se mění v teplo. Moment při motorickém provozu:

-M

U2 p M f1

 Spouštění a řízení asynchronních motorů:  Přepnutím  do Y  Zařazením odporů mezi vinutí rotoru kroužkové kotvy  Polovodičovým řízeným měničem napětí  Změnou počtu pólových dvojic (pouze skoková změna otáček)  Změnou kmitočtu s využitím frekvenčního měniče

15 / 15

Střídavé elektromotory 3-fázový synchronní motor  Současné elektromobily  Provedením se od asynchronního motoru liší jen rotorem – ten je tvořen permanentními magnety nebo budícím vinutím napájeným přes kroužky stejnosměrným proudem.  Rotující magnetické pole statoru je vytvářeno 3-fázovým proudem z frekvenčního měniče.  Velikost momentu motoru je závislá na magnetickém toku a úhlu vychýlení rotoru vůči rotujícímu magnetickému poli statoru o úhel s-r (rotor se za mg. polem opožďuje).  Elektronika může pulzně řídit napájení jednotlivých obvodových vinutí i stejnosměrným proudem a vytvářet tak rotující magnetické pole.  Obvyklá napětí baterie UDC = 200÷400 V, IDC < 250 A 300 0.50

0 .7 0

0 .6 0

250

Mmax

hc [-]

0. 80

5

150

M

0.9

0

0 .8

M [Nm]

200

M  f (sr )

Pole účinnosti vozidlového synchronního elektromotoru s permanentními magnety včetně frekvenčního měniče

100

ns 0.90

50

0.85

0.80

0.70

0 0

1000

2000

3000

4000

n [1/min]

5000

6000

0.60

7000

n