Podcast na Elektrické stroje: Stejnosměrné a komutátorové motory

Kapitoly

Mýtus o zapojení motoru

Proč je startovací proud tak obrovský?

Jmenovitý vs. spouštěcí moment

Komutátorové motory a jejich využití

Dynamo: Víc než jen výrobce proudu

Jiskra života v jednom drátku

Problém jménem komutace

Kouzelní pomocníci v zákulisí

Elegance v detailech

Motor, který si řídí sám

Hra s kartáči a otáčkami

Proč se (ne)používá?

Návrat ke stejnosměrnému proudu

Spouštěče a regulace

Od dynama k motoru

Poslední zastávka: Trakční motory

Motor jako hlavolam

Velké finále a rozloučení

Přepis

Martin: Většina lidí si myslí, že elektrický motor prostě zapojíte do zásuvky a on se rozběhne. Co na tom může být složitého, že?

Lucie: To je přesně ten omyl. Kdybyste vzal silný stejnosměrný motor a zapojil ho napřímo do sítě bez spouštěče, bylo by to jako snažit se zastavit rozjetý vlak holýma rukama.

Martin: Počkat, cože? Proč? Čekal bych, že se prostě roztočí.

Lucie: Roztočil... a pravděpodobně by při tom odpálil pojistky a možná poškodil i sám sebe. Ten počáteční náraz proudu je totiž absolutně gigantický. A přesně o tomhle si dnes budeme povídat. Posloucháte Studyfi Podcast.

Martin: Dobře, Lucie, teď jsi mě vyděsila. Proč je ten startovací proud tak nebezpečně vysoký? Vždyť když motor běží, tak tolik proudu nebere, ne?

Lucie: Přesně tak! A klíčem k téhle záhadě je něco, čemu říkáme protielektromotorické napětí. Když se kotva motoru točí, sama v sobě indukuje napětí, které působí proti napětí sítě. Je to takový přirozený vnitřní odpor.

Martin: Aha, takže motor si sám sobě brání, aby nebral moc proudu. Chytré.

Lucie: Přesně. Ale co se stane v momentě zapnutí, když motor stojí? Točí se kotva?

Martin: Ne, stojí na místě. Takže... žádné protinapětí?

Lucie: Bingo! Jediný, co v tu chvíli brání proudu, je maličký odpor vinutí kotvy. A to je problém. Proud je v tu chvíli omezený jen Ohmovým zákonem, takže do motoru vletí obrovská proudová špička.

Martin: Takže kdybychom to chtěli spočítat... Máme tady v podkladech příklad motoru na 220 voltů s odporem kotvy 0,8 ohmu. Jaký by byl ten proud?

Lucie: Jednoduchá matematika. Vezmeme napětí, 220 voltů, a vydělíme ho tím odporem, tedy 0,8 ohmu. A výsledek? Tři sta ampérů!

Martin: Tři sta?! To je... hodně. Běžná domácí zásuvka má jistič na 16 ampérů. To by byla rychlá tma v celém domě.

Lucie: V celém bloku, možná. A teď si to porovnejme s normálním provozem. Když se motor rozběhne, jeho jmenovitý proud, tedy ten, na který je stavěný, je podle výpočtů jen necelých 37 ampérů. Ten rozdíl je obrovský.

Martin: Takže obrovský proud znamená i obrovskou sílu na začátku? Tedy točivý moment?

Lucie: Správná úvaha. Točivý moment je přímo úměrný proudu v kotvě. Když máme obrovský proud, máme i obrovský moment. Nazýváme to záběrový moment.

Martin: A to je dobře, nebo špatně? Mít na začátku velkou sílu zní užitečně.

Lucie: Ano i ne. Je to taková dvousečná zbraň. Na jednu stranu potřebuješ velký moment, aby se motor vůbec roztočil, zvlášť když je pod zátěží. Na druhou stranu, takhle obrovský a nekontrolovaný moment může poškodit mechanické části stroje – hřídele, převodovky...

Martin: Jako když v autě zařadíš jedničku a pustíš spojku moc rychle. Celé to cukne.

Lucie: Perfektní přirovnání! Přesně tak. Proto používáme spouštěče. Jsou to v podstatě proměnlivé odpory, které na začátku zařadíme do obvodu kotvy. Tím omezíme proud, motor se plynule rozběhne, a jak se zvyšují jeho otáčky a roste protinapětí, postupně ten spouštěcí odpor vyřazujeme.

Martin: Takže ten spouštěč vlastně simuluje to protinapětí, dokud si ho motor nezačne vyrábět sám. To je elegantní řešení.

Lucie: Přesně tak. Díky tomu je rozběh plynulý, proud pod kontrolou a mechanika v bezpečí. Z výpočtů nám tady vychází, že záběrový moment při přímém připojení by byl přes 200 Newtonmetrů, zatímco při správném spuštění je to jen kolem 48 Nm. To je obrovský rozdíl v plynulosti.

Martin: Mluvili jsme teď hlavně o stejnosměrných motorech. Ale co motory na střídavý proud? Tam je to podobné? Existují vůbec nějaké, které kombinují vlastnosti obou?

Lucie: Skvělá otázka! Ano, existují a říká se jim komutátorové motory na střídavý proud. Je to fascinující kategorie sama o sobě. Snaží se vzít to nejlepší z obou světů.

Martin: Co tím myslíš? Jaké výhody kombinují?

Lucie: Z asynchronních motorů si berou výhodu jednoduchého připojení ke střídavé síti. A ze stejnosměrných motorů si půjčují jejich největší trumf – snadnou a plynulou regulaci otáček.

Martin: To zní jako ideální motor! Proč je nevidíme úplně všude?

Lucie: Protože, jak to tak bývá, mají i své nevýhody. Jsou konstrukčně složitější, a tedy i dražší než běžné asynchronní motory. Mají komutátor a kartáče, které se opotřebovávají a vyžadují údržbu. To je limituje třeba pro použití v prašném nebo výbušném prostředí.

Martin: Takže takový motor do dolů asi nepošleš.

Lucie: To rozhodně ne. Tam bys vytvořil víc jisker než horník krumpáčem. Ale používají se tam, kde je potřeba velký záběrový moment a plynulá regulace – třeba u starších typů jeřábů, vlacích nebo tramvajích. Moderní frekvenční měniče je ale postupně nahrazují.

Martin: Dobře, pojďme se posunout k dalšímu stroji, který je v našich podkladech zmíněn – dynamo. To zná každý z kola, ne? Šlapeš a svítíš.

Lucie: V principu ano, ale v průmyslu jsou dynama mnohem sofistikovanější. Můžeme je zapojit různými způsoby a dosáhnout tak velmi zajímavých vlastností. Jedním z typů je takzvané kompaundní dynamo.

Martin: Kompaundní? To zní složitě. Co to znamená?

Lucie: Znamená to, že má dva budicí obvody. Jeden zapojený paralelně, jako u běžného dynama, a druhý sériově, kterým protéká hlavní proud. A teď to kouzlo – podle toho, jak tyhle dva obvody zkombinuješ, můžeš vytvořit dynamo, které se chová úplně jinak.

Martin: Jako jak jinak?

Lucie: Představ si, že potřebuješ zdroj, který drží konstantní napětí, ať už z něj bereš jakýkoliv proud. Třeba pro napájení citlivé elektroniky. Když u normálního dynama zvýšíš zátěž, napětí mu trochu klesne.

Martin: To dává smysl.

Lucie: Ale u kompaundního dynama můžeš to sériové vinutí zapojit tak, aby s rostoucím proudem posilovalo magnetické pole. A silnější pole znamená vyšší indukované napětí. Dokážeš tak přesně kompenzovat ten pokles, nebo dokonce napětí s rostoucí zátěží mírně zvyšovat!

Martin: Páni! Takže to dynamo se samo automaticky reguluje. Je to jako takový mechanický tempomat na napětí.

Lucie: To je naprosto dokonalé přirovnání! Přesně tak. Můžeš ho nastavit jako „kompaundní“, „překompaudní“ nebo dokonce „protikompaundní“, kdy napětí s rostoucí zátěží naopak prudce klesá. To se dřív používalo třeba pro svařování.

Martin: Fascinující, jak se pouhým způsobem zapojení dá tak zásadně změnit chování celého stroje. Myslím, že jsme dnes zbořili pár mýtů a odhalili, co se skrývá pod kapotou elektrických strojů. Bylo to super, Lucie, díky!

Lucie: Já děkuji, Martine. Je to svět plný skrytých kouzel.

Martin: A když mluvíš o skrytých kouzlech, Lucie, musím se zeptat na to, co se děje přímo v srdci motoru. V tom rotujícím válci, v kotvě. Jak tam vlastně vzniká to napětí, které celý stroj pohání?

Lucie: Skvělá otázka, Martine! Právě tam se odehrává ta největší magie. Pojďme se na to podívat zblízka.

Martin: Dobře, tak mě proveď tou magií. Kde začneme?

Lucie: Začneme úplně u základu. Představ si jeden jediný měděný drátek, jeden vodič, v té kotvě. Jak se kotva otáčí, tenhle drátek vlastně prořezává magnetické pole, které vytváří ty velké magnety okolo, o kterých jsme se bavili.

Martin: Jasně, ty silné stacionární magnety, statory.

Lucie: Přesně tak. A fyzika nám říká, že kdykoliv se vodič pohybuje v magnetickém poli, indukuje se v něm elektrické napětí. Je to takový základní zákon elektromagnetismu.

Martin: Takže každý ten malý drátek v rotoru se stává miniaturním zdrojem napětí?

Lucie: Přesně! A čím rychleji se otáčí nebo čím silnější je to magnetické pole, tím vyšší napětí v něm vznikne. Je to přímá úměra. Více rychlosti, více napětí. Jednoduché, že?

Martin: Zní to až podezřele jednoduše. Ale co se stane, když máme těch drátků stovky a všechny jsou propojené?

Lucie: No a tady se ta jednoduchá magie stává... trošku komplikovanější. Musíme ten proud z rotujících vodičů nějak dostat ven. A k tomu slouží komutátor a kartáče.

Martin: Komutátor. To je ten měděný kroužek rozdělený na lamely, po kterém kloužou ty uhlíkové kartáče, že?

Lucie: Vidím, že jsi dával pozor! Přesně on. Jeho úkolem je přepínat jednotlivé cívky v kotvě tak, aby se točivý moment nikdy nezastavil. Ale to přepínání, ta takzvaná komutace, je velký oříšek.

Martin: V čem je problém? Vždyť je to jen mechanický přepínač.

Lucie: No právě! Představ si, že se snažíš přeskočit z jedoucího vlaku na druhý. Musíš to načasovat dokonale. Tady kartáč přeskakuje z jedné lamely na druhou a v ten mikroskopický okamžik vlastně tu cívku zkratuje.

Martin: Zkratuje? To zní nebezpečně. To musí jiskřit, ne?

Lucie: A jak! V cívce totiž vzniká takzvané reakční napětí. To napětí se brání jakékoliv změně proudu. Takže když se ho kartáč snaží přepólovat, cívka se brání a výsledkem jsou jiskry. Někdy i pořádný ohňostroj.

Martin: Trochu jako na špatném rande, taky tam létají jiskry, ale ne ty správné.

Lucie: To je dokonalé přirovnání! A tyhle jiskry opalují komutátor i kartáče a snižují životnost i účinnost celého motoru. Dlouho to byl obrovský problém.

Martin: Takže konstruktéři museli přijít s nějakým chytrým řešením, jak tomu jiskření zabránit. Jak se to dělá?

Lucie: Přišli s geniálním trikem. Řekli si: co když proti tomu nechtěnému reakčnímu napětí postavíme jiné, stejně velké napětí, které ho přesně vyruší?

Martin: Takže... bojovat ohněm proti ohni? Nebo spíš napětím proti napětí?

Lucie: Přesně tak! Mezi hlavní póly motoru vložili menší, takzvané pomocné póly. Tyto pomocné póly mají za úkol v přesně správný okamžik v té zkratované cívce vyrobit, naindukovat, malé komutační napětí.

Martin: Počkat, takže tyhle malé póly vytvoří napětí, které je přesným opakem toho špatného, reakčního napětí?

Lucie: Ano! A ta dvě napětí se navzájem vyruší. Výsledkem je, že proud v cívce se může změnit směr hladce, bez boje a hlavně... bez jisker. Je to elegance sama.

Martin: Páni. To je neuvěřitelně chytré. Takže ty hlavní póly se starají o točivý moment a ty menší pomocné póly tam vlastně dělají takovou uklízečku, aby všechno běželo hladce.

Lucie: Přesně tak. Zajišťují dokonalou, bezjiskrovou komutaci. Díky nim mohou stejnosměrné motory běžet na vysoké otáčky a při velkém zatížení, aniž by se zničily. Je to klíčová součástka, o které málokdo ví.

Martin: Takže abychom to shrnuli. V každém drátku v kotvě se indukuje napětí pohybem v magnetickém poli. Abychom ten výkon dostali ven, musíme přepínat cívky pomocí komutátoru.

Lucie: Což by bez pomoci způsobovalo ošklivé jiskření kvůli reakčnímu napětí.

Martin: A proto tam máme chytré pomocné póly, které vytvoří protinapětí a celý proces „uklidí“, aby proběhl hladce. Je to tak?

Lucie: Naprosto přesně jsi to vystihl. Je to nádherný příklad inženýrské elegance, kde jeden problém je vyřešen vytvořením protikladné síly. Vše je v dokonalé rovnováze.

Martin: Fascinující. Čím víc se o tom bavíme, tím víc mi dochází, že elektromotor není jen hrubá síla, ale neskutečně propracovaný a jemný mechanismus. Díky, Lucie, to bylo opět skvělé.

Lucie: Rádo se stalo, Martine. A to jsme teprve na začátku. Pořád je co objevovat.

Martin: To věřím. A přesně k tomu se dostaneme příště. Podíváme se totiž, jak se všechny tyhle principy liší u motorů, které najdeme v každé domácnosti – u motorů na střídavý proud.

Lucie: Přesně tak, Martine. A dnes se podíváme na jednoho velmi speciálního člena rodiny střídavých motorů. Je to tak trochu rebel, který dělá věci obráceně.

Martin: Obráceně? Jak to myslíš? Minule jsi říkala, že princip je víceméně stejný. Točivé magnetické pole a tak dále.

Lucie: Princip ano, ale provedení... to je jiná káva. Mluvím o trojfázovém derivačním komutátorovém motoru, který je napájený do rotoru.

Martin: Počkej, počkej... napájený do rotoru? Vždycky jsme přiváděli šťávu do statoru, do té pevné části, a rotor se jen točil. Proč to měnit?

Lucie: Protože to přináší jednu obrovskou výhodu. Ale nejdřív ta konstrukce. Je to trochu divočina. Představ si, že v rotoru, v té otáčivé části, máme rovnou dvě vinutí.

Martin: Dvě? To je jako snažit se zaparkovat dvě auta do jedné garáže. Musí tam být těsno.

Lucie: To tedy je! Ve spodní části drážek je klasické trojfázové vinutí, napájené ze sítě přes kroužky. A nad ním je ještě stejnosměrné vinutí s komutátorem.

Martin: A co ten chudák stator? Zbylo na něj vůbec nějaké vinutí?

Lucie: Zbylo. Ale je takzvaně otevřené a je připojené jen ke kartáčům na komutátoru. V podstatě čeká, co mu rotor řekne.

Martin: Dobře, mám v hlavě tenhle přeplněný rotor. Jak se to celé dává do pohybu a hlavně, jak se to řídí?

Lucie: Tady přichází ta genialita. Řízení otáček si tenhle motor totiž zajišťuje sám. Nepotřebuje k sobě žádný externí transformátor jako ten minulý.

Martin: Sám? Jak to dělá? Má tam nějakého malého skřítka s ovladačem?

Lucie: Skoro. Má tam sadu kartáčů, kterými můžeme otáčet proti sobě. Obvykle pomocí ručního kolečka nebo malého servomotoru.

Martin: Takže já točím kolečkem a motor mění otáčky? To zní skoro jednoduše.

Lucie: V principu ano. Think of it this way… Když jsou kartáče v jedné rovině, statorové vinutí je spojené nakrátko a motor se chová jako běžný asynchronní motor. Jen je napájený obráceně.

Martin: Rozumím. To je základní rychlost.

Lucie: Přesně. Ale jakmile začneš těmi kartáči otáčet proti sobě, začneš do statorového obvodu posílat řídicí napětí.

Martin: Aha! Takže si to napětí vytváří sám tím mechanickým pohybem kartáčů. Chytré.

Lucie: Velmi chytré. Komutátor tady funguje jako měnič kmitočtu. Podle toho, jak moc kartáče natočíš, tak velké napětí do statoru pošleš a tím plynule reguluješ otáčky.

Martin: To zní jako skvělý vynález. Proč tedy dnes nevidíme tyhle motory s kolečkem na každém rohu?

Lucie: Protože každá mince má dvě strany. Velkou výhodou byla právě ta plynulá a široká regulace otáček bez potřeby další drahé součástky.

Martin: A nevýhody? Cítím, že přichází nějaké „ale“.

Lucie: Správně. Zaprvé, celá ta konstrukce je složitá. Dvě vinutí v rotoru znamenají horší využití materiálu a celkově větší a těžší stroj. Zadruhé, komutátor a natáčecí kartáče, to všechno vyžaduje údržbu.

Martin: Takže je to mechanicky složitější a náročnější na servis. To dává smysl.

Lucie: A do třetice, napájení přes kroužky omezuje velikost napětí, které můžeš použít. Takže se hodily hlavně pro pohony menších výkonů.

Martin: Takže kde je jejich místo dnes? Jsou v nějakém muzeu motorů?

Lucie: Dnes už v podstatě ano. Byly naprosto vytlačeny modernějšími řešeními. Hlavně stejnosměrnými motory, které jsou napájené z polovodičových měničů.

Martin: Takže další geniální, ale časem překonaný kousek techniky. Je fascinující vidět ten vývoj. Co nás čeká příště? Zůstaneme u střídavých motorů?

Lucie: Určitě ano. Ale posuneme se k motorům, které si na přesnost potrpí mnohem víc. Podíváme se na motory synchronní, které se točí přesně v rytmu sítě.

Martin: Počkat, Lucie, synchronní motory zní skvěle, ale než se k nim dostaneme... zmínila jsi, že staré Ward-Leonardovy soustavy nahradily stejnosměrné motory. Můžeme se na ně na chvilku podívat? Přijde mi, že jsme je trochu přeskočili.

Lucie: Samozřejmě, Martine. To je skvělý postřeh. Je důležité pochopit, proč byly takovou revolucí. Stejnosměrné motory jsou vlastně takoví pracanti, kteří se dají velmi snadno řídit.

Martin: Snadněji než ty asynchronní, o kterých jsme mluvili minule?

Lucie: Přesně tak. Jejich spouštění a hlavně regulace otáček je mnohem přímočařejší. Proto se taky prosadily v pohonech, kde je potřeba plynule měnit rychlost. Třeba u výtahů nebo různých výrobních linek.

Martin: Takže jak se takový motor spouští a řídí? Má nějaký speciální ovladač?

Lucie: V podstatě ano. Používají se takzvané spouštěče. Představ si to jako sofistikovanější plynový pedál. Omezují proud při rozběhu, aby nedošlo k poškození motoru. Je to podobné jako u asynchronních motorů.

Martin: A co ta regulace otáček? Zmínila jsi, že je jejich silná stránka.

Lucie: Přesně. Některé spouštěče umí zároveň řídit i otáčky. Musí být ale robustnější a lépe chlazené, protože při regulaci vzniká hodně tepla. Je to takový kompromis mezi jednoduchostí a výkonem.

Martin: Takže žádná magie, jen dobrá fyzika a pořádný chladič.

Lucie: Přesně tak jsi to trefil.

Martin: A jak takový motor vlastně vypadá? Liší se nějak zásadně od těch střídavých?

Lucie: Konstrukčně ano, hlavně kvůli komutátoru a kartáčům, které přivádějí proud do rotující části. Existuje spousta provedení. Třeba motory řady R3 se používaly pro pohony výtahů, zatímco maličké motory řady 5.03 V najdeš v přesných polohovacích zařízeních, kde záleží na každém milimetru.

Martin: Zajímavé. A teď trochu praxe. Co kdybychom měli dynamo, tedy stroj na výrobu stejnosměrného proudu. Jak se jeho chování změní, když ho zatížíme?

Lucie: Skvělá otázka. Tady se ukazuje jeden klíčový princip. Představ si dynamo, které běží naprázdno a dává napětí, řekněme, 250 voltů. Jakmile z něj začneš odebírat proud, napětí na svorkách trochu klesne.

Martin: Proč? Ztrácí se někde energie?

Lucie: Přesně! Část napětí se ztratí na vnitřním odporu vinutí kotvy. Čím větší proud odebíráš, tím je ten úbytek napětí větší. Je to jako když doma zapneš rychlovarnou konvici a světla na chvilku lehce pohasnou.

Martin: Tomu rozumím. Takže moje světla mají velký vnitřní odpor. Dobré vědět!

Lucie: Tak nějak. A teď ta nejlepší část – každý stejnosměrný motor může fungovat i jako dynamo a naopak. Když dynamo připojíš ke zdroji napětí, začne se točit jako motor.

Martin: Takže je to obousměrná ulice! To je geniální. Takže jsme si ukázali dalšího univerzálního vojáka v poli elektrotechniky. Co nás čeká teď? Už se konečně dostaneme k těm přesným synchronním motorům?

Lucie: Ano! Je čas podívat se na motory, které se točí s přesností švýcarských hodinek. Doslova v synchronu s elektrickou sítí.

Martin: Počkej, když mluvíme o přesnosti... co třeba vlaky? Ty přece musí být taky nějak přesně a silně poháněné. To mě přivádí k našemu poslednímu tématu – trakční motory.

Lucie: Výborný oslí můstek, Martine! A máš pravdu, trakční motory jsou doslova srdcem vlaků, lokomotiv nebo tramvají. Je to úplně speciální kategorie.

Martin: Takže se v něčem zásadním liší od těch, co jsme probírali?

Lucie: Určitě. Dříve se hodně používaly takzvané jednofázové sériové motory. Byly vyvinuté přímo pro střídavou trakci, ale dnes už jsou v podstatě historií. U nás se už ani nevyrábí.

Martin: Dobře, takže co přišlo po nich? Něco chytřejšího, doufám.

Lucie: Rozhodně. Například trojfázový derivační komutátorový motor. Ten název zní hrozně, já vím.

Martin: To teda jo, to je skoro na jazykolam! Zkus mi to zjednodušit.

Lucie: Jasně. Představ si motor, který má stator jako běžný asynchronní motor, ale na rotoru má komutátor s kartáči. A teď ten trik... ty kartáče jsou napájené přes speciální transformátor.

Martin: A k čemu to je dobré?

Lucie: Tím transformátorem můžeme plynule měnit napětí do rotoru. A tím pádem naprosto skvěle řídit otáčky v obrovském rozsahu. Dokonce i nad synchronní rychlost!

Martin: To zní skvěle! Kde je háček?

Lucie: Háček byla cena, hmotnost a náročná údržba. Byly to prostě složité a drahé stroje. Proto je dnes nahradila ještě modernější řešení.

Martin: Páni. Takže jsme probrali všechno od jednoduchých motorků ve hračkách až po tyhle železniční obry. To byla teda jízda!

Lucie: Přesně tak. Stejnosměrné, střídavé, synchronní i trakční. Doufám, že teď je jasnější, že každý typ má své specifické místo a výhody.

Martin: Pro mě určitě. Lucie, moc ti děkuju za skvělé vysvětlení. A děkujeme i vám, milí posluchači, že jste s námi tuto sérii prošli.

Lucie: Bylo mi potěšením. Mějte se krásně a třeba zase někdy na slyšenou!

Martin: Na slyšenou!