Obsah

Linky
1. Transformátor
2. Elektromotory a generátory
Otázky na opakovanie

Linky

1. Učebný text na wikipédii: http://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
2. Animácia výroby motorov: http://www.youtube.com/watch?v=yDLrGMyj5ZI
3. Aasynchrónny elektromotor ... zapojenie: http://home.tiscali.cz/cz076422/zapoj/zapoj.htm , http://www.etmslovensko.sk/index.php/rubriky/energetika/449-oznaenie-vyv... , http://diskuse.elektrika.cz/index.php/topic,10219.0.html . výkon, sklz: http://referaty-seminarky.sk/asynchronne-stroje--mo-20/ , motorové kondenzátory: http://www.edunet.souepl.cz/~weisz/dilna/e_vyp/rozkond.php
4. Lineárne elektromotor ... princíp lineárneho krokového motora: http://pavel.lasakovi.com/projekty/elektrotechnika/linearni-motor/ , ukážka činnosti lineárnych krokových motorov: http://www.youtube.com/watch?v=TPCgbfWZ6IQ , ukážka princípu levitácie a pohybu lineárneho motoru: http://www.youtube.com/watch?v=IPkaWKk2Hio

1. Transformátor

Transformátor je netočivý elektrický stroj, ktorý mení veľkosti striedavých napätí a prúdov.

2.1. Príklady použitia v praxi

http://www.klasici.sk/sites/default/files/TransformatorPrax.png

2.2. Princíp a časti

1. Primárne vinutie (vstupná cievka) vytvára meniace sa magnetické pole privedeným striedavým prúdom. Je navinuté na jadre a je od neho elektricky izolované.
2. Jadro prenáša energiu pomocou meniaceho sa magnetického poľa. Je vyrobené z magneticky mäkkého materiálu. Na zníženie strát vírivými prúdmi sa používajú lakované tenké plechy alebo ferit. Jadro môže mať tvar obdĺžnikov alebo môže byť toroidné = kruhové. Maximálny výkon transformátora je daný aj prierezom jadra a frekvenciou prúdu.
3. Sekundárne vinutie (výstupná cievka) je tiež navinuté na jadre. Indukuje sa v ňom striedavý prúd.

2.3. Návrh 1-fázového transformátora

Prevod transformátora p je pomer počtu závitov výstupnej N₂ a vstupnej N₁ cievky. Od prevodu transformátora závisí pomer výstupných a vstupných napätí a prúdov: p = N₂ / N₁ = U₂ / U₁ = I₁ / I₂ . Podľa prevodu delíme transformátory na znižujúce napätie p < 1, zväčšujúce p > 1 a oddeľovacie p = 1.

Príklad: Transformátor má vinutia: N1 = 2 300, N2 = 120, U1 = 230 V. Aké bude výstupné napätie U2?
U2 = U1 . N2 / N1 = 230 V . 120 / 2 300 = 12 V

Počet závitov na 1 Volt pre 50 Hz prúd sa ráta:

n = 45 / S ..... n - počet závitov, S - plocha prierezu jadra cievky (cm2)

Príklad: Transformátor 230 V / 12 V má jadro s prierezom 10 cm2. Koľko závitov treba pre cievky?

• počet závitov pre 1 volt: n = 45 / S = 45 / 10 = 4,5 závitov na volt
• cievka 230 V: n1 = 230 . 4,5 = 1 035 závitov
• cievka 12 V: n2 = 12 . 4,5 = 54 závitov

2.4. 3-fázový transformátor

Vnútorné zapojenie vinutí:

Zapojenie transformátora:

2. Elektromotory a generátory

Elektromotor je pohyblivý elektrický stroj, ktorý premieňa elektrickú energiu na mechanický pohyp. Generátor má opačný princíp.

3.1 Synchrónne stroje

Princíp:

Synchrónny stroj je točivý elektrický stroj, v ktorom sa magentické polia vinutí statora aj rotora otáčajú rovnakou uhlovou rýchlosťou, t.j. synchrónne.

1. Motorická prevádzka: Statorové vinutie vytvorí otáčavé magnetické pole, ktoré rotuje s frekvenciou napájacej siete. 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 motora, jeho krútiaci moment.
2. Generátorická prevádzka: Pri zaťažení generátora sa otáčky rotora nezmenia, iba statorové pole zaostáva za rotorovým o záťažný uhol.

Konštrukcia:

Stator je zložený z dynamových plechov, ktoré sú od seba vzájomne elektricky izolované kôli minimalizácii strát vírivými prúdmi. Na vnútornom obvode sú drážkované. V drážkach statora je rovnomerne rozmiestnené trojfázové statorové vinutie, zväčša pripojené na trojfázové verejnú elektrizačnú sieť. Rotor (nazývaný aj kotva)je vyrobený ako výkovok z masívnej ocele, 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.

Vyhotovenia

1. rýchlobežné - 2 a 4 pólové, hladký rotor, vinutie v drážkach
2. pomalobežné - 8 a viac pólové, pólové nástavce, tzv. vyjadrené póly

Vyrábajú sa 2, 4 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).

3.2. Alternátor

Alternátor je generátor, ktorý vyrába striedavý elektrický prúd.

Princíp: Elektrický prúd vzniká v statore ak sa otáča rotor s (elektro)magnetom. Ide o princíp elektromagnetickej indukcie.

Alternátory v elektrárňach:

• v tepelnej elektrárni je vodorovne pripojený na parnú turbínu, celok sa nazýva turboalternátor
• vo vodnej elektrárni je zvislo spojený s vodnou turbínou, cez prevod musí byť pripojený motor ktorý udržuje presné otáčky
• vo veternej turbíne je umiestnený za vrtuľou

Automobilový alternátor má vinutia pripojené na usmerňovač a je konštruovaný tak že dodáva skoro jednosmerné stabilné napätie. Vzhľadom na meniace sa otáčky musí obsahovať regulátor ktorý zabezpečí konštantné napätie na výstupe.

Pólové nádstavce sú vysunuté pliešky jadra (elektro)magnetu, ktoré môžu nahradiť viacej (elektro)magnetov.

3.3. Synchrónny elektromotor

Princíp: Rotor elektromotora je tvorený (elektro)magnetom, do statora sa privádza prúd a vzniká v ňom rotujúce magnetické pole.

Nevýhody:

• neroztočia sa sami, treba ich roztočiť na pracovné otáčky iným motorom, alebo pomocným asynchrónnym rozbehovým vinutím,
• pri veľkej záťaži zastanú.

Použitie v praxi:

1. krokový motor - do jednej alebo dvoch protiľahlých vinutí statora sa privedie prúd, vznikne elektromagnet a ten pritiahne kotvu (rotor). V tejto polohe kotva stojí, dokiaľ sa neprivedie prúd do susedného vynutia. Rotor sa znovu posunie, robí krok. Využitie v presnej mechanike, regulačnej technike, robotike a pod.
2. servomotor (servo) je motor u ktorého možno nastaviť presnú polohu osi. Ovládajú sa ním napríklad posuvy u CNC strojov, nastavenie čítacej hlavičky v pevnom disku, v RC modeloch. Synchronny servomotor obsahuje permanentný magnet na báze vzácnych zemín (najčastejšie neodym - železo - bór). Motor možno niekoľkonásobne momentovo preťažiť a preto je vhodný na dynamicky náročné úlohy.

3.4. Jednosmerný elektromotor

1. Motor s permanentným magnetom v statore: Stator tvorí permanentný magnet. Rotor tvorí elektromagnet s pólami. Elektrický prúd do cievok rotora je privádzaný cez komutátor. Komutátor je rotačný prepínač vinutí, viď predchádzajúce učivo. Výkon motora je daný veľkosťou magnetu, preto sa používa iba pre malé motorčeky – v modelárstve, hračkách, ventilátoroch. Motor možno napájať iba jednosmerným napätím. Smer otáčania motora sa dosiahne prepólovaním motora, čiže zmenou polarity napájacieho napätia.
2. Motor s elektromagnetom v statore: Stator je tvorený elektromagnetom ktorý môže mať ľubovoľnú veľkosť. Motor sa používa vo veľkých strojoch. Elektromotor možno napájať aj striedavým napätím, pretože prepólovaním statora sa prepóluje aj rotor a motor sa otáča stále tým istým smerom. Smer otáčania motora nemožno meniť prepólovaním motora.

Zapojenie statora a rotora:

U sériovo zapojeného statora sa krútiaci moment motora slabne s otáčkami, stojaci motor má najväčší záber. Motor sa používa ako štartér v aute, alebo ako trakčný pohon – vlak, metro, električka, trolejbus.

U paralelne (derivačne) zapojeného statora sú otáčky menej závislé od záťaže motora. Navyše je možné prúd statora samostatne regulovať. Preto sa tento typ motora používa v strojoch, kde sú požadované rovnomerné otáčky.

3.5. Komutátor

Komutátor prepína vinutia rotora tak, aby boli kolmé na smer magnetického poľa. V dyname je komutátor mechanický usmerňovač striedavého prúdu.

Časti komutátora:

1. lamely - kovové plôšky na otáčajúcom sa valci, k lamelám sú pripojené jednotlivé vinutia
2. kefky - privádzajú prúd na lamely

3.6. Dynamo

Dynamo sa skladá zo statora tvoreného magnetom alebo elektromagnetom a rotora s vinutím a komutátorom. Konštrukčne sa v podstate jedná o jednosmerný elektromotor používaný k opačnému účelu.

Až do nástupu polovodičových usmerňovačov bolo dynamo najvýznamnejším zdrojom elektrickej energie. Komutátor funguje ako mechanický usmerňovač, prepína vinutia rotora tak, aby boli kolmé na smer magnetického poľa.

Zapojenie vinutí dynama:

Podla spôsobu zapojenia statora delíme dynamá na:

1. dynamo s permanentným magnetom
2. dynamo s cudzím budením - budiaci prúd zaisťovalo iné menšie dynamo
3. derivačné dynamo - budiace vinutie zapojené paralelne so záťažou, vhodné pre malé prúdové odbery
4. sériové dynamo - budiace vinutie zapojené do série so záťažou.
5. kompaudné dynamo - kombinácia derivačného a sériového dynama. Jednalo sa o bežný typ v doprave a u strojov, kde je veľmi premenlivá záťaž.

3.7. Asychrónny elektromtor

Asynchrónny motor má jednoduchú konštrukciu, preto je spoľahlivý. Používa sa v domácnostiach, priemysle, doprave. Jeho výkon sa pohybuje od stoviek wattov až do mnoho sto kilowattov. Tento druh motora postupne vytláča sériový elektromotor, používaný hlavne v pohonoch dopravných zariadení (jednosmerné napájanie je elektronicky pretransformované na striedavé).

Najbežnejšia konštrukcia a princíp: Stator obsahuje trojfázové vinutie, ktoré vytvára otáčajúce sa magnetické pole. Rotor obsahuje klietku nakrátko, čo sú hrubé vodiče na koncoch skratované pospájaním. Rotor sa otáča pomalšie ako točivé pole statora, preto sa v ňom indukuje prúd a vzniká točivá sila. Pomer rozdielu otáčok rotora a magnetické poľa, ku otáčkam poľa rotora, sa nazýva sklz (S) a vyjadruje sa v %. Sklz je minimálny pri nezaťaženom motore, sila rotora je slabá, motor odoberá malý prúd. So záťažou rastie sklz, sila aj odoberaný prúd. Názov asynchrónny elektromotor vznikol z faktu ze otáčky rotora nikdy nebudú synchrónne s otáčajúcim sa poľom, budú nižšie.

Zapojenie 3-fázového motora pre správny smer otáčania:

Zapojenie do trojuholníka D:

Zapojenie do hviezdy Y:

Motor sa zapája podľa štítku, do trojuholníka alebo hviezdy a na vyznačené napätie. Medzi privádzanými fázami do motora je vždy združené napätie (400 V). Pri zapojení do hviezdy sa toto napätie rozloží na vinutiach, ako nižšie fázové napätie (230 V). Pri zapojení do trojuholníka je na vinutiach združené napätie (400 V). Ak je motor vinutý pre trojuholník (400 V), môže sa zapojiť do hviezdy a bude mať iba 1/3 výkon. Ak je motor vinutý pre hviezdu (230 V), nemôže sa pripojiť do trojuholníka, lebo by zhorel. Ak je motor určený na iné napätie než je používané v sieti, možno ho dať previnúť. Ak prehodíme ktorékoľvek dva prívodné fázy, motor sa bude otáčať opačne.

Točivé magnetické pole sa dá vytvoriť aj použitím 1 fázy a kondenzátoru.

Zapojenie 1-fázového elektromotoru s kondenzátorom:

Zapojenie 3-fázového motoru s kondenzátorom. Rozbehový moment motoru se sníži o 30-40% a výkon poklesne na 70-80%:

Veľkosť kapacity kondenzátora sa vypočíta: C = 10⁹ . P . tg ϕ / (2 . π . f . U²) ... [μF, W, -, Hz, V]

Príklad: Vypočítajte kapacitu kondenzátora potrebného na pripojenie elektromotora s výkonom 100 W a účinníkom 0,85 na 1 fázu s napätím 230 V.

• cos ϕ = 0,85 ... ϕ = 31,8° ... tan ϕ = 0,62
• C = 10⁹ . P . tg ϕ / (2 . π . f . U²) = 10⁹ . 100 W . 0,62 / (2 . 3,14 . 50 Hz . (230 V)² ) = 3 732 μF = 3,7 F

3.8. Lineárny elektromotor

- je mnohopólový elektromotor "v rozvinutom stave". Stator elektromotora je roztiahnutý do dĺžky. Motor sa netočí, pohyb je vykonávaný v rovine. Jedna časť lineárneho motora je inštalovaná v pohyblivej časti (rotor), druhá je súčasťou pohybovej dráhy (stator). Výhodou je že nemá zberač prúdu. Využíva sa napr. v doprave pre pohon vlakov na magnetickom vankúši (skúšobný okruh rýchlovlaku MAGLEV je vybudovaný pri Hamburgu v Nemecku).

3. Otázky na opakovanie

1. Aký účel má primárna cievka, sekundárna cievka a jadro transformátora?
2. Nakreslite vnútorné zapojenie transformátora hviezda - trojuholník, Yd.
3. Akým spsôsobom sa reguluje výkon synchrónneho elektromotora?
4. Akým spôsobom sa reguluje generované napätie alternátora?
5. Aké otáčky bude mať 8-pólový synchrónny elektromotor zapojený na 50 Hz zdroj napätia?
6. Aký účel majú pólové nástavce?
7. Aký účel má komutátor v elektromotore a v dyname?
8. Aké časti má komutátor a aký majú účel?
9. Uveďte po 1 príklade použitia pre krokový motor a servotoro v praxi.
10. Aký je rozdiel vo vlastnopstiach medzi sériovým a paralelným zapojením jednosmerného elektromotora?
11. Aký je rozdiel vo vlastnopstiach medzi sériovým a paralelným zapojením jednosmerného dynama?
12. Aký typ jednosmerného elektromotoru možno použiť pre striedavý prúd?
13. Na čo je klietka v asynchrónnom elektromotore? Treba ju napájať prúdom?
14. Ako sa mení krútiaci moment v asynchrónnom elektromtore, ak rastie zaťaženia hriadeľa? Zdôvodnite prečo.
15. Aké časti má lineárny elektromotor a aký tvar majú tieto časti (okrúhle, rovné)?
16. Uveďte 2 príklady použitia lineárneho elektromotora.