© Stýskala, 2006
L e k c e
z
e l e k t r o t e c h n i k y
Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II
Vítězslav Stýskala, Jan Dudek
únor 2007
Sylabus tématu 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Elektromagnetické spojky Elektromagnetické brzdy Spouštěče a startéry Dynamospouštěče Motorgenerátory Dynamometry Krokové motory Servomotory Tachogenerátory Resolvery Reluktanční motory Lineární motory
1
1. Elektromagnetická spojka Definice dle normy ČSN IEC 50(411)
Stroj, který přenáší točivý moment z jednoho hřídele na druhý elektromagneticky nebo magneticky. (Pozn: Relativní otáčky obou hřídelů mohou být řiditelné) Dle konstrukce rozlišuje norma ČSN IEC 50(411) více druhů elektromagnetických spojek.
•
• • •
•
• •
indukční spojka, (indukční) skluzovou spojku, (indukční) vířivou spojku, synchronní spojku, hysterezí spojku, magnetickou třecí spojku magnetickou práškovou spojku.
Indukční spojka je elektromagnetická spojka, v níž je točivý moment přenášen vzájemným působením magnetického pole vytvářeného magnetickými póly na jedné točivé části a proudů indukovaných v druhé točivé části. skluzová spojka je indukční spojka, v níž jsou sekundární proudy indukovány ve vinutých nebo klecových vinutích. vířivá spojka je indukční spojka, v níž jsou v sekundární části indukovány vířivé proudy. synchronní spojka je elektromagnetická spojka, v níž je točivý moment přenášen přitažlivostí mezi póly hnací a hnané části, které se otáčejí při stejných otáčkách. hysterezí spojka je elektromagnetická spojka, v níž je točivý moment přenášen silami, které jsou důsledkem odporu proti změně orientace magnetických polí ve ferromagnetickém materiálu. magnetická třecí spojka je třecí spojka, v níž jsou použity magnetické prostředky pro spojování nebo oddělování třecích ploch magnetická prášková spojka je elektromagnetická spojka, která přenáší točivý moment pomocí částic z magnetického materiálu, tvořících konglomerát v magnetickém poli mezi částmi spojky
2
Indukční spojka P1
výstupní hřídel
P2
vstupní hřídel tachodynamo
Provedení indukční spojky a její mechanické charakteristiky.
Elektromagnetické brzdění Každý elektrický stroj točivý má z principu tři režimy chodu. Může fungovat jako motor, jako generátor nebo jako brzda. Pro potřebu elektrického brzdění lze využít jak režim brzdy nebo lépe, umožňuje – li to uspořádání elektrického pohonu jako generátoru, kde lze energii potřebnou k brzdění mechanické soustavy rekuperovat. Definice dle normy ČSN IEC 50(411) Norma ČSN IEC 50(411) rozlišuje vícero druhů elektromagnetického brzdění. V praxi se vždy jedná o režim elektrického stroje jako brzda nebo generátor.
3
2. Elektromagnetické brzdy Elektromagnetické brzdění je režim, v němž je brzda ovládána pomocí elektromagnetu. Brzdění vířivými proudy je elektrické brzdění, při němž je energie, která by byla nevyužita - přeměněna v teplo vířivými proudy, vytvářenými v kovových částech.
Princip elektromagnetické brzdy Elektromagnetické vířivé brzdy pracují na principu vzniku vířivých proudů při toku stejnosměrného proudu budícím vinutím. Často jsou řešeny tak, že výkyvné uložené těleso obsahuje ozubený pólový kotouč, budící vinutí a chladicí komory, kterými protéká voda. Protékáli budícím vinutím stejnosměrný proud vzniká magnetické pole, které má statický charakter v zubech pólového kotouče (obíhá současně s pólovým kotoučem, přičemž siločáry procházejí zuby pólového kotouče pouze v axiálním směru), ale vztažené ke stěnám chladících komor má frekvenci shodnou s frekvencí otáčejících se zubů. Takto vznikají ve stěnách vířivé proudy, které vytváří pole s brzdným účinkem. budicí vinutí
pólový kotouč
chladicí komory
4
3. Spouštěče a startéry Spouštěče a startéry jsou elektrické stroje točivé. Norma ČSN 33 0050 definuje spouštěcí stroj „jako pomocný motor, který se používá pro usnadnění záběru a zrychlování hlavního stroje se kterým je mechanicky spojen“. Na startéry a spouštěče jsou kladeny zvláštní nároky: 9 velký záběrný moment, vysoká momentová přetížitelnost 9 schopnost běhu nakrátko (pro rozběh hlavního motoru z nulových otáček) 9 nízká váha a malé geometrické rozměry 9 pokud možno nízké nároky na údržbu
Spouštěče a startéry
startér pro osobní automobily
průřez spouštěčem
spouštěč určený pro leteckou techniku
5
Spouštěč
výkonový solenoidový elektromagnet
kotva spouštěče
pastorek a převody
Elektrická a výkonová charakteristika spouštěče automobilů Škoda 105 - 120
6
Startéry a motorgenerátory v letadlové technice Požadavky: Při spouštění motoru vnějším zdrojem energie se musí klikový hřídel nebo turbína roztočit na takový počet otáček, při kterém je motor schopen samostatného běhu. Motor se spouští spouštěcím zařízením, které udělí motoru počáteční otáčky a zároveň uvede v činnost zařízení pro přívod paliva, zapalování a dalších zařízení. K roztočení je možno použít spouštěčů: • mechanických • výbušných • pneumatických • elektrických Elektrické spouštěče se dále dělí na • protáčecí • setrvačníkové
Protáčecí spouštěče
7
Setrvačníkové spouštěče
4. Dynamospouštěč (startér-generátor) je kombinací generátoru a motoru, což je výhodné z hmotnostního hlediska (mrtvá hmota). Ve fázi spouštění pracuje jako elektromotor. Pro úpravu parametrů má zbudováno ještě jedno sériové vinutí. Jsou to většinou stejnosměrné kompaundní motory a jejich rozběh je odstupňován jednak zvyšováním vstupního napětí, jednak snižováním derivačního buzení motoru podle časového rozvrhu. Tato regulace je nezbytná kvůli požadavku na velký záběrný moment (a definovaný záběrný proud) a následně nutnost zvyšovat plynule otáčky. Výhody: malá hmotnost, snadná montáž, jednoduché řízení, automatizace spouštění Nevýhody: velké proudy při rozběhu – velké akumulátory
8
Dynamospouštěč SAAB 340
Startér - generátor Stejnosměrný startér – generátor S/G na každém motoru je pomocí převodového bloku připojen k rotoru vysokotlakého kompresoru Každý generátor je ovládán pomocí samostatného řídícího bloku generátoru (BG) a napájí samostatnou sběrnici. Cívka s indukčností L slouží také k odrušení výstupního napětí. Vstupními signály bloku BG jsou: •
napětí Uhs1 a Uhs2, odpovídající proudům I1 a I2 na obou výstupech generátoru, měřené pomocí senzorů s Hallovou sondou,umožňují ochranu před přetížením, zkratem vinutí generátoru proti kostře
•
Napětí na výstupu generátoru Uv, potřebné pro regulaci budícího proudu Ib.
•
Výstupní napětí o frekvenci f0 z indukčního snímače otáček, pomocí něhož se řídí startování motorů a přepnutí na generátorový režim. Do 10% nominálních otáček - proces startování, při 45% - startování odpojeno a při 66% - generátorový režim.
Blokové schéma startérgenerátoru (dynamospouštěče) letounu ATR72
9
5. Motorgenerátor neboli rotační měnič je soustrojí složené z elektromotoru a generátoru (buď DC nebo AC) na společné hřídeli, které slouží k transformaci elektrické energie. Je možné jej použít ke změně napětí, kmitočtu, nebo ke galvanickému oddělení obvodů. Také se používá ke konverzi DC proudu na AC nebo naopak. U střídavých generátorů bývá na jednu osu s hlavním generátorem přidáváno ještě menší DC generátor, který má za úkol vyrábět pro větší AC generátor budící proud. Toto řešení se opět užívalo v době, kdy nebyly k dispozici použitelné polovodičové usměrňovače. Motorgenerátor má nižší účinnost, menší spolehlivost a je hlučnější Jeho uplatnění je v současnosti minimální.
Vlastnosti motorgenerátorů Jejich výhodou je však možnost pracovat i s DC napětím a schopnost měnit kmitočet. Dnes jsou však i v těchto případech nahrazovány elektronickými obvody s moderními polovodičovými zařízeními. Používá se např. ve starších dopravních prostředcích, kde slouží pro transformaci stejnosměrného trakčního napětí na napětí pro napájení palubní sítě (osvětlení, ovládání, řízení apod.). Jeho bzučivý zvuk je charakteristický například pro starší vozy pražského metra.
10
Aplikace motorgenerátorů
Leonardova skupina Motorgenerátor
Leonardova skupina Schéma zapojení Leonardovy skupiny
6. Dynamometry jsou určeny k vyvozování brzdného momentu, čímž se zatěžuje zkoušený elektromotor, spalovací motor, či jiné zařízení. Brzdný elektrický výkon může být rekuperován do el. sítě pomocí vhodného statického nebo rotačního měniče. Dynamometr je vybaven snímačem otáček a zpravidla tenzometrickým snímačem momentu. Asynchronní dynamometry se vyrábějí ve výkonech od 1,5 do 1000 kW.
11
Asynchronní dynamometr tenzometrický snímač momentu
Brzdný diagram asynchronního dynamometru P (kW)
PN
nN
nmax
n (min-1)
12
Příklady aplikací dynamometrů
7. Krokové motory jsou impulsně napájené motory, které mají funkční pohyb nespojitý. Ten se děje po jednotlivých úsecích - krocích. Krok je pak mechanická odezva rotoru na řídicí impuls. Konstrukčně se realizují jednak pro rotační pohyb, jednak pro lineární suvný pohyb. Vyrábějí se s pasívním rotorem s feromagnetika (reakční, nebo reluktanční) s aktivním rotorem s permanentním magnetem nebo hybridní K řízení krokových motorů se používá elektronická řídicí jednotka – ovladač.
13
Vlastnosti krokových motorů (KM) S pasivním rotorem mají relativně malou velikost kroku – zpravidla 1° – 5°, vyvozují momenty od jednotek mNm do jednotek Nm, jsou konstrukčně jednoduché a levné. S permanentním magnetem mají složitější magnetický obvod a jsou dražší.Dosahují však rychlejší odezvy (menší časová konstanta a mají i vyšší rozsah otáček). KM s radiálně polarizovaným magnetem mají krok větší než 15°, zpravidla 30°, 45° i 60°. KM s axiálně polarizovaným magnetem, které jsou dnes nejrozšířenějšími mají krok od 0,36° do 5°. Mají také větší provozní momenty - cca 2,5 krát větší než s pasivním rotorem. Užitné vlastnosti pohonů s KM však nejpodstatněji ovlivňuje řídicí jednotka.
Princip funkce krokových motorů
Odezva rotoru na jeden puls
Odezva rotoru na čtyři pulsy
14
Konstrukce krokových motorů
8 fází (půlkroků) rotačního pohybu KM ve směru otáčení hodinových ručiček
15
Princip krokových motorů s permanentním magnetem Stator - elektromagnet Rotor – perm. magnet
Řízení a reverzace otáček
Aplikace krokových motorů
Krokový hodinový motor
Lineární KM
16
Krokový motor pro přímý posun
Krokové motory pro 3D v CNC
17
Krokový motor s řízením
Struktura vícemotorového řízeného pohonu s KM
18
8. Servomotor zkráceně servo je motor (s příslušenstvím) pro elektrické pohony, u kterých lze na rozdíl od běžného motoru nastavit přesnou polohu natočení osy. Ovládají se jím například posuvy u CNC strojů, nastavení čtecí hlavičky u hard disku, např. všechny RC (Radio control) modely používají malá modelářská serva.
Elektrické servomotory většího výkonu jsou řízeny prakticky výhradně tranzistorovými měniči s pulzní šířkovou modulací. Poloha hřídele servomotoru je zjišťována elektricky pomocí fotoelektrického snímače (encoderu) nebo pomocí rozkladače (selsynu). Pro levné aplikace lze použít optické snímání pomocí kódového kotoučku či proužku. Nedoporučuje se potenciometrický snímač. Signál ze snímače polohy je přiveden pomocí zpětné vazby na regulátor, který porovnává skutečnou polohu motoru s žádanou polohou. Na základě rozdílu žádané a skutečné polohy regulátor řídí měnič a tak nastavuje motor na žádanou polohu.
Střídavé servomotory (AC) jsou dnes nejpoužívanější typ servomotorů. Konstrukčně jsou to synchronní motory (bez kartáčů) s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Dnešní konstrukce motorů používají permanentní magnety na bázi vzácných zemin (nejčastěji typ neodym železo - bór). Motory lze několikanásobně momentově přetížit a proto jsou vhodné pro dynamicky náročné úlohy.
19
Druhy typy servomotorů DC DC
AC
AC DC
Servomotor s encoderem
encoder
20
Aplikace servomotorů
Mikroservo pro RC modely
Servo pro ventil
servo pro polohovací stoly
9. Tachogenerátory jsou elektrické točivé generátory malého výkonu, které mají lineární charakteristiku U = f(n). Používají se zpravidla k průběžnému měření otáček.
Dělí se na: DC tachogenerátory (tachodynama) – mají velký počet lamel => požadavek minimálního zvlnění napětí; přesné provedení; buzení permanentními magnety. Rozlišení polarity. AC tachogenerátory (tachoalternátory) – jsou jedno, nebo vícefázové; s permanentními magnety; až několik set pólů; U, f = f(n); neobsahuje komutátor; bývá doplněn číslicovým měřením otáček.
21
Typy tachogenerátorů
DC, 20V/1000 min-1, max. 6000 min-1
AC, 30V/1000 min-1, max. 10000 min-1
Aplikace tachogenerátorů
22
10. Resolvery Jsou spec. elektrické stroje, které mají jedno buzené vinutí na rotoru (R) a dvě (vzájemně prostorově posunuta o 90°) na statoru (S1, S2). Vzájemným natáčením rotoru a statoru se v S1 a S2 vytvářejí pulsy s amplitudami a1, a2 úměrné vzájemné poloze. Ty se dále elektronicky zpracovávají a vyhodnocují k zjištění polohy rotující části.
11. Reluktanční motory jsou speciálně provedené SM u nichž je na standardním klecovém rotoru vytvořen počet vyniklých pólů totožný s počtem pólů statoru. Reluktanční (bránící se) motor se rozbíhá jako AM a až dosáhne otáček blízkých synchronním je vtažen do synchronismu reluktančním momentem. Vlivem menší indukční reaktance mají obecně menší účiník a větší proudový odběr. Menší účinnost. Při přetížení přejde do asynchronního chodu se skluzem. Používají se pro pohony s konstantní zátěží. Regulace se provádí změnou kmitočtu.
23
V posledních letech se začínají stále častěji objevovat reluktanční motory s rozdílným počtem pólů na rotoru a na statoru. Tento typ se nazývá spínaný reluktanční motor. Tento motor může být provozován pouze se speciálními spínanými elektronickými obvody. Otáčivý moment vzniká vhodným postupným spínáním jednotlivých fází statorového vinutí na napájecí zdroj. Vhodné poměry počtu pólů statoru a rotoru jsou 3/2, 4/3 a 5/4. Spínaný reluktanční motor sestává ze statoru s vyjádřenými póly a rotoru s vyjádřenými póly, provedenými z plechů běžné elektrotechnické oceli.
Závislost reluktance na poloze rotoru
Vysoký reluktanční odpor
Nízký reluktanční odpor
24
Spínaný 3f reluktanční motor
Řez rotorem reluktančního motoru
25
12. Lineární motory (LM) jsou druhy elektrických strojů, které nevykonávají pohyb rotační, ale posuvný nebo kmitavý. Principielně pracují na základech všech elektrických motorů, nejčastěji však využívají principu princip
indukčních motorů krokových motorů
kotva s cívkou
akční část stator
magnet
akční část
Použití lineárních motorů v soupravě „MAGLEV“
26
Aplikace lineárních motorů uzavřená cívka
Tubulární lineární elektromotor
dlouhá vzduchová mezera
uzavřený magnet akční části nosná kostra motoru
Integrovaný chladič s žebry
Lineární motory pro polohování – dobrá dynamika
Lineární motory umožňují přímou přeměnu el. energie na mechanickou energii translačních pohybů a používají se např. v elektrické dopravě, v obráběcích strojích, tiskařských a kancelářských zařízeních, jako aktuátory k vývinu síly při minimální rychlosti, pro pohony hlavních pohybových jednotek v robototechnice a manipulační technice, ve speciálních EP, atd. Působením LM se dají uvádět v pohyb např. i tekuté kovy K nevýhodám patří robustnost a problém s chlazením
27
