Elektrické stroje: Stejnosměrné a komutátorové motory

Elektrické stroje: Stejnosměrné a komutátorové motory – Kompletní přehled

TL;DR: Rychlý přehled pro studenty

• Stejnosměrné motory využívají stejnosměrný proud a jsou klíčové pro aplikace vyžadující přesnou regulaci otáček. Jejich konstrukce zahrnuje magnetický obvod, kotvu s vinutím a komutátor s kartáči. Reakce kotvy ovlivňuje hlavní magnetické pole a komutaci, což vyžaduje kompenzační vinutí. Regulace otáček se provádí spouštěči nebo polovodičovými měniči.
• Komutátorové motory na střídavý proud kombinují výhody asynchronních motorů (napájení ze střídavé sítě) a stejnosměrných motorů (snadná regulace otáček). Existují jednofázové trakční a třífázové derivační typy, napájené do statoru nebo rotoru. Nabízejí široký rozsah regulace, ale jsou složitější a dražší.

Úvod do světa elektrických strojů: Stejnosměrné a komutátorové motory

Vítejte ve světě elektrických strojů, kde se naučíte, jak fungují základní pohonné jednotky moderního průmyslu. V tomto článku se podrobně zaměříme na stejnosměrné a komutátorové motory, které jsou nezbytné pro mnoho aplikací vyžadujících spolehlivost a flexibilní řízení otáček. Projdeme si jejich konstrukci, principy činnosti, způsoby regulace a seznámíme se s jejich výhodami i nevýhodami. Tento komplexní rozbor vám pomůže lépe pochopit tuto klíčovou oblast elektrotechniky a připravit se na zkoušky, včetně maturitní zkoušky.

Stejnosměrné motory: Konstrukce a princip činnosti

Stejnosměrné motory patří k základním typům elektrických strojů a jsou důležité pro svou vynikající regulovatelnost. Jejich hlavní části jsou magnetický obvod, kotva s vinutím a komutátor s kartáči.

Magnetický obvod a konstrukce kotvy

Magnetický obvod stroje má specifický tvar a je tvořen silnými magnetickými póly. Je navržen tak, aby efektivně vedl magnetický tok. Někdy je sklopen s elektronefektivním plochým obvodem, což může vést ke zkreslení magnetizace. Tyto plochy se často formují do tvaru, který optimalizuje magnetické pole.

Kotva je pohyblivá část motoru a je tvořena oddělenými klínovými hmotami, ve kterých je uloženo vinutí kotvy. Materiál kotvy, často ve tvaru válce, je spojen s komutátorem vhodnou konstrukcí. Vinutí je vloženo do drážek, které mohou mít různé profily (např. mavření, prstnárčení, navrhnutí). Vzniklé vinutí je tvořeno jednotlivými cívkami, které jsou navzájem propojeny a tvoří celek, který se pak vyvádí na komutátor.

Komutátor a sběr proudu

Komutátor je zařízení, které zajišťuje převod proudu mezi rotující kotvou a stacionárními kartáči. Je tvořen lamelami (segmenty), na které dosedají elektrické kartáče. Tyto kartáče jsou vloženy tak, aby správně propojovaly vinutí kotvy a zajišťovaly tak plynulou změnu směru proudu v cívkách, což je klíčové pro nepřetržitý točivý moment. Kmen (vývody) je vyvedený a zajišťuje rychlou výměnu proudu, která se mění s otáčením. Komutátor je vhodný pro použití v různých aplikacích, včetně parkování a venkovního oběhu.

Reakce kotvy a její kompenzace

Když vodičem kotvy prochází proud, vzniká magnetometrické napětí a dodatečný magnetický tok. Tento jev se nazývá reakce kotvy. Reakce kotvy má několik nežádoucích dopadů:

• Zkresluje hlavní magnetické pole, což snižuje jeho efektivitu.
• Informuje o průlaku magnetické indikace (změny toku).
• Způsobuje zkreslení indukovaného napětí.
• Vyvolává nutnost přesouvání kartáčů při změně zatížení, aby se udržela správná komutace.

Kompenzační vinutí slouží k odstranění těchto nežádoucích vlivů reakce kotvy. Je umístěno tak, aby vytvářelo magnetické pole, které působí proti poli vytvořenému kotvou. Tím se zlepšuje komutace a stabilita motoru, zejména při zatížení. Toto vinutí pomáhá udržet průběh magnetické indukce a zabraňuje přesouvání kartáčů.

Spouštění a regulace otáček stejnosměrných motorů

Spouštěče a metody regulace pro stejnosměrné stroje jsou podobné těm pro jiné typy motorů. Spouštěče často obsahují odporníky, které omezují počáteční proud při spouštění. Tyto spouštěče jsou také vhodné pro řízení otáček. Pro menší motory, například v tlakových aplikacích, jsou k dispozici menší a efektivnější balíčky s důrazem na odpor, výuku (indukčnost) a chlazení.

• Při spouštění se do obvodu kotvy zařazuje sériový odpor, který se postupně vyřazuje, jak motor nabírá otáčky.
• Regulace otáček se provádí změnou napětí na kotvě nebo změnou budícího proudu.
• V moderních aplikacích se pro řízení otáček stále častěji používají polovodičové měniče.

Provedení stejnosměrných strojů a příklady

Stejnosměrné motory jsou vyráběny v různých provedeních. Například:

• Motor SN 132 B z řady SN v provedení IF 10/0 je příkladem standardního provedení.
• Motory řady R3 se používají například ve výtazích a pohonech.
• Motor řady 5.03 V je určen pro aplikace s nízkým tlakem a má speciální chlazení.

Příklad 1: Dynamo

Dynamo s cizím buzením má odpor kotvy $R_{ ext{d}} = 0.28 ext{ } ext{Ω}$ a úkolem napětí $U_{ ext{p}} = 250 ext{ V}$ při otáčkách 3000 mm⁻¹. Úbytek napětí na kartáčích je 2 V.

• Svorkové napětí dynamu při odletce proudu 20 A: $U = (250 - 0.25 imes 20) ext{ V} = 140 ext{ V}$
• Svorkové napětí pro $I_{ ext{d}} = 150 ext{ A}$: $U = (250 - 0.25 imes 150) ext{ V} = 212 ext{ V}$ (pozor, v materiálech je chybné A místo V)
• Ztrátový proud (při $U=0$): $I_{ ext{trat}} = rac{240}{0.25} ext{ A} = 1000 ext{ A}$ (Zde je v materiálech R_d použito 0.25 místo 0.28)

Příklad 2: Dynamo jako motor

Dynamo s cizím buzením s údaji: $P_{ ext{B}} = 4 ext{ kW}$, $V_{ ext{BB}} = 220 ext{ V}$, $ u_{ ext{B}} = 2000 ext{ min}^{-1}$. Odpor kotvy $R_{ ext{d}} = 0.8 ext{ } ext{Ω}$.

• Proud kotvy: $I_{ ext{d}} = rac{4000}{220} ext{ A} = 18.18 ext{ A}$ (v materiálech je chybně 16,18A)
• Indukované napětí dynamu (chyba v materiálech, mělo by být $V_{BB} - R_d I_d$ pro dynamo): $U_{ ext{ind}} = (220 + 0.8 imes 18.18) ext{ V} = 234.54 ext{ V}$ (v materiálech je chybný výpočet)
• Indukované napětí motoru: $U_{ ext{ind}} = (220 - 0.8 imes 18.18) ext{ V} = 205.46 ext{ V}$ (v materiálech je chybný výpočet a výsledek 300V)
• Otáčky motoru: $ u_{ ext{B}} = 2000 imes rac{205.46}{234.54} ext{ min}^{-1} ext{ (příklad v materiálech je chybně uveden s jinými hodnotami)} = 1751 ext{ min}^{-1}$.
• Moment motoru: $M = rac{P}{ u_{B} imesrac{2 ext{π}}{60}} = rac{4000}{2000 imes rac{2 ext{π}}{60}} ext{ N} imes ext{m} = 19.1 ext{ N} imes ext{m}$.

Komutátorové motory na střídavý proud

Komutátorové motory na střídavý proud představují specifickou kategorii elektrických strojů, které vznikly s rozvojem střídavé rozvodné sítě. Jejich hlavním účelem bylo spojit výhody napájení ze střídavé sítě s vynikajícími vlastnostmi stejnosměrných motorů, jako je snadná a plynulá regulace otáček.

Význam, rozdělení a charakteristika

Tyto motory v sobě snoubí vlastnosti asynchronních i stejnosměrných strojů. Mezi jejich výhody patří:

• Snadná a plynulá regulace otáček.
• Dobrý účiník (u třífázových motorů může být účiník blízký jedné).
• Vysoký záběrný moment a malá závislost na ztrátách.
• Možnost připojení k běžné střídavé síti.

Mají však i své nevýhody:

• Složitější a dražší konstrukce ve srovnání s asynchronními nebo synchronními motory.
• Vyšší nároky na údržbu kvůli komutátoru a kartáčům.
• Nevhodnost použití v prostředích s nebezpečím výbuchu kvůli jiskření na komutátoru.
• Mohou generovat rušení sdělovacích a automatizačních zařízení.

Mezi používané třífázové komutátorové motory patří:

• Třífázový derivační motor s vnějším napojením do motoru (typ Wasseler–Eichberg).
• Třífázový derivační motor s vnitřním napojením do motoru (typ Erlangfen).

Jednofázový sériový trakční (drážní) motor

Schéma zapojení tohoto motoru je na obrázku 319 (předpokládejme, že obrázek je k dispozici). V sérii s hlavním budícím (statorovým) vinutím je zapojeno:

• Kompenzační vinutí I: Pro potlačení reakce kotvy.
• Vinutí pomocných pólů S: S paralelně připojeným rezistorem pro zlepšení komutace.

Tyto motory byly historicky vyvinuty pro střídavou trakci s kmitočty 16 2/3 Hz a 50 Hz. V České republice se v současné době již nepoužívají ani nevyrábějí.

Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru

Zapojení tohoto motoru je ukázáno na obrázku 320. Motor má na statoru třífázové střídavé vinutí, podobně jako asynchronní motor. Na komutátoru má pro každou pólovou dvojici tři nebo šest řad kartáčů. Tyto kartáče jsou připojeny k jezdci (kladce) sekundárního vinutí řiditelného transformátoru. Střed všech tří fází sekundárního vinutí je spojen do uzlu, což umožňuje měnit velikost i směr napětí přiváděného na kotvu pohybem jezdce. Primární vinutí transformátoru je připojeno ke stejné síti jako stator.

Princip řízení otáček (viz Obr. 321):

1. Jezdec uprostřed (v uzlu): Rotorové vinutí je spojeno nakrátko. Motor pracuje jako asynchronní s kotvou nakrátko.
2. Posunutí jezdce nahoru: Napětí transformátoru působí proti napětí kotvy. Proud a moment se zmenší. Pro udržení konstantního momentu se musí zvýšit indukované napětí v kotvě, což vede ke zvětšení skluzu a snížení otáček. Tento způsob je hospodárný a plynulý, podobný zařazování odporu do obvodu kotvy u asynchronního motoru.
3. Posunutí jezdce dolů: Napětí transformátoru působí ve stejném směru jako napětí kotvy (sčítají se). Proud a moment se zvětší. Pro udržení konstantního proudu se musí snížit napětí kotvy, což vede ke zmenšení skluzu a nad-synchronním otáčkám.

Výhody: Pevné nastavení kartáčů, velký rozsah řízení otáček (1:10 i více), derivační charakteristika, možnost napájení z rozvodné sítě. Nevýhody: Vysoká cena, velká hmotnost, nároky na obsluhu a údržbu.

Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru

Zapojení tohoto motoru je na obrázku 322. Statorové vinutí je třífázové otevřené a připojuje se ke kartáčům na komutátoru. V drážkách kotvy jsou uložena dvě vinutí:

• Dolní část drážek: Běžné třífázové vinutí vyvedené ke kroužkům, přes které je napájeno ze sítě.
• Horní část drážek: Stejnosměrné vinutí s komutátorem.

Na komutátoru jsou pro každou dvojici pólů tři dvojice kartáčů (označované Λ a B). Speciální mechanismus (ovládaný kolečkem nebo servomotorem) umožňuje současně natáčet všechny kartáče Λ proti kartáčům B. Pokud jsou kartáče Λ a B na jedné řadě, statorové vinutí je spojeno nakrátko a motor pracuje jako asynchronní.

Princip činnosti a řízení otáček:

Kotva se otáčí proti směru točivého magnetického pole otáčkami $n = (1 - s) n_1$. Točivé magnetické pole rotoru (vzhledem ke statoru) má otáčky $sn_1$ (skluzové otáčky), takže ve statorovém vinutí se indukuje napětí se skluzovým kmitočtem. Ve stejnosměrném vinutí kotvy indukuje točivé magnetické pole napětí s kmitočtem sítě. Natáčením kartáčů proti sobě se do statoru přivádí řídící napětí, jehož velikost odpovídá úhlu natočení a směr (fáze) odpovídá vzájemnému natočení kartáčů. Komutátor zde funguje jako měnič kmitočtu.

Výhody: Nepotřebuje říditelný transformátor, velký rozsah řízení otáček. Uplatňuje se u pohonů menších výkonů. Nevýhody: Delší komutátor, nutnost natáčecího zařízení, horší využití stroje kvůli dvěma vinutím v drážkách, kroužky omezují velikost napájecího napětí.

Rušení a odrušení komutátorových motorků

Komutátorové motorky mohou svým jiskřením na kartáčích značně zhoršovat činnost sdělovacích a automatizačních zařízení. Tato vysokoškolená energie se šíří do okolí motorku z jeho přívodů. Rušení se zmenšuje zapojením kotvy (podle Obr. 318) mezi vinutí pólů a kondenzátory.

Motorky se vyrábějí do výkonu přibližně 400 W a jsou navrženy pro vysoké otáčky. Pro jejich spolehlivou činnost je klíčové dokonalé dynamické vyvážení, protože i malá nevyváženost zkracuje životnost a zhoršuje komutaci.

Závěr: Dnes jsou třífázové komutátorové motory postupně nahrazovány stejnosměrnými motory, které jsou napájeny z moderních polovodičových měničů, což zjednodušuje jejich konstrukci a zvyšuje efektivitu.

FAQ: Často kladené otázky k elektrickým strojům

Jaký je hlavní rozdíl mezi stejnosměrným a komutátorovým motorem na střídavý proud?

Hlavní rozdíl spočívá v typu napájení a konstrukci pro něj uzpůsobené. Stejnosměrné motory jsou primárně navrženy pro stejnosměrný proud, zatímco komutátorové motory na střídavý proud jsou schopny pracovat se střídavým proudem a přitom si zachovávají výhody regulace otáček, typické pro stejnosměrné motory, díky komutátoru, který funguje jako frekvenční měnič.

Proč je u stejnosměrných motorů důležitá kompenzace reakce kotvy?

Reakce kotvy vytváří dodatečné magnetické pole, které zkresluje hlavní budící pole motoru. To může vést ke zhoršení komutace, jiskření na kartáčích a snížení účinnosti motoru. Kompenzace reakce kotvy pomocí speciálního vinutí pomáhá udržet stabilní magnetické pole a zajišťuje správnou funkci motoru, zejména při zatížení.

Jak se regulují otáčky trojfázového derivačního komutátorového motoru napájeného do statoru?

Otáčky se regulují posouváním jezdce na sekundárním vinutí říditelného transformátoru. Pohyb jezdce mění velikost a směr napětí přiváděného na kotvu. Tím lze buď zpomalit motor (zvětšením skluzu, když se napětí transformátoru staví proti napětí kotvy), nebo ho zrychlit až na nad-synchronní otáčky (sčítáním napětí).

Jaké jsou hlavní nevýhody komutátorových motorů na střídavý proud?

Mezi hlavní nevýhody patří složitější a dražší konstrukce ve srovnání s běžnými asynchronními motory, vyšší nároky na údržbu kvůli opotřebení komutátoru a kartáčů, a také možnost generování elektromagnetického rušení kvůli jiskření na komutátoru, což může negativně ovlivnit citlivou elektroniku.