Elektromekaniska energiomvandlare, speciellt
Elektromekaniska energiomvandlare, speciellt likströmsmaskinen (relevanta delar av kap 7) Inledning • Elektromekanisk omvandlare – en anordning som energimässigt förbinder ett elektriskt och ett mekaniskt system. – som regel roterande elektriska maskiner. • Energitransporten kan ske i båda riktningar – generatordrift då energi transporteras från det mekaniska systemet till det elektriska. – Omvänt betyder motordrift att energi flyttas från det elektriska systemet till det mekaniska. – Omvandlingsprocessen är i princip reversibel, vilket innebär att alla motorer kan användas som generatorer och vice versa. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Magnetiskt eller elektriskt fält? 1. Kraft på en strömförande ledare i ett magnetiskt fält 2. Kraft mellan plattorna i en kondensator Energitätheten per volymsenhet för de båda fälten wmagn 1 1 2 B 2 0 1 wel 0 E 2 2 där den magnetiska flödestätheten B kan bli ca 1T och den elektriska fältstyrkan E kan bli 3 106 V/m wmagn 12 5 3 4 10 J / m 2 4 10 7 1 wel 8,85 10 12 9 1012 40 J / m 3 2 Den magnetiska energitätheten är suveränt störst. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Roterande och translatorisk rörelse (I) Ur den stora flora av elektromekaniska energiomvandlare som förekommer kan två grundläggande typer av mekanisk rörelse hämtas, nämligen roterande respektive translatorisk eller vibrerande, se figur 7.1. Figur 7.1. Roterande rörelse (vänster) och translatorisk eller vibrerande rörelse (höger). Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Roterande och translatorisk rörelse (II) • Roterande elektromekaniska energiomvandlare har nästan alltid magnetiska fält som energibärare. – Finns i effekter från bråkdelar av watt upp till de största generatorerna på c:a 1 Gigawatt. • Anordningar för translatorisk eller vibrerande rörelse t.ex – elektromekaniska reläer, – högtalare, – mikrofoner, – vissa typer av givare. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Mekanisk konstruktion (I) Figur 7.2. Figur 7.4. Figur 7.3. Figur 7.5. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Mekanisk konstruktion (II) Figur 7.6. Illustration av magnetflödena i en roterande maskin. rotor Figur 7.7. Rotorns uppbyggnad med laminerade skivor. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Mekanisk konstruktion (III) Statorhus Lagersköld Axel Eventuella släpringar eller kommutator Lagersköld Stator Rotor Lindningshärva Figur 7.8. Motorns uppbyggnad. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Elektrisk konstruktion (I) ROTOR ROTOR Luftgap Figur 7.9. Varje faslindning blir nu cylindrisk i ena ledden. Här visas en fas. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Elektrisk konstruktion (II) B I A B() Figur 7.10. Geometri med homogen flödesfördelning . För geometrin med homogent magnetiskt flöde (tv) gäller: Magnetiskt flöde: B A cos L I Vridmoment: d T ( ) 2 F sin F d sin 2 B I l d sin B I A sin Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Strömförande ledare i magnetfält B i • Kraftverkan vill jämna ut fältfördelningen – – – – Samverkande fält får mer plats Ledaren rör sig mot motverkande fält – åt höger Eller q vxB = F Högerhandsregeln (I tumme, B pekfinger, F långfinger) • Kraften på ledaren är F=Bil, där l är ledarens längd Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Elektrisk konstruktion (III) I verkligheten är det emellertid inte möjligt att uppnå idealt sinusformigt utbredda lindningar bl.a beroende på att luftgapet mellan stator och rotor måste hållas litet vilket inte ger plats för lindningarna. I stället placeras lindningshärvorna i spår i statorns och rotorns periferi, se figur 7.14. Figur 7.14. Spår för lindningar. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Vridmoment! • Det totala luftgapsflödet bildas av statorflöde och rotorflöde i samverkan • Statorflöde och rotorflöde ”vill” ligga i samma linje. Rotorn rör sig när den påverkas av detta vridmoment Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Vridmomentbildning (I) • Elmaskinens uppgift i ett elektriskt drivsystem är oftast att leverera ett önskat moment till axeln. • Momentstyrningen är oftast den innersta och snabbaste loopen i återkopplingen. • För att kunna styra en elmaskins moment är det naturligtvis viktigt att förstå hur maskinen bildar vridmoment Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Strömförande ledare i järn Strömförande ledare, med ström in/ut ur papperets plan Permanenta magneter, magnetiserade uppåt/nedåt i papperets plan a) Statisk Statiskdel del c) S + Rörlig del Rörlig del R • Kraftverkan vill jämna ut fältfördelningen – Samverkande fält får mer plats – kraft på magnet åt vänster – Ledaren vill flytta sig mot motverkande fält – kraft åt höger – Endast magneter rörliga • F=Bil på varje ledare • Ström motsatt riktad kraft motsatt riktad Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Roterande rörelse från generisk Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Permanentmagnetiserad (PM) DCmotor • Magneter i statorn som i likströmsmotor • Ström i lindning i rotorn • F=Bil Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK PM-stator: Skapa kraft och vridmoment • F=Bil • Kraft på ledarna upptill (nedtill ) • Vridmoment på rotorn moturs Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK • Magneterna ger ett flöde riktat neråt • Lindningarna ger ett flöde riktat åt vänster • Maximalt vridmoment vid 90° vinkelskillnad Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Ström ut ur bilden Ström in i bilden PM-stator: Maximera kraft och vridmoment PM-stator: Låt rotorn rotera • Rotorflödet ställer in sig i statorflödets riktning och vridmoment försvinner • Om rotorflödet inte satt fast i rotorn utan kunde fortsätta vara riktat åt vänster medan rotorn rör sig... • Byt strömriktning i ett ledarpar i taget Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Kommutator • En mekanisk växelriktare monterad på rotorn – kallad kommutator kopplar om strömmarna i rotorn så att riktningen på rotorflödet bibehålls • Likström går bra: Det är en likströmsmotor! Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Rotation (I) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk Läckflöde: Bidrar inte till luftgapsflödet men däremot till det totala statorflödet genom L i Lm i Omagnetiserad rotor Figur 7.20. Luftgapsflöde () och läckflöde (). Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Rotation (II) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk Läckinduktansen är konstant (förutsätter linjära magnetiska förhållanden) vilket ger differentialekvationen arbetslindningen: d a dia d a d a La ia La u a Ra ia dt dt dt dt Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Rotation (VII) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk T ia Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Rotation (III) - Kommutatorlindning Statorlindningen är enfasig och fast monterad. Alltså ligger statorns flödesbidrag fast i rummet. För maximalt moment T ia ska flödesvektor och strömvektor vara vinkelräta. Alltså måste den i rummet roterande rotorns strömvektor också ligga fast i rummet. Kommutatorn gör så att det blir så! Kompensationslindning ir Kommutator ir Stator Rotor is Släpkontakt is Fältlindning Figur 7.21. Maskin med kommutatorlindning i rotorn Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Rotation (IX) - Kommutatorlindning Inducerad emk: ea r Lm is r r Spänningsekvation för ankarlindningen: La dia u a Ra ia ea dt u a Ra ia r Kompensationslindning ir ir Stator Rotor is Momentekvationen: Släpkontakt is T ia Kommutator Fältlindning Figur 7.21. Maskin med kommutatorlindning i rotorn Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK Momentbildning och inducerad spänning för likströmsmaskinen stationärt • Vridmoment: T m ia • Inducerad spänning: ea m Figur 8.2. Principbild av genomskuren DC-motor. Lunds universitet / Lunds tekniska högskola / Industriell Elektroteknik / PK
© Copyright 2024