Elektrické točivé stroje - rozdělení a základní vlastnosti

Mezi nejhojnější elektrotechnická zařízení používaná všude ve světě patří díky své spolehlivosti a jednoduchosti elektrické stroje. Jejich základní rozdělení je na stroje točivé a netočivé.

Nejdůležitějším netočivým strojem pro provoz elektrizační soustavy jsou transformátory pracující na principu přeměny elektrické energie zpět na energii elektrickou s jinou velikostí napětí a proudu.

Točivé stroje, o kterých pojednává tento článek, přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii (různé typy motorů) nebo mechanickou energii mění na energii elektrickou (generátory).

Motory i generátory mají dvě hlavní části – stator a rotor. Stator je část připevněná k podložce a rotor je pohyblivá část pohybující se rotačním pohybem okolo své osy. Na rotory působí velké odstředivé síly, proto se nevyrábějí rozměrově příliš velké.

Základní dělení elektrických točivých strojů

Důležitým faktorem při práci elektrického stroje je dobrý odvod tepla z motoru. Způsoby chlazení existují přirozené, vlastní a cizí. Přirozeným chlazením je únik tepla do okolí. Vlastní chlazení znamená, že na rotor stroje je připevněn ventilátor točící se otáčkami rotoru. Cizí chlazení znamená, že ventilátor je nezávislý na otáčkách rotoru. To je účinnější způsob chlazení, protože motor je chlazený, i když rotor stojí a motorem protéká proud.

Každý elektrický stoj musí být opatřený štítkem od výrobce. Na tom musí být uveden výrobce, typ a označení stoje, jmenovitý proud a napětí, účiník, způsob zapojení. Důležité je také výrobní číslo stroje.

Na konstrukci strojů má vliv především prostředí, ve kterém tyto stroje pracují. Stroje podle toho dělíme do určitých skupin. Rozlišujeme prostředí základní, jednoduché a složité.

Základní prostředí nemá vliv na chod stroje, je to například suchá místnost. Jednoduché prostředí se vyznačuje jedním druhem nějakého vlivu. Jde třeba o studené, horké, vlhké, žíravé nebo prašné prostředí). Složité prostředí je dáno kombinacemi různých jednoduchých prostředí. Nejsložitějším případem je venkovní prostředí, neboť zde působí povětrnostní podmínky.

Stroje dále můžeme dělit podle jejich výkonu, rychlosti otáčení nebo použití. Známe například:

• Asynchronní stroje
• Synchronní stroje
• Stejnosměrné stroje
• Střídavé stroje s komutátorem
• Reluktanční motory
• Krokové motory
• a mnohé další

Stavba elektrických točivých strojů

Hlavní část elektrických strojů tvoří magnetický obvod a vinutí elektrických strojů. Magnetický obvod soustřeďuje většinu magnetického pole do vymezeného prostoru. Materiálem bývá litina, ocelolitina uhlíkaté oceli s přísadou manganu, wolframu nebo chrómu a další materiály.

Měrný odpor železa se může snižovat přidáním příměsi křemíku. Při větší koncentraci křemíku dojde ke zvýšení tvrdosti a křehkosti plechů. Plechy se kvůli zlepšení svých vlastností válcují, tím se zlepšuje poměr ztrát a permeabilita ve směru válcování. Magnetický obvod je pro časově proměnný magnetický tok tvořen tenkými vzájemně izolovanými plechy. Dynamové plechy používané ve strojích mají tloušťku nejčastěji 0,5 mm a jsou méně legované, než plechy transformátorové. Izolace plechů je tvořena jednostranně lepenými papíry, laky, oxidováním anebo fosfátováním.

Vinutí je nejdůležitější součástí elektrických strojů. Používají se dobře vodivé materiály, především elektrovodná měď o čistotě 99,9 %. Měď se používá měkká, polotvrdá a tvrdá. Tvrdá měď nachází využití v nejvíce namáhané části strojů, tou jsou např. u stejnosměrných elektrických točivých strojů komutátory. Na vinutí se používá měkká měď.

Dalším často používaným materiálem je hliník o čistotě 99,5 %. Odpor hliníku je však zhruba 1,7 krát větší než odpor mědi a mechanické vlastnosti hliníku jsou horší než vlastnosti mědi. Hliník snadno oxiduje a to je problém při vytváření kontaktu při spojování vodičů. Na druhou stranu má malou měrnou hmotnost a nachází proto svoje využití v rotorech asynchronních motorů s kotvou nakrátko.

Další nezanedbatelnou částí elektrického stroje je izolace vinutí. Ta má za úkol izolovat vinutí proti jádru, jednotlivé vodiče ve vinutí proti sobě a vinutí proti ostatním vodivým neživým částem stroje. Životnost celého stroje závisí právě na kvalitě použité izolace. Životnost běžně navrhovaných strojů se pohybuje kolem dvaceti let. Trvanlivost izolačních materiálů závisí na teplotě, vibracích, vlhkosti, nečistotách a dalších faktorech. Nejkritičtější vzhledem k životnosti izolace je teplota. K rychlému stárnutí izolace dochází vždy, když se motor přetěžuje, vinutím tečou větší než jmenovité proudy a izolace se přehřívá a ztrácí tak svoji kvalitu. Výrobci pak nemohou garantovat původní životnost izolace. Maximální dovolená teplota izolace záleží na třídě teplotní odolnosti izolace. Rozsah maximálních přípustných teplot se pohybuje v rozmezí 90 až 180 °C.

Ztráty v elektrických motorech

Ztrátami v elektrotechnice rozumíme zejména jev, při kterém se část elektrické energie přemění na tepelnou energii. Ztráty určují účinnost daného elektrického stroje. Vypočítají se podle známého vztahu η = P2/P1, kde P2 je výkon motoru na hřídeli a P1 je příkon ze sítě.

Ztráty je možné vyjádřit také jako η = P2/(P2+ΔP). V tomto vzorečku reprezentuje ΔP souhrn všech ztrát ve stroji. Jedná se o ztráty vířivými proudy, ztráty hysterezní, jouleovy ztráty ve vinutí, mechanické ztráty (třením a ventilační ztráty) a o dodatečné ztráty.

Hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy ovlivňuje stavba a materiál magnetického obvodu. Stacionární magnetický tok se může uzavírat přes obvod z plného feromagnetického jádra. Časově proměnlivý magnetický tok se z důvodů snížení ztrát vířivými proudy uzavírá přes jádro z tenkých vzájemně izolovaných plechů. Malá tloušťka plechů totiž zajišťuje, že se proudy indukované v jádře uzavírají přes menší smyčku a dochází tím ke snižování velikosti ohmických ztrát.

Ztráty vířivými proudy jsou dány součinem koeficientu materiálu a tloušťky plechů, druhé mocniny frekvence, druhé mocniny maximální hodnoty magnetické indukce a hmotnosti použitého materiálu.

Hysterezní ztráty jsou reprezentovány plochou označenou tzv. B-H křivkou. Velikost hystereze je závislá na koeficientu materiálu, na frekvenci napájecího napětí, na velikosti sycení a na hmotnosti. Hystereze symbolizuje ochotu materiálu magnetovat se v určitém směru.

To je na úvod vše. V dalších článcích věnovaným elektrickým točivým strojům budou více do hloubky popsány jednotlivé stroje (viz rozdělení výše).

Reference: Učební texty FEKT, VUT v Brně, doc. Ondrůšek

Zdroj úvodní fotografie: en.wikipedia.org