Točivý elektrický stroj

Všeobecný popis

Elektrický točivý stroj je elektro-mechanické zariadenia, ktoré slúži na premenu elektrickej energie na mechanickú (motory) a opačne (generátory). Mechanická energia je zastúpená točivým mechanickým momentom na hriadeli stroja.

Konštrukčne ide o zariadenia tvorené statickou (stator) a točivou (rotor) časťou. Stator býva zvyčajne pevne prichytený k okolitým konštrukčným prvkom (o podložku a pod.), v jeho vnútri je valcová dutina pre rotor (tzv. vŕtanie stroja) a na jeho koncoch sú v osi umiestnené ložiská pre hriadeľ rotora. Rotor je pevne spojený s hriadeľom, pomocou ktorého sa prenáša mechanický krútiaci moment (mechanická energia). Vo všeobecnosti sú v drážkach statora aj rotora uložené elektrické vinutia, ktorých počet, usporiadanie a napájanie závisia od druhu stroja.

Elektrické točivé stoje zahŕňajú nemalú skupinu strojov, ktoré sa medzi sebou odlišujú princípom činnosti, použitým druhom napätia v hlavnom vinutí stroja (jednosmerné, striedavé), výkonom (malý, stredný, veľký), účelom použitia (stroje na všeobecné použitie, stroje so špecifickým účelom použitia, riadiace stroje).

Rozdelenie

Rozdelenie podľa princípu činnosti:

• synchrónne stroje
• asynchrónne stroje (indukčné stroje)
• jednosmerné stroje
• striedavé komutátorové stroje

Synchrónne stroje

Sú to stroje, ktoré majú v prevádzke konštantné otáčky rovné frekvencií napájacej siete (synchrónne otáčky).

• konštrukcia

Stator (nazývaný aj kotva) je zložený z dynamových plechov, ktoré sú od seba vzájomne elektricky izolované (minimalizovanie nežiadúcich strát vírivými prúdmi) a na vnútornom obvode sú drážkované. V drážkach statora je rovnomerne rozmiestnené trojfázové statorové vinutie, zväčša pripojené na trojfázové verejnú elektrizačnú sieť. Rotor je vyrobený ako výkovok z masívnej ocele, tiež je drážkovaný ale len z 2/3 svojho obvodu, pričom drážky tvoria dve protiľahlé oblasti. V nich je vložené jednosmerné rotorové vinutie, ktoré je pripojené na dva krúžky umiestnené na hriadeli a cez zberné ústrojenstvo (kefy) napájané jednosmerným prúdom z autonómneho zdroja.

• princíp činnosti

V motorickej prevádzke statorové vinutie pretekané trojfázovým prúdom vytvorí vo vŕtaní stroja otáčavé magnetické pole, ktoré rotuje synchrónnou frekvenciou, teda frekvenciou napájacej siete. Rotorové vinutie (nazývané aj budiace vinutie) vytvára magnetický dvojpól, ktorého polarita je stála. Rotor sa nachádza vo vŕtaní stroja, teda pole statora interaguje s poľom rotora, čoho výsledkom je otáčanie rotora synchrónnymi otáčkami. Pri zaťažení sa otáčky rotora nezmenia, iba vznikne odchýlka rotorového poľa voči statorovému (rotor zaostáva za statorom), vyjadrená pomocou záťažného uhla. Zvyšovaním budiaceho prúdu v budiacom vinutí sa zvyšuje výkon synchrónneho motora (zvýšením mechanického krútiaceho momentu na hriadeli stroja) a znižuje sa magnetizačný výkon (nazývaný tiež jalový výkon) odoberaný zo siete, potrebný na vytvorenie a udržanie magnetického poľa statora. V tzv. prebudenej prevádzke stroj neodoberá zo siete magnetizačný výkon, ale ho do nej generuje. V generátorickej prevádzke je rotor, pretekaný budiacim prúdom, mechanicky otáčaný pohonným zariadením (napr. turbínou). Statorové vinutie je pripojené na trojfázovú sieť. Pri zaťažení generátora sa otáčky rotora nezmenia, iba statorové pole zaostáva za rotorovým o záťažný uhol. Teda generátor produkuje činný elektrický výkon, ktorý rastie so zvyšovaním budiaceho prúdu, pritom magnetizačný výkon pre statorové pole môže byť zo siete odoberaný alebo do siete generovaný tiež v závislosti od budenia.

• osobitosti vyhotovenia

Vyrábajú sa dvoj-, štvor- a viacpólové stroje, prevažne s veľkým počtom drážok statora. Vinutie statora býva jednovrstvové alebo dvojvrstvové, ktoré môže mať navyše skrátený krok vinutia. Rotor rýchlobežných strojov (dvoj- a štvorpólové) je valcového tvaru s budiacim vinutím v drážkach, nazýva sa hladký rotor. Vzduchová medzera medzi rotorom a statorom je konštantná. Rotor pomalobežných strojov (viacpólové) má na valcovom základe po obvode rovnomerne rozmiestnené pólové nástavce, ktoré nesú budiace vinutie. Takýto rotor sa nazýva rotor s vyjadrenými pólmi. Vzduchová medzera medzi rotorom a statorom nie je na všetkých miestach rovnaká, čo spôsobuje značne odlišné charakteristiky stroja oproti stroju s hladkým rotorom.

• regulácia

Jediný regulačný parameter je veľkosť budiaceho prúdu. Ním ovplyvňujeme výkon stroja, generovanie magnetizačného výkonu a ak synchrónny stroj pracuje ako generátor do autonómnej siete, tak sa navyše menia otáčky stroja a napätie na svorkách statorového vinutia.

• použitie

Synchrónne stroje sa využívajú ako generátory trojfázového napätia a prúdu vo všetkých turbínových elektrárňach s výnimkou elektrických generátorov s veľmi malým výkonom a veterných elektrární. Vodné elektrárne využívajú pomalobežné stroje s rotorom s vyjadrenými pólmi (nazývané aj hydroalternátory), ostatné elektrárne používajú rýchlobežné stroje s hladkým rotorom (turboalternátory).

Asynchrónne stroje (indukčné stroje)

Prvé pomenovanie vyjaduje vzťah otáčok stroja ku frekvencií napájacej siete, teda v prevádzke nie sú jeho otáčky synchrónne, navyše sú závislé na zaťažení stroja. Druhé pomenovanie vystihuje princíp činnosti stroja.

• konštrukcia

Stator je konštrukčne rovnaký ako stator synchrónneho stroja, rovnaké je aj vinutie statora. Rotor (kotva) je zložený z izolovaných plechov. Je drážkovaný po celom obvode, pričom v drážkach je vložené troj- alebo viacfázové rotorové vinutie. Toto vinutie je v prevádzke spojené nakrátko (skratované).

• princíp činnosti

Statorové vinutie, napájané z trojfázovej siete, vytvorí vo vŕtaní stroja otáčavé magnetické pole so synchrónnou frekvenciou otáčania. Vo vinutí rotora, ktorý sa nachádza v tomto poli, sa indukuje elektrické napätie. Keďže je obvod rotora uzatvorený, preteká vodičmi vinutia rotora prúd. Magnetické pole statora pôsobí na tieto prúdovodiče silou, ktorá vytvorí mechanický krútiaci moment na hriadeli stroja. Silové pôsobenie poľa na vinutie rotora s indukovaným prúdom závisí na veľkosti zmeny magnetického toku viazaného vinutím. Táto zmena magnetického toku je nenulová len pri rozdielnych otáčkach poľa statora a rotora. Preto asynchrónny motor nedosahuje synchrónne otáčky, teda pracuje v podsynchrónnej oblasti. Asynchrónny generátor generuje elektrický výkon až v nadsynchrónnej oblasti otáčok.

• osobitosti vyhotovenia

Stroje s vinutým rotorom (trojfázové) majú toto vinutie pripojené na tri krúžky a pomocou kief vyvedené na svorkovnicu stroja. Tu je pripojený rotorový spúšťač, ktorý sa využíva pri nábehu na zvýšenie záberového momentu stroja a obmedzenie záberového prúdu. Takto sú konštruované prevažne stroje s vyšším výkonom. Stroje s viacfázovým vinutím rotora už nemajú toto vinutie realizované pomocou medených cievok, ale je odliate z hliníka, na oboch koncoch rotora spojené hliníkovými kruhmi. Tým vzniká elektricky uzatvorený systém, nazývaný klietka a stroje v takomto vyhotovení sú stroje s klietkovým rotorom. Keďže rotorový obvod nie je zvonku prístupný, funkciu rotorového spúšťača spĺňa špeciálne tvarovaná klietka (využíva sa jav nazývaný skinefekt). Ide o stroje s nižším výkonom. Jednofázové stroje majú namiesto trojfázového statorového vinutia len jednofázové. Takéto vinutie nevytvára otáčavé magnetické pole, nedokáže stroj rozbehnúť, avšak pri behu vytvára krútiaci moment a dokáže udržať stroj v chode. Preto sa na rozbeh požíva pomocné statorové vinutie v sérií zapojené s rozbehovým kondenzátorom. Po nábehu stroja je toto vinutie odpojené. Používajú sa len jednofázové motory. Ich rotor je výhradne klietkový. Takto sú konštruované všetky asynchrónne motory určené pre pripojenie na jednofázový rozvod elektrickej energie.

• regulácia

Hlavný regulačný parameter je frekvencia napájacej siete, pomocou ktorej je možné regulovať otáčky stroja v širokom rozmedzí, pričom sa negatívne neovplyvňuje účinnosť motora (tvrdá bezstratová regulácia). Regulátorom frekvencie je napr. frekvenčný menič. Ďalší spôsob regulácie otáčok stroja je zaradenie prídavných rezistorov do rotorového obvodu. Ide o stratovú reguláciu, pretože sa zníži výkon stroja, navyše je realizovateľná len u strojov s vinutým rotorom.

• použitie

Asynchrónne stroje sa využívajú hlavne ako pohonné motory v priemyselnej výrobe. Ďalej sú to takmer všetky motory pre jednofázovú sieť, teda elektrické pohony domácich spotrebičov (chladnička, práčka, ...). Indukčné stroje v generátorickej prevádzke sa používajú ako generátory vo veterných elektrárňach.

Jednosmerné stroje

Sú to elektrické točivé stroje, napájané z jednosmernej siete.

• konštrukcia

Stator je z masívnej ocele, pričom nie je drážkovaný, ale má vyjadrené póly (pólové nástavce). Vinutie statora (budiace vinutie) je napájané z jednosmerného zdroja. Rotor (kotva) je tiež zložený z plechov, je drážkovaný a v drážkach je uložené rotorové vinutie (buď slučkový alebo vlnivý typ vinutia). Toto je po určitých pravidelných úsekoch vyvedené na lamely komutátora. Rotor je napájaný jednosmerným prúdom, cez kefový zberací systém na komutátore.

• princíp činnosti

Budiace vinutie statora vytvára statické magnetické pole. Rotor je síce napájaný jednosmerným prúdom, ale komutátor zabezpečí striedanie polarity napätia na jednotlivých cievkach vinutia, teda rotorové vinutie je pretekané striedavým prúdom. Charakter poľa rotora je taký, aby zabezpečoval v interakcií s poľom statora, otáčanie rotora v určitom smere (závisí od polarity napájania statora a rotora). V generátorickej prevádzke je napájané len budiace vinutie, rotor je mechanicky poháňaný, pričom sa v cievkach vinutia indukuje striedavé napätie, ktoré je komutátorom usmernené a na svorkách stroja sa objaví jednosmerné napätie.

• osobitosti vyhotovenia

Jednosmerné stroje sa používajú v rôznych zapojeniach, ktoré vyjadrujú spriahnutosť statorového a rotorového obvodu. Najpoužívanejšie sú:

Cudzobudený stroj – obvod budenia je napájaný nezávisle od obvodu rotora.

Derivačný stroj – obvod budenia je napájaný z toho istého zdroja ako obvod rotora.

Sériový stroj – obvod budenia je v sérii s obvodom rotora (jeden napájací zdroj).

Kompoundný stroj – má dva obvody budenia, pričom jeden je zapojený ako derivačný a druhý ako sériový.

Každé zo zapojení má iné zaťažovacie a regulačné charakteristiky, pričom aj možnosti regulácie a použitia sú rôzne. Stator jednosmerných strojov môže byť dvoj-, štvor- a viacpólový. Stroje menších výkonov môžu mať namiesto statora s budiacim vinutím permanentný magnet. Niektoré jednosmerné motory, používané najmä v elektronike, majú otáčajúci sa stator (z permanentných magnetov) a statický rotor s elektronickou komutáciou (napr. ventilátory v PC). Používajú sa tiež mikro-motory, kde je vinutie rotora vytvarované priamo na doske plošného spoja.

• regulácia

Hlavný regulačný parameter je napájacie napätie rotora. Zabezpečuje reguláciu otáčok stroja v širokom rozmedzí bez negatívneho vplyvu na účinnosť stroja. Ďalším typom je regulácia budenia. Ide o tvrdú a bezstratovú reguláciu avšak v úzkom rozmedzí otáčok. Regulácia prídavnými odpormi v rotorovom obvode je mäkká a stratová

• použitie

Veľké jednosmerné motory sa používajú v elektrickej trakcií (sériové zapojenie alebo zapojenie Ward-Leonard). Derivačné dynamá sú zdrojmi pre zváracie systémy. Špeciálny význam v elektronike majú jednosmerné motory ako polohovacie a regulačné zariadenia (servomotory).

Striedavé komutátorové stroje

Ide o hybridy indukčných a jednosmerných strojov, pričom sú napájané zo striedavej siete.

• konštrukcia

Stator je rovnaký ako stator indukčného stroja, u menších strojov môže mať vyjadrené póly. Rotor je rovnaký ako rotor jednosmerného stroja, rozdiel je len v počte a rozložení komutátorových kief.

• princíp činnosti

Ide o veľmi špecifickú súčinnosť poľa statora a rotora.

• osobitosti vyhotovenia

Používajú sa hlavne dva typy:

Jednofázový sériový komutátorový motor – motor napájaný z jednofázovej siete, stator a rotor sú sériovo radené. Motor má zvyčajne vysoké otáčky a je označovaný ako univerzálny.

Trojfázový komutátorový motor – motor napájaný z trojfázovej siete. Stator a rotor majú samostatné napájanie, pričom jedno z nich je regulovateľné.

• regulácia

Najväčšou výhodou tohoto typu elektrických točivých strojov je regulácia napätím v striedavej sieti. Otáčky je možné regulovať aj v podsynchrónnej aj v nadsynchrónnej oblasti.

• použitie

Striedavé komutátorové stroje pracujú výhradne v motorickej prevádzke. Jednofázový sériový komutátorový motor sa používa v domácich spotrebičoch (mixér, vysávač, ...), trojfázový komutátorový motor sa využíva len na špeciálne účely, keď je nevyhnutné napätím regulovať trojfázový motor.