Faktory ovlivňující výkon stejnosměrného motoru

Dříve bylo zjištěno, že když stroj pracuje v generátorovém režimu, elektromotorické napětí E kotvy bude větší než napětí na jejích svorkách o hodnotu úbytku napětí v obvodu kotvy (14.7). V tomto případě proud teče z kladného pólu generátoru do externí sítě a elektromagnetický moment stroje M brzdí (obr. 14.19, a).

Stejnosměrný stroj připojený k stejnosměrné síti může pracovat v generátorovém nebo motorickém režimu. Pokud se budicí proud generátoru s paralelním nebo nezávislým buzením připojeného k této síti sníží tak, že elektromotorické napětí kotvy E se stane menším než síťové napětí, pak proud v obvodu kotvy v důsledku převahy síťového napětí nad elektromotorickým napětím změní směr, tj. bude proudit ze sítě do stroje. V tomto případě se také změní směr elektromagnetického momentu a bude směřovat k otáčení stroje, tj. stane se rotujícím (obr. 14.19, b).

Stejnosměrný stroj lze tedy převést z generátorového režimu do motorového režimu, ve kterém kotva stroje začne spotřebovávat proud ze sítě, vytvořený rozdílem mezi síťovým napětím a elektromotorickou silou kotvy:

V režimu motoru je elektromotorické napětí indukované ve vinutí kotvy namířeno proti proudu, který jím protéká, proto se obvykle nazývá protielektromotorické napětí. Hodnota protielektromotorického napětí se, stejně jako u generátoru, určuje podle (14.3). Napětí přivedené na svorky kotvy motoru podle (14.10) musí vyvažovat protielektromotorické napětí a kompenzovat úbytek napětí na vnitřním odporu obvodu kotvy:

Vynásobením levé a pravé strany rovnice (14.11) proudem I_a, získáme rovnici pro vyvážení výkonů v obvodu kotvy motoru:

kde UI_a — výkon spotřebovaný kotvou motoru ze sítě; I_a 2 r_a — ztráta výkonu ve vinutí kotvy; ЕI_а — elektromagnetická energie přeměněná na mechanickou energii otáčení hřídele motoru.

Točivý moment motoru je určen vzorcem (14.5), stejně jako u generátoru. Točivý moment v režimu motoru má opačný směr než v režimu generátoru.

Dosazením hodnoty E z rovnosti (14.3) do výrazu (14.11) můžeme získat vzorec pro určení otáček motoru:

Ovládání rychlosti. Získaný výraz (14.13) ukazuje, že frekvenci otáčení stejnosměrného motoru lze regulovat: změnou magnetického toku Ф, a tím odpovídající změnou budicího proudu; změnou napájecího napětí U; přidáním dodatečného odporu do obvodu vinutí kotvy.

Změna směru otáčení. Pokud je nutné změnit směr otáčení motoru, je nutné k tomu změnit směr elektromagnetického momentu M působícího na kotvu. Podle (14.5) to lze provést změnou směru proudu ve vinutí kotvy. I_а nebo změnou směru magnetického toku Ф (budícího proudu). V praxi se to provádí přepnutím vodičů, které přivádějí proud do vinutí kotvy nebo do budicího vinutí.

Samoregulační nemovitost. Aby se motor otáčel s konstantní frekvencí n, musí být točivý moment M, který vyvíjí, roven brzdnému momentu vytvářenému zátěží. M_т:

Pokud je porušena rovnost (14.14), otáčky motoru se zvyšují nebo snižují, dokud není moment motoru opět vyvážen brzdným momentem. Stejnosměrné motory mají tedy vlastnost samoregulace – schopnost automaticky nastavit novou hodnotu otáček při změně zatížení, při které motor pracuje stabilně. Roli regulátoru hraje protielektromotorická síla indukovaná ve vinutí kotvy.

Podívejme se na podstatu procesu samoregulace. Předpokládejme, že brzdný moment vytvářený zátěží se snížil a stal se menším než točivý moment motoru, v důsledku čehož se frekvence otáčení motoru začala zvyšovat. Se zvyšujícím se n se podle (14.11) zvyšuje protielektromotorická síla E a podle (14.10) a (14.5) se snižuje proud kotvy. I_а a moment motoru M. Tento proces bude pokračovat, dokud se moment motoru nestane rovným brzdnému momentu. Poté se zvyšování otáček zastaví. Proces probíhá podobně, když se brzdný moment zvýší, když se moment motoru sníží než brzdný moment. V tomto případě otáčky motoru začnou klesat, v důsledku čehož se snižuje protielektromotorická síla a zvyšuje se proud kotvy a moment. Tento proces, stejně jako při snížení zatížení, se zastaví, když M = M_т и n = konst.

V ustáleném stavu, když M = M_т, proud spotřebovaný kotvou motoru je určen krouticím momentem na hřídeli I_а = M_т/(S_МF)Z tohoto výrazu vyplývá, že když F = konst Proud spotřebovaný motorem je vždy úměrný točivému momentu na hřídeli.

Startování motorů. V okamžiku připojení motoru k síti je jeho frekvence otáčení n rovna nule, protielektromotorická síla je také rovna nule a rozběhový proud I_п = U/r_a je omezen pouze odporem vinutí kotvy, který u motorů se středním a vysokým výkonem činí desetiny až setiny ohmu. Proto by při přímém spouštění přímým připojením motoru k síti byl spouštěcí proud nepřijatelně vysoký – 10-20krát větší než jmenovitý. To může způsobit zlomení hřídele a také silné jiskření pod kartáči. Proto se při spouštění stejnosměrných motorů do obvodu kotvy často zapojuje další spouštěcí reostat s takovým odporem. r_п, aby rozběhový proud nepřekročil přípustnou hodnotu. Přímé rozběhové napětí se používá hlavně u motorů s výkonem až několik stovek wattů, někdy i s výkonem několika kilowattů. U strojů s vysokým a středním výkonem je přípustný rozběhový proud , a u strojů s nízkým výkonem .

S rostoucími otáčkami motoru se zvyšuje protielektromotorická síla ve vinutí kotvy, proud klesá, v důsledku čehož je nutné postupně snižovat odpor spouštěcího reostatu. Když motor dosáhne jmenovitých otáček, spouštěcí reostat se zcela odstraní. Čím kratší je doba spouštění, tím menší jsou ztráty energie v obvodu kotvy.

Je třeba mít na paměti, že nadměrné snížení startovacího proudu může vést k tomu, že se motor vůbec nebude moci pohybovat, protože startovací moment nebude schopen překonat moment odporu na hřídeli motoru. Pro zajištění velkého startovacího momentu s omezeným startovacím proudem je nutné vytvořit co největší magnetický tok, čehož se dosáhne zvýšením budicího proudu pomocí speciálního reostatu zařazeného do budicího obvodu motoru.

Omezení spouštěcího proudu během spouštění reostatem je obvykle doprovázeno značnými ztrátami energie ve spouštěcím reostatu. Aby se to eliminovalo, lze motor spouštět se sníženým napětím dodávaným do jeho kotevního vinutí ze zdroje s nastavitelným napětím. V tomto případě se během spouštění napětí dodávané do kotvy motoru plynule zvyšuje.

Klasifikace motorů. Stejnosměrné motory se od sebe liší způsobem napájení budicího vinutí. Stejnosměrné motory, stejně jako generátory, mohou mít nezávislé, paralelní, sériové a smíšené buzení.

Motory s nezávislým buzením se používají, když se napětí na svorkách kotvy během provozu mění nebo když se napětí kotvy liší hodnotou od budicího napětí.

Motory se sériovým buzením našly široké uplatnění, protože mají řadu cenných vlastností. Motory se smíšeným buzením se svými vlastnostmi nacházejí na přechodné pozici mezi motory se sériovým a paralelním buzením.

Nejpoužívanější motory s paralelním buzením jsou v podstatě stejné jako motory s nezávislým buzením, ale budicí vinutí je napájeno ze stejného zdroje energie jako kotva. Obr. 14.20 znázorňuje schéma motoru s paralelním buzením. V něm je budicí vinutí zapojeno přímo do sítě paralelně s vinutím kotvy. V obvodu kotvy je zařazen spouštěcí reostat. r_пa v obvodu budicího vinutí – nastavovací reostat r_příkopProtože budicí vinutí je napájeno nezávisle na vinutí kotvy přímo ze sítě, budicí proud motoru s paralelním vinutím nezávisí na proudu kotvy.

Pokud se odpor regulačního reostatu nemění, pak budicí proud při síťovém napětí U = konst zůstává konstantní. Magnetický tok motoru proto zůstává prakticky nezměněn i při změně zatížení (mírně se snižuje při zvyšování zatížení v důsledku zvýšení reakce kotvy). Proud I odebíraný motorem ze sítě,

Budící vinutí se skládá z velkého počtu závitů relativně tenkého drátu a má značný odpor. r_в, proto budicí proud I_в je malý ve srovnání s proudem kotvy a nepředstavuje více než 3-4 % z něj.

Charakteristickou vlastností motorů s paralelním vinutím je, že při síťovém napětí U = konst a odpor budicího obvodu, budicí proud I_в = konst a nezávisí na zatěžovacím proudu I.

Pro hodnocení vlastností elektromotorů se široce používají různé charakteristiky. Nejběžnějším režimem provozu motorů s paralelním buzením je režim při U = konst и I_в = konstV tomto případě jsou vlastnosti motoru poměrně plně popsány třemi charakteristikami: točivým momentem, otáčkami a mechanickými vlastnostmi. Podle (14.15) je charakteristika točivého momentu M = f(I_а) bude lineární (obr. 14.21, a), protože magnetický tok motoru s paralelním vinutím zůstává konstantní, když se mění proud kotvy, a proto je moment motoru přímo úměrný proudu kotvy. Vskutku, když Ф = const, moment

Charakteristikou otáček stejnosměrného motoru je závislost jeho frekvence otáčení na proudu kotvy. n = f(I_a)a mechanické – závislost otáček motoru na točivém momentu n = f(M) na U = konst и I_в = konstPodle (14.13) bude rychlostní charakteristika motorů s paralelním vinutím lineární (obr. 14.21, a). V důsledku toho bude lineární i mechanická charakteristika motoru (obr. 14.21, b). Dosazením hodnoty proudu kotvy I_а z (14.5) do (14.13) dostaneme rovnici mechanické charakteristiky:

Pokud v kotevním obvodu není žádný další reostat (r_reg = 0), mechanická charakteristika se nazývá přirozená . Mechanická charakteristika motoru, u kterého je do obvodu kotvy zaveden nastavitelný reostat s odporem r_reg, se nazývá umělá (obr. 14.21, b). Přirozená charakteristika je obvykle lineární a má mírně klesající charakter. Mechanické i rychlostní charakteristiky motorů s paralelním buzením lze považovat za rigidní, protože při změně zatížení z volnoběhu na jmenovité otáčky se otáčky sníží o 3 – 7 %. Schopnost těchto motorů udržovat otáčky téměř nezměněné při změně zatížení se v praxi široce využívá.

Na druhou stranu, frekvenci otáčení motorů s paralelním vinutím lze měnit v širokých mezích pomocí nastavitelného reostatu s odporem r_příkop, což umožňuje měnit budicí proud motoru I_в a jeho magnetický tok Ф a, jak vyplývá z (14.13), rotační frekvence n.

Zejména je třeba poznamenat, že při volnoběžných otáčkách a nízkém zatížení u motoru s paralelním buzením představuje výrazný pokles budicího proudu a ještě více otevřený budicí obvod velké nebezpečí, když I_в = 0 (F = 0)V tomto případě se otáčky mohou zvýšit na nebezpečné limity – motor „uteče“. Kromě toho se výrazně zvyšuje proud kotvy, v důsledku čehož se zvyšuje jiskření pod kartáči.

Pro posouzení výkonových vlastností motorů se široce používají provozní charakteristiky, které představují závislost spotřebovaného výkonu P₁, kotevní proud I_а, rychlost otáčení n, točivý moment M, účinnost. η z výkonu na hřídeli Р₂ na U = konst и I_в = konst (Obr. 14.22). Z obrázku je patrné, že se zvyšujícím se zatížením se otáčky motoru poněkud snižují a charakteristika n = f(P)₂) lineární a také to, že kotevní moment se zvyšuje téměř přímo úměrně zatížení, tj. charakteristická M = f(P)₂) je také lineární.

Vlastnosti a vzhled jsou typické pro všechny elektrické stroje.

Sériově zapojený motor. Obr. 14.23 znázorňuje schéma sériově zapojeného motoru. Budicí vinutí, vinutí kotvy a spouštěcí reostat. r_п V tomto motoru jsou zapojeny sériově, takže proud kotvy je zároveň budicím proudem. V tomto ohledu je budicí vinutí motoru vyrobeno s malým počtem závitů z drátu většího průřezu než u motoru s paralelním buzením. Při volnoběhu a nízkém zatížení, kdy je proud spotřebovávaný motorem malý, je také m.f.s. vinutí a magnetický tok Ф motoru malé. Protože frekvence otáčení motoru je nepřímo úměrná hodnotě magnetického toku, je při volnoběhu a nízkém zatížení několikanásobně vyšší než jmenovitá hodnota, což představuje nebezpečí pro integritu motoru. Proto tyto motory nelze spouštět na volnoběh nebo při nízkém zatížení (méně než 20-25 % jmenovité hodnoty), tj. nelze je použít k pohonu mechanismů, které pracují na volnoběh nebo při nízkém zatížení. Výjimkou jsou motory s nízkým výkonem (desítky wattů), které lze použít k pohonu mechanismů, které mohou běžet na volnoběh. Protože frekvence otáčení motoru

pak jej lze regulovat jak změnou Ф, tak změnou U. V prvním případě se magnetický tok mění pro regulaci posunem budicího vinutí pomocí nastavovacího reostatu. V tomto případě je část proudu odbočována přes reostat zapojený paralelně s budicím vinutím. To umožňuje měnit (snižovat) proud v budicím vinutí a nastavit požadované otáčky motoru.

Rychlost otáčení se reguluje změnou napětí na svorkách kotvy zapojením reostatu do série s kotvou, na které části síťového napětí klesá, v důsledku čehož se snižuje rychlost otáčení motoru. Tento způsob regulace je neekonomický kvůli velkým ztrátám energie v reostatu.

Charakteristickým rysem sériově buzených motorů je prudký pokles otáček se zvyšujícím se zatížením. U nenasyceného magnetického systému stroje, když I_а I_н), když je pozorováno saturace magnetického systému stroje (F = konst), rychlostní charakteristika se stává lineární.

Charakteristika točivého momentu motoru M = f(I_a) s nenasyceným magnetickým systémem stroje má tvar paraboly (obr. 14.24), protože F = C_фI_а a elektromagnetický moment

kde k je konstanta. U nenasyceného magnetického systému stroje se tedy elektromagnetický moment mění úměrně druhé mocnině proudu kotvy.

Současně je výrazné zvýšení zatížení hřídele motoru doprovázeno relativně malým zvýšením kotevního proudu. Tato vlastnost sériově buzeného motoru je obzvláště cenná, když je vyžadován velký točivý moment, výrazně překračující jmenovitý, například při spouštění motoru v tramvajích, elektrických lokomotivách atd.

Mechanické vlastnosti n = f(M) motoru jsou měkké a mají hyperbolický tvar (obr. 14.25). Dosazením hodnoty proudu z (14.19) do (14.18) získáme výraz, který určuje mechanickou charakteristiku motoru při I_а I_н) závislost n = f(M) se stává lineárním. Změnou odporu reostatu r_п, zapojených sériově s kotvou, je možné kromě přirozené charakteristiky 1 získat skupinu reostatických charakteristik 2 a 3.

Obr. 14.26 znázorňuje provozní charakteristiky sériově zapojeného motoru. Charakteristiky M = f(P)₂) и n = f(P)₂) jsou nelineární a charakteristiky I_a = f(P)₂), P₁ = f(P)₂) a mají tvar podobný podobným závislostem pro motor s paralelním vinutím. Na obr. 14.26 odpovídají počáteční úseky provozních charakteristik, znázorněné přerušovanými čarami, provozu motoru při nízkém zatížení, kdy se frekvence otáčení stává nepřijatelně vysokou.

Motor se složeným buzením. Obr. 14.27 znázorňuje schéma motoru se složeným buzením, který má dvě budicí vinutí: sériové a paralelní. V motoru je magnetický tok Ф vytvářen kombinovaným působením budicích proudů.

zkrat I_atd a sériové I_вс Budicí vinutí mohou být zapojena tak, aby vytvářela magnetické toky jednoho (souhlasné zapojení) nebo opačného (protizapojení) směru.

S protizapojením s malou m.f. sériového vinutí je možné získat motor s tuhou mechanickou charakteristikou, nicméně protizapojení budicích vinutí se používá velmi zřídka, protože v tomto případě se zhoršují rozběhové vlastnosti motoru. U tohoto motoru závisí povaha změny otáček a momentu na poměru m.f. sériového a paralelního budicího vinutí. Volbou vhodného poměru mezi m.f. vinutí je možné dosáhnout požadované změny otáček při zatížení, čímž se motor svými vlastnostmi „přibližuje“ motorům se sériovým nebo paralelním buzením. Provozní charakteristiky motoru se smíšeným buzením jsou proto mezi charakteristikami motorů s paralelním a sériovým buzením.

Tyto motory při volnoběhu „neutíkají“, protože paralelní budicí vinutí vytváří konstantní magnetický tok. Navíc v důsledku přítomnosti sériového budicího vinutí se magnetický tok zvyšuje se zvyšujícím se zatížením. Motory mají ve srovnání s motory s paralelním buzením vyšší přetížitelnost.

Výkon stejnosměrného motoru je důležitým parametrem při výběru a provozu tohoto typu motoru. Výkon závisí na několika faktorech, včetně jmenovitého napětí a proudu, otáček rotoru a konstrukční účinnosti.

Za prvé, jmenovité napětí a proud jsou hlavní parametry, na kterých závisí výkon elektromotoru. Čím vyšší je napětí a proud, tím vyšší je výkon. Je však nutné vzít v úvahu, že vysoké napětí může vést k poškození izolace a zhoršení účinnosti motoru.

Za druhé, otáčky rotoru také ovlivňují výkon motoru. U stejnosměrného motoru s konstantním zatížením se výkon zvyšuje přímo úměrně rychlosti otáčení. Jakmile jsou však překročeny kritické otáčky, výkon začíná klesat.

Za třetí, účinnost konstrukce, včetně použití magnetů a materiálů, také ovlivňuje výkon elektromotoru. Účinnější konstrukce jsou schopny poskytnout větší výkon při stejném jmenovitém napětí a proudu. Za zmínku také stojí, že okolní teplota a použití kondenzátorů mohou také ovlivnit účinnost, a tedy i výkon motoru.

Výkon stejnosměrného motoru tedy závisí na napětí a proudu, otáčkách rotoru a účinnosti konstrukce. Při výběru a provozu motoru je třeba tyto faktory zohlednit, aby byl zajištěn optimální výkon a účinnost.

Faktory ovlivňující výkon stejnosměrného motoru

Výkon stejnosměrného motoru závisí na několika faktorech, které ovlivňují jeho provoz a výkon. Podívejme se na ty hlavní:

Všechny tyto faktory jsou vzájemně propojeny a vyžadují komplexní přístup k návrhu a provozu stejnosměrných elektromotorů. Správný výběr parametrů a optimalizace těchto faktorů umožní dosáhnout vysokého výkonu a účinnosti motoru.

Průměr a délka aktivní části vinutí

Výkon stejnosměrného motoru závisí na mnoha faktorech, včetně průměru a délky aktivní části vinutí. Aktivní část vinutí je jádro, na kterém jsou umístěny závity drátu, které tvoří vinutí.

Průměr aktivní části vinutí je důležitý pro efektivní provoz elektromotoru. Větší průměr umožňuje více otáček, což vede ke zvýšení výkonu. Příliš velký průměr však může způsobit problémy s instalací a používáním elektromotoru.

Délka aktivní části vinutí také ovlivňuje výkon elektromotoru. Delší vinutí vytváří větší odpor proudu, což může snížit výkon. Proto by měla být optimální délka vinutí zvolena s ohledem na požadovaný výkon a účinnost elektromotoru.

Při navrhování stejnosměrných motorů je důležité vyvážit průměr a délku aktivní části vinutí, aby se dosáhlo optimálního výkonu a provozní účinnosti. Kromě toho je třeba při určování výkonu motoru zohlednit i další faktory, jako je materiál jádra a typ vinutí.

Počet závitů vinutí

Počet závitů vinutí určuje elektrický odpor vinutí a tím i sílu proudu, který jím prochází. Čím větší je počet závitů, tím vyšší je odpor a tím menší proud prochází vinutím. Výkon elektromotoru je zase úměrný druhé mocnině proudu. S rostoucím počtem závitů vinutí se tedy snižuje síla proudu, což vede ke snížení výkonu.

Je však třeba poznamenat, že pokud je počet závitů vinutí příliš velký, vzniká problém s izolací vodičů a zvyšuje se riziko zkratu. Hlavním cílem při volbě počtu závitů vinutí je dosáhnout optimální rovnováhy mezi odporem vinutí a jeho výkonem.

Konstrukce a materiál kotvy

Kotva se skládá z jádra a magnetizovatelného kroužku, na kterém jsou umístěna vinutí. Jádro je obvykle vyrobeno ze železa nebo oceli, což zajišťuje vysokou pevnost a magnetickou vodivost.

Materiál vinutí kotvy má velký význam pro efektivní provoz elektromotoru. Jedním z nejběžnějších provedení je použití měděných vodičů, které mají nízký odpor a dobrou tepelnou vodivost. To umožňuje snížit ztráty energie a zvýšit účinnost provozu.

Kromě toho lze pro zvýšení výkonu a výkonu použít kotvy s více vinutími. To umožňuje větší magnetické pole a zvýšený točivý moment. Zvýšení počtu vinutí také umožňuje lepší chlazení kotvy a snižuje pravděpodobnost přehřátí.

Při výběru konstrukce a materiálu kotvy je důležité zvážit požadavky na výkon, spolehlivost a provozní podmínky. Vysoce kvalitní kotva vyrobená z vhodných materiálů zajišťuje stabilní provoz elektromotoru a jeho vysoký výkon.