Elektrick stroje toiv Ing Petr Bernat Ph D

Elektrické stroje točivé. Ing. Petr Bernat, Ph. D. Katedra elektroenergetiky FEI VŠB-TU Ostrava

Petr Bernat, katedra elektroenergetiky 410 petr. bernat@vsb. cz tel: 5881, místnost FEI EA 212

Elektrické stroje točivé Předmět Elektrické stroje točivé se zabývá teorií točivých strojů, především strojů asynchronních, synchronních a stejnosměrných. Význam předmětu spočívá v osvojení základních informací o principech, konstrukci a užití těchto strojů, výsledkem studia by měla být schopnost aplikace těchto strojů v konkrétních strojních a energetických zařízeních. Doporučená literatura: • Keppert, S. : Elektrické stroje 2, 3, 4 a 5, skripta VŠB Ostrava, 1980 -1984 • Chmelík, K. : Asynchronní a synchronní elektrické stroje, skriptum VŠB Ostrava, 2002 • Petrov, G. N. : El. stroje 1 a 2, ACADEMIA 1980 • Bašta J. a kol. : Teorie el. strojů, SNTL/ALFA 1968 Anglická a další literatura: • Hindmarsh, J. : Electrical Machines and their Applications, Oxford, 1970 • Hrabovcová, V. , Rafajdus, P. : Elektrické stroje, teória a príklady, Žilinská univerzita, 2009 • Pyrhönen, J. , Jokinen, T. Hrabovcová, V. : Design of rotating electrical machines, John Wiley & sons, Ltd. 2008 (nové vydání 2014)

Elektrické stroje? Stroje?

Stroj je obecné označení pro účelová, obvykle mechanická nebo elektromechanická zařízení na přeměny a využití energie, jimiž člověk rozšiřuje své síly a možnosti. Stroje neobyčejně ulehčily a zrychlily lidské činnosti v nejrůznějších oborech a významně se podílejí na bohatství moderních společností. . .

Základní definice Elektrickým strojem rozumíme zařízení, (které s využitím zařízení zákona elektromagnetické indukce) umožňuje přeměnu jednoho druhu energie na jiný druh, přičemž alespoň jedna z těchto energií energie musí být elektrická. Klasifikace elektrických strojů: • Podle pohybu: - netočivé, - s jiným druhem pohybu (např. lineární). • Podle směru toku a druhu vstupující a vystupující energie: - generátory (přeměna mechanické energie na elektrickou), - motory (přeměna elektrické energie na mechanickou), - měniče (přeměna určitých parametrů elektrické energie – zde řadíme i transformátory). • Podle druhu elektrické energie: - stejnosměrné, - střídavé – jednofázové a vícefázové (obvykle dvoufázové nebo trojfázové).

Stroj jako měnič energie Vstupní energie stroj Výstupní energie Stroje točivé (pohyblivé) Motory - výstupem je pohyb (rotační, posuvný). Generátory - výstupem je elektrická energie.

GENERÁTOR Tok energie strojem Dominantní cesta přeměny energie MOTOR ZTRÁTY Každý elektrický stroj je vratný tzn. v každém el. stroji může být změněn směr přeměny energie: generátor → motor nebo motor → generátor

Elektrické veličiny U, I. . . Mechanické veličiny – moment, otáčky. . . Točivý stroj má na jedné straně elektrický obvod s elektrickými veličinami, na druhé straně mechanickou soustavu s mechanickými veličinami.

Mechanický výkon točivého stroje Při přeměně mechanické energie v elektrickou nebo naopak platí pro točivé stroje rovnice: kde P M Ω P=M Ω je mechanický výkon na hřídeli [W], točivý moment na hřídeli stroje [Nm], úhlová rychlost otáčení stroje [rad s-1]. Točivý moment M v motoru koná užitečnou mechanickou práci – překonává zátěžný moment (protimoment) poháněného stroje nebo zařízení → pohání jej, pracuje jako pohon. U generátoru směřuje točivý moment proti momentu poháněcího stroje – např. turbíny → nechá se pohánět. . .

Elektrický výkon P (W) Jak definujeme výkon z vykonané práce ? V návaznosti na elektrickou práci lze definovat i jednotlivé výkony … * vstupní výkon (příkon) do elektrického stroje * výstupní (užitečný) výkon z elektrického stroje * ztrátový výkon (suma všech typů ztrát) příkon PP Elektrické zařízení P 1 = P P P 2 = P Pz PΔ výkon P ztrátový výkon Pz Příklady jednotlivých typů výkonů: * příkon PP - elektrický (u motoru, transformátoru), mechanický (u generátoru) * výkon P - elektrický (u transformátoru, generátoru), mechanický (u motorů) * ztrátový výkon PΔ - tepelný (vzniklý různými mechanismy ve vinutí, v magnetickém obvodu), mechanický atd.

Elektrický výkon P (W) Jak lze definovat elektrický výkon (příkon)? Pozor na základní pojmy: * elektrický výkon (příkon) P (PP) = U * I (W) * mechanický, světelný, tepelný. . . výkon (příkon) P (PP) (W) * ztrátový výkon průchodem proudu vodičem PΔel = R*I 2 (W) * ztrátový mechanický výkon PΔmech (W) pomocí elektrických veličin lze definovat pouze elektrické výkony Účinnost:

Výkony v elektrickém obvodu Každé elektrické zařízení, a tedy i stroj, odebírá ze sítě (tj. ze zdroje): * činný výkon výstupní práce Činný výkon do elektrického zařízení je zpravidla vyroben ve zdroji mimo elektrické zařízení, protéká strojem na výstup. * jalový výkon potřebný k vytvoření elektromagnetické energie, velikost a charakter odebíraného výkonu je dán principem elektrického zařízení, pracujícího s elektromagnetickou indukcí Jalový výkon lze vyrobit ve zdroji nebo přímo u elektrického zařízení, cyklicky se vyměňuje mezi zdrojem a strojem. Činný výkon P (W) – výkon, který koná práci Jalový výkon Q (var) – výkon, který slouží k vytvoření elektrického (magnetického) pole

Výkon ve střídavém obvodu Elektrické zařízení odebírá (dodává) činný a jalový výkon, jehož fyzikální podstata je jednoznačně určena. Na základě těchto dvou výkonů lze definovat matematický – tzv. zdánlivý výkon – S(VA). Zdánlivý výkon lze matematicky určit pomocí trojúhelníku výkonů Odvození zdánlivého výkonu: S Q P V případě potřeby se indukční a kapacitní výkon rozlišuje pomocí znaménka: indukční výkon kapacitní výkon znaménko - (- Q) – stroj tento výkon spotřebovává znaménko +(+ Q) – stroj tento výkon dodává

Účinnost elektrického stroje (-), (%) Jaké energie můžeme definovat u elektrického stroje? * vstupní energie ze zdroje do elektrického stroje * výstupní (užitečná) energie z elektrického stroje * ztrátové energie (jsou dány fyzikálními zákony) vstupní energie WP Elektrické zařízení výstupní energie W ztrátová energie Wz Sestavení rovnice (zákon o zachování energie): W 1 = W + ΣWz Účinnost elektrického stroje (zařízení obecně) Vyjadřuje efektivitu elektrického stroje (zařízení) a je definována podílem užitečné výstupní a vstupní energie. Účinnost se pohybuje v rozsahu 0 -1 (-) nebo 0 -100 (%) W 1 = W P W 2 = W Wz = ΣWΔ

Výkony v různých soustavách činný výkon jalový výkon zdánlivý výkon P (W) Q(var) S(VA) stejnosměrná U*I neexistuje jednofázová U*I*cos U*I*sin U*I trojfázová √ 3*U*I*cos √ 3*U*I*sin √ 3*U*I koná práci vytváří elektromagnetické pole (matematický vektorový součet činného a jalového výkonu) Soustava: význam kde ho najdeme spotřebiče elektrické stroje (motory), osvětlení, tepelné spotřebiče zařízení s převážně jalovým výkonem tlumivky, kondenzátorové baterie zdroje transformátory, alternátory

Základní druhy točivých strojů Střídavé: • Asynchronní („indukční“) • Synchronní • Komutátorové • Reluktanční, spínané, krokové. . . Stejnosměrné: • S vinutým buzením • S permanentním magnetem • Elektronické, spínané, krokové. . .

Točivé magnetické pole Na čem závisí rychlost otáčení magnetického pole ? * na frekvenci - čím vyšší frekvence, tím bude otáčení rychlejší * na počtu pólů - čím více pólových dvojic, tím je rychlost pomalejší (póly jsou od sebe méně vzdáleny, za stejnou době oběhne pole menší vzdálenost). pro p = 1 oběhne pole za 1 periodu proudu 3600 pro p = 2 oběhne pole za 1 peridu proudu pouze 180 0 Vyjádření rychlosti magnetického pole – synchronní rychlost ns (1/min) S S Proč je ve vztahu 60 ? J Jaká je maximální rychlost točivého pole (a tím i motoru) na síťové frekvenci ? J J S

Asynchronní stroje

Asynchronní (indukční) stroje Indukční stroj je nejpoužívanější a nejrozšířenější elektrický točivý stroj a jeho význam neustále roste (postupná náhrada stejnosměrných strojů). Rozdělení podle toku energie: - indukční motor - indukční generátor - indukční brzda Rozdělení podle počtu fází: - jednofázové - trojfázové Rozdělení podle konstrukce rotoru: - rotor nakrátko - kroužkový motor - speciální rotor Rozdělení podle pohybu motoru: - rotační pohyb - lineární pohyb

4. Otáčky motoru - n (1/min) Otáčky motoru lze vyjádřit ze synchronních otáček a ze skluzu ? Ze vztahu se odvozují možnosti regulace otáček indukčního motoru: * změnou frekvence * změnou počtu pólů * změnou skluzu - spojitá a bezeztrátová regulace - nespojitá a bezeztrátová regulace - spojitá a podle realizace ztrátová (odporem) nebo bezeztrátová regulace (kaskáda) Nejčastěji se dnes využívají první dva způsoby regulace otáček.

Konstrukce 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. svorkovnice vinutí statoru ventilátor ložiska Hřídel kostra patky štítek

Synchronní stroje chladič vývody vinutí statoru plášť ucpávka stator rotor ventilátor chlazení ložisko

Základní informace Rozvoj synchronních strojů byl dán zavedením střídavé soustavy. V počátku se používaly zejména synchronní generátory – alternátory, které slouží pro výrobu trojfázového střídavého proudu. Jejich hlavní výhodou je skutečnost, že energii odebíráme ze statoru – pevné části stroje. Výhodou synchronních motorů jsou konstantní otáčky při různém zatížení. I přes tuto výhodu se synchronní motory ale používaly zřídka, problémy byly s rozběhem a složitější konstrukcí (v porovnání s asynchronním motorem). S rozvojem výkonové elektroniky a zlepšováním vlastností trvalých magnetů se používání synchronních strojů v současné době výrazně zvyšuje.

Rozdělení synchronních strojů Podle směru toku energie: * synchronní motory - klasické motory - krokové motory - reluktanční motory * synchronní generátory (alternátory) * synchronní kompenzátory Podle konstrukce: * s hladkým rotorem * s vyniklými póly * s permanentním magnetem (náhrada budícího vinutí)

Charakteristické vlastnosti a použití Vlastnosti: * konstantní (synchronní) otáčky při změně zátěže * možnost regulovat účiník (jalovou energii do/ze sítě) * vysoká účinnost Použití: * generátory - turbogenerátory - hydrogenerátory * motory - motory velkých výkonů s plynulou regulací otáček - nízkootáčkové motory velkých výkonů - motory s trvalými magnety pro trakční pohony - motory pro průmyslovou automatizaci - …

Alternátor - princip N

Malé synchronní stroje

Stejnosměrné stroje

Základní informace Stejnosměrné stroje patří mezi nejstarší točivé stroje. V počátku se používaly pro výrobu elektrické energie (stejnosměrné generátory – dynama), v dalším období našly využití zejména jako motory. S rozvojem střídavých pohonů s polovodičovým řízením se význam stejnosměrných strojů postupně snižuje (zejména u motorů je útlum ale pomalejší, než se všeobecně očekávalo). Kde bychom dnes mohli najít stejnosměrné stroje ? * diesel-elektrická trakce (generátory i motory) * elektrická trakce (motory) * pohony malých výkonů (motory) * starší provozy a výrobní linky (motory)

Rozdělení stejnosměrných strojů Podle toku energie: * stejnosměrné generátory (dynama) * stejnosměrné motory Podle buzení: * stejnosměrné stroje s cizím buzením * stejnosměrné stroje s vlastním buzením - sériové (zejména motory) - derivační (motory a dynama) - kompaundní - protikompaundní (svářecí agregáty) Podle konstrukce: * komutátorové * bezkomutátorové

“ Děkuji za pozornost”