7. Elektrické stroje

Obsah

Elektrické stroje sú zariadenia pracujúce s elektrickou energiou. Môžeme ich rozeliť podľa rôznych kritérií, napríklad:

  • pohyblivé (motory, generátory) a nepohyblivé (transformátory)
  • jednosmerné a striedavé
  • nízkonapäťové a vyskonapäťové
  • výkonové a prístrojové

1. TRANSFORMÁTORY

Využitie transf.: zváranie, elektrická rozvodná sústava, nabíjačky, napájacie zdroje zariadení.

1.1. Princíp a časti transformátora

Transformátor je nepohyblivý elektrický stroj, ktorý mení veľkosti striedavých napätí a prúdov. Príklady použitia v praxi: http://www.klasici.sk/sites/default/files/TransformatorPrax.png

  1. Primárne vinutie (vstupná cievka) vytvára meniace sa magnetické pole privedeným striedavým prúdom. Je navinuté na jadre a je od neho elektricky izolované.
  2. Jadro prenáša energiu pomocou meniaceho sa magnetického poľa. Je vyrobené z magneticky mäkkého materiálu. Na zníženie strát vírivými prúdmi sa používajú lakované tenké plechy alebo ferit. Jadro môže mať tvar obdĺžnikov alebo môže byť toroidné = kruhové. Maximálny výkon transformátora je daný aj prierezom jadra a frekvenciou prúdu.
  3. Sekundárne vinutie (výstupná cievka) je tiež navinuté na jadre. Indukuje sa v ňom striedavý prúd.

1.2. Transformátorové plechy

Transformátorové plechy sa vyrábajú z kremíkovej ocele šírky 0,35 a 0,5 mm. Existuje niekolko tvarov plechov:

  • Plechy EI, nazývané taky úsporný řez, lze vyrábět vysekáváním bez odpadu. Jsou nejrozšířenější. Kladou se na sebe buď střídavě pro síťové transformátory, nebo shodně pro tlumivky a transformátory se stejnosměrným sycením. V takovém případě se do mezery vkládá nemagnetický materiál určité tloušťky.
  • Tvar EE se používá zejména u miniaturních transformátorků.
  • Tvar M se využívá hlavně pro tlumivky. Vzduchová mezera je vytvořena již při výrobě plechu.
  • Tvar LL a UI se používá u plochých transformátorů. Všechny vinutí jsou často rozděleny na poloviny.
  • Výrobně odlišné jsou jádra tvaru C. Transformátorový plech tvaru dlouhého pásku je svinut do tvaru obdélníku se zaoblenými rohy a příčně rozříznut. Plochy řezu se musí hladce zabrousit. Takové provedení jádra transformátoru umožňuje o polovinu vyšší sycení, tím i vyšší přenášený výkon. Vinutí jsou rozdělena na poloviny.
  • Podobný způsob výroby mají toroidní jádra. Jádro zůstává vcelku, má proto nejvýhodnější magnetické vlastnosti. V amatérských podmínkách je navinutí takového transformátoru velmi obtížné.

1.3. Výpočet transformátora

Prevod transformátora p je pomer počtu závitov výstupnej N2 a vstupnej N1 cievky. Od prevodu transformátora závisí pomer výstupných a vstupných napätí a prúdov: p = N2 / N1 = U2 / U1 = I1 / I2 . Podľa prevodu delíme transformátory na znižujúce napätie p < 1, zväčšujúce p > 1 a oddeľovacie p = 1.

Príklad: Transformátor má vinutia: N1 = 2 300, N2 = 120, U1 = 230 V. Aké bude výstupné napätie U2?

U2 = U1 . N2 / N1 = 230 V . 120 / 2 300 = 12 V

Počet závitov na 1 Volt sa ráta: n = 45 / S ..... n - počet závitov [-], S - prierezu jadra [cm2]

Príklad: Transformátor 230 V / 12 V má jadro s prierezom 10 cm2. Koľko závitov treba pre cievky?

  • počet závitov pre 1 volt: n = 45 / S = 45 / 10 = 4,5 závitov na volt
  • cievka 230 V: n1 = 230 . 4,5 = 1 035 závitov
  • cievka 12 V: n2 = 12 . 4,5 = 54 závitov

Prierez jadra závislý od výkonu, frekvencie a tvaru jadra sa počíta: S = (6 až 8 ) √(P/(k.f)) ... Koeficient 6 až 8 je daný tvarom plechu, pre M-plechy je 6-7, pre EI plechy 7-8. Konštanta k je činiteľom tvaru jadra, a pre plášťové jadro (M, EI) je =1, pre jadrový tvar (toroid, C) =2.

Príklad: Vypočítajte prierez jadra a počty závitov pre transformátor 230 V / 75 V pre výkon 3 kW (zváranie) a frekvenciu 1 kHz.

  • S = (6 až 8) √(P/(k.f))
  • S = 7 . √(P/(1.f)) = 7 . √(3000 W / 1000 Hz) = 7 . √3 = 12 cm2
  • záv/1V = 45 / S = 45 / 12 = 3,75
  • n1 = 3,75 záv/V . 230 V = 863 záv
  • n2 = 3,75 záv/V . 75 V = 281 záv

1.4. Trojfázový transformátor

A. Rozmiestnenie vinutí:

B. Vnútorné zapojenie vinutí:

C. Zapojenie transformátora:

D. Hodnoty:

  • Združené napätie: Uz = Uf . √3
  • Výkon pri zapojení sekundáru trojuholník alebo hviezda na tej istej záťaži: Pt = Ph . 3

Príklad: Uz = 230 V . 1,73 = 400 V

Príklad: Ph = 1 kW, Pt = 1 kW . 3 = 3 kW

2. ELEKTROMOTORY A GENERÁTORY

Elektromotor je pohyblivý elektrický stroj, ktorý premieňa elektrickú energiu na mechanický pohyp. Generátor naopak premieňa mechanickú prácu na elektrickú energiu.

2.1 Synchrónne stroje

Princíp: Magentické polia vinutí statora aj rotora otáčajú rovnakou otáčavou rýchlosťou, t.j. synchrónne.

Prevádzka:

  1. V motorickej prevádzke statorové vinutie pretekané trojfázovým prúdom vytvorí vo vŕtaní stroja otáčavé magnetické pole, ktoré rotuje synchrónnou frekvenciou, teda frekvenciou napájacej siete. Rotorové vinutie (nazývané aj budiace vinutie) vytvára magnetický dvojpól, ktorého polarita je stála. Rotor sa nachádza vo vŕtaní stroja, teda pole statora interaguje s poľom rotora, čoho výsledkom je otáčanie rotora synchrónnymi otáčkami. Pri zaťažení sa otáčky rotora nezmenia, iba vznikne odchýlka rotorového poľa voči statorovému (rotor zaostáva za statorom), vyjadrená pomocou záťažného uhla. Zvyšovaním budiaceho prúdu v budiacom vinutí sa zvyšuje výkon synchrónneho motora (zvýšením mechanického krútiaceho momentu na hriadeli stroja) a znižuje sa magnetizačný výkon (nazývaný tiež jalový výkon) odoberaný zo siete, potrebný na vytvorenie a udržanie magnetického poľa statora. V tzv. prebudenej prevádzke stroj neodoberá zo siete magnetizačný výkon, ale ho do nej generuje.
  2. Generátorová prevádzka:Ak otáča poháňací stroj (napr. turbína) nabudený rotor, indukujú sa v jednotlivých cievkach statora striedavé napätia, sínusového priebehu, ktoré sú v jednotlivých cievkach vzájomne časovo posunuté o 120°. Ak pripojíme k svorkám statora trojfázovú záťaž (tzn., že alternátor zaťažíme), vinutím statora bude prechádzať striedavý elektrický prúd. Prechodom striedavého trojfázového prúdu vinutím statora, vzniká rovnako ako u asynchrónneho stroja otáčavé magnetické pole s otáčkami ns1, ktoré majú rovnakú rýchlosť otáčania ako rotor a jeho magnetické pole, sklz (rozdiel otáčok) stroja je teda nulový. Preto sa stroj nazýva synchrónny. Generátor produkuje činný elektrický výkon, ktorý rastie so zvyšovaním budiaceho prúdu, pritom magnetizačný výkon pre statorové pole môže byť zo siete odoberaný alebo do siete generovaný tiež v závislosti od budenia.

Frekvencia svorkového napätia generátora je priamo úmerná otáčkam rotora podla vzťahu: f = ns . p / 60 ... kde ns - počet otáčok za minútu [min-1, RPM], p - počet polov [-]. Otáčky rotora elektromotora je daná vzťahom: ns = 60 . f / p

Príklad: Vypočítajte počet otáčok 4-polového elektromotora pripojeného na sieť 50 Hz.

ns = 60 . 50 / 4 = 750 RPM

2.2. Alternátor

Alternátor je synchrónny generátor, ktorý vyrába striedavý prúdu. Turboalternátory sú poháňané parou alebo plynovou turbínou a hydroalternátory vodnou turbínou. Automobilový alternátor obsahuje viac vinutí a usmerňovač, preto dodáva jednosmerný prúd.

Konštrukcia automobilového alternátora:

Pólové nádstavce sú vysunuté pliešky jadra (elektro)magnetu, ktoré môžu nahradiť viacej (elektro)magnetov.

2.3. Krokový motor

Klasické synchronne elktromotory sa v praxi používajú málo. Používajú sa špeciálne motory - krokový motor a servomotor.

Krokový motor je špeciálny druh viacpólového synchrónneho motora. Využíva sa predovšetkým tam kde je potrebné presne riadiť nie len otáčky, ale aj konkrétnu polohu rotora. Používajú sa v presnej mechanike (harddisk, DVD), regulačnej technike (posilovač riadenia auta), robotike a pod. Servomotor je výkonový krokový motor.

Základný princíp krokového motora je - prúd prechádzajúci cievkou statora vytvorí magnetické pole, ktoré pritiahne opačný pól magnetu rotora. Motor je schopný v tejto polohe presne stáť. Vhodnou kombináciou zapojenia cievok vznikne rotujúce krokové magnetické pole, ktoré nielen otáča rotorom, ale zabezpečuje aj jeho presnú polohu voči statoru. Kvôli prechodovým javom je rýchlosť otáčania motora limitovaná. Pri jej prekročení motor začne strácať kroky.

2.4. Synchrónny kompenzátor

Synchrónny kompenzátor je vlastne synchrónny motor pracujúci naprázdno, dodávajúci len jalový výkon, čim výrazne odbremení alternátory v elektrárňach a prenosové vedenia. Používa sa na riadenie napätia a kompenzáciu účinníka v sieti. Sú umiestnené vo väčších rozvodniach, kde sú vybavené regulátorom budiaceho napätia na udržiavanie konštantného napätia v danej časti prenosovej sústavy.

2.5. Komutátor

Komutátor je rotačný mechanický prepínač vinutí rotora. Umožňuje otáčanie sa rotora, ak stator ma stacionárne magnetické pole.

Časti komutátora:

  1. lamely - kovové plôšky na otáčajúcom sa valci, k lamelám sú prispájkované jednotlivé vinutia
  2. kefky - privádzajú prúd na lamely, sú pružne pritlačené

2.6. Jednosmerný elektromotor

  1. Motor s permanentným magnetom v statore: Stator tvorí permanentný magnet. Rotor tvorí elektromagnet s pólami. Elektrický prúd do cievok rotora je privádzaný cez komutátor. Komutátor je rotačný prepínač vinutí, viď predchádzajúce učivo. Výkon motora je daný veľkosťou magnetu, preto sa používa iba pre malé motorčeky ? v modelárstve, hračkách, ventilátoroch. Motor možno napájať iba jednosmerným napätím. Smer otáčania motora sa dosiahne prepólovaním motora, čiže zmenou polarity napájacieho napätia.
  2. Motor s elektromagnetom v statore: Stator je tvorený elektromagnetom ktorý môže mať ľubovoľnú veľkosť. Motor sa používa vo veľkých strojoch. Elektromotor možno napájať aj striedavým napätím, pretože prepólovaním statora sa prepóluje aj rotor a motor sa otáča stále tým istým smerom. Smer otáčania motora nemožno meniť prepólovaním motora.

Zapojenie statora a rotora:

U sériovo zapojeného statora sa krútiaci moment motora slabne s otáčkami, stojaci motor má najväčší záber. Motor sa používa ako štartér v aute, alebo ako trakčný pohon ? vlak, metro, električka, trolejbus.

U paralelne (derivačne) zapojeného statora sú otáčky menej závislé od záťaže motora. Navyše je možné prúd statora samostatne regulovať. Preto sa tento typ motora používa v strojoch, kde sú požadované rovnomerné otáčky.

2.7. Dynamo

Dynamo sa skladá zo statora tvoreného magnetom alebo elektromagnetom a rotora s vinutím a komutátorom. Konštrukčne sa v podstate jedná o jednosmerný elektromotor používaný k opačnému účelu.

Až do nástupu polovodičových usmerňovačov bolo dynamo najvýznamnejším zdrojom elektrickej energie. Komutátor funguje ako mechanický usmerňovač, prepína vinutia rotora tak, aby boli kolmé na smer magnetického poľa.

Zapojenie vinutí dynama:

Podla spôsobu zapojenia statora delíme dynamá na:

  1. dynamo s permanentným magnetom
  2. dynamo s cudzím budením - budiaci prúd zaisťovalo iné menšie dynamo
  3. derivačné dynamo - budiace vinutie zapojené paralelne so záťažou, vhodné pre malé prúdové odbery
  4. sériové dynamo - budiace vinutie zapojené do série so záťažou.
  5. kompaudné dynamo - kombinácia derivačného a sériového dynama. Jednalo sa o bežný typ v doprave a u strojov, kde je veľmi premenlivá záťaž.

2.8. Asychrónny elektromtor

Konštrukcia: je jednoduchá, motor je spoľahlivý. Stator obsahuje trojfázové vinutie, ktoré vytvára otáčajúce sa magnetické pole. Rotor obsahuje klietku nakrátko, čo sú hrubé vodiče na koncoch skratované pospájaním. Rotor sa otáča pomalšie ako točivé pole statora, preto sa v ňom indukuje prúd a vzniká točivá sila.

Sklz S je pomer rozdielu otáčok rotora a magnetické poľa, ku otáčkam poľa rotora, sa nazýva a vyjadruje sa v %. Sklz je minimálny pri nezaťaženom motore, sila rotora je slabá, motor odoberá malý prúd. So záťažou rastie sklz, sila aj odoberaný prúd. Názov asynchrónny elektromotor vznikol z faktu ze otáčky rotora nikdy nebudú synchrónne s otáčajúcim sa poľom, budú nižšie.

S = 100 % . (ns - n) / ns ... kde ns - sú synchrnne otáčky pola statora, n - otáčky rotora

Sklz 2-plového motora je 10 %. Vypočítajte otáčky rotora.

ns = 60 . f / p = 60 . 50 / 2 = 1 500 min-1

S = 100 % . (ns - n) / ns ...

Používa sa v domácnostiach, priemysle, doprave. Jeho výkon sa pohybuje od stoviek wattov až do mnoho sto kilowattov. Postupne vytláča sériový elektromotor, používaný hlavne v pohonoch dopravných zariadení. Jednosmerné napájanie je elektronicky pretransformované na striedavé).

Zapojenie 3-fázového asynchrónneho elektromotora

Zapojenie 3-fázového motora pre správny smer otáčania:

Zapojenie do trojuholníka D:

Zapojenie do hviezdy Y:

Štítok elektromotora:

Výkon 3-fázového elektromotora

Na štítku elektromotora je vyznačené na aké napätie je jeho vinutie. Napríklad:

  • 400 Δ = je pre združené napätie 400 V, treba ho zapojiť do trojuholníka,
  • 230 Y = je pre fázové napätie 230 V, treba ho zapojiť do hviezdy.

Výkon elektromotora závisí od jeho vinutia a pripojeného napätia.

  1. Vinutie je pre trojuholník, pripojíme naňho:
    • združené napätie (400 V) = pôjde na normálny výkon
    • fázové napätie (230 V) = pôjde na 1/3 výkon
  2. Vinutie je pre hviezdu, pripojíme naňho:
    • združené napätie (400 V) = pôjde na 3-násobný výkon (zhorí)
    • fázové napätie (230 V) = pôjde na normálny výkon

Zdôvodnenie:

P = U^2 / R
Uz = √3 . Uf
Uf = 1/√3 . Uz

1.b) Pf = Uf^2 / R = (1/√3 . Uz)^2 / R = 1/3 . Uz^2 / R
2.a) Pz = Uz^2 / R = (√3 . Uf)^2 / R = 3 . Uf^2 / R

Pripojenie 3-fázového asynchrónneho elektromotora

Motor funguje aj bez nulaku, preto je jedno či je transformátor zapojený do trojuholníka alebo do hviezdy. Pri zapojení vinutí motora do trojuholníka sa združené napätie rozloží na vinutiach na fázové napätie.

2.9. Vytvorenie točivého magnetického pole pomocou kondenzátoru a 1 fázy

Zapojenie 1-fázového elektromotoru s kondenzátorom:

Zapojenie 3-fázového motoru s kondenzátorom. Rozbehový moment motoru se sníži o 30-40% a výkon poklesne na 70-80%:

Výpočet kapacity kondenzátora: C = 109 . P . tg ϕ / (2 . π . f . U2) ... [μF, W, -, Hz, V]

Príklad: Vypočítajte kapacitu kondenzátora potrebného na pripojenie elektromotora s výkonom 100 W a účinníkom 0,85 na 1 fázu s napätím 230 V.

  • cos ϕ = 0,85 ... ϕ = 31,8° ... tan ϕ = 0,62
  • C = 109 . P . tg ϕ / (2 . π . f . U2) = 109 . 100 W . 0,62 / (2 . 3,14 . 50 Hz . (230 V)2 ) = 3 732 μF = 3,7 mF = 3,7 G

2.10. Lineárny elektromotor

- je mnohopólový rozvinutý elektromotor. "Stator" je roztiahnutý do dĺžky, nehýbe sa. "Rotor" sa pohybuje nad statorom, vznáša sa. Prúd sa privádza do statora alebo rotora pomocou káblov. Lineárny asynchrónny elektromotor sa používa na pohon vlakov, napríklad rýchlovlak Maglev pri Hamburgu v Nemecku. Lineárny servomotor sa používa v posilovačoch riadenia auta a v CNC strojoch.

3. Otázky na opakovanie

  1. Vymenujte časti transformátora a napíšte na akom fyzikálnom princípe fungujú.
  2. Nakreslite vnútorné zapojenie transformátora hviezda - trojuholník, Yd.
  3. Akú funkciu majú tieto časti alternátora: rotor, stator, pólové nástavce, diódový mostík, regulátor?
  4. Akú funkciu má komutátor a je časti: lamely a kefky?
  5. Vypočítajte počet otáčok 4-pólového elektromotora pripojeného do siete 50 Hz.
  6. Aký je rozdiel vo vlastnostiach medzi sériovým a derivačný (paralelným) zapojením jednosmerného elektromotora a dynama?
  7. Bude sa točiť jednosmerný elektromotor ktorý má vinutý rotor aj stator, ak ho pripojíme na striedavý prúd? Ako sa dá potom zmeniť smer otáčania?
  8. Na čo je klietka v asynchrónnom elektromotore? Treba ju napájať prúdom?
  9. Nakreslite zapojenie asnychrónneho elektromotora do trojuholníka a hviezdy.
  10. Na elektromotore je tento štítok:

    Vypočítajte činný, jalový a zdanlivý výkon.

  11. Možno elektromotor z predchádzajúceho príkladu zapojiť do trojuholníka a do hviezdy? Aký bude mať výkon elektromotor v týchto zapojeniach?
  12. Uveďte príklad použitia lineárneho elektromotora, servomotora a krokového motora.

Linky

  1. Výpočet transformátora: http://www.dmaster.wz.cz/postupy/trafo/trafo.htm , http://pandatron.cz/?217&vypocet_trafa , http://svetelektro.com/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&p=63518 , programy: http://www.ussoft.cz/ .
  2. Učebný text na wikipédii: http://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
  3. Synchronny elektromotor: http://www.elektrotechnika.6f.sk/index.php?option=com_content&view=artic...
  4. Animácia výroby motorov: http://www.youtube.com/watch?v=yDLrGMyj5ZI
  5. Aasynchrónny elektromotor ... zapojenie: http://home.tiscali.cz/cz076422/zapoj/zapoj.htm , http://www.etmslovensko.sk/index.php/rubriky/energetika/449-oznaenie-vyv... , http://diskuse.elektrika.cz/index.php/topic,10219.0.html . výkon, sklz: http://referaty-seminarky.sk/asynchronne-stroje--mo-20/ , motorové kondenzátory: http://www.edunet.souepl.cz/~weisz/dilna/e_vyp/rozkond.php
  6. Lineárne elektromotor ... princíp lineárneho krokového motora: http://pavel.lasakovi.com/projekty/elektrotechnika/linearni-motor/ , ukážka činnosti lineárnych krokových motorov: http://www.youtube.com/watch?v=TPCgbfWZ6IQ , ukážka princípu levitácie a pohybu lineárneho motoru: http://www.youtube.com/watch?v=IPkaWKk2Hio

Doplniť prečo a ako sa mení krútiaci moment sériového a derivačného elektromotora. Prečo je odmocnina 3 na výkon. Vypočítať ukážkovo jeden štítok.