© Stýskala, 2002
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
Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE
NETOČIVÉ
T O Č I V É
• • • •
• • • •
cizím buzením derivační kompaudní sériové • synchronní • asynchronní
TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové)
Komutátorové
Střídavé
MOTORY Stejnosměrné
Střídavé
(Alternátory)
Stejnosměrné
GENERÁTORY
• síťové (výkonové)
• usměrňovače
• pecní
• střídavé měniče napětí
• svařovací (rozptylové) • měřící (MTP, MTN) • speciální (autotransformátory,
cizím buzením derivační kompaudní sériové
MĚNIČE
bezpečnostní, izolační, atd.)
• střídače • pulzní měniče • měniče kmitočtu
• asynchronní • synchronní
1
Michael FARADAY (1791 - 1867)
Indukovaná ems • Faraday tvrdí*, že indukovaná ems (elektromotorická síla) ve vodiči, vzniká důsledkem relativního pohybu vodiče a magnetického pole (nebo jeho časové změny) tak, že nutně dochází k protínání magnetických siločar vodičem. • Směr indukované ems závisí na směru relativního pohybu mezi magnetem a vodičem. • Okamžitá velikost indukovaného proudu I závisí na amplitudě mag. toku Φm, resp. mag. indukce Bm, rychlosti pohybu v a na počtu závitů N, resp. na aktivní délce vodiče l, která právě protíná magnetické siločáry. *
Jestliže se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Velikost indukovaného napětí na koncích vodiče, například na cívce, závisí na charakteru změn magnetického pole.
Podmínky vzniku indukovaného napětí (ems) Magnetické (EM) pole Vodič Relativní pohyb, příp. změna magnetického pole
2
Elektromagnetická indukce + CÍVKA (INDUKTOR)
INDUKOVANÝ PROUD INDUKOVANÉ NAPĚTÍ (ems)
-
VOLTMETR
SMĚR POHYBU
N
MAGNET
S
Heinrich Fridrich Lenz (1804-1865)
Lenzův zákon Indukovaný proud má vždy takový směr, že se svými účinky snaží zabránit změně, která ho vyvolala. Jestliže například vznikl indukovaný proud přibližováním magnetu k cívce, brání magnetické (EM) pole vyvolané indukovaným proudem přibližování magnetu. Jestliže byl indukovaný proud vyvolán vzdalováním magnetu, snaží se magnetické pole tomuto vzdalování zabránit. Pozn. Lenzův zákon je určitou obdobou zákona setrvačnosti, který známe z mechaniky.
3
Stejnosměrné (DC) stroje • motory mají obdobnou konstrukci jako DC generátory • vyžadují jeden nebo dva DC napájecí zdroje • možnost řízení jejich otáček je jednoduchá • vyrábějí a používají se v širokém rozsahu výkonů od setin W, až po jednotky MW • v současnosti jsou jejich aplikace nahrazovány AC pohony především z důvodů spolehlivosti, menších nároků na údržbu, levnější pořizovací ceny a příznivějšího poměru výkonu na jednotku hmotnosti
Stejnosměrné (DC) stroje DC generátory mají shodnou konstrukci s DC motory, liší se pouze směrem toků výkonů. Dělí se na:
- s cizím buzením - derivační - kompaudní - sériové
4
Konstrukční uspořádání DC stroje
5
Zapojení budícího, kotevního vinutí a vinutí pomocných pólů DC stroje Hlavní póly (budící)
Kartáče
Kotva (rotor)
Pomocné póly
Zdroje budícího a kotevního napětí
Konstrukční uspořádání DC stroje a) s buzením b) s permanentními magnety
1 - kotva 2 - póly s cívkami 3 - póly s permanentními magnety 4 - kotva statoru
6
Princip stejnosměrného stroje – DC generátoru
Pmec Pel
Princip stejnosměrného stroje – DC motoru P2 = M·Ω P(el) = Ua·Ia
Zdroj kotevního napětí
+
7
Principielní uspořádání DC stroje Otáčky n (směr otáčení rotoru)
-
elektromagnetické pole – elektromagnetické buzení, nebo permanentní magnet
nebo kotevní napěrí
kotva
nebo kotevní napěrí
+
S
Napájecí napětí kotvy,
Uhlíkové kartáče
hřídel
Napájecí napětí kotvy,
komutátor
Jižní pól
Severní pól
J S
Jižní pól
Severní pól
Činnost DC stroje
+
8
Vznik magnetického pole
+
Proud kotvou DC motoru
9
Vznik tažné síly DC motoru ……..
F=B·I·l
Vznik točivého momentu DC motoru …
M = F · W/2
10
Animace principu činnosti DC stroje
S + Ua .. napájení kotvy motoru
_
J
Rozdělení strojů podle konstrukce obvodu buzení a kotvy • Podle způsobu propojení kotevního a budícího vinutí rozlišujeme několik základních konstrukcí. • Tento způsob do značné míry ovlivňuje mechanické charakteristiky strojů
11
Stroje s cizím buzením jejich budící vinutí hlavních pólů je napájeno z a) nezávislého stejnosměrného zdroje a nebo b) má stroj permanentní magnety (PM). +
+
A1
+
Stroje vyžadují dva (a) resp. jeden (b) napájecí zdroj, hlavním rysem je relativně tvrdý chod a přesné nastavení resp. řízení otáček
A2 A1
kotva stroje
F1
A2
v případě (a) otáčky mohu zvyšovat i snižovat (oba regulační rozsahy) Užití: Tyristorem řízené trakční stroje (lokomotivy-např. ES 499), serva
buzení stroje
b)
a)
F2
Stroje s derivačním buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno paralelně ke kotvě. + A1
A2
E1
Stroje vyžadují jeden napájecí zdroj, mají pro jmenovité napětí relativně tvrdý chod, řízení otáček je prakticky možné předřadným odporem v buzení nebo kotvě. Těžiště využití hlavně u derivačních dynam, ta jsou odolná vůči zkratu.
E2
12
Stroje se sériovým buzením mají budící vinutí hlavních pólů zapojeno do série s kotvou. + A1
Stroje vyžadují jeden zdroj napájení, mají hyperbolickou momentovou charakteristiku, hůře se přesně regulují otáčky, mají vysoký moment při rozběhu, obtížný přechod do brzdného resp. generátorického režimu (prakticky nutnost přepojit vinutí na derivační nebo cize buzené)
A2
D1
Nesmí běžet naprázdno Užití: Trakce zejména vozidla ss trakce do 80.let (tramvaje T3, motorová jednotka EM 488 (460), Bobina (lokomotivy řady 141)
D2
Stroje s kompaundním (smíšeným) buzením mají na hlavních pólech budící vinutí derivační i sériové. +
A1
D2
Přejímají vlastnosti jak derivačních tak sériových motorů, mohou běžet naprázdno (u sériových motorů toto není možné) mají velký záběrný moment
D1
Použití: Tam, kde je třeba těžkých rozběhů
A2
E1
E2
13
Použití stejnosměrných strojů • Trakce (sériové motory, motory s cizím buzením) • Hračky, servomotorky Zvláštní druh jsou tzv. univerzální motory • jedná se o upravený sériový motor, který lze napájet DC i AC napětím, využití – vysavače, ruční nářadí • Mech. charakteristiky jsou shodné se sériovým motorem
Základní rovnice stejnosměrných strojů M = cφ ⋅ I a
Mechanický moment motoru i generátoru Indukované napětí v kotvě (motor i generátor)
U i = cφ ⋅ Ω mech
Rovnice kotvy motoru znaménko +, rovnice kotvy generátoru znaménko -
U a = U i ± Ra ⋅ I a = cφ ⋅ Ω mech ± Ra ⋅ I a Mechanický výkon motor, mech. příkon generátor
Pmech = M ⋅ Ω mech
Elektrický příkon (motor), elektrický výkon (generátor)
P1 = U a ⋅ I a
14
Srovnání charakteristik ss dynam a motorů
1. Cize buzený motor
1. Cize buzené dynamo
2. Sériový motor
2. Derivační dynamo
3. Kompaundní motor
3. Kompaundní dynamo
4. Protikompaundní motor
4. Protikompaundní dynamo
Rovnice zatěžovací charakteristiky DC generátoru s cizím buzením
Ua = Uind − Ra ⋅ I a = Uind − ΔUa kde ΔUa – celkový úbytek napětí na obvodu kotvy
15
Rz
Zatěžovací charakteristika DC generátoru s cizím buzením
Ua
Ia
Ua
Ua = f (Ia ) při Ib , (Φ) = konst. Ω , (n) = konst.
U ind
Rb
Uind = U0 UaN
Ra
Ib
Ub
Ra ⋅ Ia
0
Ia m
IaN
Ia
Rovnice mechanické charakteristiky
Ω=
Ua c⋅Φ
−
Ra c2 ⋅ Φ2
⋅ M = Ω0 - kM ⋅ M
nebo
n = Ω0 ⋅
30 30 − kM ⋅ ⋅ M = n0 - Δn(M) π π
Otáčky naprázdno n0 jsou přímo úměrné napájecímu napětí kotvy Ua a nepřímo úměrné magnetickému toku Φ
n0 ≈
Ua Φ
Sklon (tvrdost) charakteristiky vyjádřený koeficientem kM je přímo úměrný velikosti celkového odporu kotevního obvodu Ra a nepřímo úměrný magnetickému toku.
16
Mechanická charakteristika DC motoru s cizím buzením
n(Ω) n0
+
-
Ua
Uind
n = f (M) ,
Ra
při Ua= UaN, Ib = konst. A
Ia Δn
nN
Ib
+ Ub -
0
MN
Mm
M
Rychlost ( otáčky ) motoru lze řídit těmito způsoby: a) Změnou velikosti celkového odporu v obvodu kotvy (zapojením přídavného rezistoru RS) b) Změnou velikosti přiváděného svorkového napětí Ua na kotvu motoru c) Změnou velikosti magnetického toku Φ ( tj. změnou budícím proudu Ib ) d) Kombinací řízení rychlostí napětím kotvy i budícím proudem (magnetickým tokem)
17
Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti kotevního napětí
Řízený usměrňovač
α
Ua =var
+
-
Uind Ra Ia +
Ib
Ub
n, resp. Ω
-
Φ =konst. (Ib = konst.) n(Ω)
Vlastní mech. charakteristika motoru
UaN > Ua1 > Ua2
n0N α = 00
nN n01 n1 n02 n2
0
α =300 α = 600
MN
UaN Ua1 Ua2 M
18
Řízení otáček DC motoru s cizím buzením změnou velikosti budícího proudu
Ω=
Řízený usměrňovač
Ua R − 2 a 2 ⋅M c ⋅Φ c ⋅Φ
α
Ua =konst
+
-
Uind Ra Ia
Φ = var
+ I b= var
Ub=var -
n(Ω) n 02
Φ N> Φ 1> Φ 2 α2 = 600
Φ2
n 01 n2 n1 n0N nN
α1 =300 Φ
α =00 0
MN
1
ΦN M
19
Zapojení DC motoru se sériovým buzením
+
RS
U
-
Uind
Ia = I b
Mechanické charakteristiky DC motoru se sériovým buzením
n
RS= 0 0
RS1> RS M
20
Brzdění stejnosměrných strojů • Protiproudé = přepólování obvodu kotvy a vřazení velkého odporníku motor pracuje jako brzda, energeticky nejhorší řešení • Brzdění do odporu (u sériového motoru nutno reverzovat obvod buzení) motor pracuje jako generátor, energie se maří v odporu • Brzdění generátorické – nejhospodárnější, technicky nejnáročnější realizace, motor pracuje jako dynamo, dochází k rekuperaci el. energie
Bonus – popis řízení trakčních strojů Odporníkové lokomotivy řada 150/151 – stanoviště, vn kobka, hl. kontrolér
21
Řízení lokomotiv řady 150/151 Pohon : 4 sériové stejnosměrné motory Al 4741 Flt Princip regulace: Sérioparalelní řazení, předřadné odpory, shuntovací odpory (zeslabení buzení) Stupně: • 1.-26. Motory v sérii (750V na motor) předřadné odpory (26. stupěň – nejmenší) • 27. Hospodárný provoz, motory v sérii • 28.-32. Shuntování buzení (odbuzuji), motory v sérii • 34.- 50. – paralelní řazení (1500 V na motor) předřadné odpory (stupeň 33 je přechod na paralel) • 51. Hospodárný provoz, motory paralelně • 52.-56. Shuntování buzení (odbuzuji), motory paralelně Pozn: Mechanické charakteristiky stupňů řízení můžete odvodit z informací uvedených v prezentaci
Bonus – popis řízení trakčních strojů Tyristorová lokomotiva řady 163, 4 motory AL 4542 FiR Lokomotiva má manuální, automatický a nouzový režim řízení Fíra nastavuje v manuálu tah lokomotivy, v automatu rychlost (tempomat) a tah Kotva: Střední hodnota napětí je regulována změnou frekvence a šířkovou modulací pulzů. Např. u univerzálních lokomotiv ŠKODA (řady 163/263/363 ČD) pracují kotevní měniče na třech pevných frekvencích - 33 1/3 Hz, 100 Hz a 300 Hz, přičemž modulace pulzů je plynulá šířková. Tyto tři frekvence jsou ono známé "bzučení" pulzních lokomotiv (163/263/363) i některých tramvají (T6, T3P).
Buzení: Na regulaci kotevními měniči navazuje cca od 60 km/h plynulá regulace buzení trakčních motorů; frekvence trakčních měničů poté zůstáva na 100 Hz ("horní stovka"). Budicí vinutí všech čtyř trakčních motorů jsou zapojena do série a jsou napájena ze společného pulzního budicího měniče BATYR-DELTA-A, pracujícího s násobky frekvencí 33 1/3 Hz až do frekvence 600 Hz.
Pozn: Mechanické charakteristiky stupňů řízení můžete odvodit z informací uvedených v prezentaci
22
Zdroje informací www.fei.vsb.cz/kat452 - stejnosměrné stroje syllabus www.atlaslokomotiv.cz – popis řízení typů lokomotiv Čermák, T. – Elektrické pohony, skriptum VŠB-TU Ostrava Vysoký, P.; Malý, K.; Fábera, V. – Základy elektrotechniky, ČVUT Praha, 2003, ISBN: 80-7204-315-4 Šoral, J. – Elektrotechnika II, VŠB-TU Ostrava, 1989
23
