ÊÇÍÑÕW ËXÛÒS ÌÛÝØÒ×ÝÕW Ê ÞÎÒT ÞÎÒÑ ËÒ×ÊÛÎÍ×ÌÇ ÑÚ ÌÛÝØÒÑÔÑÙÇ
ÚßÕËÔÌß ÛÔÛÕÌÎÑÌÛÝØÒ×ÕÇ ß ÕÑÓËÒ×ÕßXÒSÝØ ÌÛÝØÒÑÔÑÙ×S FÍÌßÊ ÊCÕÑÒÑÊW ÛÔÛÕÌÎÑÌÛÝØÒ×ÕÇ ß ÛÔÛÕÌÎÑÒ×ÕÇ ÚßÝËÔÌÇ ÑÚ ÛÔÛÝÌÎ×ÝßÔ ÛÒÙ×ÒÛÛÎ×ÒÙ ßÒÜ ÝÑÓÓËÒ×ÝßÌ×ÑÒ ÜÛÐßÎÌÓÛÒÌ ÑÚ ÐÑÉÛÎ ÛÔÛÝÌÎ×ÝßÔ ßÒÜ ÛÔÛÝÌÎÑÒ×Ý ÛÒÙ×ÒÛÛÎ×ÒÙ
ÛÔÛÕÌÎ×ÝÕC ÐÑØÑÒ Í ÑÓÛÆÛÒSÓ ÐHÛÝØÑÜÒCÝØ ÜTÖG ÌØÛ ÛÔÛÝÌÎ×Ý ÜÎ×ÊÛ É×ÌØ ÝËÎÎÛÒÌ ÐÛßÕ Ô×Ó×Ì×ÒÙ
Ü×ÐÔÑÓÑÊ_ ÐÎ_ÝÛ ÓßÍÌÛÎùÍ ÌØÛÍ×Í
ßËÌÑÎ ÐÎ_ÝÛ
Þ½ò ÕßÎÛÔ ÕÛÔÔÛÎ
ßËÌØÑÎ
ÊÛÜÑËÝS ÐÎ_ÝÛ ÍËÐÛÎÊ×ÍÑÎ
ÞÎÒÑ îððç
¼±½ò ײ¹ò ÖÑÍÛÚ ÕÑÔ_XÒCô Ýͽò
ÊÇÍÑÕW ËXÛÒS ÌÛÝØÒ×ÝÕW Ê ÞÎÒT Ú¿µ«´¬¿ »´»µ¬®±¬»½¸²·µ§ ¿ µ±³«²·µ¿8²3½¸ ¬»½¸²±´±¹·3 F-¬¿ª ª#µ±²±ª7 »´»µ¬®±¬»½¸²·µ§ ¿ »´»µ¬®±²·µ§
Ü·°´±³±ª? °®?½» ³¿¹·-¬»®-µ# ²¿ª¿¦«¶3½3 -¬«¼·¶²3 ±¾±® Í·´²±°®±«¼? »´»µ¬®±¬»½¸²·µ¿ ¿ ª#µ±²±ª? »´»µ¬®±²·µ¿ ͬ«¼»²¬æ α8²3µæ
Þ½ò Õ¿®»´ Õ»´´»® î
×Üæ èíêìè ßµ¿¼»³·½µ# ®±µæ îððèñîððç
Ò_ÆÛÊ ÌWÓßÌËæ
Û´»µ¬®·½µ# °±¸±² - ±³»¦»²3³ °(»½¸±¼²#½¸ ¼4¶' ÐÑÕÇÒÇ ÐÎÑ ÊÇÐÎßÝÑÊ_ÒSæ ïò Ƹ±¼²±ƒ¬» ¦3-µ¿²7 ª#-´»¼µ§ -±«ª·-»¶3½3 - °(»½¸±¼²#³· ¼4¶· -´»¼±ª¿²#½¸ ª»´·8·² ³±¬±®«ò îò Û¨°»®·³»²¬?´²4 ±ª4(¬» ª´¿-¬²±-¬· °±¸±²« - ¼¿²#³· º«²µ8²3³· ª¦±®µ§ (3¦»²3ò íò Ò¿ ¦?µ´¿¼4 ª#-´»¼µ' ª§¾»®¬» ª¦±®»µ - ±°¬·³?´²3³· ª´¿-¬²±-¬³· ª¸±¼²#³· °®± °±«‚·¬3 ª °®¿¨·ò ÜÑÐÑÎËXÛÒ_ Ô×ÌÛÎßÌËÎßæ Ü´» °±µ§²' ª»¼±«½3¸± Ì»®³3² ¦¿¼?²3æ
ïòïðòîððè
Ì»®³3² ±¼»ª¦¼?²3æ
Ê»¼±«½3 °®?½»æ
¼±½ò ײ¹ò Ö±-»º Õ±´?8²#ô Ýͽò
îîòëòîððç
¼±½ò ײ¹ò X»-¬³3® Ѳ¼®'†»µô Ýͽò Ð(»¼-»¼¿ ±¾±®±ª7 ®¿¼§
ËÐÑÆÑÎÒTÒSæ ß«¬±® ¼·°´±³±ª7 °®?½» ²»-³3 °(· ª§¬ª?(»²3 ¼·°´±³±ª7 °®?½» °±®«†·¬ ¿«¬±®-µ? °®?ª» ¬(»¬3½¸ ±-±¾ô ¦»¶³7²¿ ²»-³3 ¦¿-¿¸±ª¿¬ ²»¼±ª±´»²#³ ¦°'-±¾»³ ¼± ½·¦3½¸ ¿«¬±®-µ#½¸ °®?ª ±-±¾²±-¬²3½¸ ¿ ³«-3 -· ¾#¬ °´²4 ª4¼±³ ²?-´»¼µ' °±®«†»²3 «-¬¿²±ª»²3 y ïï ¿ ²?-´»¼«¶3½3½¸ ¿«¬±®-µ7¸± ¦?µ±²¿ 8ò ïîïñîððð ;òô ª8»¬²4 ³±‚²#½¸ ¬®»-¬²4°®?ª²3½¸ ¼'-´»¼µ' ª§°´#ª¿¶3½3½¸ ¦ «-¬¿²±ª»²3 y ïëî ¬®»-¬²3¸± ¦?µ±²¿ 8ò ïìðñïçêï ;ò
Anotace Diplomová práce je zaměřena na realizaci tří funkčních vzorků pro omezení přechodných jevů v elektrických pohonech kovově krytého, vzduchem izolovaného rozváděče ZS1 společnosti ABB. Na základě výsledků je v závěru vybrán vzorek s optimálními vlastnostmi vhodnými pro použítí v praxi.
Klíčová slova řízení termistor tranzistor rezistor můstek špička MOS-FET pohon vypínač rozběh doběh
Abstract My thesis is focused on realization of three inrush current limitors samples. This limitors will be used in ABB´s metal-clad, air-insulated switchgears for medium voltage distribution. On the basis of the results there is chosen the sample with optimal properties suitable for practice in the conclusion.
Keywords driving thermistor transistor resistor bridge inrush MOS-FET driver circuit breaker start-up coasting
Bibliografická citace KELLER, K. Elektrický pohon s omezením přechodných dějů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 62 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Josef Koláčný, CSc.
Prohlášení Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Elektrický pohon s omezením přechodných jevů jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.“
BRNO 2009
Karel KELLER
Poděkování Děkuji svému vedoucímu diplomové práce panu Doc. Ing. Josefu Koláčnému, CSc. za ochotu a poskytnutí rad a připomínek. Dále bych rád poděkoval konzultantovi mé práce panu Ing. Aleši Honzákovi za nápady, připomínky a řízení správným směrem.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
7
Obsah 1. ÚVOD 2. ROZVÁDĚČ UNIGEAR ZS1
9 10
2.1. Oddíly
11
2.2. Řídící jednotky ABB
12
2.3. Vypínač
12
2.4. Zkratovač
13
2.5. Odpínač NALFE
13
2.6. Měřící zařízení
13
2.7. Svodiče přepětí
14
3. STEJNOSMĚRNÝ MOTOR S PERMANENTNÍMI MAGNETY
15
3.1. Ss motor obecně
15
3.2. Typ motoru pro ovládání kazety vypínače
18
4. MĚŘENÍ NA DOSAVADNÍM ZAPOJENÍ MOTORU
19
4.1. Zapojení dle standardu
19
4.2. Upravené ovládání motoru
24
5. NÁVRH ŘEŠENÍ OMEZENÍ PŘECHODNÝCH JEVŮ
26
5.1. Základní modul
27
5.2. Vzorek č.1, použití rezistoru s časovým relé
28
5.2.1. Schéma zapojení
30
5.2.2. Specifikace
31
5.3. Vzorek č.2, použití termistoru
32
5.3.1. Schéma zapojení
34
5.3.2. Specifikace
35
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.4. Vzorek č.3, emitorový sledovač
8
36
5.4.1. Schéma zapojení
38
5.4.2. Specifikace
39
6. PRAKTICKÁ ČÁST PRÁCE
40
6.1. Technická data zakázky
40
6.2. Příprava měření
41
6.3. Použité přístroje
41
7. OVĚŘENÍ PŘEDPOKLADŮ MĚŘENÍM - ROZBĚH MOTORU 7.1. Bez ošetření 7.1.1. Porovnání charakteristik
42 42 43
7.2. Vzorek č.1; použití rezistoru
45
7.3. Vzorek č.2; použití termistoru
47
7.4. Vzorek č.3; emitorový sledovač
50
8. OVĚŘENÍ PŘEDPOKLADŮ MĚŘENÍM - DOBĚH MOTORU
53
8.1. Bez ošetření
53
8.2. Vzorek č.3; emitorový sledovač
54
9. ZÁVĚR
58
SEZNAM LITERATURY
60
SEZNAM OBRÁZKŮ
60
SEZNAM GRAFICKÝCH ZÁVISLOSTÍ
61
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK
61
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
1.
9
Úvod
Diplomová práce je zaměřena na realizaci ovládání pohonu zařízení, které jsou součástí Unigear rozváděčů ZS1 společnosti ABB. Dosavadní standard (viz kapitola 4) zapojení motoru je nevýhodný hlavně v oblasti malých napájecích napětí. U použitých stejnosměrných motorků vzniká vysoká proudová špička při rozběhu a vysoké napětí při doběhu. V dnešní době se klade také velký důraz na vznik vysokofrekvenčního rušení, které je důsledkem vznikajících přechodných dějů a šíří se průběžkami mezi jednotlivými poli po celé rozvodně. Na základě poznatků a znalostí z řad projektantů firmy ABB proběhla měření, které dokazují, jak závažná je situace a prioritu jejího řešení! Předně je nutné seznámit se blíže se současným stavem, a poté se pokusit prosadit inovaci. Problém se týká zejména motorového pohonu podvozku (kazety) vypínače a pohonu zkratovače. Podobný motor je i u střadače vypínače, kam je ale obtížné se dostat a bude nutné nalézt kompromis mezi výrobní standardizací vypínačů a omezení proudových špiček u rozváděčů. Další z pohonů je užívaný u motorového střadače odpínače NALFE.
Práce je rozdělena do několika sekcí. Nejprve proběhne letmé seznámení s rozváděčem typu ZS1, dále s motorem používaným u výsuvné části prostoru vypínače a jeho dosavadním ovládáním. Následovat bude ukázka naměřených hodnot napětí a proudů na jedné ze zakázek. A tím představení problému, kterou se tato práce zabývá. Na základě předešlého se v průběhu práce nastíní možná řešení tohoto problému, které se realizují a v závěru ohodnotí. Výběr optimálního vzorku pro použití v praxi bude proveden podle několika kritérií, které zahrnují jak ekonomickou, tak i praktickou stránku. K ověření teoretických předpokladů bude provedeno měření a výsledky budou řádně okomentovány.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
2.
10
Rozváděč UNIGEAR ZS1
Přesný název rozváděče vyráběném v ABB Brno na ulici Vídeňská, divize PPMW je Unigear ZS1. Jedná se o kovově krytý, vzduchem izolovaný rozváděč, vhodný pro distribuční sítě. Vyrábí se do jmenovitého napětí 24kV při jmenovitém proudu 4000A [1]. Jednotlivé pole rozváděče se připojují k sobě a každé má svou specifickou funkci. Nejčastěji je jím přívod, vývod, sektorová spojka, měření a přípojnicový zkratovač. Pole jsou mezi sebou propojeny silovými přípojnicemi a ovládacími kabely pro vzájemnou komunikaci, blokování, měření atd. . Typická výška pole je 2200 mm (při jmenovitém napětí 12kV), šířka podle přenášeného výkonu: 550, 650, 800 a 1000 a hloubka 1360 mm [1]. Pole může být ovládáno buďto místně (pomocí spínacích a signalizačních prvků, či inteligentní jednotky umístěné na dveřích) nebo dálkově z velína pomocí nejrůznějších komunikačních protokolů či přes svorky. Pohled na rozváděč je na obr. 2.1 .
Obr. 2.1 Pohled na rozváděč
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
11
2.1. Oddíly Rozváděč je rozdělen do několika oddílů pomocí kovových přepážek. Jednotlivé části jsou dostupné z přední strany pomocí dveří. Ty mohou být opatřeny klikou, nebo šrouby. Dveře jsou při provozu rozvodny blokovány kvůli bezpečnosti obsluhy. A to jak elektricky, tak mechanicky. Vnitřní struktura je znázorněna na obr.2.2.
Obr.2.2 Vnitřní struktura rozváděče Silovou část pole tvoří A – přístrojová část, B – přípojnice, C – kabelový prostor. Rozvaděč může být vybaven pomocnými přístroji pro měření napětí a proudů na kabelech či přípojnicích. V přístrojové části bývá umístěn vypínač, nebo přípojnicové měření. Ovládací část tvoří D – nízkonapěťová skříň. Může být vybavena řídící jednotkou, svorkami, jističi, pomocnými relátky a dalšími komponenty pro bezpečný provoz a možnost rozšíření funkčnosti v případě potřeby. Poslední částí je E – kanál pro odvod plynů. V případě poruchy je rozváděč často vybaven kanálem pro odvod jedovatých plynů, vznikajících při hoření oblouku, mimo pracovní prostor.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
12
2.2. Řídící jednotky ABB
Firma ABB disponuje několika druhy těchto zařízení, zpravidla rozdělených podle účelu, či země, kde se vyrábí. V současné době je nejpreferovanější typ REF 542+, obr.2.3. Tato jednotka se skládá ze samotného těla a displeje, který je umístěný na dveřích nízkonapěťové skříně (dále jen NN skříně). Součástí REFky jsou analogové vstupy, na které se připojují napěťové a proudové transformátory či senzory, dále pak oddělené digitální vstupy pro zjištění stavu pole a výstupy v podobě kontaktů pro ovládání vypínače, blokování podvozku a zkratovače a další.
2.3. Vypínač
Používají se zpravidla dva typy vypínačů: vakuové – VD4 (obr.2.4), které se používají nejčastěji a plněné plynem SF6 – HD4. Oba typy mohou být umístěny na výsuvném podvozku, který má dvě koncové polohy. SERVIS – pracovní poloha a TEST – vypínač je oddělený od vysokonapěťové části. V testovací poloze lze kdykoliv vypínač zapnout i vypnout. V pracovní poté jen vypnout. Zapnout, jen za určitých podmínek. Ovládat vypínač je možné přes řídící jednotku či přímo na dveřích přístrojové části. Podvozek lze ovládat buď pomocí elektrického pohonu nebo ovládací pákou. Součástí vypínače jsou vždy i pomocné kontakty signalizující stav vypínače a polohu podvozku. Dále pak blokovací elektromagnety pojezdu a zapnutí vypínače.
Obr.2.3 REF 542+
Obr.2.4 Vypínač VD4
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
13
2.4. Zkratovač Zkratovač, neboli uzemňovač typu EK6, viz obr.2.5, slouží pro mžikové přivedení přípojnic na potenciál země. Je dimenzován na přenos jmenovitého zkratového zapínacího proudu. Jako soustava je tvořen vlastní funkční jednotkou, koncovými spínači, ručním či motorovým pohonem a blokovacím elektromagnetem.
2.5. Odpínač NALFE Odpínač (NAL), který slouží pro odpojení proudů zátěže a malých poruchových proudů, může obsahovat vybavovací pojistky (F) pro vypínání velkých zkratových proudů a zkratovač (E). Dále je možné vybavit odpínač vypínací spouští, podpěťovou spouští, pomocnými kontakty a motorovým pohonem. Odpínač NALF je na obr.2.6.
Obr.2.5 Zkratovač EK6
Obr.2.6 Odpínač NAL(F)
2.6. Měřící zařízení Mezi měřící zařízení patří senzory a transformátory proudu a napětí - častější použití. Každý z nich měří základní veličiny v silové části rozváděče. Transformátory napětí i proudu mají funkci jak měřící, tak jistící. Na měřící vinutí bývá připojen V – metr, A – metr či multimetr. Jistící vinutí je analogovým vstupem do řídící jednotky.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
14
Oba typy jsou zalité do epoxidové pryskyřice a dimenzují se pro vnitřní prostředí. Jejich typické provedení je znázorněné na obr.2.7.
Proudový senzor je založen na principu Rogowského cívky. Toroidní cívka bez jádra je uložena kolem primárního vodiče. Výstupním signálem je napětí, které reprodukuje aktuální tvar proudu.
Napěťové senzory pracují jako odporové děliče. Výstupní napětí je tak přímo úměrné napětí vstupu.
Obr.2.7 Transformátor napětí a proudu
2.7. Svodiče přepětí Svodiče přepětí slouží pro ochranu transformátorů, motorů a dalších zařízení připojených za vývodem z rozváděče. Chrání proti atmosférickým, spínacím a jiným přepětím, které se mohou na vedení vyskytnout. Jsou odolné vůči vícenásobnému přepětí. Výrobní materiál je odolný vůči stárnutí, bezúdržbový a bezpečný. Dimenzuje se na jmenovité napětí přípojnic.
Podrobnější informace na : www.abb.cz.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
3.
15
Stejnosměrný motor s permanentními magnety
Stejnosměrné pohony jsou rozšířené hlavně kvůli jejich jednoduchému řízení otáčivé rychlosti. S permanentními magnety se používají řádově do stovek wattů. Použití je rozmanité, například v automobilovém průmyslu na pohon oken, sedadel, ventilátorů, zrcátek a pod...
3.1. Ss motor obecně Obvodové schéma stejnosměrného motoru (dále jen ss motoru) je na obr.3.1. Výhody ss motorů: •
jednoduché řízení rychlosti (změnou napětí kotvy)
•
velký záběrný moment
•
snadná reverzace (změnou polarity napětí kotvy)
Nevýhody ss motorů: •
omezení rychlosti komutací
•
zvýšená údržba komutátoru
Obr.3.1 obsahuje všechny důležité veličiny pro analýzu chování pohonu. Je jimi napětí na svorkách stroje uq, proud kotvy iq, odpor kotvy Rd, indukčnost kotvy Ld a indukované napětí na kotvě ui [2].
Obr.3.1 Obvodové schéma ss motoru
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
16
Z druhého Kirchhofova zákona vyplývá:
u q = Rd ⋅ i q + Ld ⋅
diq dt
+ ui
(3.1)
Vnitřní napětí stroje je lineárně závislé na otáčkách: ui = C ⋅ Φ ⋅ ω
(3.2)
Konstanta C je konstantou motoru (napěťovou, momentovou), Φ je konstantní magnetický tok daný permanentními magnety. Z rovnice 3.2 je patrné, že v okamžiku připojení motoru na napětí je ui nulové. Tak je možné diferenciální rovnici 3.1 zjednodušit a její řešení bude:
U i (t ) = Rd kde τ =
Ld Rd
1 − e
−t τ
(3.3)
je časová konstanta motoru.
Rovnice 3.3 charakterizuje tvar proudu při přechodném ději do zapnutí. Proud má dvě složky [3]: •
i' = ustálenou
U Rd
(3.4) −t
•
přechodnou
U i' ' = − ⋅ e τ Rd
(3.5)
Ustálená složka určí vrcholovou hodnotu proudu IMAX, který vznikne po zapnutí a přechodná složka charakterizuje strmost nárůstu do hodnoty IMAX.
Při připojení jmenovitého napětí na stroj v klidu dojde k obrovskému nárůstu proudu s velkou strmostí a tzv. trhnutí stroje, který je důsledkem velkého momentu motoru, viz rovnice 3.6. To je důsledkem malé časové konstanty motoru. Tedy odpor je výrazně menší než indukčnost. V motoru tak může dojít k odmagnetování magnetů a destrukci vinutí. Mimo jiné dochází k velkým proudovým nárazům, které se těžko spínají a způsobují velkou zátěž pro ostatní zařízení v obvodu.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
17
Neopomenutelnou nevýhodou je vznik rušení, které svým působením může ovlivnit funkčnost elektronických obvodů. Vrcholovou složku proudu lze podle rovnice 3.4 omezit změnou odporu kotvy a tím se zmenší i strmost nárůstu proudu (3.5). Je ovšem nutné si uvědomit, že zmíněné platí pouze do chvíle, než se motor začne otáčet. Pak by byl rozbor přechodného děje komplikovanější o indukované napětí na kotvě. Nicméně přechodný děj spojený s přivedením napětí na svorky stroje prakticky odezní dřív, než se motor pootočí.
Pro mechanický moment motoru M v ustáleném stavu platí: M = C ⋅ Φ ⋅ Iq
(3.6)
kde magnetický tok Φ je konstantní, tedy moment je závislý pouze na proudu. Obvod kotvy lze při ustáleném stavu popsat takto: U = Rd ⋅ I q + C ⋅ Φ ⋅ ω
(3.7)
Z rovnic 3.6 a 3.7 lze snadno odvodit statickou zatěžovací charakteristiku. Tedy závislost úhlové rychlosti na zatěžovacím momentu, viz obr.3.2 [2]. ω= kde ω 0 =
Rd U − ⋅ M = ω0 − k ⋅ M C ⋅ Φ (C ⋅ Φ )2
(3.8)
Rd U jsou ideální otáčky naprázdno a k = směrnice charakteristiky C⋅Φ (C ⋅ Φ )2
určující tzv. "tvrdost" - pokles otáček při zatížení.
Z uvedeného vyplývá, že při zvýšení odporu kotvy dojde ke "změknutí" stroje. Otáčky při zatížení klesnou. Na obr.3.2 je znázorněna statická charakteristika při odporu motoru RM a odporu notoru RM + RS se sériovém zařazením rezistoru. Jde vidět, že v případě zařazení odporu do obvodu kotvy dojde také k větším ztrátám, které se projeví zahříváním rezistoru. To všechno je samozřejmě nežádoucí.
Alternativou pro oba popsané děje je zařadit odpor do obvodu kotvy jen po nezbytně nutnou dobu pro omezení přechodného děje. Existuje několik vhodných řešení. Některé z nich budou popsány v kapitole 5.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
18
Obr.3.2 Statická zatěžovací charakteristika
3.2. Typ motoru pro ovládání kazety vypínače
Motor pro elektrický pohon podvozku vypínače je zapojený do můstku pro možnost reverzace. Jedná se stejnosměrný motor s permanentními magnety. Výkon motoru je P=40 W [1]. Motor není často v provozu. Slouží pro galvanické oddělení vypínače od silového obvodu. Na tomto principu je založeno vzájemné blokování vypínačů a zkratovačů v rozvodně.
U motoru není ošetřen rozběh. Od prvního okamžiku je připojen přes kontakty stykače na jmenovité napětí. Vznikající špičkový proud snižuje životnost kontaktního systému stykačů, a proto je nutné tento problém řešit.
Pro ovládání se používají stykače AL 16 (ABB), jejichž cena je značně veliká, ale proudová zatížitelnost je dostačující i v případě stejnosměrného napětí. Navíc se u malých napětí používá zdvojených kontaktů stykače a tím k rozložení namáhání kontaktů a zvětšení délky celého oblouku (větší odpor oblouku).
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
4.
19
Měření na dosavadním zapojení motoru
Firmou ABB byly provedeny některá měření pohonu kazety vypínače na jedné ze zakázek. Výsledky měření jsou poskytnuty pro tuto práci. Na ovládání motoru zde sloužili ministykače. Zapojení ovládání na obr. 4.1 je obdobné standardu. Pro omezení následků přechodných jevů bylo zapojení upraveno dle obr.4.2 a provedeny nové měření. Oba případy budou následně blíže porovnány.
4.1. Zapojení dle standardu Zjednodušené schéma zapojení ovládání standardního typu je na obr. 4.1. Obvod kotvy je při vypnutém stavu zkratovaný. Zapojení slouží jako brzda při doběhu setrvačností a neumožní manuální pohyb podvozku – blokování. Pro manuální ovládání je potřeba vložit do obvodu kotvy kontakt z dalšího relé. Ministykače KA1 a KA2 slouží pro zvolení směru otáčení motoru (vjezd do testu / pracovní pozice). V ovládání je dále blokována možnost přepólování stroje, jinak by došlo během velmi krátké chvíle k destrukci převodovky. Blokování a ukončení pojezdu zajišťují koncové spínače. Příkaz k zapnutí pojezdu přijde z řídící jednotky či ovládacích tlačítek na dveřích nn skříňky.
Obr.4.1 Standardní zapojení motoru
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
20
Na následujících stranách budou postupně graficky předvedeny průběhy napětí a proudů v čase v jednotlivých situacích. Napětí je znázorněno modrou barvou, proud červeně. Grafy jsou popsány na této straně. Měření proběhlo uvnitř rozváděče při pracovní zátěži motoru. Největší zátěž motor má ve chvíli vjezdu do pracovní polohy, kdy růžice vypínače najíždí do roubíku.
Graf 4.1 znázorňuje průběh veličin na svorkách motoru při startu. Proud dosahuje v prvních 5 ms hodnoty 6 A při jmenovitém napětí 220 VDC. Strmost nárůstu proudu je dán poměrně malou časovou konstantou motoru. Je zřejmé, že odpor vinutí je vzhledem k indukčnosti dosti malý. Jak bylo popsáno v kapitole 3, maximální proud je dán poměrem napětí a odporu. To jen dokazuje předešlé tvrzení, že odpor motoru je malý. Při této hodnotě proudu dojde vlivem indukčnosti v obvodu a měkkosti zdroje k poklesu napětí. V této situaci cca o 50 V. Celkově je průběh napětí zvlněný a způsobuje elektromagnetické rušení. Zvlnění průběhu napětí je dáno v počátku přechodným dějem, dále potom jiskřením mezi kartáči a komutátorem.
V prvních okamžicích probíhají děje, které souvisí s dosedáním kontaktů. Tento děj znázorňuje výrazněji graf 4.2. Jedná se o výřez z předchozí grafické závislosti. Kontakty potřebují dostatek času k dosednutí a během této doby dochází k rozmanitým dějům, které jsou nežádoucí. Intenzita jednotlivých kmitů stoupá s rostoucí energií v indukčnosti motoru. Tyto děje jsou následkem setrvačných sil systému. Napětí v jedné chvíli klesá pod úroveň -350 V. Po dosednutí kontaktů zhruba v 250μs přecházejí kmity v zotavené napětí a poté již nic nebrání průtoku proudu.
Následující graf 4.3 znázorňuje stav veličin při vypínání. V prvních 12 ms lze vidět dojíždění do koncové polohy. Napětí i proud jsou zvlněné vlivem komutace na kartáčích. Po sepnutí koncového spínače dochází k přechodnému jevu jako při zapínání, avšak jak napětí tak proud dosahují menších extrémů. Napětí kmitne pravděpodobně vlivem nesouměrnosti při vypínání kontaktů a klesne téměř okamžitě na nulu díky zkratované kotvě. Vzniklý proud je důsledkem vybíjení energie indukčnosti do zkratu.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
21
U [V] 200
300
2
4
6
-2
100
-100
-4
0
-200
-6
0
-300
-8
0
-400
5 10 15
Graf 4.1 Rozběh - zapojení dle standardu
20 25
t [ms]
30 35 40 45 I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
22
U [V] 200
300
1
1,5
-0,5
0,5
-100
-1
100
-200
-1,5
0,0
-300
-2
0
-400
0,1 0,1 0,2
Graf 4.2 Rozběh - zapojení dle standardu; detail
0,2 0,3 0,3
t [ms]
0,4 0,4 0,5 0,5 0,6
0
I [A]
150
200
250
2
3
4
5
Graf 4.3 Doběh - zapojení dle standardu
100
1,148
1
1,142
-1
1,136
-50
-2
1,130
-100
-3
1,124
-150
-4
1,118
50
1,112
0 1,106
-200
-5
1,100
0
-250
t [s]
I [A]
23 ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
U [V]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
24
4.2. Upravené ovládání motoru U stejného rozváděče proběhlo nové měření. Pro ovládání se použili relátka KA1, 2 s přibližně stejnými vlastnostmi jako ministykače. Kontakty se zdvojili a paralelně k nim se přidělali diody D1-4. Každý kontakt je tak o polovinu méně namáhán. Diody umožní odvedení energie indukčnosti po vypnutí zpět do zdroje. Kondenzátor C1 má za úkol ‘odříznout‘ velké záporné napětí. Obvod je znázorněný na obrázku 4.2.
Obr.4.2 Upravené zapojení ovládání motoru
Následující graf 4.4 znázorňuje napětí a proud při zapínání motoru s odlehčeným ovládáním. Proud sice vzrostl, v důsledku toho pokleslo i napětí, nicméně kontakty jsou zdvojeny, takže jsou více odlehčené. Výhodou zapojení je, že napětí neklesne pod hodnotu 220 V a jeho průběh není tolik zvlněný, jako v předešlém případě. Také při vrcholu proudu klesá napětí méně cca o 10 V. Ať už je výhodnější to či ono zapojení, je z grafických závislostí zřejmé, jak je zapínací proud velký i při použití Un = 220 V. Při polovičním napětí bude proud úměrně vyšší. I když tyto kontakty dovedou sepnout tak velký proud, je otázkou kolikrát! Při testování, při uvádění do provozu a i při běžném použití dochází k neustálému opalování, které může podstatně ovlivnit životnost relé či stykače.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
25
U [V] 100
150
200
250
4
6
8
10
-2
2
-50
-4
50
-100
-6
0
-150
-8
18
-200
-10
0
-250
24
Graf 4.4 Rozběh - úprava ovládání oproti standardu
30 36
t [ms] 42 48 54 60
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.
26
Návrh řešení omezení přechodných jevů
Z předchozího plyne, jak důležité je omezení těchto nežádoucím jevů. V této kapitole jsou podrobně rozebrány tři návrhy na realizaci omezení proudových špiček. Při prvním seznámení s prací byl návrh zaměřen na zmenšení nákladů na zařízení při zachování standardního zapojení. To však paradoxně neřeší původ vzniku velkých proudů, nýbrž až jejich následek. Proto při bližším prozkoumání vznikly návrhy jak omezit tento proud a ne se jej snažit přenést dál po rozvodně. Do obvodu kotvy lze přidat prvek, který zvýší celkový odpor kotvy a tím sníží proud – vyplývá z rovnice 3.4. Takovým prvkem může být negativní termistor, či rezistor. Termistor po zahřátí sníží svůj odpor k nule, a po rozjezdu motoru tak nebude zdrojem ztrát. V případě rezistoru, by muselo být použito i relé pro vyřazení z obvodu kotvy po rozjezdu. Zpoždění lze jako u předchozího udělat jak řídící jednotkou, tak pouhým časovým modulem. Omezení proudové špičky lze dosáhnout i šetrnějším způsobem, než zařazením odporu. Řešením je například použití výkonového tranzistoru v lineárním režimu. Po konzultaci na ústavu eletrkotechniky a elektroniky se projekt rozšiřuje o další návrh řízení za použití emitorového sledovače tranzistoru MOS-FET. V této kapitole jsou podrobně rozebrány tři návrhy na realizaci omezení proudových špiček. U každého vzorku je popis jeho funkce a použitých součástek, nákres umístění na DIN liště, schéma zapojení a kalkulace použitých součástek. Kalkulace je zhotovena podle cen v běžném maloobchodním prodeji, v případě použití více součástek jejich průměrná cena. Takto popsané vzorky budou sloužit pro porovnání, nejen z hlediska ekonomického, ale rovněž místa zabírající v rozváděči, jednoduchosti výroby, instalace a nakonec také funkčnosti, která je ověřena měřením ke konci práce.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
27
5.1. Základní modul Tento modul bude sloužit pro všechny tři vzorky. Veškeré nutné vstupy i výstupy budou vyvedeny na svorky. Cílem je co nejsnadnější manipulace a možnost zařazení do pomocného obvodu pohonu v rozváděči. Celý systém je připevněn na DIN lištu. V projektu jsou použity standardní přístroje i svorky. Použitá struktura tak odpovídá standardům firmy ABB a bude jednodušší možnost zařazení systému do běžné praxe. Základem všech vzorků jsou dvě tlačítka pro oba směry chodu motoru od firmy ABB a jimi spínanými dva mini stykače typu BC7 110VDC a nástavbou CAF6 11E od společnosti ABB se čtyřmi spínacími kontakty a dvěma pomocnými kontakty. Jeden z pomocných kontaktů slouží jako tzv. samodržný kontakt, pro překlenování spínače po sepnutí relátka. A další rozpínací pro ochranu proti přepólování stroje v jedné z koncových pozic. Během pár vteřin by tak došlo (při zvolení nesprávné polarity) ke zničení převodovky. Hlavní spínací kontakty jsou zdvojené pro rozdělení zátěže. Důležitou součástí modulu jsou také svorky 20x WDK 2.5N pro propoje v rámci bloku i mimo něj a 4x UKK 5-DIO/O-U, které obsahují diody, jež odlehčí silové kontakty relátek. Prakticky je to dvojpatrová svorka, kde patra jsou propojena právě diodou. Vyznačuje se tedy dvěma přípojnými body na každé straně svorky. Viz. katalog na přiloženém CD. Umístění na DIN liště ukazuje obrázek 5.1.
Obr.5.1 Základní modul, umístění na DIN liště
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
28
5.2. Vzorek č.1, použití rezistoru s časovým relé V uvažované aplikaci je nejlepší použití výkonového drátového rezistoru. Ten bude v sérii s kotvou motoru po dobu přechodného jevu. Po zhruba 200ms bude překlenut spínacím kontaktem časového relé. Změna odporu v obvodu bude značně skoková a lze předpokládat menší rozkmitání obvodu a opětovný nárůst proudu. Zdaleka ovšem ne takový jako v případě přímého připojení na plné napájecí napětí bez omezovače. Rozmístění prvků na DIN liště je na obrázku 5.2. Protože se v průběhu vypracování práce zaměnily rozváděčích relé od ABB, došlo k některým změnám v zapojení tohoto přípravku oproti semestrálním projektům. Předně zde je omezení v počtu pomocných kontaktů (z osmi na šest). Časové relé spínají samodržné kontakty obou ministykačů, které jsou odděleny diodami proti vzájemnému ovlivnění. Tím je myšleno to, že v případě neošetření diodou by kontakt KA1 spínal jak časové relé, tak stykač KA2. Dioda propustí signál jen jedním směrem. Dvě diody typu UKK 5-DIO/O-U jsou přidělány k základnímu modulu. Časové relé je nastavené na opožděné sepnutí. Ve chvíli, kdy je připojena cívka relé k napájení začne časový modul počítat. Po uběhnutí nastaveného času 100ms - 100h opožděně spíná a zůstává sepnuté po dobu připojení k napájecímu napětí. Cívky spínacích relé jsou ošetřena varistory, které brání šíření rušení. Tato skutečnost je důležitá i pro věrohodnost naměřených hodnot z pozdějšího měření.
S ohledem na nedostupnost charakteristických hodnot motoru, bude použito několik rezistorů o různých odporech. Cílem je, snížit dostatečně nárazový proud. Avšak motor potřebuje k rozběhu i nutnou dávku energie k překonání záběrných sil. Hranice je nastavena na cca Imax = 2,5 A. Ovládací relé jsou v případě spínání induktivní zátěže jsou schopné samostatně pracovat kontakty s 1,5A, zdvojené až 7A.Viz příslušný katalog na CD. Tedy existuje zde jistá (dostatečná) rezerva. Z měření motoru na 220VDC vyplynulo, že při připojení motoru na plné ovládací napětí dosahovala proudová špička 6A. V rámci této práce proběhne měření na zakázce o jmenovitém napětí 110VDC. Předpokládaná špička proudu bude mnohem vyšší.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
29
V prvním okamžiku rozběhu motoru je indukované napětí nulové. Motor stojí, neotáčí se. V tomto stavu se chová jako odporový prvek. Navíc tento odpor RM je velmi malý. Proto při připojení na plné napětí projde motorem odpovídající proud podle ohmova zákona platí:
U I 110 RM = = 9.2Ω 12 RM =
(5.1)
Teoreticky teď lze stanovit sériový odpor, který bude do obvodu přidán. Tyto výpočty se však zakládají na neověřených skutečnostech, a proto pro možné využití v budoucnu bude nutné přesnější stanovení odporů sériových rezistorů RS na všech napěťových hladinách. Sériový rezistor RS se opět stanový z opraveného vztahu ohmova zákona:
RS =
U − RM I max
110 RS = − 9,2 = 34,8Ω 2,5
(5.2)
Jako efektivní se zdá použití rezistoru 82R a 68R a jejich paralelní kombinace. Výkon 5W by měl s ohledem na časově krátký proudový impuls a zařazením pouhých 200ms stačit.
Obr. 5.2 Vzorek č.1, umístění na DIN liště
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.2.1. Schéma zapojení
30
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.2.2. Specifikace
31
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
32
5.3. Vzorek č.2, použití termistoru Termistor je polovodičová odporová součástka, jejíž rezistance je závislá na teplotě. Rozlišujeme PTC termistory s pozitivní závislostí odporu na teplotě - odpor se stoupající teplotou roste, a NTC termistory s negativní závislostí, kdy odpor po zahřátí klesne. Tohoto jevu se využívá i v následujícím případě. Vlivem průchodu velkého proudu (i tak krátkodobého) dojde k zahřátí termistoru a jeho odpor klesne téměř k nule. Navíc vlivem původního odporu omezí prvotní proudovou špičku. Závislost elektrického odporu na teplotě ukazuje obr.5.4. Jedná se o jeden z mnoha typu termistorů. Teplotní i odporová variabilita je značná [4]. Termistory se vyrábí z nejrůznějších oxidů kovů (Mn, Co, Ni, Cu, Ti, aj.). Ty se rozemelou na prášek, přidají se další příměsy a pojivo a poté se za použití vysokého tlaku slisují do žádaného tvaru a spékají při vysoké teplotě. Výsledný výrobek se nechá nějaký čas "zestárnout", aby jeho vlastnosti byly stabilizovány. [5]
Obr.5.4 Charakteristika NTC termistoru
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
33
Firma Hongzhi Enterprises Ltd. nabízí ve svém portfoliu termistory pro omezení proudových špiček(power NTC). Pro tuto aplikaci je důležité znát jmenovitý proud, který musí být menší než Imax(max. steady state current) a potřebný odpor. Jmenovitý proud tekoucí termistorem navíc nesmí být příliš malý, aby se termistor dostatečně nahřál. [4] Předpokládaný proud tekoucí obvodem je:
P U 40 I= ≅ 0,37 A 110 I=
(5.3)
Avšak při přechodném ději lze očekávat proudovou špičku ve deseti násobcích jmenovitého proudu, proto je dobré mít raději jistou rezervu. Také výběr je značně omezený. Dostupný byl NTC termistor 20D-13 s Imax = 3A, R = 20Ω. Pro měření jsou zapojené dva termistory do série. V praxi to může znamenat, že motor bude mít pomalejší rozjezd a dojede do své koncové polohy o pár desetin sekund pomaleji, něž při napájení nominálním napětím. Ale tak nebude příliš zatěžován a je tedy zaručena jeho dlouhá životnost. Termistor je uchycen na speciálním držáku pro DIN lištu pod plexisklem. Následující obrázek 5.6 znázorňuje skutečné rozmístění prvků na DIN liště. V tomto přípravku již dále nefiguruje časové relé, termistor je zapojený v sérii s kotvou stroje.
Obr. 5.6 Vzorek č.2, umístění na DIN liště
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.3.1. Schéma zapojení
34
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.3.2. Specifikace
35
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
36
5.4. Vzorek č.3, emitorový sledovač Tento návrh vzešel z odborné konzultace na ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky. Emitorový sledovač funguje na principu pomalu se otevírajícího tranzistoru MOS-FET. Unipolární, neboli jednovrstvé, tranzistory jsou řízené napětím na G (Gate) elektrodě, která je u MOS-FET tranzistorů oddělena od systému vrstvou SiO2 o tloušťce řádově 100nm.[6] Kolektorový proud je v případě NPN tranzistorů tvořen minoritními elektrony tekoucími od emitoru S ke kolektoru D. Formálně je bráno, že proud kladných nosičů teče opačným směrem. Výkonové unipolární tranzistory se vyrábí pouze s obohacovaným kanálem a mají tak trojvrstvou strukturu. Obohacený kanál znamená, že při nulovém napětí na vstupní bráně G UGS=0 je kanál zcela uzavřený. V opačném případě by bylo nutné přivést záporné napětí na G. Na obrázku 5.7 je znázorněn řez jednou buňkou NPN tranzistoru. Celkově jich je paralelně propojeno 100x100. Mezi buňkami vznikají parazitní substrátové diody, které se navenek jeví jako antiparalelní dioda připojená k tranzistoru.
Obr.5.7 Schématický řez MOS-FET tranzistorem
Použitý typ tranzistoru v tomto vzorku je NPN MOS-FET tranzistor IRF 640 v provedení TO-220 s kovovou stěnou pro odvod tepla. Tranzistor se nachází v lineárním režimu a jsou na něm větší ztráty než v režimu spínacím. Proto je nutné přidělat na oba tranzistory dostatečně velký chladič. Vzhledem k tomu, že vzorek je také umístěný v otevřeném držáku na DIN liště (obr.5.8), neměl by být problém s chlazením. Každý z tranzistorů pracuje pro jeden směr toků proudu (směr otáčení - dvě větve).
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
37
Parazitní dioda tranzistoru slouží k uzavření obvodu při chodu motoru, a zároveň pro odvod nahromaděné energie v induktoru motoru společně s nulovými diodami na kontaktech ministykačů. RC články na gatu tranzistorů slouží pro jeho pomalé otevírání. Vlivem nabíjení kondenzátoru na něm narůstá napětí a tranzistor se postupně otevírá. Doba, za kterou by se měl tranzistor plně otevřít je dán časovou konstantou RC článku τC. τC = R ⋅C
(5.4)
Zvolené součástky pro RC článek jsou C1,2 = 22μF a R1,2 = 3,3kΩ, tedy: τ C = 3,3 ⋅ 10 3 ⋅ 22 ⋅ 10 −6 = 72,6ms V praxi by bylo lepší použít několik paralelně zapojených keramických kondenzátorů, protože svitkový může po určitém čase ztrácet svoje vlastnosti.
Celý obvod je umístěn na tištěném univerzálním poli v držáku pod plexisklem kvůli ochraně před dotykem živých částí. Pro názornost je uvedena fotografie – obr.5.10 .
Obr. 5.8 Vzorek č. 3. umístění na DIN liště
Obr. 5.10 Rozmístění součástek na tištěném poli
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.4.1. Schéma zapojení
38
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
5.4.2. Specifikace
39
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
6.
40
Praktická část práce
Praktická část práce - měření, probíhala ve spolupráci projekcí a zkušebního oddělení firmy ABB přímo na zkušebním pracovišti výrobní haly 18.3.2009.
6.1. Technická data zakázky Parametry jsou důležité jak pro ucelení práce, tak pro možné porovnání charakteristik s jiným typem rozvodny. Jmenovité hodnoty: •
jmenovité napětí Un = 12kV
•
jmenovitá frekvence fn = 50Hz
•
jmenovitý proud přípojnic In = 2500A
•
zkratový proud Ik = 20 při době trvání t = 3s
•
pomocné napájení pro ovládání Up = 110VDC
Typy polí a vypínačů: •
vývody: VD4 12.06.20; p=210; m = 116kg
•
přívody, spojka: VD4 12.25.20; p=280; m = 186kg
Měření proběhlo na vývodových polí rozváděče typu ZS1 Unigear Perfekt, jejichž šířka je l = 800mm. Všechny pole jsou standardně mělké - hloubka h = 1340mm. Na zakázce jsou použity pohony zkratovače, střadače vypínače a podvozku (kazety) vypínače. Následující grafické znázornění všech měření s použití vzorků i bez vzorku jsou upravena do stejného formátu jako předchozí grafy. Tedy vodorovná souřadnice je časová osa, svislá pak vlevo napěťová (modrá charakteristika) a vpravo proudová (červená charakteristika).
Měření proběhlo tolik, že vzhledem k rozsahu této práce není možné všechny uvést. Všechny měření, fotky z přípravy měřícího pracoviště, katalogy ke všem zařízením a mnoho dalšího je dostupné na přiloženém cd.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
41
6.2. Příprava měření
K základnímu modulu byla připojena vydrátovaná zásuvka vypínače s potřebnými piny, která poskytla oddělení měřícího přípravku od rozváděče bez jakéhokoliv zásahu do elektrického zapojení. Připojením napájecího napětí z tvrdého zdroje (až 25A) by se mělo zaručit plné projevení proudové špičky bez většího poklesu napětí. Při měření však i tak docházelo k poklesu napájení cca o 10%. Na CD je pod složkou Měření/Měkký zdroj vidět, že při použití prvního zdroje o max. dodávaném proudu Imax = 10A byl napěťový pokles zhruba na U = 85V (23%). Použitý osciloskop byl pro jistotu připojený na napájení přes oddělovací transformátor, který zabrání jakémukoliv rušení ze strany sítě. Měřící proudová sonda (kleště) byla připojena co nejblíže motoru, tedy hned za svorkou XX 16. Napěťová sonda na svorce XX 17. V průběhu měření došlo k několika úpravám jak zapojení, tak zařízení popsaných v předchozích semestrálních projektech, aby výsledky byly co nejoptimálnější a nejvíce se podobali aktuálním standardům. Bližší informace o změnách jsou popsány přímo u jednotlivých vzorků. Měření se rozdělilo na část rozběhu motoru z polohy pracovní do testovací (motor tak navíc musel překonávat sílu růžic vyjíždějících z roubíků) a na část doběhu motoru z testovací do pracovní polohy (stejný princip jako výše). Tato práce se od začátku soustředí na rozběh, proto zde jsou uvedeny všechny případy měření. Doběh je rozebrán ke konci práce s ukázkou nejzajímavějších vzorků.
6.3. Použité přístroje osciloskop
Tektronix TDS 2002B
měřící sonda proudu
Chauvin Arnoux E3N (100mV/A) - Channel 1
měřící sonda napětí
Tektronix P22 (1x) - Channel 2
oddělovací transformátor
Eximet trafo s.r.o TVOS E 96.45/211
digitální multimetr
FLUKE 175 true rms
zdroj
PowerTen P62B-25012
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
7.
42
Ověření předpokladů měřením - rozběh motoru
Rozběh motoru byl realizovaný pro větší zátěžný odpor, tedy zajíždění růžic vypínače do roubíků. Tomuto případu odpovídá směr z testovací do pracovní polohy.
7.1. Bez ošetření Toto měření proběhlo jak na vývodovém, tak přívodovém poli. Díky tomu je možné porovnání proudů motory při různé provozní zátěži. K velkému překvapení proudový rozdíl nebyl téměř žádný. (viz CD: Měření/Bez vzorku_1000) Vzhledem k tomu, že není možné bez použití nástrojů se dostat k samotnému pohonu vypínače, lze jen předpokládat, že převodový poměr je v druhém případě odlišný a motor je tedy namáhám přibližně stejnou silou, nebo je zde použit jiný motor.
Na grafu 7.1 je zobrazený průběh napětí a proudů v 800mm širokém poli. Vzhledem k možnému počtu zaznamenávaných vzorků (max 2500) osciloskopem od firmy Tectronix není možné zachytit celý průběh rozběhu, aniž by se nesnížila kvalita zobrazovaných charakteristik. Lze tedy na první pohled vidět, že po 25ms proud ještě nestačil klesnout na svou jmenovitou hodnotu cca 0,4A. Jak již bylo zmíněno, napětí zde opět kleslo (i když byl původní zdroj nahrazen výkonnějším). Tento jev si lze vysvětlit indukčností obvodu a také přívodních kabelů, které byly poměrně dost dlouhé (10m). Zapojení se upravilo překlenutím rezistoru na vzorku č.1. Antiparalelní diody a ostatní součástky zůstaly na zapojené. Takto lze porovnat toto měření s původním měřením na motoru o jmenovitém napětí Un= 220V.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
43
7.1.1. Porovnání charakteristik
Před porovnáním obou charakteristik je nutné si uvědomit, že grafy ve 4. kapitole jsou pořízeny osciloskopem, který zvládl v nastaveném časovém intervalu zaznamenat 106 hodnot. Proto je možné zobrazení detailů a jistota korektních hodnot. Naopak je tomu u osciloskopu Tectronix, který umí zaznamenat pouze 2500 hodnot. Zde není možné dělat výřezy z charakteristik.
Při pohledu na graf 4.1 je znatelná velká záporná napěťová špička. Detailní pohled prozrazuje, že zapnutí trvalo cca 0,3ms a bylo doprovázeno častým kmitáním kontaktů. Blíže v kapitole 4. Graf 7.1 nemá téměř žádnou napěťovou špičku. Tento jev lze vysvětlit hned několika způsoby: •
vliv zdvojených kontaktů
•
rychlejší zapínací rychlost použitého relé
•
chyba měřícího přístroje
Kontakty ministykače jsou v můstkovém provedení. Což znamená, že jeden pól spínají hned dva kontakty. V případě zdvojení na obou stranách, dochází k tomu, že ve skutečnosti spouští motor hned 8 kontaktních systémů o proti původním dvěma. Zaznamenané hodnoty v tak krátkém časovém intervalu mohli být zaznamenány vždy ve chvíli, kdy proběhla napěťová špička. Avšak tato možnost je dosti nepravděpodobná vzhledem k tomu, že skákání kontaktů trvalo přes 100μs. Na tomto úseku došlo k záznamu hned 10 hodnot. Navíc špičky jsou značně nesymetrické!
Proudový skok, který je zde zaznamenán je vliv nedokonalosti proudové sondy, která reaguje na prudké změny napětí. Celkový přechodný děj proudu není zaznamenám. Hlavní je však vrcholová hodnota proudu, tedy IMAX = 7,68A. Oproti motoru na Un = 220V je zde znatelný rozdíl, avšak ne předpokládaný dvojnásobný. To je pravděpodobně způsobeno jiným typem motoru - motor má obecně jinou impedanci. Týl proudu má strmější pokles v prvním případě měření. Tento jev souvisí též s impedancí motoru a může se zde projevovat i typ zdroje napájecího napětí.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
44
U [V] 80
100
120
8
10
12
4
6
40
2
60
20
0
0
0
-20 2,5 5 7,5
Graf 7.1 Rozběh - bez ošetření
10 12,5
t [ms]
15 17,5 20 22,5
-2
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
45
7.2. Vzorek č.1; použití rezistoru
V sérii s kotvou motoru byl připojen rezistor tvořený paralelní kombinací rezistorů 82R a 68R, tedy Rs = 37,1Ω. Vzhledem k tomu, jak i takto malý odpor omezil charakteristiku proudu neprovádělo se další měření. Na grafu 7.2 je znázorněn průběh napětí a proudu v prvním stovkách milisekund po zapnutí. Děj je poměrně delší než v ostatních případech. Je to dáno hlavně časovou prodlevou na relé KT1.
Na první pohled je patrné, že došlo k dvěma přechodným dějům - při zapnutí a při vyřazení odporu. Obě špičky jsou však vysoké pouhých IMAX = 2,16A. V druhém případě navíc proud klesl daleko rychleji na jmenovitou hodnotu! Strmost poklesu proudu je dána časovou konstantou: τR =
L R
(7.1)
která je v první části menší o odpor sériového rezistoru (R = RM + Rs). Na druhou stranu přechodný děj trval přibližně 4x déle ve srovnání s grafem 7.1. Drobné zákmity proudu po zapnutí i vyřazení rezistoru jsou důsledkem spínacích kontaktů relé i ministykače.
Zajímavá je napěťová špička v okamžiku zapnutí. Připojením obvodu ke zdroji dojde ke skokové změně napětí na kotvě motoru. Jeho teoretická velikost je dána napájecím napětím menším o úbytek na rezistoru. Vlivem průtoku proudu je však toto napětí téměř okamžitě omezeno. Sklon nárůstu napětí na motoru je dán klesajícím úbytkem napětí na rezistoru (velikost proudu klesá). Zubovitý tvar napětí je důsledkem komutace na kartáčích kotvy. Ve chvíli vyřazení rezistoru již prakticky skončil původní přechodný děj. Překlenutím rezistoru však dochází ke skokové změně napětí a tomu odpovídá i nárůst proudu. Pokles napětí v okamžiku nárůstu proudu je s porovnáním grafu 7.1. zanedbatelný.
Motor dle odposlechu neměl sebemenší problém s touto zátěží. Celková doba chodu z jedné pozice do druhé se výrazně neprodlužila. Rezistory se i při opakované manipulaci s podvozkem nijak nezahřívali. To vše je dobrými známkami pro tento typ řízení rozběhu.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
46
U [V] 80
100
120
4
5
6
2
3
40
1
60
20
0
0
0
-20 25 50 100
Graf 7.2 Rozběh - vzorek č.1; použití rezistoru
75 125
t [ms]
150 175 200 225
-1
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
47
7.3. Vzorek č.2; použití termistoru
Pro následující měření je v sérii s kotvou motoru vzorek se dvěma termistory také v sérii. Při pohledu na graf 7.3. je na první pohled znát, že průběh napětí a proudu je velice podobný případu s rezistorem. Zásadní rozdíl je v tom, že zde probíhá pouze jeden přechodný děj proudu, a proto je jeho doba kratší. Na druhou stranu velikost napětí není zdaleka na své jmenovité hodnotě (U ≈ 95V). Po prvních 250ms ještě stále není termistor zahřátý a je na něm značný úbytek napětí. V praxi to znamená pomalejší rozběh stroje, který však nebyl ani zpozorován.
Vyvstává otázka, zda a kdy teplota termistoru dosáhla takové úrovně, že jeho odpor klesl téměř k nule! Odpovědí je graf 7.4. Zde je zachycen celý chod motoru z pracovní pozice do testové. Děj trval zhruba 22s. V první části vzrostlo napětí na hodnotu jmenovitého napětí zmenšeném o úbytek na termistoru, zachyceném na grafu7.3. V tento okamžik měl již motor tendenci se začít otáčet, proto vzrostl proud tekoucí motorem a úměrně tomu kleslo také napětí na motoru. Proud si drží svou velikost (I ≈ 750mA) až do chvíle než růžice opustí roubík. Tak dojde ke snížení síly zátěže a proud i napětí se ustálí na jmenovitých hodnotách. Nyní jde vidět, že termistor se již plně oteplil a v obvodu tak nefiguruje žádný nadbytečný odpor.
Termistor se mnohem rychleji otepluje jmenovitým proudem, než chladne přirozeným odvodem tepla. Proto je možné, že dvou, třech rychle po sobě jdoucích příkazů pro zajetí/vyjetí vypínače by pravděpodobně již nedocházelo k omezení přechodnému ději, protože termistor by měl téměř nulový odpor. Po dobu měření termistor pracoval bezvadně a bez jakékoliv známky přehřátí.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
48
U [V] 80
100
120
4
5
6
2
3
40
1
60
20
0
0
0
-20 25 50 100
Graf 7.3 Rozběh - vzorek č.2; použití termistoru
75 125
t [ms]
150 175 200 225
-1
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
49
U [V] 120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
0 2,5 5
Graf 7.4 Celý chod motoru - vzorek č.2; použití termistoru
7,5 10 12,5
t [s]
15 17,5 20 22,5
3
2
1
0
-1
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
50
7.4. Vzorek č.3; emitorový sledovač
Následující podkapitola se zabývá rozborem vzorku na bázi emitorového zesilovače. Graf 7.5 znázorňuje dynamické změny napětí a proudu při rozběhu motoru. Vlivem poměrně malé časové konstanty τ C se ve chvíli připojení obvodu na síť tranzistor hned přiotevře a dá tak možnost vzniku proudové špičky. Ta je však dostatečně omezena (IMAX = 3.4A). Kmitavý vzhled proudu způsobuje změna odporu tranzistoru, tedy v podstatě změna řídícího napětí, které otevírá tranzistor - blíže obrázek 7.1 a popis funkce. Napětí je vhledem k průchozímu proudu také rozkmitané. Nárůst napětí k jmenovité hodnotě je závislý na změně řídícího napětí. Napětí na motoru nedosáhne napětí jmenovitého, protože tranzistor se nikdy plně neotevře. Princip popsaný u obr.7.1. Celý přechodný děj trval kolem 320ms. Při měření se tranzistory hodně zahřívali. Rozhodně by se nemělo několikrát bezprostředně za sebou zapínat provoz pohonu, byla by tak ohrožena funkce tranzistoru. Jiná možnost je použití většího chladiče.
Obr 7.1 Princip rozběhu motoru se vzorkem č.3
Obr 7.1 znázorňuje princip rozběhu motoru při jednom směru otáčení na základě změn napětí na jednotlivých prvcích obvodu.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
51
1. Okamžik sepnutí spínače; t = 0s. •
napětí na kondenzátoru a na motoru jsou nulová; UC = UM = 0
•
napětí na rezistoru a tranzistoru je pak rovné napětí zdroje; Ud = UTR = UD
•
rozdíl mezi potenciály A a B je nulový; UŘ = 0
2. Po sepnutí spínače; t ≠ 0s. •
napětí na kondenzátoru roste; UC ≠ 0
•
napětí na motoru roste; uM = R ⋅ i(t ) + L
•
napětí na rezistoru je menší o napětí nabitého kondenzátoru UR = UD - UC
•
napětí na tranzistoru klesá, tranzistor se otevírá; UTR = UD - UM - Ud
•
rozdíl mezi potenciály A a B musí být nenulový; UŘ = UD - UR - UM - Ud
di (t ) + ui ≠ 0 dt
V okamžiku sepnutí spínače je v obvodu ustálený stav, kdy tranzistor je zavřený, motorem neprochází proud, tedy není na něm úbytek napětí a kondenzátor je z předchozího děje naprosto vybitý. Tranzistor musí být vypnutý, protože řídící napětí je nulové. O chvíli později se kondenzátor začne nabíjet. Napětí na něm je před otevřením tranzistoru roven řídícímu napětí. Jakmile překročí jistou hranici začne se tranzistor otevírat. Nyní vzniká vlivem procházejícího proudu úbytek napětí na motoru a diodě. Bod B se dostane na vyšší potenciál než doposud => klesne rozdíl napětí mezi A a B (UŘ) a tranzistor se přivře => klesne proud motorem i úbytek napětí na motoru. Takto vysvětluje kmitání napětí a proudu na grafu 7.5. Protože tento proces výrazně zhoršuje otevírání tranzistoru, je doba přechodného jevu delší, a proto se také tranzistor více zahřívá procházejícím proudem. Bod A musí být po celou dobu potenciálově výš než bod B, aby tranzistor byl otevřen. To však znamená, že na tranzistoru musí pořád vznikat úbytek, tedy není zcela otevřen. Pokud by UTR chtělo být nulové, pak napětí zdroje by bylo na motoru a diodě UD = UM + Ud. Pak ale z 2. Kirchhofova zákona plyne, že UŘ + UR = UD - UM - Ud = 0, tedy tranzistor by se musel uzavřít. Ve skutečnosti se však tranzistor ustálil v nějakém bodě, který reprezentuje úbytek napětí na motoru oproti ostatním vzorkům menší než ∆U = 10% .
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
52
U [V] 80
100
120
4
5
6
2
3
40
1
60
20
0
0
0
-20 50 100
Graf 7.5 Rozběh motoru - vzorek č.3; emitorový sledovač
150 200 250
t [ms]
300 350 400 450
-1
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
8.
53
Ověření předpokladů měřením - doběh motoru
Tato práce je předně určena pro analýzu a řešení rozběhových přechodných dějů. V rámci ucelení však bylo provedeno několik měření doběhu motoru do pracovní pozice, kdy je mu kladený největší odpor (zajíždění do roubíku). Kapitola zahrnuje nejzajímavější vzorky. Ostatní měření jsou v podsložce měření/doběhy na přiloženém CD.
8.1. Bez ošetření
Na následujícím grafu 8.1 je možné pozorovat několik zajímavých úseků hlavně díky krátké časové ose. Je nutné poznamenat, že impulsy proudu, které doprovází rychlé změny napětí jsou způsobené nedokonalostí proudové sondy. Sonda spolehlivě pracuje do cca 10kHz. Ale rychlá změna napětí na grafu 8.1 v řádech jednotek mikrosekund odpovídá stovkám kHz!
Zhruba ve 30μs byl zahájen vypínací proces. Napětí začíná kolísat a stupňovitě klesá. Toto způsobuje postupné rozepínání kontaktů a úbytky napětí na nich. Kontakty ministykače jsou v můstkovém provedení. Což znamená, že jeden pól spínají hned dva kontakty. V případě zdvojení na obou stranách vypíná motor hned 8 kontaktních systémů. Přechod každého systému do stavu vypnutí doprovází oblouk, na kterém vzniká úbytek napětí.
V rozmezí 130-160μs dochází k jevu, kdy napětí obrátí svůj směr a "rekuperuje" zpět do sítě. Zmíněný jev způsobuje indukčnost, která se brání jakékoliv změně. Energie z indukčnosti se odvádí přes nulové diody zpět do zdroje. Pokud se před vypnutím proud uzavíral přes ministykač KA1, pak po vypnutí se uzavřel přes nulové diody u kontaktů KA2, které se otevřely opačném napětím vyvolaném indukčností.
Ve chvíli, kdy proud klesl na nulu (cca 160μs) přechází průběh napětí v zotaveného napětí, které má kmitavý tlumený charakter. Následuje obnovené napětí ustálené na indukovaném napětí stroje, které by postupně kleslo k nule.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
54
Téměř stejný průběh je i na grafu 8.2. Důvod proč je zde uveden je pro porovnání proudů tekoucí motorem při vypínání pohonu v přívodním poli s polem vývodovým. Přívodní pole a spojka se vyznačují větším jmenovitým proudem. Tomu odpovídají i parametry použitých zařízení, viz kapitola 6.1. Nejen že vypínač je o 60% těžší [7], ale také stykový odpor růžic s roubíkem bude větší.
V případě na grafu 8.2 pracuje motor s větší zátěží, a proto jím teče 2x větší proud I = 1,4A. Důsledkem toho se vypínací děj časově prodloužil o 1/3! Napěťovou špičku ve 300μs sledovaného děje by bylo možné "uříznout" v jmenovité hodnotě napětí díky kondenzátoru, který v zapojení chyběl. Do budoucna jej lze doporučit, protože výsledné napětí vyfiltruje a bude mít plynulejší průběh.
8.2. Vzorek č.3; emitorový sledovač Na grafu 8.3 je znázorněn doběh motoru s použitím třetího vzorku - emitorového sledovače. Měření je provedeno s delší časovou osou než v předešlých případech. Je tak možné vidět, jak klesá indukované napětí k nule a dokonce i pod napěťovou osu (UMIN = -17V). Toto je způsobeno tím, že podvozek je po zastavení mírně posunut zpět - tuto reakci vyvolávají to síly hmot, pružiny atd. .Přes převodovku se pochopitelně pootočí i rotor motoru. Tím vzniká indukované napětí opačné orientace. Z charakteristiky je patrné, že nemuselo dojít k žádnému přechodnému jevu. Na druhou stranu je také možné, že osciloskop na tak velkém časovém intervalu nezaznamenal důvěryhodně tak krátký interval, jakým přechodný jev při vypínaní jistě je. Rozkmitání napětí je pravděpodobně způsobené stejným jevem, jaký je popsán v kapitole 7.4, tedy neustálou změnou řídícího napětí. Velkou výhodou tohoto vzorku je, že napětí nemá zápornou špičku a po určité křivce plynule klesá k nule.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
55
U [V] 100
150
1
2
3
-1
50
-50
-2
0
-100
-3
0
-150
-4
0
-200
25 50
Graf 8.1 Doběh - bez ošetření; šířka pole 800mm
75 100 125
t [μs]
150 175 200 225
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
56
U [V] 100
150
1
2
3
-1
50
-50
-2
0
-100
-3
0
-150
-4
0
-200
50 100
Graf 8.2 Doběh - bez ošetření; šířka pole 1000mm
150 200 250
t [μs]
300 350 400 450
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
57
U [V] 120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
0 50 100 200
Graf 8.3 Doběh - vzorek č.3; emitorový sledovač
150 250
t [ms]
300 350 400 450
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
I [A]
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
9.
58
Závěr
Tato práce měla za úkol objektivně zhodnotit dosavadní stav a najít vhodné řešení zejména pro přechodný děj při rozběhu stejnosměrného motoru. Je zaměřena především na realizaci. V předešlých kapitolách se čtenář mohl seznámit s danou problematikou jak z teoretického hlediska (kapitola 3), tak praktického úhlu pohledu. U všech navrhnutých vzorků proběhla řada měření, která jsou detailně popsány. Je nutné si však uvědomit, že mezi návrhem a samotným zařazením do sériové výroby je spousta dalších překážek, které se musí zdolat.
Pro zachování kvality práce, jsou uvedeny pouze důležitá fakta a základní měření. Všechny ostatní informace ohledně této problematiky, jako jsou katalogy, zbylá měření, fotky, dílčí semestrální projekty atd. jsou shrnuty v příloze na CD pod příslušnými složkami.
Při posuzování, který z uvedených vzorků je nejvhodnější pro zavedení mezi standardy firmy ABB je nutné vycházet z několika požadavků. Mezi základní pak patří cena, funkčnost, jednoduchost a efektivita.
Cenově je nejvýhodnější použití termistoru. Ostatní vzorky jsou minimálně o 20% dražší. Životnost termistoru je díky použití dvou v sérii vysoká a funkčnost při normálním provozu zaručená po mnoho let. Jeho zabudování do rozváděče je poměrně jednoduché, nezabírá zbytečně moc místa, dobře se chladí. Dalším měřením může být upřesněno jaké termistory se budou používat na příslušných napěťových hladinách.
Přípravek s rezistorem je dobrou alternativou v případě, že v příslušném poli je ochranné zařízení s možností nastavení časově zpožděného výstupního kontaktu. Takto by náklady klesly. Samotný rezistor je levnější než termistor a jeho teplotní odolnost je výrazně větší. Při použití drátového výkonového rezistoru, kde se cena pohybuje v řádech korun je zaručené, že i při časté reverzaci pohonu bude omezovač plně funkční.
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
59
Nejméně probádanou avšak na grafech nejlépe vypadající možností je emitorový sledovač. Před možným zavedením do výroby by bylo nutné ověření životnosti vzorku při periodickém zapínání pohonu. Také pracnost výroby je značná. Východiskem by mohla být externí firma, která by dodávala hotové výrobky pro umístění v rozváděči.
Na obrázku 9.1 je fotografie z praktického ověření poznatků ve výrobních prostorách firmy, kde lze uprostřed stolu vidět funkční vzorky na DIN liště připravené k měření.
Před možným zavedením vzorku do výroby bude nutné provézt několik dalších měření, domluva s výrobcem o poskytnutí nejrůznějších certifikátů, cenová kalkulace, upravení výrobních postupů atd. . Prvním a neméně důležitým krokem však byla analýza problému a možnost jeho řešení, což je náplní této diplomové práce.
Obr. 9.1 Měřící pracoviště s přípravkem
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
Seznam literatury [1] Technický katalog: Unigear typ ZS1; ABB Praha 2003 [2] Doc. Ing. Josef Koláčný, CSc: Elektrické pohony; VUT Brno [3] Doc. Ing. Zdeněk Vávra, CSc: Vysoké napětí a elektrické přístroje; VUT Brno [4] webová stránka: http://www.epcos.com (Product Catalog/Protection Devices) [5] webová stránka: http://cs.wikipedia.org/wiki/Termistor [6] Doc. Ing. Pavel Vorel: Průmyslová elektronika; VUT Brno 2007 [7] Technical katalogue: Vacuum circuit-breakers; ABB Ratingen 2005
Seznam obrázků Obr.2.1 Pohled na rozváděč Obr.2.2 Vnitřní struktura rozváděče Obr.2.3 REF 542+ Obr.2.4 Vypínač VD4 Obr.2.5 Zkratovač EK6 Obr.2.6 Odpínač NAL(F) Obr.2.7 Transformátor napětí a proudu Obr.3.1 Obvodové schéma ss motoru Obr.3.2 Statická zatěžovací charakteristika Obr.4.1 Standardní zapojení motoru Obr.4.2 Upravené zapojení ovládání motoru Obr.5.1 Základní modul, umístění na DIN liště Obr.5.2 Vzorek č.1, umístění na DIN liště Obr.5.3 Vzorek č.1; schéma zapojení Obr.5.4 Charakteristika NTC termistoru Obr.5.5 Vzorek č.2; schéma zapojení Obr.5.6 Vzorek č.2, umístění na DIN liště Obr.5.7 Schématický řez MOS-FET tranzistorem Obr.5.8 Vzorek č. 3. umístění na DIN liště Obr.5.9 Vzorek č.3; schéma zapojení
60
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
Obr.5.10 Rozmístění součástek na tištěném poli Obr.7.1 Princip rozběhu motoru se vzorkem č.3 Obr.9.1 Měřící pracoviště s přípravkem
Seznam grafických závislostí Graf 4.1 Rozběh - zapojení dle standardu Graf 4.2 Rozběh - zapojení dle standardu; detail Graf 4.3 Doběh - zapojení dle standardu Graf 4.4 Rozběh - úprava ovládání oproti standardu Graf 7.1 Rozběh - bez ošetření Graf 7.2 Rozběh - vzorek č.1; použití rezistoru Graf 7.3 Rozběh - vzorek č.2; použití termistoru Graf 7.4 Celý chod motoru - vzorek č.2; použití termistoru Graf 7.5 Rozběh - vzorek č.3; emitorový sledovač Graf 8.1 Doběh - bez ošetření; šířka pole 800mm Graf 8.2 Doběh - bez ošetření; šířka pole 1000mm Graf 8.3 Doběh - vzorek č.3; emitorový sledovač
Seznam symbolů a zkratek Rd - odpor kotvy RS - sériový odpor RM - odpor motoru Ld - indukčnost kotvy M - moment motoru C
- konstanta motoru
Φ
- magnetický tok statoru
ω0 - ideální otáčky naprázdno k
- směrnice charakteristiky
τ
- časová konstanta
P
- výkon motoru
61
ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně
iq
- proud kotvy
In
- jmenovitý proud
IK - zkratový proud Imax - špičkový proud fn
- jmenovitá frekvence
uq - napětí kotvy ui
- indukované napětí na kotvě
Un - jmenovité napětí Up - pomocné napětí UD - napětí zdroje UR - napětí na rezistoru UC - napětí na kondenzátoru UM - napětí na motoru UTR - napětí na tranzistoru Ud - napětí na diodě UŘ - řídící napětí
62