Synchronní stroje
Synchronní stroje jsou dodnes nejdůležitějšími elektrickými stroji pro výrobu elektrické energie. Tyto synchronní generátory nazývané také alternátory jsou nejčastěji trojfázové.
Alternátory, které jsou v elektrárnách poháněny parními nebo plynovými turbínami při rychlosti otáčení 3000 min-1 a nazývají se turboalternátory, nebo jsou-li poháněny vodními turbínami při rychlosti obvykle podstatně nižší nazývají se hydroalternátory. Později se synchronní stroje začaly používat také jako motory, jednak jako synchronní kompenzátory (pro zlepšování účiníku v elektrické síti), jednak pro pohony velkých čerpadel, ventilátoru a kompresorů (průmyslových zařízení, které nevyžadují časté spouštění a pracují s konstantní rychlostí a s málo proměnným zatížením). S rozvojem polovodičové a výpočetní techniky se synchronní motory uplatňují i v oblasti pohonu s řízením rychlosti a polohy a to jak u pohonu velkých výkonu řádově megawattů, tak i u malých výkonu v oblasti průmyslové automatizace a robotiky (tzv. servomechanismy).
Základy konstrukce synchronních strojůAlternátory, které jsou v elektrárnách poháněny parními nebo plynovými turbínami při rychlosti otáčení 3000 min-1 a nazývají se turboalternátory, nebo jsou-li poháněny vodními turbínami při rychlosti obvykle podstatně nižší nazývají se hydroalternátory. Později se synchronní stroje začaly používat také jako motory, jednak jako synchronní kompenzátory (pro zlepšování účiníku v elektrické síti), jednak pro pohony velkých čerpadel, ventilátoru a kompresorů (průmyslových zařízení, které nevyžadují časté spouštění a pracují s konstantní rychlostí a s málo proměnným zatížením). S rozvojem polovodičové a výpočetní techniky se synchronní motory uplatňují i v oblasti pohonu s řízením rychlosti a polohy a to jak u pohonu velkých výkonu řádově megawattů, tak i u malých výkonu v oblasti průmyslové automatizace a robotiky (tzv. servomechanismy).
Stator synchronního stroje se příliš neliší od statoru asynchronního stroje a obsahuje trojfázové vinutí, které je umístěno v drážkách. Na rotoru je pak umístěno budící vinutí napájené stejnosměrným proudem přes sběrací kroužky a kartáče. Podle provedení rotoru se rozlišují dva základní typy synchronních strojů, a sice stroje s vyniklými póly (hydrostroje ) a stroje s hladkým rotorem (turbostroje ). Synchronní stroje s permanentními magnety mají místo budícího vinutí na rotoru magnety. Chlazení synchronních strojů je vzduchové, u strojů vysokých výkonu vodíkové a vodní.
Princip činnosti synchronního stroje
Statorové vinutí je obdobné jako u asynchronního motoru. Rotorové vinutí je napájeno stejnosměrným proudem, který vybudí stejnosměrné magnetické pole, které se uzavírá přes stator.
Generátor:
Otáčí-li pohánecí stroj, (napr.turbína) nabuzeným rotorem indukují se v jednotlivých cívkách statoru střídavá napětí, sinusového průběhu, která jsou v jednotlivých cívkách vzájemne časové posunutá o úhel 120 stupňů. Připojí-li se ke svorkám vinutí statoru trojfázová zátěž (tzn., že se alternátor zatíží), vinutím statoru bude procházet střídavý elektrický proud. Prochází-li vinutím statoru střídavý trojfázový proud, vzniká stejně jako u asynchronního stroje točivé magnetické pole s otáčkami nS1 , které má stejnou rychlost otácení jako rotor a jeho magnetické pole, skluz (rozdíl otácek) stroje je tedy nulový. Proto se stroj nazývá synchronní. Rotor stroje vychýlen oproti magnetickému poli o určitý kladný úhel (předbíhá).
Motor:
Konstrukčně je motor obdobný synchronnímu alternátoru. Stator motoru je připojen ke trojfázové střídavé síti, proud statoru vytvoří točivé magnetické pole, které se otáčí synchronní rychlostí. Rotor vytvářející magnetický tok je vtažen do točivého pole a otáčí se stejnými – synchronními otáčkami. Velikost momentu motoru je v závislosti na rychlostí konstantní a je závislá pouze na záporném úhlu vychýlení rotoru (zpožduje se) oproti magnetickému poli. Maximální mezní hodnota tohoto momentu Mmax je při tomto úhlu rovném -p/2. Jeho zvýšením dojde k výpadku ze synchronismu a motor se zastaví (poruchový stav doprovázený proudovými a momentovými rázy).
Zpusoby spouštení a rízení rychlosti synchronního motoru:Nejpoužívanější způsoby rozběhu
a) asynchronní rozběh: kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno ještě tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se tedy rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko, po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno. Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se vtáhne do synchronismu.
b) rozběh pomocným motorem - pro rozběh se použije buď budič (stejnosměrný generátor), který je umístěn na hřídeli motoru, nebo rozběhový asynchronní motor, který se používá pro rozběhy strojů vysokých výkonu. Tento typ rozběhu se témer nevyužívá.
c) řízený rozběh - motor je napájen z měniče kmitočtu umožnujícího plynulé zvyšování kmitočtu:
a) asynchronní rozběh: kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno ještě tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se tedy rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko, po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno. Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se vtáhne do synchronismu.
b) rozběh pomocným motorem - pro rozběh se použije buď budič (stejnosměrný generátor), který je umístěn na hřídeli motoru, nebo rozběhový asynchronní motor, který se používá pro rozběhy strojů vysokých výkonu. Tento typ rozběhu se témer nevyužívá.
c) řízený rozběh - motor je napájen z měniče kmitočtu umožnujícího plynulé zvyšování kmitočtu:
Řízení otáček synchronního motoru
Otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího napětí. Lze k tomu použít výkonové polovodičové měnice. Pro regulované pohony se synchronními motory se používají nepřímé měniče kmitočtu (např. ventilový pohon), nebo přímé měniče kmitočtu tzv. cyklokonvertory. Možnost skokové změny synchronních otáček změnou počtu pólu se nevyužívá.
Speciální provedení synchronního motoru
Krokové motory
Konstrukce a řízení pohybu je přizpůsobeno krokovému režimu. Změnou polohy magnetického toku na statoru (která se uskuteční diskrétně po krocích) působí na zubový (popř. drážkovaný) rotor, vzniká synchronizační (reluktanční) moment způsobující pootočení rotoru do nové rovnovážné polohy, ve které je minimální magnetický odpor (reluktance).
Velikost kroku je dána počtem fází na statoru, počtem pólu a způsobem řízení (s plným krokem - symetrické; s polovičním krokem - nesymetrické).
Vhodným postupným střídáním ve vedení proudu ve fázových vinutích na statoru dochází k nespojitému (přetržitému) pohybu rotoru – krokování. Úhel (dráha) pohybu je pak úměrná počtu impulzu (kroku), rychlost pohybu je pak úměrná kmitočtu řídících impulzů.
Změnou sledu spínání fází se mění i směr otáčení motoru.
Charakteristické použití KM s využitím jeho hlavní přednosti je pro polohování pracovního mechanismu t.j. v otevřené regulační smyčce (bez zpětné vazby). Je to vlastne nejjednodušší převedení digitální informace na mechanickou polohu - úhel natočení, - dráhu rotoru.
Komutátorový střídavý stroj
Komutátor je prstenec složený z mnoha vzájemně izolovaných lamel. K lamelám jsou připojeny jednotlivé vývody cívek kotvy. Ke komutátoru přiléhá dvojice (nebo více) kartáčů. Komutátor dynama slouží jako mechanický usměrňovač indukovaného střídavého napětí a proudu ve vodičích kotvy. Komutátor motoru slouží jako střídač, měnící směr proudu ve vodičích kotvy. V moderních strojích je komutátor nahrazován polovodičovým měničem kmitočtu (BLDC stroje). Kroužek má tvar prstýnku na který je připojen el. vývod. Na kroužek dosedá sběrací kartáč. Kroužek nemění směr proudu. Kroužky slouží k elektrickému připojení pohyblivých částí (vinutí). Střídavé (třífázové) elektrické stroje mívají obvykle tři kroužky. Stejnosměrný budící obvod synchronního stroje má dvojici kroužků.
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.
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 magnetyMotory 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.
Komutátorový stroj cize buzený
Místo permanentního magnetu se pro statory používá elektromagnetu. Cize buzený motor má kotvu (rotor) napájenu z jiného zdroje než buzení (stator). Každé vinutí se řídí zvlášť. U těchto motorů je podmínkou plynulá regulace napětí. Změna směru otáčení motoru je možno reverzací (přepólováním) kotvy, nebo buzení. Pro změnu směru a zavedení elektrodynamické brzdy stačí jednoduché zapojení obvodů. Tento motor nepotřebuje šuntování budicího vinutí (buzení má vlastní regulaci). Využíval se po rozvoji výkonové elektroniky (pulzní měniče). Využívá se u českých lokomotiv řady 163, 263, 363.
V rámci přípravy na výúční zkoušku
(cílem je získání elektrikářské kvalikace dle Vyhlášky 50, §5)
si připravuji výpisky a poznámky (jako odpovědi na zadané otázky).
Krokové motory
Konstrukce a řízení pohybu je přizpůsobeno krokovému režimu. Změnou polohy magnetického toku na statoru (která se uskuteční diskrétně po krocích) působí na zubový (popř. drážkovaný) rotor, vzniká synchronizační (reluktanční) moment způsobující pootočení rotoru do nové rovnovážné polohy, ve které je minimální magnetický odpor (reluktance).
Velikost kroku je dána počtem fází na statoru, počtem pólu a způsobem řízení (s plným krokem - symetrické; s polovičním krokem - nesymetrické).
Vhodným postupným střídáním ve vedení proudu ve fázových vinutích na statoru dochází k nespojitému (přetržitému) pohybu rotoru – krokování. Úhel (dráha) pohybu je pak úměrná počtu impulzu (kroku), rychlost pohybu je pak úměrná kmitočtu řídících impulzů.
Změnou sledu spínání fází se mění i směr otáčení motoru.
Charakteristické použití KM s využitím jeho hlavní přednosti je pro polohování pracovního mechanismu t.j. v otevřené regulační smyčce (bez zpětné vazby). Je to vlastne nejjednodušší převedení digitální informace na mechanickou polohu - úhel natočení, - dráhu rotoru.
Komutátorový střídavý stroj
Komutátor je prstenec složený z mnoha vzájemně izolovaných lamel. K lamelám jsou připojeny jednotlivé vývody cívek kotvy. Ke komutátoru přiléhá dvojice (nebo více) kartáčů. Komutátor dynama slouží jako mechanický usměrňovač indukovaného střídavého napětí a proudu ve vodičích kotvy. Komutátor motoru slouží jako střídač, měnící směr proudu ve vodičích kotvy. V moderních strojích je komutátor nahrazován polovodičovým měničem kmitočtu (BLDC stroje). Kroužek má tvar prstýnku na který je připojen el. vývod. Na kroužek dosedá sběrací kartáč. Kroužek nemění směr proudu. Kroužky slouží k elektrickému připojení pohyblivých částí (vinutí). Střídavé (třífázové) elektrické stroje mívají obvykle tři kroužky. Stejnosměrný budící obvod synchronního stroje má dvojici kroužků.
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.
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 magnetyMotory 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.
Komutátorový stroj cize buzený
Místo permanentního magnetu se pro statory používá elektromagnetu. Cize buzený motor má kotvu (rotor) napájenu z jiného zdroje než buzení (stator). Každé vinutí se řídí zvlášť. U těchto motorů je podmínkou plynulá regulace napětí. Změna směru otáčení motoru je možno reverzací (přepólováním) kotvy, nebo buzení. Pro změnu směru a zavedení elektrodynamické brzdy stačí jednoduché zapojení obvodů. Tento motor nepotřebuje šuntování budicího vinutí (buzení má vlastní regulaci). Využíval se po rozvoji výkonové elektroniky (pulzní měniče). Využívá se u českých lokomotiv řady 163, 263, 363.
V rámci přípravy na výúční zkoušku
(cílem je získání elektrikářské kvalikace dle Vyhlášky 50, §5)
si připravuji výpisky a poznámky (jako odpovědi na zadané otázky).
Jako podklady mi slouží různé zdroje, zejména zdroje z Internetu.
V tomto konkrétním případě, jsem použil: http://cs.wikipedia.org
Žádné komentáře:
Okomentovat