4 - Kolektorski stroji

4. KOLEKTORSKI STROJI 4. 1. Zgradba enosmernega stroja

Poenostavljen presek dvopolnega enosmernega stroja

Enosmerni stroj je sestavljen iz statorja in iz rotorja. Stator je mirujoči del stroja in je sestavljen iz statorskega jarma in polov na katere so fiksirani in polovi čevlji. Stator je iz masivnega železa, saj je navitje na njem vzbujano z enosmernim tokom. Na polih statorja je navito vzbujalno navitje. Oblika polovih čevljev je takšna, da leži cel rotor v magnetnem polju. Rotor je iz lameliranega železa. Vanj so vstruženi utori, v katere je vstavljeno glavno navitje ali navitje kotve. Navitje kotve je sestavljeno iz večjega števila tuljav, katerih odcepi so vezani na lamele. Lamele sestavljajo kolektor. Lamele so iz bakra in so fiksirane na rotorsko os. Med sabo so izolirane. Izgled vrtečega komutatorja z lamelami in njihovo drsenje po mirujočih ščetkah prikazuje leva slika. Desna slika pa prikazuje drugačen pogled na drsenje mirujočih ščetk po lamelah komutatorja, ki se vrti.

Po kolektorju (lamelah) drsijo ščetke, ki so fiksirane na stator, torej so nepremične. Sklop kolektor - ščetke imenujemo komutator.

73

4. 2. Delovanje enosmernega generatorja Generator je električni stroj, ki na osnovi dinamične elektromagnetne indukcije spreminja mehansko energijo v električno. Navitje statorja vzbujamo z enosmernim tokom in proizvede močno magnetno polje, ki se sklene preko rotorja. Konci tuljav rotorja so povezani na lamele kolektorja, ki so med seboj izolirane. Lamele rotorja med vrtenjem drsijo po ščetkah, preko katerih generatorska napetost potiska tok porabnikom. To situacijo poenostavljene sheme prikazuje spodnja slika, kjer porabnik predstavlja žarnica.

Ko se navitje rotorja vrti v magnetnem polju, ki ga povzroča stator, se v njem inducira napetost: e = B⋅ v⋅l Zanka se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca in v njej se inducira tok po pravilu desne roke. Njegova smer je vrisana v sliko. Na naslednji sliki je prikazan enosmerni generator, kjer vzbujamo statorsko navitje z lastnim tokom, ki ga proizvaja generator. V rotorski tuljavi se inducira napetost. V legi 2 je sekanja silnic pravokotno in je inducirana napetost največja. V legi 3 je kot sekanja silnic enak nič stopinj in je inducirana napetost tudi nič. V legi 1 je inducirana napetost zopet nič in zato lego 1 – 3 imenujemo nevtralna cona (n). V nevtralni coni ležita mirujoči ščetki. Ko se rotorjevo navitje zavrti za kot 180°, se zamenja smer napetosti na ščetkah in ostaja tako vedno pozitivna.

74

Iz opisane situacije lahko povzamemo, da je inducirana napetost v rotorskem navitju sicer izmenična, vendar jo sistem kolektor – ščetke mehansko usmeri.

Enosmerni generator ima na rotorju več tuljavic. Na ščetkah se inducirane napetosti seštevajo. Večje kot je število tuljav na rotorju in več kot je komutatorjevih lamel, bolj je enosmerna rotorska napetost enakomerna. V narisanem primeru ene rotorske tuljave na rotorju je enosmerna inducirana napetost zelo popačena. Dve tuljavi bi prinesli že bistveno izboljšanje razmer. Izkušnje pa kažejo, da je napetost dovolj konstantna, če pride na en pol statorja vsaj 8 – 10 polov: N ≥ 10 2⋅p

4. 3. Delovanje enosmernega motorja

segment navitja rotorja kolektor segment kolektorja ščetke

Ko elektromotor priključimo na izvor električne napetosti, steče električni tok preko ščetk in segmentov kolektorja skozi navitji rotorja. Navitje statorja je lahko vezano zaporedno ali vzporedno z navitjem rotorja, njegova naloga pa je ustvariti močno magnetno polje, ki se bo zaključevalo preko rotorja. S tem se ustvari že znani pojav sile na tokovodnik iz osnov elektrotehnike.

Skozi tuljavo v rotorju teče električni tok in ta tuljava se nahaja v močnem magnetnem polju, ki ga povzroča stator. Na rotorsko tuljavo deluje tokovna sila: F = B⋅ I ⋅ l

(N)

Smer sile pa je določena s pravilom leve roke, kot kaže slika.

75

F

D

F

Tuljava ima svoj začetek in konec, bo nanjo deloval par sil, kot kaže desna slika. Tako se bo ustvaril vrtilni moment M, ki bo rotor zavrtel:

M = F⋅

D D + F ⋅ = F ⋅ D (Nm) 2 2

D … premer rotorja (m) Ko pride tuljavica v nevtralno cono, nanjo ne deluje sila (B = 0), vendar se zaradi vztrajnosti momenta zavrti naprej. Ko tuljavica preide nevtralno cono, se zamenjata lameli pod ščetkama in se spremeni tudi smer toka, zato je smer sile in vrtilnega momenta nespremenjena.

4. 4. Napetostna enačba za motor in generator Napetost na sponkah generatorja U znaša: U = E − I a ⋅ R a − ∆U šč kjer pomeni: E - Inducirana napetost v rotorskem navitju (V) I a ⋅ R a - Padec napetosti v navitju rotorja – navitju armature (V) ∆U šč - Padec napetosti na ščetkah (V) Pri motorju velja obratno, saj se pritisnjena napetost porabi kot padec napetosti na ščetkah in za premagovanje inducirane napetosti v rotorju: U = E + I a ⋅ R a + ∆U šč Padec napetosti na ščetkah v območju normalnega delovanja stroja ni odvisen od velikosti bremenskega toka, ampak je približno konstanten. Odvisen je od vrste ščetk in znaša okoli 2 V. Ugotovimo, da je inducirana napetost pri generatorju večja, pri motorju pa manjša od napetosti na sponkah. Razliko predstavlja padec napetosti v enosmernem stroju. 76

4. 5. Reakcija kotve V primeru, ko enosmerni stroj obremenimo, bo v navitju rotorja (kotve) stekel bremenski tok. Ta tok z ovoji kotve ustvari novo - prečno magnetno polje Φp, saj eno obstaja že od statorskega navitja, ki ga imamo že v praznem teku (vzdolžno magnetno polje Φ). Oba magnetna polja skupaj povzročita rezultirajoče magnetno polje Φs. Situacija je lepo razvidna iz slike a, kjer nazornost dopolnjuje še kazalčni diagram.

Kot vidimo iz slike b, na kateri je narisano rezultirajoče magnetno polje, se spremeni tudi nevtralna lega ščetk (n-n) za kot α. Škodljiv pojav reakcije kotve ima štiri nezaželjene posledice: - zmanjšanje inducirane napetosti E, - premik nevtralne cone, - povečanje izgub v železu in - povečanje napetosti med lamelami. Zmanjšanje inducirane napetosti: Celotno magnetno polje se zaradi pojava reakcije kotve na eni strani zmanjša, na drugi pa poveča. Pri obremenjenem stroju je skupni magnetni fluks nekoliko manjši, kot v praznem teku, zato se zmanjša inducirana napetost. Premik nevtralne cone: Premik nevtralne cone smo videli že zgoraj. Pri motorju se premakne v smeri vrtenja, pri generatorju pa proti smeri vrtenja. Kot premika je odvisen od velikosti bremenskega kota. Zaradi premika nevtralne lege je potrebno premakniti ščetke, sicer imamo opravka z iskrenjem. Povečanje izgub v železu rotorja: Izgube nastopajo že v praznem teku in so premosorazmerne z gostoto magnetnega pretoka (B2). Gostota se v železnem jedru spreminja tako kot inducirana napetost, kar pomeni, da se bo v enem delu povečala, v drugem pa zmanjšala. Zaradi kvadratne odvisnosti (B2) je povečanje večje od zmanjšanja in so skupne izgube v železu večje od tistih v praznem teku.

77

Povečanje napetosti med lamelami: Magnetno polje pod zračno režo ni homogeno v stanju obremenjenega stroja. Ko se tuljavica nahaja direktno pod magnetnim poljem pola, se v njej inducira največja napetost. Ta napetost se lahko pojavi med sosednjima lamelama, kamor je tuljavica priključena. Če je ta napetost prevelika, lahko med lamelama preskoči iskra, ki se razvije v lok. Dopustna napetost je 16 – 18 V, večja pa že lahko povzroči električni lok. Kolektorski lok oziroma iskrenje lahko povzroči uničenje kolektorja in ščetk. Na pojav lahko vplivamo tako, da poskrbimo za dobro izolacijo med lamelami in inducirana napetost ne sme biti prevelika.

4. 6. Ukrepi za odpravo posledic reakcije kotve Nezaželjene posledice reakcije kotve smo spoznali. Istočasno so bile ob problemih navedene tudi nekatere rešitve, kako ta pojav omejiti. V ta namen uporabljamo več ukrepov, ki si jih bomo pogledali v nadaljevanju, vendar nobeden od njih ni univerzalen, da bi odpravljal vse štiri probleme. Ukrepi za odpravo posledic reakcije kotve so: - premik ščetk, - kompaudno navitje, - kompenzacijsko navitje in - pomožni poli. Premik ščetk: Spoznali smo že dejstvo, da se zaradi reakcije kotve premakne nevtralna cona. Če ščetk ne bi ustrezno premaknili, bi tuljavica komutirala v majhnem magnetnem polju, zato se pod ščetkami iskri. Rešitev problema je torej lahko premaknitev ščetk, ki pa rešuje le en problem reakcije kotve, poleg tega pa se s premikom ščetk pojavita tudi dva nova problema: - premik ščetk velja le za določeno obremenitev in - premik ščetk dodatno zmanjša magnetno polje in stem tudi inducirano napetost.

Iz tega sledi, da je premik ščetk nepomemben ukrep, ki ga redko uporabljamo. Kompaudno navitje: To je navitje z malo ovoji velikega preseka, ki je nameščeno na glavne vzbujalne pole in je povezano zaporedno z rotorskim navitjem, da teče po njem rotorski bremenski tok. Kompaudno navitje Vzbujalno navitje

Ob obremenitvi bi se fluks zaradi reakcije kotve zmanjšal. Ker kompaudno navitje pomaga vzbujati, ostane fluks in tudi inducirana napetost nespremenjena. Kompaudno navitje mora imeti pravo število ovojev za določen tip stroja. Slabost tega ukrepa je v tem, da zopet odpravljamo samo eno posledico reakcijo kotve. Kljub temu pa ta način pogosto uporabljamo pri motorjih manjših moči.

78

Kompenzacijsko navitje: To je navitje, ki ga vstavimo v utore vzbujalnih polov. Kompenzacijsko navitje je vezano zaporedno z navitjem rotorja tako, da je smer toka nasprotna, kot v navitju rotorja. Tako se magnetni napetosti uničujeta na celotni širini polovega čevlja. Ostane sicer majhna razlika magnetnih napetosti, ki pa ne povzroča bistvenega polja, ker je tam velika magnetna upornost.

Kompenzacijsko navitje

Sliki prikazujeta namestitev in delovanje kompenzacijskega navitja (levo) in presek glavnega pola z utori za kompenzacijsko navitje (desno). Izvedba kompenzacijskega navitja je komplicirana in tudi draga, vendar odpravlja skoraj vse posledice reakcije kotve. Zaradi visoke cene uporabljamo ta ukrep le pri strojih, kjer je to zaradi teže pogona neizogibno. Pomožni poli: Delujejo podobno kot kompenzacijsko navitje in odpravljajo posledice reakcije kotve. Vzbujalno navitje Navitje pomožnih polov

Navitje kotve

Pomožni poli so ozki poli, ki se nahajajo med glavnimi v nevtralni coni. Na njih se nahaja malo ovojev debele žice, ki so vezani zaporedno z navitjem rotorja tako, da je smer toka nasprotna, kot v navitju rotorja. Tako se magnetni napetosti med seboj uničujeta. S tem izboljšamo komutacijo, istočasno pa tudi odpravljamo posledice reakcije kotve.

Podobno kot smo že ugotovili pri kompenzacijskem navitju velja tudi za pomožne pole, da je to najboljša varianta za odpravo posledic reakcije kotve. Možna je seveda najboljša možnost: to je kombinacija kompaudnega navitja, kompenzacijskega navitja in pomožnih polov. 79

kompaudno navitje vzbujalno navitje kompenzacijsko navitje navitje pomožnih polov

navitje kotve

Posamezni ukrepi za odpravo vpliva reakcije kotve se v praksi kažejo: - stroji do cca 1 kW so brez pomožnih polov in brez kompenzacijskega navitja, - s pomožnimi poli je večina enosmernih strojev in - s pomožnimi poli in kompenzacijskim navitjem imamo stroje velikih moči (npr. 1 MW), ki služijo za pogone lokomotiv.

4. 7. Komutacija Komutacija se imenuje proces, pri kateri se spremeni v tuljavici smer toka, ko preide nevtralno cono. Značilni trenutki prehoda so prikazani na sliki:

Slika prikazuje tri značilne trenutke prehoda lamel preko ščetke, ko nastopi komutacija. Najbolj kritična je seveda situacija b) ko prehaja ščetka iz ene lamele na drugo. Takrat se spreminja smer toka, kar povzroči iskrenje pod ščetkami, kar lahko povzroči uničenje kolektorja.

80

Če bi se tok pri prehodu ščetk enakomerno spreminjal, bi imel stroj linearno komutacijo.

i1

Linearna komutacija

Iv i

i2

Tk

V resnici se tok pri prehodu ne spreminja enakomerno, saj zaradi prehoda lamel pod ščetkami nastopi sprememba smeri toka in s tem magnetnega polja. To povzroči indukcijo. Linearna komutacija tako preide v nelinearno, katere posledica je iskrenje pod ščetkami. nelinearna komutacija Iv

linearna komutacija - Iv

Tk

Da potek toka spremenimo, postavimo med glavne še pomožne ali komutacijske pole. Na njih namestimo malo ovojev z velikim presekom in jih vežemo zaporedno z navitjem rotorja. Bremenski tok skozi te ovoje povzroča majhno magnetno polje, ki inducira v komutirajoči tuljavici napetost nasprotne smeri, kot je zaradi lastne indukcije. S tem ukrepom obrnemo proces spreminjanja toka v komutacijskem času. Tok v tuljavici se hitro zmanjša na nič, nato pa počasi naraste na svojo vrednost. Tudi taka komutacija je krivuljčna, vendar pospešena. Dobra stran pomožnih polov je v tem, da ne uničijo samo napetosti lastne indukcije v komutirajajoči tuljavici, ampak kompenzirajo še preostalo reakcijo kotve v sredini rotorja. Poleg rešitve za odpravo posledic komutacije poznamo še naslednje možnosti: - premik ščetk iz nevtralne lege (v uporabi je za stroje manjših moči s konstantno obremenitvijo), - uporaba lameliranih ščetk (to so tanke med seboj izolirane oglene lamele, ki ne smejo biti debelejše od debeline izolacije med dvema kolektorskima lamelama in do neke mere rešujejo težave komutacije pri strojih manjših moči).

81

4. 8. Vrste vzbujanj enosmernih strojev Omenili smo že, da so enosmerni stroji lahko generatorji ali motorji, odvisno od načina pretvarjanja energije. Stroji pa se lahko med seboj po svojih obratovalnih lastnostih zelo razlikujejo, kar je odvisno od načina vzbujanja, s čimer ustvarjamo magnetno polje. Poznamo: - tuje vzbujanje, - vzporedno vzbujanje, - zaporedno vzbujanje in - mešano ali kombinirano vzbujanje. Lastnosti posameznih vzbujanj bomo spoznali pri posameznih izvedbah generatorjev in motorjev, v tej fazi pa si bomo pogledali tipične lastnosti posameznih vzbujanj. Tuje vzbujanje

Tuje vzbujanje ima stroj takrat, kadar vzbujalno navitje priključimo na poseben vir enosmerne napetosti. Vzbujalni tokokrog je popolnoma ločen od rotorskega. Tako je vzbujalni tok odvisen samo od vzbujalne napetosti in upornosti vzbujalnega kroga. Vir enosmerne napetosti je lahko enosmerni generator, akumulator ali kak drug enosmerni vir. Stroj s takim vzbujanjem imenujemo tuje vzbujan enosmerni stroj. Vzporedno vzbujanje

Pri tej vrsti vzbujanja je vzbujalno navitje priključeno na sponki stroja – to je na ščetki, kamor je preko lamel priključeno tudi rotorsko navitje. Tako je napetost na sponkah stroja istočasno tudi napetost, ki poganja vzbujalni tok. Vzbujalni tok lahko preko nastavljivega ohmskega upora tudi spreminjamo. Stroj s takim vzbujanjem imenujemo vzporedno vzbujan enosmerni stroj. Zaporedno vzbujanje

Pri tej vrsti vzbujanja je vzbujalno navitje vezano zaporedno v rotorski tokokrog in je rotorski tok istočasno tudi vzbujalni tok. Rotorki tok določa breme in ga ne moremo spreminjati. Vzbujalni fluks je zato možno spreminjati samo s spreminjanjem števila ovojev vzbujalnega navitja ali s souporom, ki ga vežemo vzporedno z vzbujalnim navitjem. Stroj s takim vzbujanjem imenujemo zaporedno vzbujan enosmerni stroj. Mešano ali kombinirano vzbujanje

Posebnost takega stroja je, da lahko kombiniramo tuje in vzporedno ter vzporedno in zaporedno vzbujanje. Možno je kombinirati celo vse tri načine. Najpogostejša varianta je vzporedno ali zaporedno vzbujanje. Stroj s takim vzbujanjem imenujemo mešano vzbujan ali kompaudiran enosmerni stroj.

4. 9. Označevanje sponk enosmernih strojev Za pravilno označevanje sponk različnih navitij enosmernih strojev uporabljamo IEC priporočila, ki jih prikazuje naslednja tabela:

82

Vrsta navitja Rotorsko navitje Navitje pomožnih polov Kompenzacijsko navitje Navitje za zaporedno vzbujanje Navitje za vzporedno vzbujanje Navitje za tuje vzbujanje

Oznaka po IEC A1 – A2 B1 – B2 C1 – C2 D1 – D2 E1 – E2 F1 – F2

4. 10. Karakteristika praznega teka To je osnovna karakteristika stroja, ki daje odvisnost inducirane napetosti na sponkah stroja od vzbujalnega toka pri konstantni hitrosti vrtenja.

E0 (Φ ) n = konst.

Iv (Θ )

Glede na potek karakteristike praznega teka (KPT) ugotovimo tudi lastnosti magnetnega kroga. Inducirana napetost je odvisna od fluksa: E = k ⋅Φ⋅n

Začetni, linearnejši del karakteristike magnetenja je premica, njen naklon pa je odvisen od velikosti zračne reže. Dokler železo ne pride v nasičenje, nima praktično nobene magnetne upornosti. Tedaj je vsa magnetna upornost v zračni reži med poli in rotorjem. Ko prihaja železo v nasičenje, se njegova magnetna upornost veča, veča se tudi skupna magnetna upornost in fluks narašča vse počasneje. Pri močno nasičenem železu je fluks praktično konstanten, četudi se spreminja vzbujalni tok.

83

E0 (Φ )

Iv (Θ )

Za različne hitrosti vrtenja so tudi karakteristike različne.

4. 11. Tuje vzbujan enosmerni generator E U

n = konst. Ia = konst.

Iv Osnovna shema tuje vzbujanega generatorja

Karakteristika praznega teka (KPT)

Generator vzbudimo z navitjem, ki ga napajamo iz tujega vira enosmerne napetosti. Ob priklopu bremena steče po rotorskem navitju bremenski tok, pojavi se reakcija kotve in to pomeni zmanjšanje inducirane napetosti. To se lepo vidi iz KPT. Padec napetosti v stroju lahko zapišemo z enačbo: ∆U = I a ⋅ R a + ∆U šč Padec napetosti v rotorju predstavlja razdalja ac, dejansko napetost na sponkah generatorja pa razdalja cd.

84

Najpomembnejša je zunanja karakteristika generatorja, ki prikazuje odvisnost napetosti na sponkah generatorja od bremenskega toka pri konstantnih vrtljajih in konstantnem vzbujanju. Na karakteristiki se lepo vidi upad inducirane napetosti zaradi reakcije kotve (ab). To zmanjšanje je (2 – 5) %.

n = konst. Iv = konst.

Ia Za tuje vzbujan generator velja, da ima kot generator dobre lastnosti. Slabost je, da potrebuje poseben vir napajanja.

4. 12. Vzporedno vzbujan enosmerni generator Vzbujalno navitje je priključeno na sponki generatorja, zato ima enako napetost kot na navitju rotorskega tokokroga. Rvkr

Premica samovzbujanja

KPT

Rv

Iv Generator se prvič ne more sam vzbuditi, ker na sponkah ni nobene napetosti. Zato moramo vzbujalno navitje za kratek čas priključiti na tuji vir enosmerne napetosti. Ta napetost požene majhen vzbujalni tok, zaradi katerega se napetost poveča, večja napetost pa požene še večji vzbujalni tok. Napetost na sponkah narašča in z njim vred tudi vzbujalni tok. Dogajanje imenujemo proces samovzbujanja. Če bi imel generator nekaj predhodnega remanentnega magnetizma (Erem), bi se lahko vzbudil sam brez tujega izvora. Napetost na katero se bo generator vzbudil v praznem teku je določena s presečiščem karakteristike praznega teka in premice samovzbujanja (točka a). Če se upornost vzbujalnega tokokroga veča, se napetost na sponkah generatorja manjša. Karakteristika Rv je vedno bolj strma. Ko doseže kritično vrednost (Rvkr), se premica 85

samovzbujanja pokrije z linearnim delom KPT. Takrat delovna točka ni enolično določena in generatorju se pri najmanjši obremenitvi napetost na sponkah zruši na nič. Podobno situacijo povzročijo tudi premajhni vrtljaji generatorja, medtem ko upornost ostaja konstantna.

Generator lahko stabilno obratuje le z napetostmi, ki so v nelinearnem delu KPT. To majhno območje lahko razširimo s posebno oblikovanimi poli, ki imajo v delu preseka zračno režo.

Zunanja karakteristika generatorja z vzporednim vzbujanjem je podobna zunanji karakteristiki generatorja s tujim vzbujanjem, vendar je mehkejša. Z naraščanjem bremenskega toka I pada inducirana napetost in z njo vzbujalni tok. Pri določenem toku bremena se napetost sesede in tok pade v točko kratkega stika.

4. 13. Zaporedno vzbujan enosmerni generator Ta se ne uporablja, ker ima neugodno zunanjo karakteristiko.

4. 14. Generator s sestavljenim (kompaudnim) vzbujanjem Pri sestavljenem vzbujanju imamo naslednji možnosti: - zaporedno vzbujalno navitje podpira vzporednega in - zaporedno vzbujalno navitje nasprotuje vzporednemu.

i0 a) kompaudirani generator b) nadkompaudirani generator c) podkompaudirani generator d) protikompaudirani generator

86

Primeri a, b in c v zunanji karakteristiki prikazujejo primer, ko serijsko navitje podpira paralelnega. V primeru d (protikompaudiran generator) pa napetost z obremenitvijo močno pada. Za napajanje enosmernih mrež uporabljamo enosmerni kompaudirani generator s karakteristiko a.

4. 15. Tuje vzbujan enosmerni motor Priključen je na enosmerno mrežo, vzbujalno navitje pa napaja nek drug enosmerni vir, zato vzbujalni tokokrog nima nič skupnega z glavnim. Za vse enosmerne motorje velja enačba: U = E + ∆U Inducirano napetost lahko določimo tudi z izrazom: E = k e ⋅ Φ gl ⋅ n Tako lahko izrazimo enačbo za vrtljaje: n =

E k e ⋅ Φ gl

Iz te enačbe sledi, da se bo motor vedno vrtel s tolikšnimi vrtljaji n, da se bo pri določenem vzbujalnem fluksu inducirala potrebna napetost E. Bremenski tok skozi navitje kotve je določen z bremenskim momentom in vzbujanjem: M = k M ⋅ Φ gl ⋅ I a

n I

I (M)

c n0

b a

M

Karakteristika c prikazuje situacijo, ko se pojavi močna reakcija kotve in se vrtljaji motorja z večanjem obremenitve večajo. Tako delovanje je nestabilno. Karakteristika b prikazuje situacijo, ko se inducirana napetost E in fluks z večanjem obremenitve enako hitro manjšata in ostajajo vrtljaji neodvisno od obremenitve konstantni. Karakteristika a prikazuje podobno situacijo kot karakteristika b in je slabša reakcija kotve. Tako se magnetni fluks počasneje spreminja od inducirane napetosti in se z večanjem obremenitve vrtljaji blago manjšajo.

4. 16. Motor s paralelnim vzbujanjem Paralelni vzbujalni krog napaja ista napetost kot kotvo. Če je skupna napetost mreže dovolj toga, potem ni bistvenih razlik med paralelnim in tuje vzbujanim motorjem. Razlika je le v izračunu toka motorja. Pri tujem vzbujanju je tok mreže enak toku motorja (I = Ia), pri paralelnem vzbujanju pa je I = Ia + Iv

87

I (M)

n I

n0

n (M)

Iv = I0 M

4. 17. Motor z zaporednim vzbujanjem

Zaporedno vzbujan motor ima vzbujalno navitje vezano zaporedno s kotvo, zato je tok, ki ga jemlje iz mreže istočasno tudi tok kotve in vzbujalni tok: Ia = Iv = I.

V normalnem področju obratovanja železo ni nasičeno, zato je vzbujalni fluks premosorazmeren s tokom, vrtilni moment pa s kvadratom toka: Φ = k1 ⋅ I

⇒

M = k m Φ gl ⋅ I a = k 2 ⋅ I 2

I = k3 ⋅ M

in

Φ = k4 ⋅ M

Število vrtljajev je določeno z izrazom: n=

E E = ke ⋅ Φ k5 ⋅ M

Pri obremenitvah do nazivne obremenitve so padci napetosti majhni, inducirana napetost E je praktično enaka priključni in vrtljaji so obratno sorazmerni s fluksom oz. obremenitvijo. Zunanja karakteristika je hiperbola. Z večanjem obremenitve se vrtljaji manjšajo.V praznem teku pa se lahko vrtljaji zelo povečajo – pravimo, da motor pobegne. Zaradi tega se lahko razleti kolektor.

88

n I

n (M) I (M)

Iv = I0 M

Uporabnost motorja s serijskim vzbujanjem je za el. vleko.

4. 18. Motor s sestavljenim (kompaudnim) vzbujanjem

Tak motor ima poleg paralelnega še serijsko vzbujalno navitje, ki je priključeno tako, da podpira vzporednega in poganja dodatni fluks v isto smer – motor ni nikdar protikompaudiran.

n

Zunanja karakteristika združuje lastnosti vzporednega in zaporednega motorja. Podobna je bolj ali manj eni oziroma drugi pač odvisno od tega, v koliki meri sodeluje pri vzbujanju posamezno navitje.

n0

a

S kombinacijo serijskega in paralelnega navitja zagotovo skonstruiramo motor, ki zadošča zahtevam pogona.

b c M

89

4. 19. Zagon enosmernih motorjev Podobno kot pri asinhronskem stroju se tudi pri kolektorskem stroju pojavijo težave pri zagonu, če gre za stroj večjih moči. Posledica je velik zagonski kratkostični tok, ki lahko doseže tudi do 50 kratno vrednost nazivnega toka. Rotorski kratkostični tok je odvisen samo od upornosti rotorskega navitja in priključne napetosti, ni pa odvisen od obratovalnega stanja stroja (prazen tek ali obremenitev). Preveliki zagonski tokovi imajo določene negativne posledice: - močno segrevanje rotorskih navitij, - povzroča ogromen zagonski moment, zaradi katerega so ležaji mehansko preobremenjeni, - pojavi se nedopusten padec napetosti v omrežju, - močno škoduje kolektorju. Logična ugotovitev je, da je potrebno motorjem večjih moči omejevati zagonski tok. Rešitve so naslednje: - znižanje priključne napetosti (to uporabimo pri tuje vzbujanem motorju), - vključevanje ohmskega upora v rotorski tokokrog z več stopnjami (to uporabimo pri vzporedno vzbujanih in kompaudiranih motorjih).

4. 20. Regulacija števila vrtljajev enosmernih motorjev Mnogo je primerov pogonov izvedenih z enosmernimi motorji, ko nastopi potreba po regulacija vrtljajev. S katerimi veličinami lahko vplivamo na vrtljaje, je lepo razvidno iz enačbe za inducirano napetost: E = k e ⋅ Φ gl ⋅ n

⇒

n=

U − I a ⋅ R a − ∆U šč E = k e ⋅ Φ gl k e ⋅ Φ gl

Iz izpeljane enačbe sledi, da lahko vrtljaje spreminjamo na tri načine: - s spremembo priključne napetosti na sponkah motorja (U), - s spremembo padca napetosti (∆U), - s spremembo vzbujalnega fluksa (Φgl). Regulacija s spremembo priključne napetosti na sponkah motorja Ta način reguliranja vrtljajev je zelo ugoden, saj lahko vrtljaje spreminjamo od nič pa do nazivnih vrtljajev. Potrebujemo vir enosmerne napetosti, ki je lahko enosmerni generator ali krmiljen tiristorski usmernik, ki ga napajamo z izmenično mrežo. Če večamo priključno napetost od nič do nazivne vrednosti, se bodo tako spreminjali tudi vrtljaji pod pogojem, da je motor nazivno vzbujen. Ko je motor vzbujen z nazivnim fluksom, je električni moment, s katerim lahko dela motor enak nazivnemu in ni odvisen od vrtljajev:

M = k m Φ gl ⋅ I a = M n

Regulacija s spremembo padca napetosti Padec napetosti v rotorskem tokokrogu dosežemo tako, da v rotorski tokokrog vključimo ohmski upor. Na uporu nastane padec napetosti in je napetost na rotorskem navitju manjša od pritisnjene. Tako je manjše tudi število vrtlajev. Pri vključevanju upora v rotorski tokokrog moramo paziti, da pri vzporedno in mešano vzbujanem generatorju ne oslabimo vzbujalnega fluksa.

90

Prednost tega načina reguliranja vrtljajev je, da lahko upore za reguliranje uporabimo tudi za zagon motorjev. Regulacija s spremembo vzbujalnega fluksa Tudi na ta način je možno regulirati vrtljaje in sicer tako, da vzbujalni fluks zmanjšujemo. Pri tuje vzbujanih, paralelno vzbujanih in kompaudiranih motorjih večamo upornost vzbujalnega tokokroga in tako zmanjšujemo fluks. Pri serijskih motorjih pa priključimo upor paralelno z vzbujalnim navitjem. Pri regulaciji fluksa ne smemo pozabiti, da se zmanjša moment, s katerim lahko motor trajno dela, če zmanjšujemo fluks: M ↓ = k m ⋅ Φ gl↓ ⋅ I a

4. 21. Zaviranje z enosmernimi motorji V nekaterih motorkih pogonih morajo enosmerni motorji tudi zavirati (spuščanje bremena, vožnja navzdol …). Poznamo tri načine zaviranja: - generatorsko zaviranje, - uporovno zaviranje in - protitočno zaviranje. Generatorsko zaviranje Če se število vrtljajev enosmernega motorja toliko poveča, da postane inducirana napetost večja od pritisnjene, dela enosmerni stroj kot generator. Tako pretvarja mehansko energijo v električno in pri tem zavira. Zavorni moment je tem večji, čim večji je tok oziroma čim večje je število vrtljajev. Na ta način ne morejo zavirati enosmerni motorji z zaporednim vzbujanjem. Omejitev pri tem zaviranju je, da ne moremo zavirati do končne ustavitve stroja. Uporovno zaviranje Pri uporovnem zaviranju odklopimo stroj iz omrežja, na njegovi sponki priključimo ohmski upor, vzbujalno navitje pa na tuji vir. V tem primeru dela stroj kot tuje vzbujan generator. Tak generator pretvarja mehansko energijo v električno, ta pa se porabi za segrevanje stroja in pri tem zavira. Tudi pri tem zaviranju ne moremo zavirati do končne ustavitve stroja. Protitočno zaviranje To zaviranje nastane, kadar žene breme rotor v nasprotno smer, kot je določeno z vezavo navitja. V taki situaciji moramo v rotorski tokokrog vključiti dodaten ohmski upor, pri čemer moramo paziti, da motor ne pride v kratek stik. Tak primer bi nastal, če bi vbujalno navitje odklopili, motor pa bi ostal priključen na električno omrežje.

91

4. 22. Izmenični kolektorski motorji Enofazni zaporedni kolektorski motor

Enofazni zaporedni kolektorski motorji se zelo veliko uporabljajo v gospodinjstvih, zdravstvu, obrti . povsod tam, kjer uporabljamo motorje majhnih moči (5 – 300 W). Normalne izvedbe imajo vrtljaje 1500 vrt/min, obstajajo pa celo izvedbe z 20000 vrtljaji ali pa še več. Posebnost teh motorjev je tudi izvedba za zelo velike moči, saj jih v nekaterih državah uporabljajo za električno vleko (do 1 MW). Sestava izmeničnega kolektorskega stroja je najlepše vidna iz slike priključka na izmenično omrežje. U~ (D1) (D2)

Φ gl

(C2)

(C1) (A1)

Ra

(A2)

(B2) (B1)

Glavno vzbujalno navitje (D1, D2) je vezano zaporedno z navitjem kotve (A1, A2). V glavni tokokrog sta vključeni še kompenzacijsko navitje (C1, C2) in navitje pomožnih polov (B1, B2). Pri izmeničnih kolektorskih motorjih je kompenzacijsko navitje veliko bolj potrebno, kot pri enosmernih, zato ga imajo vsi motorji moči nad 500 W. Glavni fluks je tokrat izmeničen, zato je potrebno lamelirati tudi stator, ki je pri enosmernem vzbujanju lahko bil masiven (zaradi vrtinčnih tokov).

Kompenzacijsko navitje

Vzbujalno navitje

Ko motor priključimo na izmenično napetost, steče izmenični tok, ki povzroči izmenično pulzirajoče magnetno polje. Posledica je tokovna sila, ki zavrti rotor. Ko se v naslednji 92

poplperiodi spremenita smeri toka in vzbujalnega fluksa, ostane smer vzbujalnega momenta nespremenjena: M = k m ⋅ (−Φ gl ) ⋅ (−I a ) = k m ⋅ Φ gl ⋅ I a Tako deluje električni moment vedno v isti smeri in poganja rotor.

Dokler železo ne pride v nasičenje, je vrtilni moment premosorazmeren s kvadratom toka kot pri enosmernem motorju, zato je podobna tudi zunanja karakteristika. Ugotavljamo, da ima enosmerni zaporedni kolektorski motor tipične lastnosti zaporednih enosmernih motorjev: - ima mehko zunanjo karakteristiko, - v praznem teku lahko pobegne, - ima velik zagonski moment in - pri konstantnem bremenskem momentu lahko vrtljaje spreminjamo s spreminjanjem priključne napetosti. Problem zaporednih izmeničnih kolektorskih motorjev je intenzivnejša komutacija kot pri enosmernih, saj se skozi komutirajačo tuljavico sklepa celotni magnetni fluks, ki v njej inducira napetost, ki ni odvisna od vrtljajev, ampak samo od frekvence. Te napetosti ni možno kompenzirati in trajno vpliva na komutacijo. Zato se tudi kolektor pri izmeničnih komutatorskih strojih izrablja hitreje kot pri enosmernih. Časovni potek toka v eni tuljavici izmeničnega kolektorskega motorja izgleda:

i

Tk

Tk

Tk

93

Univerzalni motor

Univerzalni motor je dobil ime po svoji resnični univerzalnosti, to je možnosti priključitve na enosmerno in izmenično napetost. Stator in rotor sta zaradi možnosti izmeničnega fluksa lamelirana. Sicer ima stroj kot običajni kolektorski stroj rotorsko navitje, na statorju pa imamo oblikovana izražena pola, kamor namestimo vzbujalno navitje, ki je razdeljeno na dve enaki polovici. Take motorje izdelujejo izključno kot dvopolne brez kompenzacijskega navitja in pomožnih polov za manjše moči (nekaj 10 W do največ 100 W ali nekaj več).

Tako izgleda oblika pločevine univerzalnega motorja.

Takšni motorji manjših moči imajo težave pri komutaciji, ki jih lahko odpravimo s premikom ščetk. Težava je le v tem, da se lahko ti motorji potem uporabljajo le za eno smer vrtenja. Prednost take izvedbe pa je, da jo lahko uporabimo za večjo moč – približno do 1000 W ali nekaj več. Univerzalni motorji največkrat nimajo lastnega ohišja, ampak so vgrajeni v delovni stroj. Izdelujejo jih za vrtljaje 1500 do 40000 vrt./min, uporabljamo pa jih za sesalce, male gospodinjske aparate, ročne vrtalne ali brusilne stroje, brivnike … Univerzalni motorji imajo podobne lastnosti na enosmernem in izmeničnem omrežju – razlike niso velike. Ob predpostavki, da sta efektivni vrednosti izmenične napetosti in toka enaki enosmerni napetosti oz.toku, bo imel motor pri enaki obremenitvi na izmeničnem omrežju nekoliko manjše vrtljaje: n ~ = n − ⋅ cos ϕ Če želimo, da ima motor enake vrtljaje v enosmerni in izmenični mreži, moramo ob enosmernem napajanju povečati število ovojev vzbujalnega navitja. Dejstvo pa je, da univerzalne motorje priklapljamo v glavnem na izmenično napetost. Problema pobega pri univerzalnih motorjih ne poznamo, ker so mehanske izgube dovolj velike, da omejijo vrtljaje na določeno vrednost, saj znašajo 15 – 20 % moči motorja. Regulacija števila vrtljajev je možna. Običajno jo izvajamo s preduporom in je tako napetost na motorju manjša od priključne.

94