Stýskala, 2002
L e k c e
z
e l e k t r o t e c h n i k y Vítězslav Stýskala TÉMA 4
Oddíl 1
Sylabus tématu 1.
DC stroje a) generátory – řízení napětí, změna polarity b) motory – spouštění, reverzace, řízení otáček, el. brzdění
2.
AC stroje a) 1f AM – spouštění, reverzace, řízení otáček, el. brzdění b) 3f AM – spouštění, reverzace, řízení otáček, el. brzdění c) 3f SM - spouštění, reverzace, řízení otáček, el. brzdění
Řízení velikosti napětí DC generátorů Indukované napětí v kotevním vinutí je určeno indukčním zákonem
Ua ≈ ui
=
B·l·v
Velikost napětí lze ovlivňovat – řídit přímo úměrně 1. hodnotou magnetické indukce B - ta je přímo úměrná budícímu EM toku => budícímu proudu Ib 2. otáčkami n - ty jsou funkcí obvodové rychlosti kotvy v. Aktivní délka vodiče v kotevním vinutí l je pro hotový DC stroj neměnná, stejně jako počet závitů kotevního vinutí.
Změna polarity DC generátorů Aby se změnila polarita kotevního napětí DC generátoru, musí dojít buď:
ke změně směru budícího EM toku, tj. opačnému směru budícího proudu Ib (v praxi častější použití) nebo ke změně smyslu otáčení kotvy, tj. rotoru.
Způsoby spouštění DC motorů s cizím buzením DC motorky s permanentními magnety s spouštějí přímým připojením kotevního napětí ke svorkám kotevního vinutí. DC motory s permanentními magnety se spouštějí zpravidla postupným zvyšováním připojeného kotevního napětí tak, aby při požadovaném nárůstu rychlosti nedošlo k překročení dovolených hodnot proudu Ia při spouštění, viz. diagramy na obr. níže. Přechodný záběrný proud je několikanásobně větší než jmenovitý.
Ia Iamax(dov)
Ω
∆Ia
IaN
ΩN
čas (s)
Způsoby spouštění DC motorů s cizím buzením Motory větších výkonů s elektromagnetickým buzením se z důvodů omezení velkého nárůstu záběrového proud (15-krát větší i více než jmenovitý) spouštějí zvyšováním hodnoty kotevního napětí tak, aby nebyla překročena hodnota spouštěcího proudu zpravidla více jak 1,5 krát. V současnosti se k této činnosti používají řízené polovodičové usměrňovače (ŘU). U DC motoru s cizím buzením je budící vinutí vždy předem buzené na jmenovitou hodnotu budícího proudu, aby měl motor plný elektromagnetický tok a velký záběrový moment. U derivačního motoru se plné nabuzení zajišťuje regulačním zařízení.
U motoru s cizím buzením (ale i u derivačního) musíme při vypínání motoru zajistit nejdříve zánik kotevního proudu v kotevním vinutí a až následně zánik budícího proudu v budícím vinutí. V opačném případě hrozí mechanické zničení motoru vlivem odbuzení (n → ∞) !!!! Z tohoto důvodů se obvod buzení nejistí.
Řízení otáček a reverzace DC motorů s cizím buzením Řízení otáček z 0 do nN se provádí změnou kotevního napětí při konstantním buzení. Pro řízení otáček nad jejich jmenovitou hodnotu se používá snížení Ib , tzv. odbuzení, v praxi to bývá do hodnoty 3 násobku otáček jmenovitých. Pro řízení proudu v budícím vinutí se v současnosti používají zpravidla taktéž ŘU, ale menšího výkonu.
Elektrické brzdění DC motorů s cizím buzením Proces brzdění je využíván ke snížení hodnoty otáček rotoru! 1. Odporové brzdění – princip je velmi podobný jak u DCM – CB, tak u AM. Energeticky jde o to, aby brzdný výkon se přeměnil na teplo v přídavném rezistoru (a částečně nebo zcela v odporu vinutí kotvy). Kotevní vinutí motoru se odpojí od zdroje a místo něj se zapojí brzdný rezistor. Mechanická energie rotujícího rotoru + ostatních rotujících částí s ním spojených se generátoricky přemění v indukované napětí a proud a následně zmaří v teplo.
Rp
II. Q
↓
(Ra +Rp)
I. Q n, Ω
M
_
-M
0
2. Brzdění protiproudem – motor, který se otáčí v jednom smyslu, se odpojí kotvou od zdroje a po zařazení přídavného rezistoru se připojí k témuž zdroji ale s opačnou polaritou.
Ua
n, Ω
I. Q
+
Rp 0
M
M
_
IV. Q -n (Ra +Rp) ↓
Spouštění DC motorů sériových Malé sériové motorky do cca 500 W se spouštějí přímým připojením k DC síti, neboť jejich vinutí mají poměrně velký odpor. Motory větších výkonů se spouštějí přes spouštěcí rezistor, nebo postupným zvyšováním napětí, tj. i proudu. Reverzuje se přepnutím vinutí tak, aby se změnil směr proudu v kotevním vinutí. Realizuje se to několika způsoby – kontaktně, nebo pomocí polovodičových diod.
Elektrické brzdění DC motorů sériových Lze je brzdit do odporu, obdobně jako DCM-CB tak, že budící vinutí je připojeno k nezávislému zdroji. Dají se však brzdit do odporu jako stroj s vlastním buzením – jako DC generátor s paralelním buzením.
Indukční motory
Způsoby spouštění klecových 3f AM
Přímým připojením k síti do 2,2 kW, resp. pokud to dovolí napájecí síť *.
Přepínačem statorového vinutí Y- D (cca do 6 kW).
Autoransformátorem – softstartérem
Měničem kmitočtu * Běžná distribuční síť nn.
Vysvětlení vlivu napětí na moment – princip využívaný při spouštění 3f AM přepínačem statorového vinutí Y- D
Trojpólové a jednopólové schéma zapojení spouštění 3f AM spouštěčem - s rezistory pro menší výkony - s tlumivkami pro větší výkony 3
L1 L2 L3
3 3 FU1
FU1
KM1
KM 1 spouštěč
KM 2
U1 V1
RS
W1
KM2
M 3~
Trojpólové a jednopólové schéma zapojení spouštění 3f AM autotransformátorem Snížené napětí kvadraticky úměrně sníží moment a proud, včetně záběrových.
FU1
KM1
3
L1
3
L2
3 FU1
L3
KM1 V1 autotransformátor U1
W1
M 3~
Trojpólové schéma zapojení spouštění 3f AM přepínáním Y/D Proudy i momenty se sníží 3 x, viz. následující graf. L1 L2 L3 FU1 D
KM1
Y
KM3
KM2
V1
U2
V2 W2
U1
W1
Pripcip spouštění 3f AM přepínáním statorového vinutí Y/D, Průběhy momentu, proudu a okamžik přepnutí z Y do D.
M,I ID
MD
M lD
IY
MN MY
M lY np
n
Trojpólové schéma s polovodičovým řízeným měničem napětí elektronický rozběhový člen ( softstartér ) L1 L2 L3 FU1
KM1 UŘ
softstartér
V1
U1
W1
Řízení otáček 3f AM Principy vycházení z obecného vztahu pro otáčky n = n1 ⋅ (1 − s ) =
60 ⋅ f1 ⋅ (1 − s ) = f (f , p, s ) = f (n1 , s ) p
změnou počtu pólových dvojic pp -
lze dosáhnout pouze skokové změny otáček, protože počet pólů stroje a tím i pólových dvojic může být pouze celé číslo
změnou skluzu – možno jen u kroužkových AM, nehospodárný způsob
změnou velikosti napájecího napětí – obdobný princip jako při spouštění
změnou kmitočtu f1 – moderní a hospodárný způsob
Trojpólové schéma s polovodičovým kmitočtovým měničem 3 3 FU1 KM1
~
~
měnič kmitočtu
3 M 3~
Měniče kmitočtu umožňují plynulou změnu výstupního kmitočtu v širokém rozsahu a tomu pak odpovídající úhlovou rychlost rotoru 3f AM. Měniče kmitočtu lze řídit dvěma základními způsoby: skalární U ⁄ f řízení - velikost maximálního momentu je konstantní. V oblasti malých kmitočtů již nelze zajistit konstantní magnetický tok a proto zde dochází k poklesu momentu
vektorově orientované řízení - umožňuje provoz s plným momentem i při nulových otáčkách, složitější
Brzdění 3f AM Brzdění AM se provádí buď proto, aby se dosáhlo rychlého zabrzdění, tj. zkrátila doba doběhu motoru, nebo aby se motor brzdil v případech, kdy je poháněn zátěží od poháněného mechanismu (např. u jeřábů, výtahů, odvíječek, apod.).
brzdění protiproudem brzdění dynamické brzdění generátorické
Brzdění protiproudem U motoru běžícího jedním směrem (např. I. Q kde M > 0 a n (Ω) > 0) se zamění sled dvou přívodních fází (tím se změní směr otáčení točivého magnetického pole statoru a tím i směr působení momentu tímto polem vyvolaným, AM brzdí ve II. Q. M < 0 a n (Ω) > 0). Obdobně i pro opačný výchozí směr chodu (avšak II. Q a IV. Q). Při nulových otáčkách se musí vždy odpojit od sítě. V opačném případě by se motor roztočil v opačném směru !! II. Q
n (Ω )
n S1
I. Q
1000
0
0
-M
M
IV . Q
I I1 I . Q
1000
0
- n (Ω )
-n S 1
1
Brzdění dynamické Stator motoru se odpojí od napájecí střídavé sítě a připojí se dvěma fázemi ke DC zdroji, který vytváří stacionární (pevné) magnetické pole, které indukuje do otáčejícího se rotoru napětí. Rotorovým obvodem začne procházet proud. Magnetickým polem statoru dochází současně také k silovému působení na obvod rotoru proti směru jeho otáčení, dochází tedy ke vzniku brzdného momentu a motor se tak brzdí. Na obr. jsou mech. charakteristiky pro různě velké brzdné proudy, které lze DC zdrojem měnit.
n n1
1000
500
IB3 IB1
0
IB1 > IB2 > IB3
IB2
1
00
-M
V malých otáčkách malý moment ! Nutno dobrzdit mechanicky !!!
M
Brzdění generátorické Nastává tehdy, jestliže AM pracuje jako generátor, tj. jestliže jeho mechanické otáčky jsou větší než otáčky synchronní, 1000 např. při řízení otáček motoru změnou počtu pólů přepnutím statorového vinutí ze dvou na čtyři póly, tj. přepnutím na vyšší počet pólů. Odpovídající mech. charakteristiky jsou na obr., ve kterém generátorickému brzdění odpovídá500část mech. charakteristiky ve II.Q (M< 0, n>0, vyznačeno plnou čarou). Dalšími způsoby docílení generátorického brzdění je snížení kmitočtu napájecího napětí nebo zvýšení rychlosti AM v důsledku působení aktivního momentu zátěže. 0
n
2p=4 n1,(2)
1
Tento způsob brzdění nelze použít pro zastavení motoru!
2p=2
n1,(1)
-M
00
1
M
1
