Základy elektrotechnikyPřednáška

Stejnosměrné stroje

1

2

Konstruk ční uspořádání stejnosměrného stroje

1 - hlavní póly 5 - vinutí rotoru2 - magnetický obvod statoru 6 - drážky rotoru 3 - pomocné póly 7 - komutátor4 - rotor (kotva) 8 - kartáče (uhlíky)

3

Stejnosměrný stroj (DC)

1 – kostra statoru (nedělená)

2 – magnetické póly (cívka nebo permanentní magnet)

τp – pólová rozteč 3 – budící vinutí

4 – rotor (kotva)

5 – drážky rotoru

6 – komutátor

7 – kartáče – stejný počet jako počet pólů

8 – neutrální osa (geometickáosa hlavních pólů

4

Princip funkce DC stroje

Komutace - změna směru proudu v cívce (cívkách) rotoru nad kartáčem (kartáči)..

Kartáče musí být v neutrálních osách, aby nedocházelo ke komutaci, když je na cív-kách napětí.

Princip funkce ss. stroje

BIlF =

BlvU i =

Princip funkce spočívá v chování vodiče, který je umístěn v magnetickém

poli. Vodič se buď pohybuje (dynamo) nebo je protékán elektrickým

proudem (motor).

Síla působící na vodič, kterým protéká proud:

Indukované napětí v pohybujícím se vodiči:

Elektromagnetický moment: IkM Φ=

ωΦ= kU i

Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako generátornebo motor

5

Stejnosměrné stroje

Stator se skládá z ocelového prstence, na kterém jsou uloženy póly s

budicím vinutím.

Rotor se skládá ze svazku elektrotechnických plechů, v nichž je umístěno

vinutí. Začátky a konce cívek rotorového vinutí jsou zapájeny do lamel

komutátoru.

Po lamelách komutátoru kloužou sběrné uhlíkové kartáče.

Princip činnosti: statorové vinutí napájené ze stejnosměrného zdroje

vytváří magnetické pole. Magnetický tok Φb prostupuje vinutím otáčeného

rotoru→ v rotorovém vinutí se indukuje střídavé napětí Ui, které je

usměrněno pomocí komutátoru.

6

7

Uspořádání stejnosměrných strojů

Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako:

a) generátor (dynamo)

b) motor

Bude-li k dynamu, na jehož svorkách bude napětí UD, připojena

akumulátorová baterie se s napětím UB, pak:

bude-li UD > UB, poteče proud z dynama do baterie a ta bude dobíjena,

bude-li UD < UB, např. poklesem otáček dynama, změní se směr proudu,

poteče z baterie do dynama a stroj přejde do stavu, kdy pracuje jako

stejnosměrný motor.

Dnes se stejnosměrné dynamo jako zdroj DC proudu používá jen výjimečně. DC proud se získává usměrněním střídavého proudu pomocí polovodičových (řízených) usměrňovačů. Používá se jen tachodynamav regulačních obvodech k měření otáček.

Náhradní zapojení ss. strojů

kki IRUU −=kki IRUU +=

kki IRUU +=8

Činnost stejnosměrných generátorů

• Indukované napětí Ui

v rotoru závisí na budicím toku Φb a na úhlové rychlosti rotoru ω

Ui = k · Φb · ω = kE · Φb · n

• Svorkové napětí U

je sníženo o úbytek v obvodu rotoru

U = Ui − Rk·I k

9

Stejnosměrné generátory (základní dělení)

Podle způsobu zapojení vinutí statoru a rotoru dělíme dynama na:• dynamo s permanentním magnetem• dynamo s cizím buzením- nutný cizí zdroj pro napájení

budicího vinutí, změnou polarity budicího proudu se mění polarita výstupního napětí, tvrdý zdroj.

• derivační dynamo (budicí vinutí paralelně k vinutí rotoru) -vhodné pro malé proudové odběry.

• sériové dynamo(budící vinutí zapojeno sériově se zátěží).• kompaundní dynamo- kombinace derivačního a sériového

dynama, sériové vinutí kompenzuje pokles napětí paralelního vinutí při nárůstu zatížení.

10

Stejnosměrné motory

• Princip činnosti: konstrukce jako u stejnosměrných generátorů, na

kartáče je však připojen zdroj stejnosměrného napětí. Budicí vinutí

vytváří magnetické pole, které působí na vodiče rotoru silovým

momentem a rotor roztáčí.

• Vlastnosti vyjadřuje momentová charakteristika, závislost otáček

motoru n (ω) na zatěžovacím momentu M. S rostoucím momentem

otáčky klesají. Vedle momentové charakteristiky je pro použití

motoru určující možnost regulace otáček, reverzace chodu, způsob

brždění a spouštění.

• Základní rovnice: M = k Φb Ia, U = Ui +Ra Ia, Ui = k Φb ω11

Vlastnosti stejnosměrných strojůMotor s cizím buzením– budicí vinutí napájeno z vnějšího zdroje

stejnosměrného napětí, otáčky jsou stabilní i při kolísání napětí, před

připojením rotoru ke zdroji musí být motor nabuzen – jinak

nebezpečný nárůst otáček, motor umožňuje regulaci otáček ve velkém

rozsahu, vhodný pro pohon strojů s proměnným mechanickým odporem,

např. obráběcích strojů.

Derivační motor – elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem.

Otáčky tohoto motoru jsou méně závislé na zátěži motoru. Navíc lze proud

statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ motoru využívá především

u strojů, kde jsou požadovány relativně neměnné otáčky.

12

Stejnosměrný motor se sériovým buzením

U tohoto motoru protéká budicím vinutím stejný proud jako rotorem

13

Motor se sériovým buzením (sériový motor ) – budicí vinutí v sérii s

rotorovým vinutím, má největší záběrový moment. Při chodu naprázdno

dosáhne nebezpečně velkých otáček, otáčky jsou velmi závislé na

zatížení, sériové motory se používají pro pohon vozidel (nákladní káry,

tramvaje, trolejbusy, lokomotivy), sériový motor je značně přetížitelný,

používá se tam, kde je nutný velký moment po krátkou dobu a kde

přitom nevadí pokles otáček.

Kompaundní motory – mají sériové i paralelní budicí vinutí, jejichž

magnetické toky působí buď souhlasně, nebo proti sobě. Působí-li vinutí

stejným směrem, má motor větší záběrný moment než motor s paralelním

buzením a otáčky se nesnižují tolik jako u motoru se sériovým buzením.

Používá se k pohonu výtahů, bagrů, trolejbusů atd.14

Komutátorový stroj buzený permanentními magnety

Magnetický obvod statoru je tvořený permanentními magnety. Rotující

kotva ve formě elektromagnetu s dvěma póly je přes kartáče a komutátor

napájena ze stejnosměrného zdroje.

Rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a

polaritu magnetického pole (směr indukčních siločar v cívce)

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.

15

Komutátorový stroj buzený permanentními magnety

16