Elektromekaniska energiomvandlare (Kap 7) Likströmsmaskinen (Kap 8)

Relevanta dokument
Elektromekaniska energiomvandlare (Kap 7) Likströmsmaskinen (Kap 8)

Elektromekaniska energiomvandlare, speciellt likströmsmaskinen (relevanta delar av kap 7)

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

Permanentmagnetiserad synkronmotor. Industriell Elektroteknik och Automation

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 4 - Grundläggande principer för elmaskiner

Asynkronmotorn. Industriell Elektroteknik och Automation

Elektriska drivsystem Föreläsning 10 - Styrning av induktions/asynkorn-motorn

Repetition Likströmsmaskin Permanentmagnetiserad synkronmaskin Asynkronmaskin. Elenergiteknik Industriell Elektroteknik och Automation

Lösningsförslag/facit Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 19 aug, 2011, kl

Asynkronmotorn. Den vanligaste motorn i industrin Alla effektklasser, från watt till megawatt Typiska användningsområden

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 5 - TMEI01 Elkraftteknik Likströmsmaskinen

5. Kretsmodell för likströmsmaskinen som även inkluderar lindningen resistans RA.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Motorprincipen. William Sandqvist

Elektriska drivsystem Föreläsning 4 - Introduktion av roterande maskiner

Likströmsmaskinen. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 5 - Likströmsmaskinen

4 Elektriska maskiner och kraftelektronik

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Elektriska drivsystem, 6-8 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Bra tabell i ert formelblad

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Kommentarer till målen inför fysikprovet. Magnetism & elektricitet

Fö 6 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen

Asynkronmotorn. Asynkronmotorn. Den vanligaste motorn i industrin Alla effektklasser, från watt till megawatt Typiska användningsområden

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

Likströmsmaskinen. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Fö 7 - TSFS11 Energitekniska system Likströmsmaskinen

Elektriska drivsystem Föreläsning 3 - Elektromekaniska omvandlingsprinciper

Lösningsförslag/facit till Tentamen. TSFS04 Elektriska drivsystem 11 mars, 2013, kl

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Industriell Elektroteknik och Automation

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

Några övningar som kan vara bra att börja med

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Laborationsrapport. Kurs Elkraftteknik. Lab nr 3 vers 3.0. Laborationens namn Likströmsmotorn. Kommentarer. Utförd den. Godkänd den.

IE1206 Inbyggd Elektronik

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 1 - Introduktion, magnetiska kretsar och material

Elektricitet och magnetism. Elektromagneter

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 7 - Synkronmaskinen

Sedan tidigare För att varvtalsreglera likströmsmotor måste spänningen ändras För att varvtalsreglera synkron- och

X-tenta ET Figur 1. Blockschema för modell av det nordiska kraftsystemets frekvensdynamik utan reglering.

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

Varvtalsstyrning av likströmsmotorer

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM. SYNK: Synkronmaskinen

Synkrongeneratorn och trefas

OMRIKTARTEKNOLOGI, LITTERATURINFORMATION

Automation Laboration: Reglering av DC-servo

Tentamen Elenergiteknik

Varvtalsstyrning av likströmsmotorer

Elektriska drivsystem Föreläsning 10 - Styrning av asynkornmotorn

Fö 7 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen & Synkronmaskinen

Magnetism. Beskriver hur magneter med konstanta magnetfält, t.ex. permanentmagneter, växelverkar med varandra och med externa magnetfält.

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

Kandidatprogrammet FK VT09 DEMONSTRATIONER INDUKTION I. Induktion med magnet Elektriska stolen Självinduktans Thomsons ring

EN ÖVERSIKT AV ELMOTORER

Elektroteknikens grunder Laboration 2

BILENS ELFÖRSÖRJNING. DEL 2: GENERATORN

4. Elektromagnetisk svängningskrets

Nikolai Tesla och övergången till växelström

Systemkonstruktion Z2

Laboration 1 Elektromekaniska omvandlingsprinciper

Upp gifter I=2,3 A. B=37 mt. I=1,9 A B=37 mt. B=14 mt I=4,7 A

Där r är ortsvektorn mellan den punkt där fältet beräknas och den punkt där linjeelementet dl av strömbanan finns.

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

LNB727. Asynkronmaskinen

Likströmsmotorns ankarlindning och kommutator

Motorer o motorval. Materialet är baserat på Bengt Simonssons material som används i kursen Elektroteknikens Grunder för M

Rättningstiden är i normalfall 15 arbetsdagar, till detta tillkommer upp till 5 arbetsdagar för administration.

Magnetism och EL. Prov v 49

LABORATION 2 MAGNETISKA FÄLT

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

Fysik TFYA86. Föreläsning 8/11

Tentamen i EJ1200 Eleffektsystem, 6 hp

Föreläsning 5, clickers

Elenergiteknik Förberedelse inför laboration 2 1(7)

Synkrongeneratorn och trefas

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Elenergiteknik Laboration 2

Definition av kraftelektronik

Elektriska motorer i ett hushåll

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK MED SVAR

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

Tentamen i Elkraftteknik för Y

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM

Tentamen i Elkraftteknik 3p

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Kraftelektronik. Spänningen över en induktans kan skrivas. Strömmen i en induktans motsvarar upplagrad energi enligt

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

Transkript:

Elektromekaniska energiomvandlare (Kap 7) Likströmsmaskinen (Kap 8)

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.

Varför magnetism? Energiomvandling elektrisk magnetisk mekanisk eller elektrisk mekanisk Elektriska maskiner Reversibla Elektromagneter Ej reversibla

Magnetiskt eller elektriskt fält? 1. Kraft på en strömförande ledare i ett magnetiskt fält 2. Kraft mellan plattorna i en kondensator w Energitätheten per volymsenhet för de båda fälten 1 1 2 1 2 wmagn B wel 0E 2 magn 0 2 där den magnetiska flödestätheten B kan bli ca 1T och den elektriska fältstyrkan E kan bli 3 10 6 V/m 2 1 24 10 7 410 5 J / m 3 w el 1 2 8,8510 12 910 12 40 J / m 3 Den magnetiska energitätheten är suveränt störst.

Elektromagnetmekaniska energiomvandlare Industrial Electrical Engineering and Automation Elmaskin består av stator och rotor Elektrisk energi till/från statorn Spänning x Ström Mekanisk energi till/från axeln Moment x Varvtal Magnetisk energi mellan rotor och stator Tre viktiga lagar Ampéres kretslag Faradays induktionslag Lorentz kraftlag Bengt Simonsson ETG

Roterande Maskin Stator Luftgap Rotor Bengt Simonsson ETG Industrial Electrical Engineering and Automation

Translaterande (linjär) maskin Stator Luftgap Rotor Bengt Simonsson ETG Industrial Electrical Engineering and Automation

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).

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 är t.ex elektromekaniska reläer, högtalare, mikrofoner, vissa typer av givare.

Mekanisk konstruktion (I) av roterande maskiner Figur 7.2. Figur 7.3. Figur 7.4. Figur 7.5.

Mekanisk konstruktion (II) Figur 7.6. Illustration av magnetflödena i en roterande maskin. rotor Figur 7.7. Rotorns uppbyggnad med laminerade skivor.

Mekanisk konstruktion (III) Lagersköld Statorhus Stator Lagersköld Axel Rotor Eventuella släpringar eller kommutator Lindningshärva Figur 7.8. Motorns uppbyggnad.

Elektrisk konstruktion (I) ROTOR ROTOR Figur 7.9. Varje faslindning blir nu cylindrisk i ena ledden. Här visas en fas. Luftgap

Elektrisk konstruktion (III) Luftgapet mellan stator och rotor måste hållas litet. Lindningshärvorna placeras i spår i statorns och rotorns periferi, se figur 7.14. Figur 7.14. Spår för lindningar.

Energi i induktiv krets W 1 2 LI 2 1 2 i 1 2 N i 1 2 Ni B A 1 2 B 2 la W 1 2 B 2 l fe A 0 fe fe l A 0 Energin finns bunden (mestadels) i luftgapet

- Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk Läckflöde: Bidrar inte till luftgapsflödet men däremot till det totala statorflödet genom L L i m i Omagnetiserad rotor Figur 7.20. Luftgapsflöde ( ) och läckflöde ( ).

Liten repetition Magnetiskt flöde, mmk, reluktans Amperes lag I NI NI NI NI F Hds H l fe B l fe l fe A l fe A Magnetomotorisk kraft, mmk Reluktans Flöde

Induktion 1 Ändring av flödet genom en slinga ger inducerad spänning e d dt N d dt Konstant flöde ger ingen inducerad spänning Snabbare förändring av flödet ger högre spänning Fler varv ger högre spänning Sammanlänkat flöde

Induktion 2 Rotera en slinga i ett magnetfält ˆ sin ˆ sint e e d N dt N ˆ cost e ˆ cost e eˆcost

Induktion 3 ˆ sint e ˆ cost Inducerad spänning ligger 90 före flödet Inducerad spänning är proportionell mot flöde och varvtal

Magnetisk kraftverkan Strömförande ledare i magnetfält Kraftverkan vill jämna ut fältfördelningen F BIl

Sedan tidigare Inducerad spänning Kraft på strömförande ledare i magnetfält d e N dt F BIl Detta kan bli en elmotor!

Permanentmagnetiserad (PM) elmotor Ström och flöde skall mötas i Luftgapet Magneter på rotorn som i synkronmaskinen Ström i lindning i statorn F=Bil Magneter i statorn som i likströmsmotor Ström i lindning i rotorn F=Bil 23

Magnetisering i stator: Skapa kraft och vridmoment F=Bil Kraft på ledarna upptill Kraft på ledarna nedtill Vridmoment på rotorn moturs 24

Maximera kraft och vridmoment Magneterna ger ett flöde riktat neråt Lindningarna ger ett flöde riktat åt vänster Maximalt vridmoment vid 90 vinkelskillnad Ström ut ur bilden Ström in i bilden 25

Låt rotorn rotera Rotorflödet ställer sig i statorflödets riktning, 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 26

Kommutator En mekanisk växelriktare monterad på rotorn kallad kommutator kopplar om strömmarna i rotorn så att riktningen på rotorflödet bibehålls Det är en likströmsmotor! 27

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

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

Momentbildning och inducerad spänning för likströmsmaskinen stationärt Vridmoment: Inducerad spänning: T e a m i a m Figur 8.2. Principbild av genomskuren DC-motor.

Likströmsmaskinens ekvivalenta schema Rotorlindningen kan ses som resistans och induktans, a står för ankare (eng. armature) R a och L a är små, varför blir strömmen inte hög? I en slinga som roterar i ett fält induceras spänning Kommutatorn likriktar vilket ger e a e d dt Inducerad spänning (emk) är beroende av varvtal och flöde

Likströmsmaskinens matematiska modell Rotorkretsen kan skrivas som u a R a i a L a di dt a m u a Försvinner i stationaritet

Likströmsmotorns vridmoment Vridmoment är kraft gånger hävarm Hävarmen konstant F=Bil F=Bil För PM-stator är B konstant Längden konstant Likströmmen i avgör kraften F Vridmomentet ( ur sambandet Pmek = Peldyn ) P mek T e a i a m i a T m i a T m i a m är flödet från permanentmagneternas magnetisering i a är rotorströmmen

Separatmagnetiserad likströmsmaskin I stället för permanentmagnet kan en elektromagnet användas Flödet är då inte fixerat utan kan väljas med fältspänningen Fältlindning u a u f

Seriemagnetiserad likströmsmotor + u a - Rotorströmmen samma som fältströmmen Momentet oberoende av strömmens tecken Växelström går bra! T m i a Kallas allströmsmotor (dammsugare, borrmaskin)

Varvtal vid konstant u a Konstant u a, ökande T i a ökar, spänningsfaller över R a ökar ω minskar m T L R a i a u a a a a a e i R u m a a m el L e i T T m m L a a T R u Stationaritet ger + u a -

Konstant varvtal + u a R a TL m m u a - u a Konstant ω, ökande T i a ökar, spänningsfaller över R a ökar u a måste ökas m R a i a T L

Likströmsgenerator Samma sak fast tvärt om Generatordrift: e a > u a, i a negativ P negativ + u a - I tomgång är u a = e a, alltså kan man mäta upp e a Vid belastning sjunker u a pga spänningsfallet över R a Separat magnetisering e a kan varieras vid konstant varvtal

Exempel En permanentmagnetiserad likströmsmotor har följande data: Ankarresistans R a =0,25 Ω Ankarinduktans L a =20 mh Magnetflöde Ψ m =1,2 Vs Motorn matas med 180 V och driver en vinsch som används för att lyfta saker. a) Vilket är motorns varvtal vid tomgång? b) Vid ett stationärt driftfall belastas motorn med lastmomentet 18 Nm. Vilket är då varvtalet och vilken effekt drar motorn?

Kraftelektronik för LM För att minska varvtalet måste spänningen minskas Resistans i serie ger värmeförluster Lösning: slå till/från spänningen snabbt

Kraftelektronik för LM Konstant varvtal trots switchad spänning

Kvadranter i i i i u u u u 1-kvadrant 2-kvadrant 2-kvadrant 4-kvadrant Kraftelektronisk omvandlare i + u - Likströmsmotor: Varvtal ~ spänning Moment ~ ström

Sammanfattning Elmotor har ofta permanentmagneter och lindning F=Bil ger på en strömförande ledare i magnetfält Strömmar i stator och rotor skapar varsitt Moment bildas när strävar efter att ha samma riktning Maximalt moment vid ---- vinkelskillnad I likströmsmaskinen håller kommutatorn vinkeln konstant --- Permanentmagnetiserad likströmsmotor Vridmoment T= m gånger Inducerad likspänning e a = m gånger Spänningsekvation u a =R a i a +L a di a /dt+ Separatmagnetiserad LM har egen likspänningskälla eller Motor i dammsugare/borrmaskin kallas Seriemagnetiserad LM matas med växelspänning