Střední odborné učiliště stavební, odborné učiliště a učiliště

1. Střední odborné učiliště stavební, odborné učiliště a učiliště Sabinovo náměstí 16 360 09 Karlovy Vary Vladimíra Vinterová odborná učitelka uvádí pro TP2 tuto výukovou prezentaci : Elektrické stroje a zařízení

2. Stejnosměrné a střídavé stroje, jejich využití v dřevozpracujícím průmyslu S t e j n o s m ě r n é s t r o j e • Tyto stroje mají v současné době stále větší význam. Stejnosměrné motory se používají všude tam, kde je nutná velká tažná síla a kde je nutno otáčky stroje plynule měnit. Jde zejména o elektrické lokomotivy, trolejbusy, pohony tažných strojů a pohony s regulovatelným počtem otáček. • Protože proud v rozvodných sítích je třífázový, musíme jej pro pohon stejnosměrných motorů usměrnit v usměrňovačích (rtuťových, germanových, křemíkových) nebo vyrobit v dynamu poháněném motorem (motorgenerátorem).

3. Stejnosměrné stroje • Každý stejnosměrný motor může pracovat i jako generátor (dynamo) pro výrobu stejnosměrného proudu, čehož se využívá zejména v galvanovnách a při nabíjení akumulátorů.

4. Stejnosměrné stroje Hlavní části stejnosměrného stroje (viz obrázek A na další straně) jsou: • 1. S t a t o r - skládá se ze skříně (magnetového tělesa) a pólů s cívkami připevněnými k vnitřní straně skříně. • 2. R o t o r s k o m u t á t o r e m se skládá z dynamových plechů a ze žlábků na obvodu, v nichž je uloženo vinutí. Cívky vinutí jsou připojeny k lamelám komutátoru. Mezi lamelami jsou izolační vložky. Na komutátoru je tolik řad kartáčů, kolik má stroj pólů. Všechny kartáče souhlasné polarity jsou mezi sebou spojeny. Teplo, které ve vodičích v rotoru a v komutátoru vzniká, se odvádí proudem vzduchu z ventilátoru.

5. Stejnosměrné stroje • A – řez stejnosměrným motorem • 1 – magnetický věnec, • 2 – pól, • 3 – budící cívka, • 4 – hřídel, • 5 – plechy, • 6 – komutátor, • 7 – kolík, • 8 – brýle, • 9 – ventilátor, • 10 – zadní ložiskový kryt, • 11 – přední ložiskový kryt, • 12 – hřídelové ložisko, • 13 – svorkovnice S - spouštěč

6. Stejnosměrné stroje • Princip komutátoru je znázorněn na obrázku B na následující straně. Při otáčení vinutí magnetickém poli se v něm indukuje střídavé napětí. Aby uzavřeným obvodem neprotékal přes kroužky a kartáče střídavý proud, jsou konce cívky připojeny ke dvěma půlkruhovým lamelám (komutátoru). Lamely se otáčejí současně s cívkou a přicházejí střídavě pod kladný a záporný kartáč. Při otáčení pod záporným kartáčem je vždy lamela a na ni je připojena cívka severního pólu. Pod kladným kartáčem je lamela a na ni je připojena cívka jižního pólu. Polarita napětí se proto na kartáčích mění, napětí na nich má stále stejný směr a vnějším obvodem prochází stejnosměrný proud. Aby se zabránilo velkému kolísání proudu, používá se více cívek připojených k většímu počtu lamel.

7. Stejnosměrné stroje • Princip komutátoru

8. Stejnosměrné stroje D r u h y s t e j n o s m ě r n ý c h s t r o j ů • Vzhledem k tomu, že současné době se všeobecně používají stroje na stejnosměrný proud s magnety buzenými elektrickým proudem, rozdělujeme je podle buzení na: • 1. Stroje s cizím buzením, které mají vinutí magnetů napájeno z jiného stejnosměrného zdroje (například z akumulátoru, budiče nebo usměrňovače). Používají se tam, kde se vyžadují rychlé změny napětí, například při napájení motorů tažných strojů.

9. Stejnosměrné stroje • 2. Stroje s vlastním buzením, kde vinutí magnetů je napájeno přímo rotoru. Podle toho, jak je vinutí statoru připojeno k rotoru, rozeznáváme stejnosměrné stroje : • sériové, • derivační a • kompaundní (smíšené).

10. Stejnosměrné stroje • a) S é r i o v é m o t o r y (viz obr.C na následující straně) mají stator a rotor zapojen za sebou (v sérii), celý proud tedy protéká rotorem a budícím vinutím. Proto je tažná síla těchto motorů značně veliká. • Při zvýšené zatížení protéká i vinutím magnetů větší proud, zesílí se též magnetické pole a počet otáček se zmenší. Při odlehčení je to opačné a otáčky se zvýší. Při úplném odlehčení motoru by se otáčky mohly zvýšit natolik, že by se mohl poškodit rotor. Proto lze sériové motory používat jen pro takové pohony, při kterých nemůže dojít k úplnému odlehčení.

11. Stejnosměrné stroje • Sériový motor

12. Stejnosměrné stroje • Výhodou sériových motorů je, že je lze uvádět do chodu zatížené. Spouštěč je v podstatě reostat, který zabraňuje vzniku proudového nárazu v okamžiku, kdy se po zapnutí proudu rotor ještě naplno nerozběhl. U tažných vozidel (například u elektrické lokomotivy) se pro spouštění používají kontroléry, které současně slouží pro regulaci otáček a změnu jejich směru. Sériové motory se používají tam, kde je potřebný velký záběrový moment a velká tažná síla, přičemž nezáleží na poklesu otáček při zatížení. Používají-li se pro pohon vozidel, lze jich využít i pro jejích brzdění. Stávají se tak dynamem, které pro pohon potřebuje mechanickou energii.

13. Stejnosměrné stroje • b) D e r i v a č n í m o t o r y (viz obr.D na následující straně), jejichž vinutí statoru a rotoru je zapojeno vedle sebe (paralelně), mají při měnícím se zatížení přibližně stejné otáčky. Do chodu se uvádějí odporovým spouštěčem zapojeným spolu s vinutím rotoru do série. Cívky statoru jsou zapojeny na síť, proud však musí přicházet přes regulovatelný odpor, jímž se nastavují otáčky motoru. Spouštění, změna směru otáček a brzdění je u derivačních motorů podobné jako u sériových. Velkou výhodou derivačních motorů je možnost plynulé regulace otáček.

14. Stejnosměrné stroje • Derivační motor

15. Stejnosměrné stroje • c) K o m p a u n d n í (smíšené) m o t o r y mají na magnetech sériové á derivační cívky.. Mají proto dvojité vinutí, jímž získávají vlastnosti sériových, nebo derivačních motorů podle toho, které budící vinutí převládá: • Využití stejnosměrných strojů v dřevozpracujícím průmyslu je poměrně malé. Používají se zejména při kolejové dopravě pro pohon elektrických lokomotiv, případně i posunovacích plošin, pro pohon podávacích zařízení, k rámovým pilám (pro plynulou změnu otáček a tím pro plynulý posuv), pro pohon těžkých odvodňovacích strojů při výrobě vláknitých desek, v údržbářských dílnách jako svařovací agregáty apod.

16. Stejnosměrné stroje • Nevýhodou je, že stejnosměrný proud, který potřebují pro svůj provoz se nedá odebírat přímo ze sítě, ale je nutno jej nejdříve usměrnit v usměrňovačích

17. Střídavé stroje S t ř í d a v é s t r o j e • Z hlediska využití těchto strojů v dřevařském průmyslu se zaměříme zejména na střídavé motory. Rozdělujeme je na : • synchronní, • asynchronní a • komutátorové.

18. Střídavé stroje S y n c h r o n n í m o t o r y pracují na následujícím principu (viz obrázek A na následující straně). Uspořádáme-li tři cívky X, Y a Z tak, aby jejich osy byly vzájemně pootočeny o 120° a přivedeme-li do nich třífázový proud, magnetka se bude mezi nimi otáčet. Magnetické pole buzené těmito cívkami bude nejsilnější nejdříve v cívce X, potom postupně v Y a Z; proto je nazýváme točivé magnetické pole. • Výhodou synchronních motorů je stálý počet synchronních otáček, jejich nevýhodou je, že nesnášejí přetížení a pro rozběh potřebují pomocné zařízení. V dřevozpracujícím průmyslu se prakticky nepoužívají.

19. Střídavé stroje • A – princip synchronního motoru

20. Střídavé stroje A s y n c h r o n n í m o t o r y (indukční) jsou nejpoužívanější elektrické stroje ve všech průmyslových oborech. Rozdělujeme je na : • motory s kotvou nakrátko a • motory s kroužkovou kotvou. • Nejčastěji se stavějí jako třífázové nebo jako jednofázové pro malé výkyvy.

21. Střídavé stroje • A s y n c h r o n n í m o t o rs kotvou nakrátko (viz obrázek B na následující straně) má tyto hlavní části: • stator, který se skládá z kostry, statorových plechů, statorového vinutí, ložiskových štítů s ložisky a ze svorkovnice; • rotor se skládá z hřídele rotorových plechů, klece a ventilátorů. • Statorový svazek tvoří mezikruží složené z dynamových plechů. Ve vnitřním obvodu má drážky pro vložení třífázového statorového vinutí, které po připojení na sít vytvoří točivé magnetické pole, a tím i otáčení motoru.

22. Střídavé stroje • B – řez asynchronním motorem s kotvou nakrátko • 1 – svorkovnice, • 2 – statorové vinutí, • 3 – rotor, • 4 – ventilátor, • 5 – ložiskový štít, • 6 – žebrovaná kostra, • 7 – hřídel motoru

23. Střídavé stroje • R o t o r tvoří válec, který je též složen z dynamových plechů. Ve vnějším obvodu má drážky vyplněné vodivými tyčemi. Vodivé tyče, jsou po obou stranách spojeny kruhy a vytvářejí jimi rotorovou klec. • Rotor je od statoru oddělen malou vzduchovou mezerou a otáčí se působením otáčivého magnetického pole. Otáčivý moment se na poháněný stroj přenáší pomocí hřídele uložené ve dvou ložiskách (zpravidla valivých). Ložiska jsou umístěna v ložiskových štítech tvořících součást statorové kostry. Ze zadního ložiskového štítu vyčnívá část hřídele, aby se na ni dala upevnit řemenice nebo část spojky.

24. Střídavé stroje • Do vinutí se proud vede ze svorkovnice zakryté plechovým krytem. Motor je chlazen ventilátorem, který je u uzavřených motorů konstruován tak, aby mohl ofukovat proudem vzduchu žebrovitý povrch kostry. • Přivedením třífázového proudu do vinutí statoru vznikne otáčivě magnetické pole, jelikož siločáry přetínají vodiče rotoru indukují napětí. Toto napětí vyvolává indukovaný proud, a proto se tyto motory nazývají též indukční. Výsledkem působení magnetického pole statoru a rotoru je kroutící moment který roztočí motor.

25. Střídavé stroje • Počet otáček je vždy menší než počet otáček otáčivého magnetického pole.Kdyby byly otáčky stejné, nedocházelo by k přetínání vodičů rotoru siločárami otáčivého magnetického pole a nevznikl by žádný kroutící moment. Rozdíl v počtu otáček magnetického pole a rotoru se nazývá skluz. • Motory s kotvou nakrátko se spouštějí zapnutím vypínače nebo spouštěcím zařízením. Při spouštění vypínačem vzniká v síti v okamžiku zapnutí nežádoucí proudový náraz. Proto vypínačem můžeme spouštět jen motory do výkonu 3 kW. Motory o větších výkonech musí mít spouštěcí zařízení nebo vhodně upravenou klec.

26. Střídavé stroje • Nejrozšířenějším spouštěcím zařízením většíc¨h asynchronních motorů s kotvou nakrátko je přepínač hvězda - trojúhelník (viz obr.C na následující straně), kde při prvním zapnutí do hvězdy se motor pomalu rozběhne a dosáhne-li plného počtu otáček, pootočením se zapne přepínač do trojúhelníku (například přepínač na kotoučové brusce).

27. Střídavé stroje • C – přepínač hvězda - trojúhelník

28. Střídavé stroje • A s y n c h r o n n í m o t o r y s kroužkovou kotvou (s vinutým rotorem) se používají pro větší výkony. Stator těchto motorů se podobá statoru motoru s kotvou nakrátko, odlišná je pouze konstrukce rotoru. • V drážkách rotoru je uloženo třífázové vinutí podobné statorovému, jehož konce jsou připojeny ke třem sběrným kroužkům. Kroužky se dotýkají sběrače (uhlíkové kartáče) a odvádějí proud indukovaný ve vinutí rotoru do odporu spouštěče - reostatu. Protože je rotor vybaven vinutím, které je připojeno na reostat, lze plynule měnit odpor okruhu rotoru během spouštění.

29. Střídavé stroje • Zpočátku spouštění je do okruhu rotoru zapojen celý odpor spouštěče, protože nemůže vzniknout proudový náraz ani u velkých motorů. Při jmenovitých otáčkách potom protéká vinutím rotoru plný indukovaný proud, protože spojovač odklopí sběrače od sběracích kroužků, aby se zbytečně neopotřebovaly. Současně dochází ke spojení rotoru nakrátko.

30. Střídavé stroje • Jednofázově asynchronní motory jsou stejné konstrukce jako třífázové motory, s výjimkou statorového vinutí, které je jednofázové. Magnetické pole jednofázového proudu však není točivé, proto se rotor sám bez zvláštní úpravy nerozběhne. Pro vytvoření kroutícího magnetického pole má rotor ještě spouštěcí vinutí, tzv. pomocnou rozběhovou fázi , která se po rozběhnutí zpravidla samočinně vypíná odstředivým vypínačem. Jednofázové asynchronní motory se stavějí jen pro malé výkony. Používají se pro pohon praček, odstředivek, ledniček apod.

31. Střídavé stroje K o m u t á t o r o v é j e d n o f á z o v é motory jsou motory na střídavý proud s komutátorem. Podobají se sériovým stejnosměrným motorům a mají téměř stejně vlastnosti. U sériových motorů má jednofázový střídavý proud týž účinek jako stejnosměrný proud, protože vinutí statoru i rotoru mění svůj směr současně, směr otáčení rotoru se nemění. Otáčky těchto motorů jsou vysoké (3000 až 12000 min-1 a jejich počet závisí na zatížení.

32. Střídavé stroje • Jednofázové komutátorové motory mohou pracovat na stejnosměrný a střídavý proud, proto se nazývají univerzální motory. Používají se pro malé výkony. Pohánějí malé ventilátory, šicí stroje, domácí elektrické spotřebiče a malé mechanizované nástroje. • Střídavé motory mají v dřevozpracujícím průmyslu velmi široké využití. Převážná většina dřevařských strojů je poháněna třífázovými asynchronními elektromotory o různých výkonech. Výkony těchto motorů se pohybují zhruba od 2,2 do 3 kW u podávacích zařízení, 5,5 až 12 kW u frézovacích strojů a kotoučových pil, 50 kW u odsávacích ventilátorů a až 100 kW u sekaček.

33. Střídavé stroje • Význam těchto motorů pro pohon dřevařských strojů je dán jejich vlastnostmi: • funkčně a konstrukčně jsou velmi jednoduché bez složitých a choulostivých součástek; • provozně jsou spolehlivé, mají malou poruchovost a dobře vzdorují elektrickému a mechanickému poškození; • nevyžadují odbornou obsluhu a jejich údržba je jednoduchá; • lze je lehce a jednoduše ovládat, proto jsou vhodně pro dálkové a automatické řízení; • rozbíhají se samostatně s poměrně dobrým záběhovým momentem, který lze podle potřeby ovlivnit velikostí rotorového odporu; • lze je přetížit nad běžnou míru.

34. Střídavé stroje T r a n s f o r m á t o r y • Transformátory jsou stroje bez pohyblivých částí, které mění napětí střídavého proudu při zachování kmitočtu. Pracují na principu elektromagnetické indukce, ale bez točivého pohybu. • Jednofázový transformátor (viz obr A na následující straně) se skládá z magnetického obvodu, složeného z transformátorových plechů legovaných křemíkem, z vynutí a případně ze svorkovnice. Pro zamezení ztrát vířivými proudy jsou transformátorové plechy od sebe izolovány izolační vrstvou (papírem, lakem apod.).

35. Střídavé stroje • A – jednofázový transformátor

36. Střídavé stroje • Magnetický obvod je uzavřen, bez vzduchových mezer, aby magneticky proud potřebný na vytvoření magnetického toku byl co nejmenší. Na železném jádru jsou vinuty dvě cívky : • vstupní (primární) I a • výstupní (sekundární) II. • Vstupní cívka je připojena napětí U1, které se má transformovat, a a výstupní cívku s transformovaným napětím U2, na se připojuje spotřebič.

37. Střídavé stroje • Poměr indukovaných napětí obou cívek a transformátoru se rovná počtu závitů N a nazývá se převod transformátoru. Vyjadřuje se vztahem : • Napětí se transformuje v přímém poměru k počtu závitů.

38. Střídavé stroje Rozdělení transformátorů • Podle počtu fází transformátory dělíme na : • jednofázové a • třífázové. • Podle chladícího prostředí je dělíme : • na vzduchové a • olejové. • Podle použití je dělíme na : • staniční, • síťové, • regulační a • speciální. • Mezi speciální patří například autotransformátory, výhřevné, měřící, svařovací transformátory apod.

39. Střídavé stroje M ě n i č e • Měniče jsou elektrická zařízení, která rozdělujeme na: • usměrňovače a • střídače. • Usměrňovače mění střídavý proud na stejnosměrný; střídače mění pouze kmitočet střídavého proudu, což je velmi důležité pro pohon vysoce otáčkových dřevoobráběcích strojů (k dosažení vyšších otáček je potřebné zvýšit frekvenci z obvyklých 50 Hz na až 300 Hz).

40. Střídavé stroje • Nejpoužívanější usměrňovače jsou: • motorgenerátory, • jednokotvový měnič (konvertor), • rtuťový usměrňovač, • stykové usměrňovače a zejména • germaniové a křemíkové usměrňovače. • Germaniové a křemíkové usměrňovače nahrazují stykové usměrňovače. Plochá germaniová dioda (viz obr.B na následující straně) se získává tak, že se na germaniový krystal nanese vrstva třímocného prvku, například india, které při zvýšené teplotě vnikne do germania. Takto upraveny krystal propouští proud pouze jedním směrem, je proto usměrňovačem.

41. Střídavé stroje • B – Germaniový usměrňovač : • 1 – přívod, • 2 – koncová destička, • 3 – antimonová pájka, • 4 – vrstva india, • 5 – germaniový krystal

42. Střídavé stroje • Podobným způsobem pracují i křemíkové usměrňovače. Výhodou obou druhů usměrňovačů jsou jejich malé rozměry, velký výkon a vysoká účinnost (např. křemíkový usměrňovač nepatrných rozměrů o výkonu 60 kW má účinnost až 95%). Je-li potřebné usměrnit větší proudy nebo napětí, lze tyto usměrňovače vhodně spojovat.

43. Střídavé stroje • Třífázové asynchronní měniče frekvence (střídače) jsou vytvořeny kombinací třífázového asynchronního motoru s kotvou nakrátko a generátoru. Pohonný motor a vlastní generátor vytvářejí jeden konstrukční celek. Rotory pohonného motoru a generátoru jsou nalisovány na společné hřídeli, která je uložena ve dvou kuličkových ložiskách. Povrch měničů je litinový a pro účinnější chlazení je žebrovaný. • Vstupní frekvence měniče je 50 Hz. • Výstupní frekvence je 100 Hz, 125 Hz, 15f1 Hz, 200 Hz, 250 Hz a 300 Hz.

44. Elektrický ohřev Z d r o j e e l e k t r i c k é h o t e p l a • Elektrickým teplem nazýváme teplo, které vzniká přeměnou z elektrické energie. Využíváme ho v mnohých odvětvích národního hospodářství a v domácnostech. Výhodou elektrického tepla je přesnost, pohotovost, jednoduchá regulovatelnost, čistota, pohodlí a bezpečnost při jeho používání. Bereme-li do úvahy velkou tepelnou účinnost, tj. poměr tepla potřebného k zahřátí látky k celkově vynaložené energii, potom je elektrické teplo nejvýhodnějším způsobem získávám této formy energie.

45. Elektrický ohřev • Při průtoku elektrického proudu tuhými vodiči s odporem R se mění prakticky celý elektrický příkon na Jouleovo-Lenzeovo teplo. Za určitý čas t se vyvine teplo : • kde • Q je vyvinuté teplo (J) • U – napětí (V) • I – proud (A) • t – čas (s)

46. Elektrický ohřev • Dosedíme-li za napětí U z Ohmova zákona součin odporu a proudu, dostaneme : • Kromě Jouleova-Lenzeova tepla existuje ještě infrateplo, které se šíří sáláním. Dalšími zdroji elektrického tepla jsou dielektrické teplo a teplo vyvinuté vířivými proudy.

47. Elektrický ohřev • Dielektrické teplo vzniká v dielektriku (izolantu), na které působí elektrické pole. I když dielektrikem nevede elektrický proud, vzniká v něm po připojení napětí polarizace, jejímž výsledkem je teplo. • Polarizací rozumíme posuv pružně vázaných nábojů ve u elektrického pole. Pro orientaci nábojů je potřebný čas, jenž je rozhodujícím ukazatelem ohřevu dielektrika v závislosti na frekvenci. Při vysokých frekvencích se dielektrikum ohřívá rychle, při nízkých pozvolna. V průmyslu se nejčastěji používají frekvence od 5 do 60 Hz. Uspořádání atomů dielektrika před polarizací a po připojen napětí na dielektrikum je zřejmé z obr.I na následující straně.

48. Elektrický ohřev • Dielektrický ohřev • I – uspořádání atomů dielektrika : • A – před polarizací, • B – po polarizaci

49. Elektrický ohřev • Dielektrické teplo se používá při zpracování plastů, vulkanizaci kaučuku, při sušení materiálů a potravin, pro sterilizaci a konzervaci potravin, při diatermii v lékařství apod. Jeho zvláštností je, že se materiál ohřívá zevnitř.

50. Elektrický ohřev • Teplo vířivých proudů vzniká v každém vodivém materiálu, který podléhá proměnlivému magnetickému poli. V rovinách kolmých na směr magnetického toku se indukují v materiálu vířivé proudy, které jej zahřívají. I v tomto případě vývin tepla závisí na frekvenci proudu, který vytváří magnetický tok.