KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Spalovací turbíny, elektromotory
#14/14
Karel Páv
2 / 15
Spalovací turbína 1791 – John Barber – první patent (spalování p i konstantním objemu s výbuchem) 1930 – Frank Whittle - turbovrtulová plynová turbina v letectví 1950÷1960 – první turbiny v automobilech Rover, Fiat, GM, Chrysler
Použití: Hlavn v letectví Lodní a železni ní doprava Pro automobily nevýhodné z d vodu pomalých zm n výkonu T
Spalovací komora
p2 p1
3 3
2
Spot ebi 4
Kompresor
Turbína
1
p3 p4
4
1
T2 T1
T3 T4
p2 p1
2 1
0.6 0.5
s
t
[-]
0.4
q
0.3
t
q
0.2 0.1 0
t 1
2
3
4
5
6
7
8
[-]
9
10 11 12 13 14 15
qodv
1
1 1
w q
c p T3 T2
c p T4 T1
c p T3 T2
PT
PK P
3 / 15
Spalovací turbína s rekuperací Vým ník tepla
T 3
Spalovací komora 4‘ 2‘
2‘ 4 Spot ebi
3
2
p2 p1
4
p3 p4
Kompresor
1
T2 T1
2 Turbína
1
4‘
1
T3 T4
p2 p1
s Sdílené teplo: qvym
c p T2 ' T2
c p T4 T4 '
Dodávané teplo ve spalovací komo e: q
c p T3 T2 '
0.8
S rekuperací
0.7 0.6
t
w q
t
T 1 1 T3
c p T3 T2 '
c p T3 T2 '
t
[-]
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
c p T4 ' T1
PT
PK P
1
Ve skute nosti je turbína zatížena zna nými ztrátami
0 1
2
3
4
5
6
7
8
[-]
9
10 11 12 13 14 15
4 / 15
Ztráty spalovací turbíny Ztráty vzniklé nevratnými zm nami v kompresoru a v turbín (vyjád eno izoentropickou ú inností) Teplotní ztráty odvodem tepla do okolí c p T2 s T1 Tlakové ztráty proud ním plynu sK c p T2 T1 T
q 2s
c p T3 T2
w
p2 4
PT
T2 s T1
p1
T3 T4 s
0.6 0.5
t 0.4
[-]
PK
(bez ztrát odvodem tepla)
c p T3 T4 s
sT
c p T2 s T1
1 sK
s
t
c p T3 T4 s
p4
4s 1
sT
p3
3
2
c p T3 T4
s = 0,8
0.3
w q
1
(bez ztrát proud ním)
T3 T1 T3 1 T1
sK
sT 1
1
sK 1
1 1
0.2
Požadavek na žárupevné materiály p i vyšších teplotních pom rech
0.1 0 1
2
3
4
5
6
7
8
[-]
9
10 11 12 13 14 15
5 / 15
Spalovací turbína Jednoh ídelová
Jednoduchá konstrukce Nevhodné pro automobil
Dvouh ídelová
To ivý moment
Odd lená výkonová turbina pracuje nezávisle na otá kách kompresoru Ideální charakteristika pro automobil K rozjezdu není zapot ebí spojky Zcela posta uje pouze reduk ní dvoustup ová evodovka
Otá ky motoru
6 / 15
Spalovací turbína pro automobil
Startování rozto ením na 5000 min-1 Otá ky kompresoru 30 000÷50 000 min-1 Stla ení vzduchu v radiálním kompresoru, stupe stla ení 4 edeh ev vzduchu rekuperací tepla pomocí rota ního voštinového vým níku n = 10÷20 min-1 Vst ikování paliva o tlaku 5 MPa Spalování s p ebytkem vzduchu Natá ení variabilních statorových lopatek pro zvýšení ú innosti Vým ník tepla Spalovací komora 5‘ 2‘ 3
2 Kompresor
1
Turbína kompresoru 4 Výkonová turbína
5 Spot ebi
7 / 15
Spalovací turbína ve srovnání se spalovacím motorem Výhody: Vyvážení Kompaktnost uspo ádání Provozní spolehlivost Vysoký hmotnostní výkon 3÷5 kW/kg Lepší p edpoklady pro zvládnutí stacionárního spalování Nevýhody: Vysoká teplotní expozice díl Vysoká cena Nižší ú innost 25÷35% Sirénový hluk
T
tmax
PSM
2300°C
tmax
950÷1400°C
ST s
8 / 15
Elektromotory em ují elektrickou energii na mechanickou práci Využívá se silového ú inku magnetického pole
dF
I dl B
[ N, A, m, T ]
… Lorentz v zákon (B – magnetická indukce)
Ve vinutí v pohyblivém magnetickém poli je indukováno nap tí
Ui
v B dl
[ V, m/s, T, m ]
Ui
kU
[ V, Wb, rad/s ]
(
– magnetický tok)
l
B dS
k
I
S
Základní ásti EM:
Elektrický obvod (cívky kotvy, budící cívky, komutátor, kroužky, kartá e) Magnetický obvod (trafoplechy, feromagnetický stator) Mechanická ást (ložiska, svorkovnice, chlazení)
Konstrukce elektromotoru v tšinou umož uje více režim provozu:
Motorický Generátorický (rekuperace, do odporu) Brzd ní (p epólování, energie se m ní v teplo)
Ztráty:
Ohmické ztráty ve vinutí V magnetickém obvodu (ví ivé proudy) Mechanické (v ložiskách)
9 / 15
Elektromotory Pro pohon vozidel se nej ast ji používají: Stejnosm rné motory s elektronickou komutací (nahradily komutátorové motory) St ídavé asynchronní motory s frekven ním m ni em St ídavé synchronní motory s frekven ním m ni em (s permanentním magnetem) Výhody: íznivá momentová charakteristika Jednoduchost konstrukce Životnost, bezúdržbovost Vyvážení Tichost chodu Možnost individuálního ízení síly na kolech Vozidlo nemusí mít p evodovku s azením
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) Nároky na bezpe nost s ohledem na nebezpe í úrazu elektrickým proudem Aplikace v lokomotivách ve spojení se vzn tovým PSM: PSM PSM PSM
Dynamo Stejnosm rný motor Alternátor Usm ova Stejnosm rný motor Alternátor St ídavý asynchronní nebo synchronní motor
10 / 15
Stejnosm rné elektromotory Výkon až 7 MW p i U=1200V
M
M
M
S permanentními magnety
S cizím buzením
M
S paralelním (deriva ním) buzením
M
Se sériovým buzením
Se smíšeným (kompaundním) buzením
Stejnosm rný motor s cizím buzením nebo s permanentními magnety Elektromobily -
+
U
Ui
Ui
kU
Ik
Rk K Ui
U
Rk Ik
Ik
U
íkon EM: P U I k
Rk I k
Moment EM: M
kU Rk
M Ib Zp soby ízení otá ek:
kU
U
Ik Výkon motoru
Ik
P Otá ky EM: n U
Ub
Rb
kU
kU
kU Rk
2
U kU
Zm nou odporu v obvodu kotvy (nevýhodné) Zm nou nap tí na kotv Zm nou magnetického toku (odbuzování)
M
Rk M 2 kU
M
Rk I k2 Ztráty v obvodu kotvy
Mmax R
U n0
n
11 / 15
Stejnosm rné elektromotory Stejnosm rný deriva ní motor Elektromobily s nižším výkonem, akumulátorové vozíky -
+
U Rk
Rs
k Ik+Ib
K
M
Ib
kU
Pro Rs=0: Ui
Rs Ik
Rk Ik Rb
Rb Ib
Ib
Ib
U Rb
Ik
kU k
U
Ui
Ui
kU
M
kU k U2 k k 1 U Rk Rb Rr Rb Rr
Rr Rr Ib
Rr
Ib Ik
Rk I k
Ik
U k k 1 U Rk Rb Rr
i U=konst. má deriva ní motor stejnou charakteristiku jako motor s cizím buzením. Zp soby ízení otá ek:
Zm nou odporu Rs v obvodu kotvy (nevýhodné) Zm nou svorkového nap tí (vyvolá i zm nu buzení) Zm nou magnetického toku v azením odporu Rr (odbuzování)
Brzd ní (platí i pro cizí buzení): M Rekupera ní (p i n > n0) Do odporu (p i n < n0) Protiproudem (p epólování b. vinutí)
M
Mmax Rs2
Rs1
M
Mmax U2
Mmax Rr2
U1
Spoušt ní stejnosm rných motor : Snížení svorkového nap tí ed azení spoušt cího odporu Rs
U2
Rs2>Rs1 n0
n
Rr2>Rr1 Rr1 n0
n
n0
n
12 / 15
Stejnosm rné elektromotory Stejnosm rný sériový motor Lokomotivy, tramvaje -
+
U Rk
Rb
Rk Ik
Rb Ik
Rs
Ik
U
Ui
Ui
kU k
K Ui
U
kU U kU
R k R kU k
Rs Ik
Ik M
M
Rk
Rb
Rs I k
Ik
U Ui R kU
U R kU k Ik
kU k
kU k U 2 R kU k
M
I
2 k
U 2
R, n0 n
Motor musí být zatížen, jinak hrozí p eto ení. Zp soby ízení otá ek:
Zm nou spoušt cího odporu Rs v obvodu kotvy (nevýhodné) Zm nou nap tí na kotv Zm nou buzení pomocí paraleln p ipojeného rezistoru k budícímu vinutí
Brzd ní: Do odporu (musí být p epólováno budící vinutí) – tepelné ztráty: mechanický výkon na h ídeli Protiproudem (p epólování budícího vinutí) – tepelné ztráty: mech. výkon na h ídeli + elektrický výkon Sériový motor není schopen rekuperace p i brzd ní (n0
).
Sériové motory bývají napájeny i st ídavým proudem (vrta ky, kuchy ské spot ebi e).
St ídavé elektromotory
13 / 15
Asynchronní Synchronní Podstatou je vytvo ení rotujícího magnetického pole statoru pomocí 3-fázové sít
3-fázový asynchronní motor Stator
Zapojení vinutí do Zapojení vinutí do Y (využívá se p i rozb hu motoru) Frekvence napájecího proudu statoru
Synchronní otá ky magnetického pole: ns
f1 p Po et pólových dvojic vytvo ených statorovým vinutím
Rotor
S kotvou nakrátko (klecový) S vinutím do Y s kroužkovou kotvou (kroužky spojeny p es regula ní odpory nebo nakrátko)
i otá kách rotoru nrot < ns se v rotorových cívkách indukuje nap tí – proto též ozna ení „Induk ní motory“ Cívky jsou nakrátko (nebo uzav ené p es odpor) takže jimi protéká proud vytvá ející magnetické pole Na rotor p sobí síla (moment)
Skluz: s íkon: P
ns
nrot ns
3 U1 I1 cos
1
… fázové veli iny (U1 = 230 V),
1
– fázový posun mezi U1 a I1
St ídavé elektromotory
14 / 15
3-fázový asynchronní motor Generátorický provoz: i n > ns Vznikající moment p sobí proti sm ru otá ení pole. Mechanický výkon se m ní v elektrický, do sít se dodává inná složka proudu.
+M Brzda
-n s
Motor
n=0 s=1
-M
Generátor
s=0 n=ns
+n -s
Brzd ní protiproudem: Realizováno p epojením dvou p ívodních fází. Rotor se pohybuje proti sm ru otá ení mg. pole. Mechanická i elektrická energie se m ní v teplo.
M
U2 p f1
Spoušt ní a ízení asynchronních motor : epnutím do Y Za azením odpor mezi vinutí rotoru kroužkové kotvy Polovodi ovým ízeným m ni em nap tí Zm nou po tu pólových dvojic (pouze skoková zm na otá ek) Zm nou kmito tu s využitím frekven ního m ni e
15 / 15
St ídavé elektromotory 3-fázový synchronní motor Sou asné elektromobily Provedením se od asynchronního motoru liší jen rotorem – ten je tvo en permanentními magnety nebo budícím vinutím napájeným p es kroužky stejnosm rným proudem. Rotující magnetické pole statoru je vytvá eno 3-fázovým proudem z frekven ního m ni e. Velikost momentu motoru je závislá na magnetickém toku a úhlu vychýlení rotoru v i rotujícímu magnetickému poli statoru o úhel s-r (rotor se za mg. polem opož uje). Elektronika m že pulzn ídit napájení jednotlivých obvodových vinutí i stejnosm rným proudem a vytvá et tak rotující magnetické pole. Obvyklá nap tí baterie UDC = 200÷400 V, IDC < 250 A 300 0.50
Pole ú innosti vozidlového synchronního elektromotoru s permanentními magnety v etn frekven ního m ni e
0 .7 0
0 .6 0
250
0 .8 0
c
s r
)
Mmax
[-]
5
150
M
f(
0 .9
0
0. 8
M [Nm]
200
M
100
ns 0 .9 0
50
0.85
0.80
0.70
0 0
1000
2000
3000
4000
n [1/min]
5000
6000
0.60
7000
n
