Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava 1. Rozdělení ES (přehled) Rozdělení dle různých hledisek: - dle funkce : motory, generátory (alternátory, hydroalternátory) - dle velikosti napájecího napětí v souladu s ČSN 330010) : - nízkonapěťové,
ELEKTRICKÉ STROJE - rozdělení, druhy provedení, vlastnosti, dimenzování
Obsah: 1. Rozdělení elektrických strojů (přehled) 2. Označování elektrických strojů 3. Základní pojmy a definice u el. strojů (- v souladu s ČSN IEC 50(411) 4. Základní vlastnosti a parametry el. strojů dle ČSN EN 60034-1 5. Druhy zatížení 6. Tepelné vlastnosti elektrických motorů 7. Vlastnosti a hlediska ES (motorů), které je nutno zohlednit při jejich návrhu. 8. Návrh a dimenzování motoru
Doc. Ing. Václav Vrána, CSc. Březen 2004 poslední úprava: únor 2006
- vysokonapěťové .
- dle provedení s ohledem na jejich určení: • normální (standartní) motory - určené pro běžné aplikace • motory určené pro napájení z měničů frekvence /neharmonické napájení) • servomotory - dle druhu napájecího napětí a jejich provedení: • stejnosměrné - s rozdělením dle provedení buzení: - s permanetními magnety - s buzenými póly v provedení: - s cizím buzením (cize buzené) - s vlastním buzením v provedení: - se sériovým buzením (sériové) - s paralelním buzením - se smíšeným buzením (kompaudní) - s kombinovaným buzením • střídavé - s rozdělením: - dle principu funkce: - asynchronní (indukční) s následným rozdělením: - dle provedení rotoru: - nakrátko (klecové) - kroužkové (se sběracím ústrojím - s masivním rotorem (např. Ferrarisův motor) - dle počtu fází: - 1-fázové - 2-fázové - 3-fázové - dle provedení vinutí (jejich počtu a možnosti přepínání počtu pólů): - s jedním nepřepínatelným vinutím (jednovinuťové - jednorychlostní) - s jedním přepínatelným vinutím (jednovinuťové - dvourychlostní) - s dvěma vinutími nepřepínatelnými (dvouvinuťové - dvourychlostní) - s dvěma vinutími (z toho s jedním vinutím přepínatelným - dvouvinuťové třírychlostní) - synchronní s rozdělením: - dle provedení rotoru - s vyjádřenými (vyniklými) póly, - s hladkým rotorem - dle provedení buzení , - buzené - s permanentními magnety (servomotory) - s buzením přes kroužky (alternátory) - s buzením bez kroužků (samobuzené - vinutí + usměrňovač na rotoru) - nebuzené (reluktanční) - s tlumící klecí, - bez tlumící klece - komutátorové s rozdělením: dle zapojení buzení: - se sériovým zapojením (sériové) - derivační s napájením: - do statoru, - do rotoru (Schrage) • universální (může pracovat při napájení ss proudem nebo 1-fáz. stř. proudem 2
• informační (čidla) - tachogenerátory - el. signál je úměrný otáčkám (synchronní, asynchronní, stejnosměrné) - selsyn - polohový transformátor (převádí mech. veličinu na elektrickou) na rot. pohyb - rozkládač - polohové. transformátory. na rot. pohyb (Uvýst ≈ sin, cos ϕ) - inkrementální snímač • speciální (např. krokový, ventilový stř. motor, el. měniče, důlní stroj, trakční, s diskovým rotorem, 2. Označování elektrických strojů dle tvaru ČSN EN 600034-7, IM kód, (možnosti jejich mechanického upevnění, polohy a způsobu montáže) je v souladu s převzatou mezinárodní normou, která umožňuje dva způsoby označování tvarů ES: kód označování I - tzv. písmeno-číslicové (pro motory s ložiskovými štíty) IM X N číslo ( ) písmeno: - B...s vodorovnou osou - V... se svislou osou kód označování II - číslicové -(tzv. nový kód): IM x xx x čís. znak dle provedení konce hřídelů (0÷9) číselný znak pro způsob montáže (0÷99) skupinové číslo tvaru stroje (0÷9) mezinárodní označení tvaru stroje (International Mounting) - rozdělení dle skupinového čísla (první číslice označení) • patkové (IM 1 xx x) • patkopřírubové (IM 2 xx x) • přírubové (příruba s ložiskem) (IM 3 xx x) • přírubové (příruba bez ložiska) IM 4 xx x) • bez ložisek (IM 5 xx x) • s ložiskovými stojany (IM 6 xx x) , (IM 7 xx x) • se speciálním způsobem montáže (IM 9 xx x), tlapové (trakční) Tabulka s uvedením významu čtvrté číslice v označení (IM xxx x) druh číslice 0 1,2 3,4 5,6,7 8 9
Význam žádný konec hřídele jeden, dva - válcové konce hřídele jeden, dva - kuželové konce hřídele hřídele zakončené přírubami neurčeno jiné provedení
05, 06 - normální patky vlevo, vpravo , vodorovný hřídel 07 normální patky nahoře, vodorovný hřídel 60 - normální patky, zabudovaná převodovka pro stroje patkopřírubové s první číslici 2 : (IM 2 xx .) 00 - .... vodorovný hřídel 01 - . svislý hřídel dole pro stroje přírubové s první číslici 3 : (IM 3 xx .) 00 - příruba na str. D, vodorovný hřídel 01 - - „ , svislý hřídel dole 03 - - „ , svislý hřídel nahoře 04
kód II IM 1001
Tabulka běžných druhů (provedení) motoru vysvětlení kód I IM B3
IM 1051 IM B6 (IM 1061) (IM B7)
IM 3001
IM B5
IM 3011 IM V1 (IM 3031) (IM V3)
IM 1071
IM B8
IM 1011 IM V5 (IM 1031) (IM V6)
patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky dole, vodorovný hřídel
patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky vlevo (vpravo), vodorovný hřídel
přírubový s jedním válcovým koncem hřídele příruba na str. D, vodorovný hřídel
přírubový s jedním válcovým koncem hřídele příruba dole (nahoře), svislý hřídel
patkový s jedním válcovým koncem hřídele normální patky nahoře, vodorovný hřídel
patkový s jedním válcovým koncem hřídele patky dole (nahoře), svislý hřídel
Význam druhé a třetí číslice v označení tvaru ( IM . xx .) je pro jednotlivé provedení (první číslice ) uveden pomocí nákresů v tabulkách příslušné normy Např. pro stroje patkové s první číslicí 1 (IM 1 xx .) 00 - normální patky dole, vodorovný hřídel 01 - normální patky (příruba), svislý hřídel dole 02 - normální patky (příruba), svislý hřídel nahoře
3
4
zobrazení
dle krytí - IP kód dle ČSN EN 60034-5, 35 0001 IEC 34-5 (ČSN EN 60529), Tento kód definuje soubor opatření které deklaruje stupeň ochrany:
1: Vlastní chlazení ventilátorem 6: Chlazení cizím (nádstavbovým) ventilátorem 8: Relativní pohyb (např. trakční motor)
• osob před nebezpečným úrazem osob • ES před vniknutím cizích předmětů • ES před vniknutím vody Nejčastěji používané druhy kryti u el. strojů podle IP kódu (International Protection) • otevřené provedení - IP 12, IP 21, IP 22, IP 23 • uzavřené provedení - IP 44, IP 54, IP 55, IP 56 • nevýbušné provedení • speciální provedení (např. ponorná) Pro ES pracující v prostředí s nebezpečím výbuchu platí zvláštní předpisy. Pro druhy nevýbušného provedení se zavedlo označení EEx a alfanumerické značení (dle ČSN EN 50014) udávající typ ochrany, skupinu nevýbušnosti a teplotní třídu Nejčastěji používané druhy nevýbušných provedení ES jsou s typem ochrany proti výbuchu: „d“ - pevný závěr „e“ - zajištěné provedení „de“- pevný závěr (motor), zajištěné provedení (svorkovnice). Příklad označení nevýbušného provedení motoru pro použití“ mimo hlubinné doly : EEx d II C T4 v hlubinných dolech : EEx d I C T4 - dle provedení chlazení - IC kód, dle ČSN EN 60034-6, (35 0006 )-(nahrazuje ČSN 35 0006): V zásadě mohou být motory s ohledem na způsob chlazení provedeny : - s přirozeným chlazením (bez jakéhokoliv ventilátoru, chlazení je zde pouze konvekcí) - s vlastním chlazením (na hřídeli motoru je ventilátor(y), účinek(y) je závislý na otáčkách motoru) - s přirozeným vlastním chlazením (dva okruhy - vnitřní konvekcí , vnější s ventilátorem) - s cizím chlazením (ventilace je od cizího zdroje nezávislého na otáčkách motoru)
IC
4
International Cooling Uspořádání chladícího okruhu 0: Volný okruh (průchozí větrání) 1÷3: Přívody, odvody potrubím 4: Povrchové chlazení 5÷8: Tepelné výměníky Primární chladivo A : Vzduch ( air) (nemusí být uvedeno) Způsob proudění primárního chladiva 0: Volná konvekce (proudění) 1: Vlastní chlazení ventilátorem 6: Chlazení cizí (nádstavbovou) jednotkou - ventilátorem Sekundární chladivo A : Vzduch ( air) (nemusí být uvedeno) W: Voda (water) F, H, N : Freon, vodík, dusík
(A)
1
(A)
6
Poznámka: V pořadí první číslice označuje uspořádání chlad. okruhu (systému okruhů) a je platná pro primární i sekundární okruh. V případě zjednodušeného označení se druh chladiva neuvádí, nebo se uvede pouze u sekundárního okruhu na konci označení (vynechá se poslední číslice) Příklady obvyklých (základních) provedení motorů: Asynchronní motory nakrátko: IM B3 ( IM 1001) - patkový s jedním válcovým koncem hřídele a s rozměry dle rozměr. tabulky IP 54 - motor zavřený, krytí vnějšího ventilátoru je IP 2x dle ČSN EN 60529 IC 411 (IC 0141) - s vlastním povrchovým chlazením IC 410: Úplně uzavřený motor bez ventilátoru IC 411: Úplně uzavřený standardní motor, s vlastním povrchovým chlazením ventilátorem IC 416: Úplně uzavřený motor s přídavným motorem ventilátoru IC 418: Úplně uzavřený motor s povrchovým chlazením bez ventilátoru IC 01: Otevřené motory IC 31W: Přívodní a vývodní potrubí nebo vodní oběh chladící vody
Stejnosměrné motory řady M: (ELSLAV Brno) IP 23 / IC 01 -provedení otevřené / -se závislým chlazením , přívodem a odvodem vzduchu do okolního prostředí -(OP) IP 23 / IC 05 - „ - / - s nezávislým chlazením ventilátorem vestavěným do stroje, s přívodem i odvodem vzduchu do OP IP 23 / IC 06 - „ - / - s nezávislým chlazením ventilátorem nasazeným na stroj, s přívodem i odvodem vzduchu do OP IP 23 / IC 17 - „ -/- s nezávislým zdrojem, s přívodem vzduchu potrubím (kanálem) a odvodem vzduchu do OP IP 44 / IC 410 (0041) - provedení uzavřené / - s povrchovým chlazením konvekcí IP 44 / IC 411 (0141) - „ - / - s vlastním povrchovým závislým chlazením vnějším ventilátorem IP 44 / IC 37 - „ - /- s nezávislým zdrojem, s přívodem i odvodem vzduchu potrubím (kanálem) IP54, (IP55) / IC 411, (IC511)
3. Základní pojmy a definice točivých elektrických strojů (dle ČSN IEC 50 411) Jmenovitá výkonnost, jmenovité údaje - souhrn jmenovitých hodnot a pracovních podmínek Jmenovitý výkon - číselná hodnota výkonu, která je součástí jmenovitých údajů (jmenovité výkonnosti) u stejnosměrných generátorů - elektrický výkon na svorkách uváděný ve wattech (W) u střídavých generátorů - zdánlivý el. výkon na svorkách uváděný ve voltampérech (VA) u motorů - mechanický výkon na hřídeli vyjádřený ve wattech (W), u synchronních kompenzátorů - jalový výkon na svorkách v jalových voltampérech (var). Jmenovitý moment - točivý moment na konci hřídele stroje při jmenovitém výkonu a otáčkách Jmenovitá hodnota (stroje )- hodnota veličiny určená výrobcem pro stanovené pracovní podmínky Záběrný proud (moment) AM - naměřený největší ustálený proud (moment) při zabrzděném rotoru Maximální moment (moment zvratu) AM - největší točivý moment, který motor vyvine Zatěžovatel - poměr doby zatížení, včetně rozběhu a elektrického brzdění k době trvání pracovního cyklu vyjádřený v procentech Charakteristiky (závislosti mezi sledovanými veličinami):
Způsob proudění sekundárního chladiva 0: Volná konvekce (proudění)
5
6
-
momentová – závislost mezi momentem a otáčkami. U AM, bývají uváděny v katalogové dokumentaci, kde jsou zařazeny do tzv. momentových pásem u kterých jsou přibližně stejné hodnoty poměrných záběrných a maximálních momentů.
Všechny AM nakrátko s velikostí kostry do 315 a pro napětí do 690 V musí být schopny bezpečného provozu při otáčkách dle tabulky, není-li na štítku stroje uvedeno jinak. Poznámka: Za provozu při vyšších otáčkách se zvýší hladina hluku a vibrací. Uživatel může vyžadovat jemnější vyvážení rotoru a je třeba věnovat pozornost intervalům mazání a době upotřebitelnosti tuku.
maximální otáčky ot/min
Velikost (osová výška)
2p = 2
2p = 4
2p = 6
< 100, 112
5200
3600
2400
132, 160,180 200 225,250,280,315
4500 4500 3600
2700 2300 2300
2400 1800 1800
Mechanická odolnost při zvýšených otáčkách: maximální otáčky u AM : 1,2 násobek nN, u SSM (1,2..1,5) nN, popř. 1,15 násobek no u sériových a univerz. motorů, 1,1 násobek no Brzdový motor - AM s vestavěnou mechanickou brzdou na aut. brzdění po vypnutí motoru Převodový motor - motor konstrukčně spojený s mech. převodem v jeden celek Momentový motor - elektromotor vytvářející moment při omezeném pohybu nebo v nepohyblivém stavu Servomotor - motor určený do regulačních struktur pohonu s řízením polohy, rychlosti , rotory zde vykonávají předepsanou dráhu s vysokou dynamikou (moment. přetížitelnost) a s nároky na přesnost polohování , určený převážně pro časově omezenou (impulzní) přeměnu el. energie na mechanickou, jejich mech provedení bývá většinou hranaté s malým J a s velkým přetěžovacím momentem . Reakční motor (reluktanční motor) - synchronní motor s nebuzeným rotorem na němž je stanovený počet pravidelných výstupků (zubů) a který může a nemusí mít klecové vinutí pro rozběh, Motor s trvale připojeným kondenzátorem (kondenzátorový motor) - jednofázový motor s kondenzátorem jehož pomocný obvod je napájen jak při rozběhu, tak během chodu Regulační rozsah (rozsah řízení) - pro oblast snižování rychlosti - pro oblast zvyšování rychlosti
4. Základní vlastnosti a parametry elektrických strojů dle ČSN EN 60034-1 (34 3500) Krátkodobé momentové přetížení motorů: - u standardních provedení: m-fázový AM a SSM musí vydržet m = 1,6 po dobu 15 sec. U DC motoru musí být moment vyjádřen v závislosti na proudu při přetížení - komutační schopnosti - u AM pro zvláštní účely (např. zvedání), se speciálními rozběhovými vlastnostmi (napájení ze statických měničů) musí být předmětem dohody -
Dovolené teploty a oteplení strojů Tepelná třída izolace izolačních systémů strojů je dána ČSN 33 0050 (IEC 60085) a musí být vyjádřena písmeny A, E, B, F, H Tab. Dovolené oteplení ∆θdov a maximální. teploty θdov pro jednotlivé třídy izolace.
Třída izolace
∆θdov [K]
θdov [o ]
rezerva
dovolené oteplení
A
60
100
E B F H
75 80 100 125
115 120 140 165
základní teplota okolí
Mezní hodnoty oteplení vinutí jsou závislé na způsobu chlazení, druhu chladiva a metodice měření (teploměr, odpor, vložená sonda) Korekci hodnot dovoleného oteplení je nutno provést s ohledem na pracovní podmínky motoru : − teplotu okolí (nad 40 o) a nadmořskou výšku (nad 1000 m)
Nahodilé proudové přetížení motorů: u motorů bez komutátoru: 1,5 násobek IN po dobu nejméně 2 min. (pro výkon P< 315 kW) u motorů s komutátorem : 1,5 násobek IN po dobu nejméně 1 min. nadmořská výška [ m ]
Bezpečné provozní otáčky AM nakrátko.
7
8
Stručný přehled vlastností jednotlivých druhů motorů :
5. Druhy zatížení
AM kroužkové: • větší rozměry oproti AM nakrátko, • sběrací ústrojí (údržba, krytí, poruchovost,) • vinutá kotva (rotor) s izolací vodičů (menší dovolené oteplení) • snadná možnost řízeného rozběhu, se skluzovými ztrátami vně motoru (např. s vnějším rezistorem) • možnost podsynchronního brzdění dvoufázovým připojením statoru a zařazeném rezistoru v rot. obvodě • nutnost redukce výkonu (předimenzování) při jeho napájení z měničů kmitočtu - větší ztráty v rotoru (cca 20 %, u větších výkonů až o 40 %)
Průběh oteplení motoru předpokládal jeho trvalé, časově neměnné zatížení, které se v praxi vyskytuje jen u některých zařízení. S výjimkou motorů pro speciální použití (jako např. u servopohonů) jsou jmenovité parametry motoru udávány pro trvalý provoz. V mnoha aplikacích u nn motorů je druh provozu odlišný od trvalého zatížení (zátěžný moment (výkon) se mění včetně častých nestacionárních stavů (rozběhy, brzdění, reverzace apod.). Při jeho provozování pak dochází rovněž ke změnám ztrát v motoru a tím i jeho oteplení. Počet jeho možných druhů provozu je skoro neomezený. Proto bylo z důvodu zlepšení komunikace mezi uživatelem (projektantem) a výrobcem přistoupeno ke klasifikaci určitých druhů provozu(zatížení). V souladu s mezinárodní klasifikací jsou dle ČSN EN 60034-1 definovány jednotlivé druhy zatížení, označené S1 ÷ S10.
AM nakrátko: • lepší účinnost, malé rozměry, • nepřítomnost sběracího ústrojí - menší nároky na krytí, údržbu (robustnost), • možnosti víceotáčkových provedení (vícevinuťové, přepínatelné apod.) • možnost přímého připojení na síť, popř. s řízeným rozběhem Y-D • provedení rotoru bez vinutí a tím i bez izolace dovoluje jeho vyšší oteplení u regulovaného pohonu s měniči kmitočtu: - složitost matematického modelu a tím i regulačních struktur (oproti ss motoru), - možnost řízení v obou rozsazích jedním akčním členem - měničem , - větší investiční náročnost oproti DC motorům (zatím) - náročnost na přídavná zařízení (tlumivky, filtry) i na straně motoru, - menší regulační rozsah oproti DC motoru . závislost dovoleného jmenovitého momentu na: - provedení izolace vinutí a způsobu chlazení motoru - velikosti kmitočtu a způsobu řízení. Použití motorů s cizí ventilací určených pro napájení z měniče kmitočtu má tyto přednosti:
Trvalé zatížení - druh zatížení S1 Provoz při konstantním zatížením který je dostatečně dlouhý pro dosažení ustálené teploty (∆t z ≥ 3 ⋅ T1 ) . Označení : S1 (cont) - nemusí být vždy uvedeno Krátkodobý chod - druh zatížení S2 Provoz při konstantním zatížení po stanovenou dobu, ∆ t P , která je kratší, než doba nutná pro dosažení ustálené teploty. Následuje doba klidu ∆tR a odpojení dostatečně dlouhá, aby teplota (∆t P < 3 ⋅ T1 ) ; stroje opět dosáhla hodnoty okolí (chladiva) s tolerancí ± 2 K : ∆t R > 4 ⋅ T2 . Označení : S2 ∆tP (min.) Příklad : S2 60 min.
- možnost plného momentového využití (bez redukce) i v oblasti nízkých otáček - odstranění hlučnosti ventilátoru při vyšších rychlostech motoru - hlídání teplotního stavu pomocí zabudovaných čidel - možnost lepšího momentového využití v důsledku použité třídy izolace (minim. F) - možnost snímání rychlosti a polohy pomocí zabudovaného inkrementálního čidla - lepší dynamické parametry v důsledku menšího momentu setrvačnosti - delší životnost motoru ( vyšší napěťová hladina izolačního systému , včetně jeho provedení) - malé rozměry Synchronní servomotory s permanentními magnety napájené z měniče kmitočtu :
Přerušovaný chod - druh zatížení S3 Sled stejných pracovních cyklů z nichž každý zahrnuje dobu provozu ∆tP při konstantním zatížení a dobu klidu a odpojení ∆tR . Po dobu zatížení se nedosáhne ustáleného oteplení. Rozběhový proud podstatně neovlivňuje oteplení. ∆t P ∆t Označení : S3 z [ % ] , kde z [ % ] = ⋅ 100 = P ⋅ 100 ∆ t P + ∆t R TC normované hodnoty zatěžovatelů pro TC = 10 minut [15 % , 25 %; 40 %; 60 %, ]
- menší (zanedbatelné ztráty) v rotoru - lepší účinnost ve srovnání s AM; - malý moment setrvačnosti; - vysoká momentová přetížitelnost (až 4-násobek jmen. momentu); - vyšší hranice maximálních rychlostí (až 6000 ot/min); - možnost snímání rychlosti a polohy pomocí zabudovan7ch čidel; - vhodnost pro souběh motorů u vícemotorových pohonů bez regulace; - vyžadují speciální řízení měniče
Přerušovaný chod s rozběhem - druh zatížení S4 Sled stejných pracovních cyklů, z nichž každý zahrnuje dosti značnou dobu rozběhu ∆tD, dobu provozu ∆tP při konstantním zatížení a dobu klidu a odpojení ∆tR Označení: S4 z [%] =
∆t D + ∆ t P ⋅ 100 TC
JMot [kg m2] JPM [kg m2]
Přerušovaný chod s elektrickým brzděním - druh zatížení S5 Sled stejných pracovních cyklů, z nichž každý zahrnuje dobu rozběhu ∆tD, dobu provozu při konst. zatížení ∆tP, dobu el. brždění ∆tF a dobu klidu a odpojení ∆tR. ∆ t + ∆ t P + ∆t F Označení : S4 z [%] = D ⋅ 100 JMot [kg m2] JPM [kg m2] TC
9
10
Přerušované zatížení - druh zatížení S6 Sled stejných pracovních cyklů, z nichž každý zahrnuje dobu provozu při konstantním zatížení ∆tP a dobu chodu naprázdno - ∆tV (není zde doba klidu a odpojení). ∆t Označení : S6, z [ % ] = P ⋅ 100 TC
TC
P TC
∆tP
∆tV
t
∆ tP
Zatížení P PV
∆tF ∆tP
∆tR
∆tD
Zatížení P
Zatížení (P)
Elektrické ztráty PV
t
Elektrické ztráty PV
θmax
θ
Elektrické ztráty PV
Teplota
θmax
θ
θmax
Teplota
Teplota
θ
t
ν
t
Obr. 5 – Přerušovaný chod s elektrickým brzděním Druh zatížení S5 t
t
Obrázek 1 - Trvalé zatížení. Druh zatížení S1
Obrázek 2 - Krátkodobý chod. Druh zatížení S2
Doba jednoho cyklu TC
∆tP
Obr. 6 - Přerušované zatížení. Druh zatížení S6
- (dtto S5 kromě doby klidu a odpojení ). Není zde žádná doba klidu a odpojení ∆tR. Poznámka : Během doby ∆tP není dosaženo ustálené teploty. Zatěžovatel = 1 Označení : S7 JMot [kgm2] JPM [kgm2]
TC
∆tR
Zatížení P
∆tD
∆tP
Přerušované pravidelné zatížení s elektrickým brzděním - druh zatížení S7
Přerušované pravidelné zatížení se změnami otáček spojenými se změnami zatížení - druh zatížení S8.
∆tR
Zatížení P
Sled stejných pracovních cyklů, z nichž každý zahrnuje dobu provozu ∆tP1 při konstantním zatížení P1 odpovídajícím předem stanoveným otáčkám n1 , po níž následuje jedna nebo více dob provozu při jiných konstantních zatíženích odpovídajících jiným otáčkám. Není zde žádná doba klidu a odpojení ∆tR. Označení: S8 JMot [kgm2] JPM [kgm2] P1[kW] n1[min-1] z1[%] , P3 n3 z3
Elektrické ztráty PV Elektrické ztráty PV
Nepravidelné zatížení a změny otáček - druh zatížení S9 θmax
θmax
Teplota
Teplota
θ
θ
Průběh zatížení, při němž se obecně zatížení a otáčky mění nepravidelně v dovoleném pracovním rozsahu. Jsou zde častá přetížení, která mohou značně překročit referenční zatížení. Označení: S9
t
t
Obr. 3 - Přerušovaný chod. Druh zatížení S3
Obr. 4 – Přeruš. chod s rozběhem. Druh zatížení S4
11
Zatížení s nespojitými konstantními zatíženími - druh zatížení S10 Průběh zatížení zahrnující maximálně čtyři nespojité hodnoty zatížení (nebo náhradní zat.), přičemž každá hodnoty se udržuje dostatečně dlouho, aby mohl stroj dosáhnout ustálené 12
α ≈ 0,3 ... u stroje s vlastním chlazením α ≈ 1 ...... u stroje s nezávislým, (cizím) chlazením.
teploty. Minimální zatížení v rámci cyklu může mít nulovou hodnotu (chod naprázdno nebo klid a odpojení) Jako referenční hodnota pro nespojitá zatížení musí být vzata hodnota vycházející z druhu zatížení S1 Poznámka: Náhradním zatížením se rozumí hodnota založená na integrování během čas. úseku. Maximální zatížení nesmí překročit 1,2 násobek maximální hodnoty vycházející z druhu zatížení S1. Bližší informace jsou uvedeny v příslušné normě. Označení: S10 p1/∆t1 p2/∆t2 p3/∆t3 p4/∆t4 TL [-] Hodnota TL - předpokládaná. tepelná životnost izolačního systému v poměrných jednotkách je závislá na hodnotách ustálených oteplení v jednotlivých úsecích zatěžování. Pro jednotlivé druhy zatížení S1 ÷ S8 je uváděná jmenovitá hodnota výkonu stroje PN stanovená pro úseky se stálým zatížením. Pro druh zatížení S9 je to vhodná hodnota plného zatížení a pro druh zatížení S10 je to maximální hodnota zatížení na základě druhu zatížení S1.
Při rozbězích a brzděních je u strojů s vlastním chlazením je β = 0,5 (1 + α). Z výše uvedeného je zřejmé, že v případě rovnováhy ztrátového výkonu ∆P a výkonu odváděného z motoru dojde k ustálení teploty motoru na konstantní hodnotě. ∆θ ∞ Při uvažování teploty okolí θab = 40°C je pak dovolené oteplení stroje
∆θ dov = ∆θ ∞ = θ max − θ ab − ∆θ = 105 [K] kde ∆θ [K] teplotní rozdíl (diference) zohledňující měřící metodu a rozdíly teplot na stroji: cca 10 K. Tomuto dovolenému oteplení stroje je úměrná dovolená hodnota maximálního ztrátového výkonu ∆PN v závislosti na provedení a způsobu odvodu tepla vyjádřený pro daný stroj konstantou A. Závislost ztrátového výkonu na skutečném zatížení stroje P2 : 2
Tepelné vlastnosti elektrických motorů Tepelné poměry ve stroji lze zjednodušeně, (při konstantním zatížení a při uvažování stroje jako homogenního tělesa s nekonečnou tepelnou vodivostí a prostředí s nekonečnou tep. kapacitou ), vyjádřit rovnicí tepelné rovnováhy (odvozené z energetické bilance) dQ = ∆P ⋅ dt = C ⋅ d ( ∆θ ) + A ⋅ ∆θ ⋅ dt ,
kde dQ .... vyvinuté teplo v motoru za jednotku času dt (ztracená energie) C tepelná kapacita motoru (C=m.c) A….součinitel přestupu tepla (A=α.S) Množství tepla vzniklé v motoru za jednotku času je rovno součtu tepla spotřebovaného k oteplení tělesa motoru ≈ C.d(∆ϑ). a odvedeného tepla do okolí ≈ A.∆ϑ. Přechodný děj (pro ∆P = konst a počáteční oteplení ∆θ0
(t = 0)
) (oteplovací křivka)
t t t − − − ∆θ = ∆θ ∞ ⋅ 1 − e T1 + ∆θ 0 ⋅ e T1 = ∆θ 0 + ( ∆θ ∞ − ∆θ 0 ) ⋅ e T1 ,
kde T1 ........... oteplovací časová konstanta stroje T1 = C/A1 ∆θ∞ ......... ustálená hodnota oteplení (t → ∞) Ustálený stav:
d(∆θ) = 0,
∆P = A ⋅ ∆θ
∆θ∞ =
∆P A1
V případě odpojení stroje od napájecí sítě ( ∆P = 0) dojde k následnému ochlazování stroje,
∆θ = ∆θ0 ⋅ e
−
t T2
..... ochlazovací křivka motoru
kde T2 - ochlazovací čas. konstanta stroje T2 = C/A2, konst. A2 zohledňuje chladící poměry stojícího motoru. (u motoru s vlastním chlazením je T2 ≈ 4 . T1) ∆θ0 - počáteční hodnota oteplení U strojů se závislým (vlastním) chlazením (ventilátor je umístěn uvnitř stroje a poháněn hřídelem motoru) se změní chladící poměry při odpojení (zastavení) stroje, což se dá vyjádřit součinitelem odvodu tepla α = A2/A1, jehož hodnota je závislá na konstrukčním provedení stroje a měla by být udána jeho výrobcem. Přibližně je hodnota tohoto součinitele
13
kde
P ∆Pv = 2 ⋅ ∆PN , PN ∆PN a PN ... jmenovité hodnoty výkonů stroje (ztrátového a mechanického)
Překračování mezní hodnoty teplot θmax, ke kterému dochází při zhoršení chladících poměrů (zvýšení teploty okolí, nadměrná výška, porucha ventilace apod.), způsobuje tzv. „stárnutí izolace“, které se projeví ve snížení její životnosti a může vést často k předčasnému porušení izolační schopnosti s následným průrazem izolace (tzv. spálení motoru). Při trvalém překročení mezní hodnoty teploty o 8 K dochází ke snížení životnosti izolace na polovinu. Jmenovitý výkon stroje se stanoví tak, aby ustálená hodnota oteplení nepřekročila jeho dovolenou hodnotu úměrnou třídě izolace, aby se však k této hodnotě co nejvíc přiblížila. Při provozním zatěžování stroje je nutno ověřit, zda maximální hodnota teploty nepřekračuje dovolenou mez.
Vlastnosti a hlediska ES (motorů), které je nutno zohlednit při jejich návrhu. Stejnosměrné motory: • přítomnost sběracího ústrojí (komutátoru) nese sebou tyto skutečnosti: - omezená možnost proudového přetěžování stroje, - nemožnost spuštění přímým připojením k napájecí síti , - náročnost na údržbu sběracího ústrojí (čištění, výměna kartáčů, srovnávání povrchu) - náročnost na krytí v nebezpečných prostorách (jiskřící část). • oddělené budící vinutí s poměrně velkou časovou konstantou vyžadující připojení i pro přerušovaný chod, • vznik převážné části ztrát v rotoru, • poměrně nízká účinnost (např. oproti AM ), • výkonové omezení velikosti stroje • u regulovaných pohonů s fázovým řízením napětí kotvy: - při MPM=konst., Φ=konst. a proměnlivé rychlosti řízené napětím kotvy je proud na stř. straně měniče konstantní - při řízení rychlosti v obou rozsazích jsou potřebné dva akční členy, - nepříznivý účiník při řízeném rozběhu napětím kotvy, 14
- jednoduchost lineárního matematického modelu a tím i regulačních struktur - možnost dosažení vysokého regulačního rozsahu (např. 1:1000 i více) - poměrně příznivá cenová náročnost akčního členu (měniče) včetně reg. obvodů Asynchronní (indukční) motor nakrátko (klecový). • malé rozměry, • nepřítomnost sběracího ústrojí, - menší nároky na krytí, údržbu (robustnost), - možnosti víceotáčkových provedení (vícevinuťové, přepínatelné apod.) • možnost přímého připojení na síť, popř. s řízeným rozběhem Y-D • provedení rotoru bez vinutí a izolace dovoluje jeho vyšší oteplení • lepší účinnost u regulovaného pohonu: -složitost matematického modelu a tím i regulačních struktur, - možnost řízení v obou rozsazích jedním akčním členem, - investiční náročnost - náročnost na přídavná zařízení i na straně motoru, - menší regulační rozsah oproti SSM. Asynchronní motor kroužkový: • větší rozměry oproti AM nakrátko, • sběrací ústrojí (údržba, krytí, poruchovost,) • vinutá kotva (rotor) s izolací vodičů • snadná možnost řízeného rozběhu , se skluzovými ztrátami vně motoru • možnost podsynchronního brzdění dvoufázovým připojením statoru a zařazeném rezistoru v rot. • nutnost redukce výkonu (předimenzování) při jeho napájení z FM - větší ztráty v rotoru (cca 20 %, u větších výkonů až o 40 %) Motory s cizím chlazením Použití tohoto způsobu se doporučuje (je vyžadováno) v těchto případech: - ke snížení hlučnosti motoru při jeho chodu v oblasti vyšších otáček ( např. nad 2000 u motorů s 2p - je-li požadován moment v oblasti nízkých otáček, včetně momentu při častém rozběhu
Provozní vlastnosti řízených asynchronních motorů Základní potřebné údaje a parametry motoru , které je nutno znát a následně zhodnotit při jejich návrhu do aplikace řízeného pohonu nebo pro jiný druh zatížení než S1:
60 ⋅ f ⋅ ( 1 − s ) jsou závislé na frekvenci f , p počtů půlpárů p (změna synchronních otáček nS ) a skluzu s (v zásadě lze plynulé řízení rychlosti rozdělit na skluzové a frekvenční), - specifických vlastnostech jednotlivých způsobů řízení (např. fsp, druh řízení, apod.) - na druhu chlazení motoru a okolním prostředí (teplota, nadmořská výška apod.) Skluzové řízení rychlosti AM mechanické otáčky motoru n = n S ⋅ ( 1 − s ) =
MDOV; mDOV .. .... dovolený zatěžovací moment motoru (při konst. ztrátách v rotoru) M DOV =
mDOV
0
∆ PCu N Ωo ⋅s
mM m DOV
M s = DOV = N MN s
maximální moment (moment zvratu)
mb = mmax
s
M M = b = max = q M MN MN
1 0
1
mb
obr. Závislosti momentů motoru Skluzové řízení zařazením přídavného odporu do obvodu rotoru
m b = konst . ,
mM =
s b = var .
2 * q M * sb
sb =
sb 2 + s 2 R2 + R p R2
0
*s s
mM
mDOV
* sbN
1 0
1
m
obr. Závislosti momentů motoru při
Maximální moment motoru - u AM se jedná o tzv. moment zvratu motoru ozn. Mb,, (Mmax), který je možno získat buď z katalogových údajů motoru nebo z protokolu o typové zkoušce motoru. Ve statickém režimu je možno motor zatěžovat až do 70 % tohoto momentu . Dovolený zatěžovací moment motoru Mdov, který je závislý: - na způsobu řízení jeho rychlosti ,
15
m
mM poměrný moment motoru
16
P, M ∼PN
0
m b = var . ,
s b = konst .
mM1 mM3
m M 1 , 2 ,3 =
2 ⋅ q M 1 ,2 ,3 ( U ) ⋅ s bN sb N + s 2 2
U q M ( U ) = q MN ⋅ U N
U 1 , 2 ,3 q M 1,2 ,3 = q MN ⋅ UN
⋅s
oblast konstantního výkonu P=konst.
oblast konstantního magnetického toku Φ = konst.
oblast zmenšování výkonu P=var.
PDOV
mM2
Cizí chlazení motoru
sbN
∼MN
mDO
Vlastní chlazení motoru
MN
2
MDOV
s
2
M = b1,2 ,3 MN
1 0
U1 > U 2 > U 3
qM3
1
qM2
qM1
m
obr.
Závislosti momentů motoru při skluzovém řízení rychlosti změnou velikosti napětí
Frekvenční řízení AM
0
Hodnoty momentů MDOV při frekvenčním řízení rychlosti jsou závislé na: - druhu (oblastech) řízení , (Φ =konst, P=konst., P=var.), - druhu provozu (S1 .. S3)
n
~ nN
obr. Závislosti dovoleného zatěžovacího momentu a výkonu motoru při kmitočtovém řízení - změnou velikosti kmitočtu (frekvence) napájecího napětí (za předpokladu harmonického průběhu veličin )
- způsobu chlazení motoru (přirozené, vlastní, cizí). Poznámka: K určení výše uvedených závislostí je vhodné si tyto buď vyžádat u výrobce, nebo experimentálně ověřit na konkrétním motoru. Je zde určitá závislost na vlastním provedení motoru. Vlastní změna pracovních momentových charakteristik v závislosti na kmitočtu a napětí je uvedena v sylabech k předmětu Elektrotechnika – Asynchronní stroje.
17
18
5. Návrh a dimenzování motoru Hlediska:
• ekonomická (pořizovací a provozní náklady, výsledná produktivita systému) • technická - energetická (druh, charakter a velikost zatížení, výkon zdroje - funkční - technologická ( charakteristiky, řiditelnost, spouštění, reverzace, brzdění aj.), - pracovní prostředí (vnější vlivy - teplota okolí, prašnost,vlhkost, výška, hlučnost aj.) Podmínky při návrhu typové velikosti motoru. 1. Moment motoru MMOT musí být vždy větší než maximální hodnota požadované momentu od poháněné soustavy MPOŽ
M MOT ≥ M POZ Maximální hodnota požadovaného momentu je dána součtem dynamického a statického momentu (např. při rozběhu zatíženého pohonu).
V první skupině je často možné zvýšení jeho dodávaného výkonu oproti jmenovitému výkonu motoru udaného pro trvalý chod S1, umožňující vlastně jeho krátkodobé přetěžování. Toto se projevuje u druhů zatížení S2, S3 a S6. Ve druhé skupině je nutno provést nezanedbatelné snížení dovoleného zatížení motoru oproti jeho jmen. výkonu udaného pro trvalé zatížení S1. Projevuje se to zejména u druhů zatížení S4, S5, S7, S9, S10 kde se uplatňuje oteplení během přechodných stavů (rozběhy, brzdění, přetěžování ). V případě opakovaného časově proměnlivého zatěžování lze postupovat taky tak, že se toto zatížení nahradí tzv. konstantním ekvivalentním zatížením při dodržení podmínky, že oteplení na konci pracovního cyklu bude v obou případech stejné. Tato podmínka se dá vyjádřit taky určením tzv. středních ztrát během pracovního cyklu. Velikost těchto ztrát způsobujících oteplení stroje musí být menší než hodnota ztrát motoru zatíženého jmenovitým momentem. Při zjednodušeném předpokladu, že všechny ztráty vznikající ve stroji, jsou tepelné a že moment motoru je přímo úměrný jeho proudu , lze provést z časového průběhu proudu určení tzv. ekvivalentní hodnoty proudu IEq a momentu MEq
I Eq =
Maximální moment motoru Mm ( Mb)je závislý na druhu motoru.U AM je to moment zvratu, u SSM je jeho hodnota dána spolehlivou komutací a uváděna výrobcem (≈cca 1,5 násobku jmenovitého proudu IN)
1 n ⋅ ∑ i 2 dt TC i =1 ∫
M Eq =
1 n ⋅ ∑ m 2 dt TC i =+ ∫
n
2. Teplota motoru nesmí překračovat mezní dovolenou hodnotu danou tepelnou třídou izolace vinutí. Jelikož ∆θ ≈ ∆P a ∆P ≈ P2 popř. ∆P ≈ M2 (u motorů s derivační charakteristikou tj. při a ≈ konst.) je pro dimenzování směrodatný tzv. zatěžovací diagram obsahující závislosti n(t), I(t) popř. M(t), P(t). Zatěžovací diagram motoru se určí na základě zatěžovacího diagramu pracovního mechanismu (zátěže) a určení potřebných dynamických momentů pro přechodné stavy (rozběhy, brzdění, zvyšování, snižování otáček). Na oteplování motoru může mít dále vliv : • druh a provedení motoru (AC, DC, otevřený, uzavřený apod.) • způsob chlazení (vlastní, cizí, chladící medium apod.), • druh napájení (síť, akční člen - měnič) 3. Motor musí mít v případě spouštění přímým připojením k napájecí síti dostatečný záběrový moment U navrženého motoru pro pohony s proměnlivým a nestálým zatížením splňujícího podmínku momentovou je nutno provést následnou kontrolu na jeho oteplení. K usnadnění této kontroly byly stanoveny. v souladu s mezinárodní normou tzv. druhy zatížení S1 - S10 pro které lze snadněji provést přiřazení typové velikosti motoru. V případě, že skutečnému zatěžování motoru lze přiřadit uvedený druh zatížení, lze na základě příslušných parametrů udávajících výkonnost motoru požadovat u výrobce (dodavatele) stanovení typové velikosti motoru pro tento zadaný druh zatížení. Při dimenzování motoru pro trvalé zatížení S1 je možno vycházet z jmenovitých parametrů motoru popř. zohlednit teplotu motoru a způsob chlazení, což se většinou projeví v redukci jmenovitých parametrů. (Např. motor s vlastní ventilací pracující trvale při n
19
kde TC = ∑ t i .........
celková doba pracovního cyklu
i =1
t1… tn
..........
doby jednotlivých časových úseků pracovního cyklu
Pro takto určené ekvivalentní hodnoty musí pro navržený motor platit
I N ≥ I Eq
M N ≥ M Eq
V případech proměnlivých rychlostí dochází u motorů s vlastním chlazením k proměnlivému odvodu tepla do okolí. Tato skutečnost se zohlední pomocí koeficientů α, kterým se vynásobí doba ti příslušného pracovního úseku. (např. α=0,33 pro motory s vlastním chlazením).
Dimenzování motoru pro druhy zatížení , S2, S3, S6 Mezní výkony z hlediska dovoleného oteplení lze pro jednotlivé druhy zatížení určit následovně:
PS 2
∆t P 1 − exp − T ≤ PN(S1) ⋅ 1 − k0
PS 3 ≤ PN(S1) ⋅ 1 +
PS 6 ≤ PN(S1) ⋅
∆tP ... doba provozu (zatížení)
−1
− k0
(1 − z ) ⋅ h (1 − k 0 ) ⋅ z
1 z
T ... oteplovací časová konstanta stroje k0 ... součinitel udávají poměr ekvivalentních (tepelných) ztrát v motoru při stavu naprázdno / při zatížení z
...
∆t P z= ∆t P + ∆t R
poměrný
zatěžovatel
h ...součinitel udávající poměr odvodu tepla (s ventilací / bez ventilace )
20
Mezní hodnota maximálního výkonu motoru z hlediska jeho dovoleného krátkodobého momentového přetížení (dle ČSN EN 60034-1,+A1+A2 ed.2 odst. 8.3 ) při zohlednění -10 % tolerance maximálního momentu (odst. 11 tab.19). PMAX ≤ q M ⋅
PNS 1
18 ,
=
mS 7 =
FI =
M MAX PNS 1 ⋅ MN 18 ,
kP ⋅ (f ⋅ m0 ) FI
, kde
P k P = 1 − Z PN
2
J MOT + J PM ∑J = J MOT J MOT
střední hodnota zátěžného momentu při rozběhu
Poznámka: Hodnoty součinitelů k0, h, konstanty T jsou závislé na vlastním provedení a velikosti motoru a měly by být udány jeho výrobcem.
MZav
´Tabulky součinitelů k0, h u asynchronních klecových motorů (s kotvou nakrátko)
PZ
stálé zatížení při provozu (event. jeho střední hodnota). Poměr výkonů PZ/PN lze nahradit poměrem proudů motoru IZ/IN.
k
součinitel pro zvýšení dovolené hustoty rozběhů motoru naprázdno oproti hustotě spínání m0 , která zahrnuje i elektrické brzdění U běžných motorů je k ≈ 2,3÷2,5. U motorů brzdových bývá již zahrnut v m0
kM
součinitel zohledňující moment zátěže MZ při rozběhu (jeho střední hodnota)
kP
součinitel zohledňující stálé zatížení výkonem PZ
velikost motoru (osová výška)
typ motoru
k0 počet pólů 2p 2 4 6 0,35 0,45 0,5 0,25 0,25 0,3 0,25 0,25 0,3 0,25 0,3 0,3 0,35 0,35 0,3
56 - 90L 100 - 160L 180M a 160L 200L - 250M 280S - 315M
h 2
8 0,5 0,3 0,3 0,3 0,3
1LA5 , 1MJ5 1LA6, 1MJ6
počet pólů 2p = 4 6 8
0,38 0,45 0,5
0,5
0,23 0,28 0,28
0,28
Pro případ znalosti rozdělení ztrát v motoru je možno taky určit potřebné výkony na základě těchto vztahů: ∆P α = Cu , ∆Pk
PS2 1 ≤ (1 + ) ⋅ α PS1
1 − ∆t P T
−
1
α
,
PS3 1 1 1 ≤ (1 + ) ⋅ − PS1 α z α
1− e kde ∆PCu ≈ mPM2 … ztráty ve vodiči (mědi) závislé na zatížení motoru mPM ∆Pk ……………… ztráty nezávislé na zatížení motoru (v železe, mechanické) Rozdělení ztrát v motoru lze získat od výrobce z tzv. „Protokolu o typové zkoušce motoru“
Mrozb střední hodnota rozběhového momentu motoru
Po provedeném výpočtu dovolené hustoty spínání mDOV musí platit mSKUT ≤ mDOV , v opačném případě se musí zvolit motor většího výkonu, popř. varianta pohonu s řízeným rozběhem. V případě že není dostupná hodnota m0, , ¨lze ji přibližně určit z tepelné energie vyvinuté při reverzaci naprázdno W ≈ 4. Wkin a dovolených (jmenovitých) Joulových ztrát ∆PCu ve vinutí motoru následujícím výpočtem.
m0 = t=
3600 t
4 ⋅ 0,5 ⋅ J ⋅ Ω 2 ⋅ (1 + R1 R21 ) W = PV Cu PVCu
R1, R21
. . odpory
statorového a rotorového vinutí přepočteného na stator
Dimenzování motoru pro druhy zatížení S4, S5, S7÷S10 Velikost tohoto snížení výkonu je závislá na skutečné hustotě spínání m, momentech setrvačnosti a zatíženích v ustálených i přechodných stavech. Pro tyto druhy zatížení je vhodné povést výpočty: následující maximálních hodnot hustot spínání motoru pro jednotlivé druhy zatížení mSx Při těchto výpočtech se vychází ze známých hodnot tzv. maximálních hodnot hustot spínání motoru naprázdno m0 udaných výrobcem a dostupných parametrů motoru a zátěže. k ⋅k MZ mS 4 = M P ⋅ ( k ⋅ m0 ) , kM = 1 − FI M rozb mS 5 =
f =1
kP ⋅ (f ⋅ m0 ) FI
f = (1,2 ÷ 1,6)
P (1 − k0 ) ⋅ z kP = 1 − Z ⋅ PN (1 − k0 ) ⋅ z + (1 − z ) ⋅ h pro brzdění protiproudem 2
, kde
pro brzdění ss proudem
21
22
