Princip funkce stejnosměrného stroje • stator vytváří konstantní

Princip funkce stejnosměrného stroje
 stator vytváří konstantní magnetický tok ΦB, který protéká
rotorem
a) motor:
 do rotoru je přiváděn přes komutátor proud
 na rotoru je více vinutí, komutátor připojená vinutí
přepíná tak, aby výsledná vzájemná poloha magnetického
toku statoru a rotoru způsobila mechanický moment
b) generátor:
 vnější pohon otáčí rotorem s komutátorem, na vinutích se
změnou magnetického toku indukuje napětí Ui
 komutátor připojená vinutí přepíná tak, aby se usměrňoval
indukovaný proud
 konstrukce motoru i generátoru je stejná, pro funkci obou
může být použit jeden stroj bez omezení
 liší se jen směrem toku energie
Funkce stejnosměrneho motoru
 budící vinutí je napájeno proudem IB, rotorem tak protéká
magneticky tok φB
 úhlem natočení komutátoru se připojí takové rotorové vinutí,
aby rozdíl směrů magnetických os statoru i rotoru
způsoboval mechanický otáčivý moment
 dalším pootočením rotoru se původní vinutí odpojí a připojí
se další
 velikost indukovaného napětí závisí na velikosti
magnetického toku statoru a na rychlosti otáčení rotoru
 velikost momentu na hřídeli:
velikost napětí na svorkách:
motor:
generátor:
kde:
Ui … indukované napětí
RA …ohmický odpor vinutí rotoru
IA … proud rotorem
IB … proud statorem
ΦB … magneticky tok statoru
n … počet otáček za minutu
kM , kC … jsou konstanty odkazující na přímou úměrnost
parametrů
Stejnosměrné motory
Historie stejnosměrných motorů
 stejnosměrný motor → jeden z prvních rotačních
elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday
v roce 1821
 motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do
nádrže rtuti
 ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet
 elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem
magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil kolem drátu točivé
magnetické pole
 moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v
roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené
dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím
stal napájený motor
Princip činnosti
 komutátorový stroj s permanentními magnety s dvoupólovou
kotvou
 nejjednodušší komutátorový stroj
 nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator
tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě
elektromagnetu s dvěma póly
 rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického
proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou
dvakrát během každé otáčky => tím zajistí, že síla působící
na póly rotoru má stále stejný směr
 v okamžiku přepnutí polarity (mrtvý úhel motoru) udržuje běh
tohoto motoru ve správném směru setrvačnost
 principiálně se tento motor trochu podobá střídavému
synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a
jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama
elektrorozvodná síť
 komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a − (− a
+) po každém pootočení o 180° (u dvoupólového motoru)
 takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce
Funkce stejnosměrného motoru
 rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji
stejnosměrného napětí
 stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety
 vzhledem k polaritě statoru a rotoru se souhlasné póly
(barvy) odpuzují a rotor se otáčí
 opačné póly se přitahují, rotor se stále otáčí. V okamžiku, kdy
se rotor dostane do vodorovné polohy, dojde na komutátoru
k přepnutí polarity magnetického pole rotoru
 běžný komutátorový stroj buzený magnety
 motory s permanentním magnetem se dodnes využívají
například v modelářství
 jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal
problém s mrtvým úhlem motoru
 výhodou motoru s permanentním magnetem obecně je
možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního
napětí, výhodou při porovnání s ostatními komutátorovými
stroji je úspora statorového vinutí
Stejnosměrné motory vyžadují při nízkých otáčkách cizí
chlazení.
Motor s cizím buzením
 budicí vinutí je napájeno z vlastního zdroje nezávislého na
napájení vinutí kotvy, takže jeho otáčky můžeme řídit v
širokém rozsahu a vůbec nezávisí od zatížení
Otáčky motorů s cizím buzením klesají při zatížení jen
nepatrně.
 otáčky se řídí napětím v obvodu kotvy nebo budícím proudem
 místo budicího vinutí může být použit permanentní magnet
A1, A2 – vývody vinutí
kotvy
F1, F2 – vývody vinutí pro
cizí buzení
a) řízení otáček
 je-li spouštěcí rezistor R1 v obvodu
kotvy dimenzován na pro trvalý
provoz, je možno regulovat otáčky
při jmenovitém buzení od nuly (R1 je
maximální) do jmenovitých otáček
(R1 je odpojen)
 vyšších než jmenovitých otáček lze
dosáhnout budícím reostatem R2
zmenšením budícího proudu
(odbuzením) při jmenovitém napětí
na kotvě
b) zatěžovací charakteristika
 pro zvýšení otáček nad jmenovité otáčky je možné použít
rezistor v obvodu buzení a snížením budicího napětí zvýšit
otáčky motoru
c) použití
 motory s cizím budením sa používají všude tam, kde sa
vyžaduje plynulé a hospodárné řízení otáček v širokých
mezích a nebo, kde sa požaduje dodržování nastavených
otáček při velmi kolísajícím zatížení strojového zařízení
 jsou vhodné pro pohon obráběcích strojů, pro pohony v
těžkých provozech ( těžné stroje, válcovací tratě ...)
 kvůli nutnosti dvou zdrojů se často nepoužívá
 má stejné vlastnosti jako derivační motor
Derivační motor
 budicí vinutí je zapojené paralelně k vinutí kotvy
 při spouštění musí mít dostatečný záběrový moment, který sa
dosáhneme tak, že na jeho budící vinutí připojíme plné napětí
A1, A2 – vývody vinutí kotvy
E1, E2 – vývody derivačního vinutí
a) řízení otáček
 regulace se provádí stejně jako u
motorů s cizím buzením
 otáčky lze regulovat spouštěcím
odporem nebo odporem v
obvodu buzení
b) zatěžovací charakteristika
 motor se chová stejně jako motor s cizím buzením →
má stejnou zatěžovací charakteristiku
 buzení je stálé a točivý moment M  I
 derivační motor se může při přerušení obvodu budicího
vinutí roztočit do vysokých otáček!
n
M
n = f (I)
M = f (I)
I
 poněvadž budící proud je poměrně malý, je ztráta energie
v regulačním odporu také malá a tato regulace otáček je
hospodárná
 zvětší-li se zatížení při stálém buzení, bere motor ze sítě
větší proud a indukované napětí se zmenší
 menšímu indukovanému napětí odpovídá při stálém
buzení menší rychlost
 otáčky se zatížením klesají, ne však o mnoho, poněvadž
se zatížením se zvětšuje i reakce kotvy, která zeslabuje
magnetický tok a pokles otáček se téměř vyrovná
 tím, že buzení se zatížením se nemění, jsou otáčky při
stálém svorkovém napětí téměř konstantní
c) použití
 derivační motor se používá na pohon obráběcích strojů,
valcovacích stolic, lokomotivních toční a pod.
Sériový motor
 budicí vinutí je zapojeno v sérii s vinutím kotvy => proud,
který protéká vinutím kotvy, protéká také budicím vinutím
 sériový jednofázový motor je označován také jako univerzální
motor → jeho provoz je možný jak na střídavé napětí, tak na
stejnosměrné napětí
 motor má konstrukci i zatěžovací charakteristiku podobnou
stejnosměrnému motoru se sériovým buzením
 otáčky jsou nezávislé na frekvenci napájecího napětí
 otáčky dosahují hodnot až 30 000 ot./min
A1, A2 – vývody vinutí kotvy
D1, D2 – vývody sériového vinutí
a) řízení otáček

pomocí předřadného
rezistoru
 pomocí děliče napětí (v Berkhausenově zapojení)
 elektronickou regulací napětí pomocí fázového spínání
Elektronická regulace napětí
 jiskřením kontaktů komutátoru vznikají vysokofrekvenční
proudy, které deformují průběh napětí v síti a mohou být
zdroji rušení elektronických zařízení → proto je třeba je
„odrušit“
 odrušení je možné provést pomocí děleného budicího vinutí
nebo odrušovacími kondenzátory
b) zatěžovací charakteristika
 sériové motory mají největší rozběhový moment
 má měkkou rychlostní charakteristiku, protože jeho otáčky
jsou nepřímo úměrné zatížení
 rychlost zvětšujeme přemosťovaním budícího vinutí, ke
kterému sa paralelně připojuje odporový bočník
 při běhu naprázdno se snadno roztočí do vysokých otáček,
a proto na ně musí být připojena zátěž např. přes řetěz nebo
jiné pevné spojení
 otáčky jsou značně závislé na velikosti zatěžovacího
momentu
 vzhledem k rozměrům má velký točivý moment a velký výkon
 při spouštění protéká motorem dosti velký proud, takže
zabírací moment je velký
 má vždy větší zabírací moment než derivační motor při
stejném jmenovitém výkonu, i když spouštěcí proud je
stejný
 velkému zatížení odpovídají malé otáčky, malému zatížení
velké otáčky
c) použití
 většinou do výkonu 1,5 kW
 ruční elektrické nářadí – vrtačky, brusky, pily
 kuchyňské elektrické spotřebiče – mixéry, roboty, mlýnky
 stroje pro domácí použití – sekačky, vysavače
Kompaundní motor
 jedno budicí vinutí je připojené sériově a druhé budicí vinutí
je připojené paralelně k vinutí kotvy
 má vlastnosti sériového a derivačného motoru

 motor využívá výhod obou zapojení
A1, A2 – vývody vinutí kotvy
D1, D2 – vývody sériového vinutí
E1, E2 – vývody paralelního vinutí
Kompaundní motor – zatěžovací charakteristika
 mají větší rozběhový moment než derivační motory
 používají se u zařízení, kde je rozběhový moment
derivačních motorů nedostačující (např. u zdvihacích
mechanizmů, valcovacích stolic, lisů a pod.
Spouštění a brzdění stejnosměrných motorů
 vinutí kotvy má malý činný odpor (řádově jednotky W)
 proto jím při rozběhu teče velký proud
 při otáčení vinutí kotvy v magnetickém poli se ve vinutí
indukuje napětí – protisměrné napětí kotvy
 toto napětí má opačný směr oproti napájecímu napětí.
 snižuje tak proud tekoucí vinutím kotvy
Spouštění derivačního motoru
 pro omezení proudu při rozběhu se používají rezistory
zapojené do obvodu kotvy
 během rozběhu se spouštěcí odpor snižuje, buď skokově,
nebo plynule
 snižování odporu musí probíhat tak, aby proud nepřekročil
dovolené hodnoty
 spouštěcí rezistory mají velké tepelné ztráty
 výhodnější je použití řízeného usměrňovače, který umožňuje
nejenom plynule řídit otáčky, ale také rekuperaci
 pro napájení buzení musí být výstupní napětí usměrňovače
dokonale vyhlazeno (obvodu kotvy pulzní napětí nevadí)
Brzdění do rezistoru
 vinutí kotvy je odpojeno od zdroje a připojeno na rezistor
 z motoru se tak v podstatě stává generátor, který dodává
elektrickou energii do rezistoru
 v rezistoru se elektrická energie přeměňuje v teplo
Brzdění protiproudem
 změnou polarity napájecího napětí dojde k změně směru
proudu i točivého momentu
 k omezení brzdného proudu se používá rezistor zařazený do
obvodu kotvy
 po zastavení motoru se musí odpojit od napájení, jinak se
roztočí opačným směrem
 jedná se o brzdění s velikými ztrátami
Brzdění rekuperační
 při snížení napětí na kotvě nebo zvýšení mechanických
otáček běžícího motoru se motor stává generátorem
 aby bylo možné vyrobenou elektrickou energii dodávat zpět
do sítě, musí být motor napájen řízeným usměrňovačem,
který toto umožňuje
Měření stejnosměrných motorech
 měření charakteristik stejnosměrných motorů s cizím
buzením se využívá na posouzení a nebo ověření základních
vlastností motorů
 provádí se měření tří základních charakteristik:
a) regulační charakteristika
 závislost otáček na změně napětí na kotvě → n = f(Uk)
 závislost otáček na změně budícího proudu → n = f(IB)
b) zatěžovací charakteristika → závislost otáček na změně
momentu → n = f(M)
 z toho je jasné, že otáčky lze u stejnosměrných motorů měnit
změnou napětí na cívkách statoru, nebo změnou buzení tj.
změnou magnetického toku Φ
 v praxi se změna počtu otáček provádí těmito způsoby:
 změnou úrovně napětí na rotoru (nejvíce užívaný způsob)
 zapojení rezistoru do série s rotorem (otáčky lze regulovat
jen směrem dolů = velké ztráty)
 budícím proudem ve vinutí statoru
 pulzně šířkovou modulací polovodičovými PWM regulátory
(mění se šířka proudového impulzu do vinutí statoru –
výhodou je větší moment při nižších otáčkách
Řízení otáček
 provádí se v rozashu pod i nad jmenovitými otáčkami
 pokud výrobce neudává jinak, je možné jmenovité otáčky
překročit max. o 10%
a)
řízení otáček do jmenovité hodnoty
 provádíme při jmenovitém buzení změnou otáček na
kotvě usměrňovačem nebo spouštěčem, který je
dimenzován pro trvalý provoz na jmenovité zatížení
Otáčky se zvětšují s rostoucím napětí na kotvě.
b)
řízení otáček nad jmenovitou hodnotu
 Provádí se při jmenovitém napětí na kotvě zmenšováním
budícího proudu
 Pro omezení budícího proudu se u derivačních motorů a
u motorů s cizím buzením zapojuje do budícího obvodu
proměnný rezistor → zmenšením proudu se pole zeslabí
Otáčky se zvětšují snížením budícího proudu.
 při chodu naprázdno při přerušení buzení, např. přerušením
vodiče v budícím reostatu, může motor dosáhnout
nebezpečně vysokých otáček
 aby se zamezilo přerušení buzení, nesmí být budící reostat
stejnosměrného motoru s cizím buzením jištěn
nadproudovou ochranou
Změna směru otáček – reverzace
 u stejnosměrného motoru se provádí poměrně lehce a to:
 změnou polarity na přívodu ke kartáčům, tím dosáhneme
změny směru protékajícího proudu ve vinutí rotoru
 změnou polarity v budícím vinutí
 aby nedošlo při přepólování k poškození budícího vinutí
vlivem indukovaného napětí, provádí se u stejnosměrných
motorů změna směru točení přehození (přepólování) přívodů
v obvodu kotvy
Změna směru otáčení stejnosměrného motoru se provádí
změnou směru proudu v kotvě.
Leonardova skupina
 regulační soustrojí pro těžké pohony, např. válcových stolic a
těžkých strojů, kde je třeba plynulé a hospodárné regulace
otáček v širokých mezích
 skládá se z libovolného motoru, nejčastěji z trojfázového
indukčního motoru, který pohání dynamo, budič a ze
stejnosměrného motoru
 dynamo a motor mají cizí buzení a budí se společným
budičem B
 změnou buzení dynama se řídí napětí, a tím i otáčky
regulačního motoru
 změnou směru budícího proudu se změní i polarita dynama,
tím se změní směr proudu v kotvě motoru, a tím i směr jeho
otáčení
 regulace je v obvodu malého proudu a lze ji výhodně řídit
dálkově tlačítky, popřípadě i kombinovaně automaticky
působením koncových i jiných spínačů