Stejnosměrné stroje - cvut.cz

Stejnosměrné

stroje

Konstrukce stejnosměrného stroje

stator

póly + pól. nástavce

budicí vinutí

geometrická neutrála

magnetická osa

konstantní

vzduchová

mezera δ

stejnosměrný budicí proud

Ib způsobí budicí tok Φb

rotor s vinutím

v drážkách

jho statoru

budicí vinutí

pólový nástavec

rotor

Hlavní pól stejnosměrného stroje

hlavní pól

Princip funkce ss. stroje:

n

z

Ib → Φb → uiv → iv → ia → ukart

n

Kotva – vinutí el.

stroje, do kterého se

indukuje napětí

n

z

Ib → Φb → uiv → iv → ia → ukart

n

Princip funkce ss. stroje:

Ib → Φb → ia → iv → F → M

Dynamo: Motor:

Idealizovaná situace:

„S“ „J“

gn gngn

↓ Φb ↑ ΦbIb

Bδ

ukart

Bδ (x) ~ ui1 („Blv“)

Komutátor = mechanický

usměrňovač

Skutečná kotva: více drážek → závitů, lamel komutátoru

ui1

Vodiče rotoru (kotvy) tvoří cívky,

jejichž aktivní části leží na průměru.

Princip působení elektrických strojů

n


Při otáčení rotoru je ve vodičích stejné prostorové polohy

stejná polarita proudu

n




n




n




n




Konstrukce vinutí kotvy

Nemusíme je znát, jenom si

PAMATOVAT ! :

iv

iv

Vinutí se

chová jako: solenoid + Fe

magnetická osa

solenoidu

Napětí na kartáčích = Σ napětí vodičů

( Zařídí konstruktér stroje)

n

Ib

Existuje mnoho druhů.

Magnetické pole ve vzduchové mezeře





Indukované a elektromotorické napětí

V = 2N - počet aktivních vodičů na kotvě,

zapojených do 2a paralelních větví.

- pro závislost na otáčkách

Elektromagnetický moment

Síla, působící na jeden vodič:

Moment, působící na jeden vodič:

Celkový elektromagnetický moment:

( nezahrnuje převod mezi ωm a n )

Vliv proudu Ia na pole ve stroji:

Ia = 0

Φb

Ia > 0, Ib = 0

Φa

Ia → Φa („reakce kotvy“)Ib

Φb + Φa → Φ

Φ je výsledné pole

geometrická

neutrála (gn)

Vliv Φa na Φ : a) v gn se objevil tok

b) pole Φb v hlavních pólech se deformuje

iv

Nepříznivý vliv Φa (složka a) : natočení no

( no - neutrální osa = spojnice bodů, kde B(x) = 0

Φb

Φb

Φa

Φ

gn

no

U dynama natočení

no ve směru n !

Proč posuv vadí? Zhoršuje komutaci !

n

Φa

Deformace pole ve

vzduchové mezeře

( vliv složky b )

Nepříznivý vliv Φa (složka b) : deformace pole

Nárůstu indukce odpovídá

zvýšení lamelového napětí

– nebezpečí pro izolaci

vinutí kotvy.

Omezí se

kompenzačním vinutím

v pólových nástavcích,

zapojeným do série

s kotvou.

Příklad skutečného vinutí kotvy:


(S) (J)

- +Ukart = ∑ uiv


Komutace cívky:

uiv uiv

uiv → icív >> 0 → jiskření → zničení komutátoru

Dvě řešení:

a) mechanické natočení

kartáčů do no

tam B = 0 → uiv , icív =0

(Při změně Ia se no natáčí !!)

b) komutační póly

dxlxBp

bb ..0´

Komutační póly Princip funkce:

vinutí KP v sérii s kotvou:

Ia proto v gn je

stále B = 0

ΦKP

Kartáče trvale v gn !!

Ve stroji bude výsledný tok :

Mechanická úhlová rychlost: (rad/s ; ot/min)

V dalším budeme předpokládat

úplné potlačení toku reakce kotvy

( Φa = 0 )

ΦKP

ΦKP= - Φa

n30

Podélný řez stejnosměrným strojem

Příčný řez stejnosměrným strojem

Napětí indukované ve vinutí kotvy

+

--

U Rz

+

Ui

Ra Ia

Svorkové napětí:

U = Ui – RaIa - ΔU

kde:

Ra …. kotva + KP

ΔU = Ruhl.Ia 1÷2 VRuhl

Pro další úvahy ho zanedbáme.

-

+

Ui

Ra

+

-

U

Ia

Ib

Ub+ - (nebo Ubreg)

Dynamo s cizím buzením

Charakteristika naprázdno

U0 ( Ib) při n = konst, I = Ia = 0

U0

Ib

IbN

UN

U0 rem

symetrické

-

+

Ui

Ra

+

-

U

Ia

Ib

Ub+ - (nebo Ubreg)


Charakteristika vnější (zatěžovací)

U ( Ia ) při n, Ib= konst.

Ia

UU0 Ib1

Ib2

Ib3

Ib1 > Ib2


Hodnocení:

- zdroj napětí ( U U0 ), při PN tvrdší zdroj

- snadná regulace napětí U změnou Ib

- snadná změna polarity napětí ± U pomocí ± Ib ( ± n zřídka )

Ib

U

Rb

+

-

Ui

Ra

Ia

I

Dynamo s paralelním buzením (derivační)

Funkce při chodu naprázdno:

n → Uirem → Ib → Ui → Ib

Ui

Ib

Ui rem

Ui = ( Ra + Rbc ).Ib

Ui (Ib)

Musí být správná polarita buzení.

Dynamo pracuje za kolenem magnetizační charakteristiky.

Ib

U

Rb

+

-

Ui

Ra

Ia

I

Dynamo s paralelním buzením (derivační)

Vnější charakteristika

I → Ia → U → Ib atd. :

vnější charakteristika měkčí

Blízko Rz = 0 buzení téměř ve zkratu Ib ,U → 0

U

I

IN(Φb rem)

cizí buzení

Dynamo se sériovým buzením

Nabuzení při zatížení:

U

IMusí být správná polarita buzení.

n → Uirem → I → Φb →Ui → I

Φb konst

Jako zdroj se sériové dynamo nepoužívá

U

+

Ui

Ra + Rb

-Rz

I

Stejnosměrné motory

k

IRU aam

M - moment elektromagnetický, vnitřní

M’ – moment na hřídeli M’ = M - ΔM

kde ΔM je moment ztrát třením

Ustálený stav: n = konst

U

+

-M

M’

Mp – zátěžný moment

M’ = Mp = M - ΔM

Motor s cizím buzením

iveiv

Polarita Ia určena U , směr iv dán

smyslem vinutí kotvy.

Levá ruka: směr Fv , M , n

Pravá ruka: směr eiv Iv

(potvrzení Lenzova pravidla)

n

Ia

U

Ib

Φb


U

+

-

Ib

Ui

RaIa Rozběh motoru:

a

ia

R

UUI

a

akiR

UIUn 00

Nejdříve nabudit Ib = IbN

Malé motory: kotvu přímo na zdroj U ( Ra relativně velký)

Velké motory: buď Ra sp ( postupně Ra sp 0 , protože Ui )

nebo U = 0 a postupně


Základní charakteristiky:

Momentová: M(I) , U, Ib= konst.

Rychlostní: n(I) , U, Ib= konst.

Mechanická: n(M) , U, Ib= konst.

b

aa

b k

IR

k

Un

11

ab IkM

2211 b

a

b k

MR

k

Un


U

+

-

Ib

Ui

RaIa Mechanická charakteristika

ωm (M ) , Ib , U = konst

b

b

a

mk

k

MRU

.

.m

k

IRU aa 22

b

a

b

mk

MR

k

U

M

ωmω m0

~ Ra

Při PN → motor „tvrdší otáčky“

( Ra relativně )


U

+

-

Ib

Ui

RaIa Řízení otáček

22

b

a

b

mk

MR

k

U

a) Změna budicího proudu

M

ωm

buď Ub reg nebo Rb reg

Ib → ωm ! Ib1

Ib2

Ib1 < Ib2

Užívané řízení, η dobrá (ΔPbr malé )

Nikdy nepřerušit buzení!!


U

+

-

Ib

Ui


b) Změna celkového odporu

v kotvě

+Ra reg

M

ωm ωm0Ra reg = 0

Ra reg

„+“ : jednoduché

„-“ : η , měkká charakteristika

22

b

a

b

mk

MR

k

U


U

+

-

Ib

Ui


c) Změna svorkového napětí

na kotvě

22

b

am

k

R

dM

d

nezávisí na napětí

M

ωm ωm0

~ RaUN

U1

U1 < UN

Nejlepší řízení,

η optimální,

malé kolísání n ,

v automatizaci nejčastěji.

22

b

a

b

mk

MR

k

U


Změna smyslu otáčení

U

+

-

Ib

Ui

RaIa

Nutná změna smyslu momentu

Raději ± Ia pomocí ± U

± Φb → nebezpečí odbuzení


Brzdění

U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Počáteční stav

Mp

Mn

J

Pp

ΔP

Pm

n >> 0 , J >> 0

Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

Pp = Pm + ΔP


Brzdění

U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Počáteční stav

Mp

Mn

J

Pp

ΔP

Pm

n >> 0 , J >> 0

Změnit smysl momentu M > 0 na M < 0

Pp = Pm + ΔP

Pm


Brzdění do odporu

U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Mp

Mn

J

ΔP

Pm

R


Brzdění do odporu

+

-

Ib

Ui

Ia Ra

U

-

+

Mp

Mn

J

ΔPj

ΔP

Pm

R

Stejné n , Ib → po přepojení ± Ia (dynamo) → ± M

Výhoda: jednoduchost

Nevýhoda: kinetická energie do „ RI2“

při n 0 také Ui , Ia , M 0

( ponechat Ib , zmenšovat R )


U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Mp

Mn

J

ΔP

Pm

Brzdění protiproudem



U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Mp

Mn

J

ΔP

PmIa

Stejné n , Ib → po přepojení 0

a

ia

R

UUI

- nutno vložit Ra reg

+ Ra reg

Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n

Energie do Ra + Ra reg

Pp

ΔP = Pp + Pm


U

+

-

Ib

Ui

RaIa

U

-

+

Mp

Mn

J

ΔP

Pm

Brzdění rekuperací

Ui < U odpovídá směr Ia

Ib , při stálých n → Ui až Ui > U → ± Ia rek

Prek

Ia rek Ia rek

Motor:

Brzdění:

Důsledek: n → Ui , proto musíme Ib , po nasycení Fe nepomůže

Obvyklé řešení v regulovaných soustavách: U → Ui > U

a rekuperace až do n 0

Brzdění DC motorů

Motor brzdí, působí-li moment M proti smyslu točení pohonu.Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu

v kotvě Ia nebo toku Φ, tzn. budicího proudu Ib. (NE !!!)


Motor brzdí, působí-li moment M proti smyslu otáčení motoru.

Aby moment změnil znaménko, je nutno změnit smysl proudu



Proud

a

i

R

UUI

Ui > U

Požadavek






Proud

a

i

R

UUI

Možnosti: -Φ (přibudit, Ib )

- n (jeřáb, spouštění břemena)

Ui > U

Požadavek







Proud

a

i

R

UUI

Možnosti: -Φ (přibudit, Ib )

- n (jeřáb, spouštění břemena)

Ui > U

Požadavek


Motor se sériovým buzením

Nelze dosáhnout požadavku Ui > U Rekuperací brzdit nelze


Brzdění do odporu

Polaritu buzení zachovat

Smysl proudu v kotvě je určován Emoment působí proti smyslu točení.aai IRUU

!

Odpojit od napájení a připojit na odpor

Pracuje jako dynamo

_


U

Ib

Ia

+ _

+

Ui

E

ωm

M

RB

Ui

E

Ib

M

+

ωm

Ia

_

I

I

Ui

ωm

+

_

E

U

M

I

I

M

Ui

ωm

RB

E


Motor se sériovým buzením Po přepojení kotvy na odpor

Brzdění do odporu

Změna smyslu proudu v kotvě i v buzení NEBRZDÍ !!!

I

I

Ui

ωm

+

_

E

U

M

I

I


Motor se sériovým buzením Po přepojení na odpor

M

Ui

ωm

RB

E

Brzdění do odporu

Ale co s tím? Jde to opravit? Musí to jít !! Jinak nepojede vlak !!!

I

I

Ui

ωm

+

_

E

U

M

I

I

E

M

Ui

ωm

RB



Prohodit přívody k buzení, neodbudit – neměnit smysl Ib !!!

I

Heuréka !!! BRZDÍ

Brzdění do odporu

ωm

Ui

RB

E

M




Ia

UiE

ωm

Ib

M_

U+ _

+

!!!



Na

ia II

R

UUI

+ _

Ui

EIa

M_

+Ib

ωm

U

Nutno omezit (komutace)

záměna přívodů ke kotvě

Ia

UiE

ωm

Ib

M_

U+ _

+


Na

ia I

R

UUI

+ _

Ui

E

Ib

M

Ia

_

+

ωm

U




Na

ia I

R

UUI

N

a

ia II

R

UUI

!!! Nutno omezit pomocí RB

(komutace)

RB

Ui

EIa

M_

+Ib

ωm

U+

_

_

U

Ib

Ia

_+

+

ωm

Ui

E

M_




Filozofie brzdění je analogická pro motory všech typů:

pro motory stejnosměrné, DC i střídavé AC.


Hodnocení:

Pro soustavy samočinné regulace ideální, umožňuje:

- řízení rychlosti v max. rozsahu n při optimální η

- brzdění rekuperací v celém otáčkovém rozsahu

- snadná změna smyslu otáčení

Motor s paralelním buzením ( derivační )

I Ib

U

Ra

Ia

Rb reg

+

-

Ui

Rozběh motoru:

- malé motory přímo

- velké Ra sp pro Ik

Ra sp

Ra sp

Řízení otáček

Rb reg - ano

Ra reg - ano

U - ne

+Ra reg

22

b

a

b

mk

MR

k

U

I

+

-Φb

Ui

Rac

U


Ia = Ib = I

Rac = Rb + Ra

Pro Φb ~ I platí:

M = c.I2

Ic

IRU

k

U acim

c

MI

c

R

Mc

U

c

R

Mc

cU acac

Mc

Um

POZOR! Sériový motor nesmí mít Mp = 0 , protože pak

M 0 a ωm ∞ !!!

(v lineární části mag. char.)

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

Rozběh motoru:

ac

kiR

UIUn 00

Malé motory: kotvu přímo na zdroj U ( Rac relativně velký)

Velké motory: buď Ra sp ( postupně Ra sp 0 , protože Ui )

nebo U = 0 a postupně

+ Ra sp

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

Mechanická charakteristika

ωm (M ) , U = konst

M

ωm

Mc

Um

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

Řízení otáček

c

R

Mc

U acm

a) napětím

Pro dané M je ωm ~ U

- nejlepší řízení: η optimální

( pulsní měnič u tyristorové tram.)

b) odporem Ra reg

+ Ra reg

- jednoduché, ale η

c) změnou budicího toku

- bočníkem paralelně k vinutí

budicímu nebo kotvy

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U



M = k. Φb .Ia

Změnou: ± Φb nebo ± Ia , ne obojí

( proto nejde ± U )

Řešení

Φb

Sériový motor

I

-Φb

UiU



Změnou: ± Φb nebo ± Ia , ne obojí

( proto nejde ± U )

Řešení

+

Rac

Brzdění do odporu

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

J

U

-

+M

Mp

n

ΔP

Pm

Pp

n

Brzdění do odporu

Sériový motor

+

-Φb rem

Ui rem

Rac

U

-

+

Mp

n

J

Pm

ΔP

n

Brzdění do odporu

Sériový motor

U

-

+M

Mp

n

J

Pm

ΔP

+

Rac

Φb

Ui

n

Brzdění do odporu

Sériový motor

U

-

+M

Mp

n

J

Pm

ΔP

R

+

Rac

Φb

Ui

-

I

I

ΔPj

Nevýhoda: kinetická energie do „ RI2“

při n 0 také Ui , I , M 0

(zmenšovat R )

n

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

J

U

-

+M

Mp

n

ΔP

Pm

Pp


n

Sériový motor

+

-Φb rem

Ui rem

Rac

U

-

+

Mp

n

J

Pm

ΔP


n

Sériový motor

U

-

+M

Mp

n

J

Pm

ΔP

Rac

Φb

Ui


n

Sériový motor

U

-

+M

Mp

n

J

Pm

ΔP

Rac

Φb

Ui


U

I

I

-

+

n

Pp

Po přepojení: 0

ac

i

R

UUI

- nutno vložit Ra reg

+ Ra reg

Při n = 0 odpojit, jinak otáčky opačného smyslu ± n

Energie do Rac + Ra reg ΔP = Pp + Pm

Sériový motor

I

+

-Φb

Ui

Rac

U

J

U

-

+M

Mp

n

ΔP

Pm

Pp

n


- v klasické trakci nelze ( s elektronikou ano )

Vysvětlení srovnáním s chováním cize buzeného motoru.

Musí Ui > U , aby nastalo ± I

sériovécizí

jízda do svahu:

jízda ze svahu: vozidlo je urychlováno svou hmotností

n → Ui → Ui > Un → I → Ui

stále Ui < U

Z Á V Ě R

stále motor,

stále n !U → Ui > U

nebrzdí rekuperací !

DC motor v trakci

Buzení

aamb IRωIcU IRωIcU acm

automatická rekuperace brzděním

n → Ui

Cize buzený motor Sériový motor

P O R O V N Á N Í

Na chvíli připustíme zvýšení proudu na 2.IN

Krátkodobě větší M

→ vhodné pro trakci, jeřáby

Documents

Stejnosměrné stroje - cvut.cz