Měřicí úloha s alternátorem A

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Měřicí úloha s alternátorem A Bakalářský projekt Petr Koloc

Liberec

2010

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Měřicí úloha s alternátorem A

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav mechatroniky a technické informatiky

Akademický rok: 2009/10

ZADÁNÍ ROČNÍKOVÉHO PROJEKTU Jméno a příjmení: Petr Koloc Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika Název tématu: Měřicí úloha s alternátorem A Vedoucí učitel projektu: Ing. Jan Koprnický, Ph.D. Zásady pro vypracování: 1. Ověřte návrh měřicí úlohy s alternátorem poháněným asynchronním motorem řízeným frekvenčním měničem. 2. Nejprve se seznamte se základními prvky úlohy: s principem alternátoru, asynchronního motoru a frekvenčního měniče. 3. Výsledkem by měl být elektrický a mechanický rozbor navržené úlohy společně s výkresovou dokumentací. 4. Závěrečnou technickou zprávu napište v sázecím systému LATEX. Seznam odborné literatury: [1] Rybička, J.: LATEXpro začátečníky. Brno : Konvoj, 1999, ISBN 80-85615-42-8. [2] Voženílek, P.; Novotný, V.; Mindl, P.: Elektromechanické měniče. Praha : ČVUT, 2007, ISBN 978-80-01-03137-7. [3] Štěrba, P.: Elektrotechnika a elektronika automobilů. Praha : Computer press, 2004, ISBN 80-251-0211-4. [4] Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha : T. Malinanakladatelství, 2003, ISBN 80-86293-03-5. Rozsah závěrečné zprávy o řešení projektu: 10 až 15 stran V Liberci dne 29. září 2009

Vedoucí učitel projektu (podpis) . . . . . . . . . . . . . . .

2

Měřicí úloha s alternátorem A

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu bakalářského projektu Ing. Janu Koprnickému, Ph.D. za rady a připomínky ke zpracování teoretické i praktické části této práce.

Abstrakt První teoretická část tohoto bakalářského projektu se zabývá rozborem tří hlavních komponent měřicí úlohy s alternátorem. Jedná se o asynchronní motor, alternátor a frekvenční měnič. V praktické části je provedena úvaha o možnosti závislého provozu těchto komponent a návrhu převodového poměru. Součástí práce je zpracování technické dokumentace elektrického rozváděče motoru.

Klíčová slova asynchronní motor, alternátor, frekvenční měnič, elektrický rozváděč

Abstract The Bachelor project is divided into two parts. First part is theoretical and second part is practical. Theoretical part is divided with analysis of three components. These components are asynchronous motor, alternator and frequency converter. In practical part is analysed consideration about possibility dependent running these components and suggestion of transmission ratio. In this project is carried out technical documentation of electric switchboard of motor, too. Electric switchboard supplies asynchronous motor.

Key words asynchronous motor, alternator, frequency converter, electric switchboard

3

Měřicí úloha s alternátorem A Obsah

Obsah Poděkování

3

Abstrakt

3

Klíčová slova

3

Abstract

3

Key words

3

1 Úvod projektu

7

2 Asynchronní motory

7

2.1

Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.2

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2.1

Složení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2.2

Princip činnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

Výhody, použití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3

3 Alternátory

12

3.1

Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.2.1

Složení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.2.2

Princip činnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

Výhody, použití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.3

4 Frekvenční měniče

19

4.1

Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.2

Popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.3

Výhody, použití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

5 návrh úlohy pro měření na alternátoru 5.1

Parametry asynchronního motoru [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 22

4

Měřicí úloha s alternátorem A Obsah

5.2

Parametry alternátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

5.3

Parametry frekvenčního měniče [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

5.4

Výpočet převodového poměru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

6 Elektrický rozváděč

24

7 Závěr

26

Literatura

28

5

Měřicí úloha s alternátorem A Seznam tabulek

Seznam obrázků 1

Asynchronní motor s kroužkovou kotvou [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2

Asynchronní motor s kotvou nakrátko [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3

Momentová charakteristika asynchronního stroje [12] . . . . . . . . . . . . .

10

4

Účinnost [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

5

Zapojení statorového vinutí - hvězda/trojúhelník [12] . . . . . . . . . . . . .

12

6

Alternátor [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

7

Princip činnosti jednofázového alternátoru [3] . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

8

Zatěžovací charakteristika alternátoru s permanentním buzením [3] . . . . .

15

9

Schéma zapojení polovodičového alternátoru PAL Magneton [3] . . . . . . .

17

10

Příklady fázorů výstupního napětí a proudu [15] . . . . . . . . . . . . . . .

18

11

Zapojení přímého měniče [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

12

Blokové zapojení nepřímého napěťového měniče [9] . . . . . . . . . . . . . .

20

13

Blokové zapojení nepřímého proudového měniče [9] . . . . . . . . . . . . . .

21

14

Návrh velikostí řemenic pro daný převodový poměr . . . . . . . . . . . . . .

24

15

elektrické zapojení rozváděče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Seznam tabulek 1

specifikace rozváděče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

6

Měřicí úloha s alternátorem A 2 Asynchronní motory

1

Úvod projektu

Hlavním prvkem celé úlohy je automobilový alternátor. Cílem práce je úvaha nad zprovozněním alternátoru jako zdroje elektrické energie, poháněného asynchronním motorem Siemens s kotvou nakrátko. Využitelné otáčky použitého alternátoru Valeo 120 A jsou 1200 min−1 až 18000 min−1 . Regulaci otáček v této oblasti má zajišťovat frekvenční měnič Siemens Micromaster 440. U těchto komponent je nejdříve proveden teroretický rozbor, který se zabývá principem jejich činnosti. Jde o seznámení s funkcí jednotlivých částí. V praktické části poté následuje návrh možného mechanického propojení těchto tří komponent. Cílem úvahy je vznik návrhu úlohy tak, aby vznikl jednotný celek, který umožní měřit parametry použitého alternátoru v jeho využitelných provozních mezích. Jmenovité otáčky konkrétního asynchronního motoru jsou o řád nižší (1500 min−1 ), než nejvyšší možné otáčky u alternátoru. Proto je proveden výpočet převodového poměru, který zajistí optimální provozní meze otáček. Samostatnou částí je zakreslení elektrického zapojení rozváděče. Ten je použit pro obsluhu a napájení řídicích a hnacích obvodů.

2

Asynchronní motory

2.1

Úvod

Asynchronní motor je elektrický stroj. Jinak nazývaný indukční motor z důvodu indukce napětí v rotoru. Termín asynchronní je použit kvůli odlišné rychlosti otáčivého pole a rotoru [6]. Závislost počtu těchto otáček udává takzvaná skluzová rychlost (s) neboli skluz, který je závislý na zatížení motoru (vztah č. 1). S indukčním charakterem motoru souvisí také nežádaný pojem účiník, zn. cos ϕ. Jedná se o hodnotu určující velikost jalové a činné složky proudu. Velikost se pohybuje od 0 do 1, ideální hodnotou je 1, tedy jalová složka proudu je nulová. Další důležité technické parametry (výkon, váha, otáčky, . . . ) můžeme také nalézt na štítku každého motoru. s=

ns − n · 100[%] ns

(1)

s ... skluz 7


ns ... počet otáček za minutu n ... počet otáček rotoru Motor slouží jako zdroj pohonu rotačních součástí. Jeho budicí silou je střídavý elektrický proud. Asynchronní motory jsou napájeny 1fázovým, či 3fázovým elektrickým proudem. Účinnost je dána kvalitou napájecího napětí. Výsledný točivý moment je znehodnocen výskytem vyšších harmonických budicího napětí. Tyto stroje najdeme v širokém odvětví průmyslu. Jejich konstrukce je oproti stejnosměrným strojům dokonalejší, v bezkontaktní přeměně elektrické energie na mechanickou [3]. Výroba není složitá a probíhá velkosériově. Motory jsou téměř bezúdržbové. Využití je dáno jejich výkonem, který se pohybuje ve velkém rozsahu. Od malých motorků použitých například ve výpočetní technice až po výkonné motory v továrnách.

2.2 2.2.1

Popis Složení

Hlavními částmi točivého stroje (asynchronního motoru) je stator a rotor. Tyto součásti zajišťují provoz. Stator je vytvořen z plechů a vinutí. Je upevněn staticky, nepohyblivě. Uvnitř statoru se otáčí rotor. Ten je proveden dvěma možnými způsoby. Prvním typem je motor kroužkový [13] (obr. 1). Výhodou tohoto motoru je velký záběrový moment.

Obrázek 1: Asynchronní motor s kroužkovou kotvou [5]

8


Rotor je složen z plechů a vinutí. Je uložen v ložiskách. Vinutí je propojeno do kroužku (motor s kroužkovou kotvou). Toto provedení umožňuje omezení nárazového proudu při spouštění. Nevýhodou je mechanický kontakt při řízení, ze kterého vyplývá opotřebení a nutná údržba součástí. Opotřebení se dá snížit odklopením kartáčů tlačících na kroužky po provedení rozběhu nebo řízení. Druhou možností je motor s kotvou nakrátko (obr. 2) U tohoto stroje je obtížnější spouštění než u motoru s kroužkovou kotvou.

Obrázek 2: Asynchronní motor s kotvou nakrátko [5]

Uvnitř motoru se nachází pólové nástavce. Ty jsou umístěny v rotoru. Jednopólpárový nástavec má 2 póly, severní a jižní. Při výrobě motoru lze použít nejméně jeden pólový nástavec. Jejich počet umožňuje řízení otáček motoru. Použitím 1pólového nástavce (p), buzením motoru napětím o frekvenci (f ) 50 Hz, můžeme získat maximálně 3000 otáček (n) za minutu. Výpočet uvádí vzorec č. 2). n = (1 − s) ·

60 · f [min−1 ] p

(2)

s ... skluz n ... počet otáček rotoru za minutu f ... frekvence p ... počet dvojic pólových nástavců

9


Při provozu motorů dochází k jejich zahřívání, tzv. ztrátové teplo. To je způsobeno protékajícím proudem, mechanickým třením při rozběhu motoru s kotvou nakrátko atd. Vše závisí na daném výkonu motoru. Musí tedy docházet k jeho chlazení. Provedení je pomocí otvorů v krytu motoru, ventilátorem poháněným hřídelí rotoru nebo aktivního externího chlazení. K zahřívání také přispívá stupeň krytí IP stroje, které určuje norma ČSN EN 60529. 2.2.2

Princip činnosti

U motorů dochází k přeměně elektrické energie na točivou mechanickou energii. Otáčení stroje vznikne elektromagnetickou indukcí v rotorové části. Indukce napětí v rotoru vyvolá proud. V okamžiku spouštění motoru má skluz hodnotu 100 %. To odpovídá nulovému počtu otáček n. Rozběhne-li se motor na pracovní rychlost, skluz se blíží 0 %. Nulové hodnoty však nemůže dosáhnout, nejednalo by se o asynchronní stroj. Motory většinou mívají hodnotu skluzu 3 − 8 % [5]. Hodnoty skluzu uvádí momentová charakteristika motoru (obr. 3). Moment motoru je také dán počtem pólových nástavců. Čím méně pólů, tím menší je záběrový moment a naopak.

Obrázek 3: Momentová charakteristika asynchronního stroje [12]

Prozatím byly uvedeny hodnoty skluzu od 0 do 1. Je však možné docílit i jiných hodnot. Pokud je s > 1 motor působí jako brzda. Tento případ vznikne, pokud proti smyslu otáčení magnetického pole působí na rotor opačná síla. Brždění můžeme mít ztrátové, kdy 10


je motor buzen opačně orientovaným proudem nebo rekuperační, kdy dochází k šetření a zároveň i výrobě el. energie [5]. Pohybuje-li se skluz od 0 do -1, motor neodebírá elektrickou energii, ale naopak ji do elektrické soustavy dodává. Stroj potom nazýváme jako generátor. Při zatížení hnací hřídele motoru dojde k poklesu otáček a zároveň se stroj snaží vyrovnat rozdíl rychlosti [14]. Vyrovnání probíhá zvýšením indukovaného napětí a proudu. Při provozu motoru dochází k výkonovým ztrátám. Ty uvádí obr. 4. Celkový odebíraný příkon Pp je snížen o ∆Pj1 tepelné Joulovy a magnetizační ∆PF e1 ztráty ve statoru. Odtud vystupující výkon PR je snížen o ztráty v rotoru. ∆PF e2 – ztráty v magnetizaci, mechanické ∆Pm , tepelné ∆Pj2 . Výsledkem je čistý mechanický výkon Pm .

Obrázek 4: Účinnost [12]

Obrázek 5 zobrazuje 2 druhy zapojení statorového vinutí. Zapojení do hvězdy značí obrázek Y. Hvězda má 3× menší výkon než zapojení do trojúhelníka. Zapojení do trojúhelníka se značí D. Přepínání mezi těmito zapojeními se používá při rozběhu motoru (další možnosti například: změnou frekvence pomocí frekvenčního měniče, rozběhový transformátor, statorový spouštěč s odpory). Přepojením dvou fází můžeme také docílit opačný směr otáčení rotoru.

2.3

Výhody, použití

Výroba asynchronního motoru není obtížná. Jedná se o jednoduchý a přitom užitný elektrický stroj, který není tolik finančně nákladný. Při výrobě jsou používány i polovodičové měniče, 11

Měřicí úloha s alternátorem A 3 Alternátory

Obrázek 5: Zapojení statorového vinutí - hvězda/trojúhelník [12]

které umožňují měnit provozní charakteristiky motoru. Indukční motory vyrábí například česká firma MEZ Mohelnice s.p. nebo zahraniční firmy ABB, Siemens s.r.o. a další. Výběr motoru musíme volit vhodným způsobem [12]. Nejdůležitějším parametrem je pracovní výkon. Pokud například použijeme motor, kde jsou jeho parametry dimenzovány na výkon vyšší, než který můžeme potřebovat, bude docházet k nízké účinnosti. Elektrický stroj nebude využit efektivně. Asynchronní motory nalezneme všude, kde je potřeba pohonu. Možnosti využití jsou například pro výtahy, jeřáby, stavební stroje, zábavní atrakce, truhlářské stroje nebo drtiče kamenů v lomech.

3 3.1

Alternátory Úvod

Základní činností alternátoru je výroba elektrické energie se spalovacími motory a nejen s nimi. Jedná se o točivý stroj, který nahradil dynama v automobilovém průmyslu. Při výrobě elektrické energie v alternátoru dochází k indukování napětí. U dynam docházelo k častému opotřebení rotačních částí, zejména uhlíků. To mělo za následek vznik jiskření. Alternátor navíc oproti dynamu dokáže vyrábět proud i při volnoběžných otáčkách spalovacích 12


motorů. Mají tedy větší účinnost než dynama. Princip alternátoru je obdobný jako u asynchronního motoru. Elektrický proud je získáván přeměnou mechanické energie. Alternátor neboli generátor je synchronní stroj. Znamená to, že otáčky pole statoru se rovnají otáčkám pole rotoru. Generovaný proud je střídavý trojfázový (méně častěji i jednofázový). Alternátory jsou nejvíce používány v automobilech, kde je napájecí napětí stejnosměrné. Mají tedy zabudovaný diodový usměrňovač. Hmotnost alternátorů montovaných do osobních vozidel se pohybuje v jednotkách kilogramů.

3.2 3.2.1

Popis Složení

Alternátor můžeme rozdělit celkem na 8 základních částí (obr. 6). Krytí ze dvou kusů, rotor, řemenice s větrákem, stator, regulátor a diodový usměrňovač [7]. Krytí je kovové nejčastěji z hliníku a obsahuje chladicí otvory. Oteplování také zabraňuje lopatkový ventilátor, který je poháněn hřídelí od rotoru. Rotor je tvořen vyniklými (jinak nazývaný drápkový rotor) nebo hladkými póly a může být uložen uvnitř i vně statoru. Umístění vně statoru je využito pro dvoutaktní motory z důvodu velké setrvačnosti. Hladké póly se používájí pouze u rychloběžných generátorů [12] z důvodu působení odstředivých sil. V automobilech postačují alternátory s vyniklými póly. Jejich počet určuje kmitočet generovaného napětí, podle vztahu (3). f=

p·n [Hz] 60

(3)

n ... počet otáček rotoru f ... frekvence p ... počet pólpárů Tyto póly mají přibližně lichoběžníkový tvar ze dvou důvodů. Jedním z nich je zmenšení magnetické hlučnosti a druhý zajišťuje generování elektrického napětí přibližně sinusového průběhu. Stator je většinou tvořen ze třífázového vinutí zapojeného do hvězdy (méně častěji do trojúhelníka) a vzájemně posunutého o 120◦ . Velikost napětí fáze u vinutí zapojeného do hvězdy uvádí vztah č. 4. Pro vyrobení 12 voltů potřebných v palubní síti automobilu je 13


Obrázek 6: Alternátor [2]

nutné vygenerované napětí regulovat a usměrňovat. To zajišťuje regulátor buzený stejnosměrným proudem. Dříve se používaly regulátory vibrační, dnes již polovodičové. Usměrnění se provádí pomocí 3 polovodičových diod nebo můstku o 6 či 9 diodách. Výhodou alternátoru je, že nemůže dojít k přetížení ani ke zničení při zkratu na výstupních svorkách. Zatěžovací charakteristiku zobrazuje obrázek (8). U=

√ 3 · Uf [V ]

(4)

U ... napětí sdružené Uf ... napětí fázové

3.2.2

Princip činnosti

Indukci napětí alternátoru lze definovat otáčením několika závitů v magnetickém poli. Dále následuje popis dvou nejznámnějších druhů alternátorů. Méně používanými jsou alternátory s permanentním buzením. Jejich princip je založen na stálém konstantním buzení magnety. Využívají se pouze u elektroinstalací, kde je málo spotřebičů. Například u historických motocyklů JAWA Pionýr [8], které mají možnost pouze zapínat a vypínat přední a zadní světlomet. U těchto typů buzení jde tedy obtížně regulovat výstupní napětí, proto se zatížení nesmí výrazně měnit. 14


Obrázek 7: Princip činnosti jednofázového alternátoru [3]

Dokonalejší alternátory jsou s budicím vinutím. Toto provedení dokáže regulovat napětí. Regulace probíhá přes kartáčky, kterými je do budicí cívky rotoru přiváděn stejnosměrný proud. Kartáčky jsou uchyceny na dvou sběracích kroužcích upevněných k hřídeli. Protože vývoj alternátorů postupuje, jsou vynalezeny i stroje, u kterých nenalezneme sběrací kroužky

Obrázek 8: Zatěžovací charakteristika alternátoru s permanentním buzením [3] n ... počet otáček rotoru U ... výstupní napětí I ... výstupní proud

15


ani kartáčky. K regulaci tedy dochází bezkontaktně. Nevýhodou těchto alternátorů je větší hmotnost a horší chlazení. Kladným parametrem je jejich vysoká spolehlivost. Jak již bylo řečeno, alternátor zajišťuje přeměnu mechanické energie na elektrickou. Proud, který je schopný alternátor dodávat je omezen reaktancí vinutí statoru. Reaktance je závislá na indukčnosti vinutí a na frekvenci otáčení. Je to zdánlivý odpor vinutí cívky. Vztah určuje vzorec 5. XG = 2Π · f · L [Ω]

(5)

XG ... reaktance f ... frekvence L ... indukčnost Nemůže tedy dojít k proudovému přetížení a následnému spálení, protože současně vzrůstající reaktance s indukovaným napětím zabrání vytvoření příliš velkého elektrického proudu. Alternátor tedy nelze zničit ani elektrickým zkratem na výstupních svorkách. Poškození může nastat pouze při špatném chlazení. Po vyrobení elektrického napětí musí dojít k jeho úpravě na požadované parametry. Napětí tedy prochází dvěma důležitými bloky. Jedním je usměrňovač, druhým regulátor. Oba obvody jsou v současnosti integrovány dovnitř alternátoru. Možné zapojení ukazuje obrázek (9). Usměrňovač zajišťuje přeměnu střídavého napětí na stejnosměrné. Zapojení může obsahovat 3, 6 nebo 9 polovodičových diod. Usměrňovač se třemi diodami se zapojuje přímo do hvězdy. Dochází k jednocestnému usměrnění napětí. Je to základní zapojení a používá se u menších výkonů. Zapojení se 6 diodami se nazývá můstkové. Výhodou je rychlé nabuzení po spuštění. Naopak u devítidiodového zapojení je nabuzení pomalejší. U všech zapojení dochází k poklesu výstupního napětí. Příčinou jsou úbytky na diodách. Proto jsou automobilové alternátory dimenzovány na větší napětí, než pouhých 12 voltů. U alternátoru nezáleží na směru otáčení, protože usměrňovač propouští proud z vinutí pouze jedním směrem. Kontrola výstupního napětí pracuje na bázi porovnávání napětí. Spolehlivější je však kontrola pomocí voltmetru nebo ampérmetru. Druhý blok zajišťuje regulaci napětí. Regulátor má za úkol udržet konstantní výstupní 16


napětí, protože indukované napětí se mění a je přímo úměrné otáčkám rotoru. Druhým vlivem je pokles výstupního napětí v závislosti na připojení množství spotřebičů. Nejpoužívanější regulátory jsou bezkontaktní, sestrojené z polovodičových součástek. U starších provedení alternátorů se používaly vibrační regulátory. Při regulaci může docházet k opalování kontaktů a vzniku přechodových jevů, které snižují životnost alternátoru. Nejdůležitějším prvkem u regulace polovodiči je Zenerova dioda a tranzistory. Zenerova dioda slouží jako stabilizátor. Tranzistory působí jako spínače, reagující na napětí na odporovém děliči. Podle tohoto napětí dochází právě k regulaci alternátoru.

Obrázek 9: Schéma zapojení polovodičového alternátoru PAL Magneton [3]

Obrázek č. 10 uvádí případné provozní funkce stroje při změně fázorů výstupního napětí a proudu [15]. 1. alternátor, dodávající do sítě činný i jalový proud 2. synchronní alternátor – dodává pouze činný proud 3. podbuzený synchronní alternátor nebo motor – odebírá ze sítě magnetizační proud 4. synchronní motor 5. přebuzený synchronní motor 6. synchronní kompenzátor

17


Obrázek 10: Příklady fázorů výstupního napětí a proudu [15]

3.3

Výhody, použití

Alternátory, jako generátory střídavého napětí mají oproti zastaralým dynamům velkou přednost. Jsou schopny dodávat proud při nízkých otáčkách, usměrňování napětí probíhá bez mechanického tření. Údržba alternátorů není téměř potřeba, pokud se nepoužívají v příliš prašném prostředí. Nevadí nám ani, pokud se rotor otáčí opačným směrem, protože napětí bude mít stále stejnou polaritu. Nebezpečí vzniká při náhlém proudovém odlehčení, kdy se objevuje vlivem samoindukce zvýšené napětí. Tyto synchronní stroje nalezly využití zejména v automobilech, ve větším provedení i v elektrárnách. Nejznámějším českým výrobcem alternátorů je společnost Magneton. Další značky jsou například Bosch nebo Valeo.

18

Měřicí úloha s alternátorem A 4 Frekvenční měniče

4

Frekvenční měniče

4.1

Úvod

Frekvenční měniče používáme pro regulaci otáček točivých asynchronních strojů. Dokáží plynule regulovat kmitočet výstupního napětí i proudu. To umožňuje zpomalovat i zrychlovat otáčky motorů. Řízení motorů měniči frekvence je velmi efektivní a zajišťuje vysokou účinnost. Měniče jsou brány jako nejsložitější prvek soustavy elektrického pohonu s asynchronními motory [4]. Existují 2 druhy měničů, přímé a nepřímé. Přímé měniče se nazývají cyklokonvertory a nepřímé jsou rozděleny na napěťové a proudové měniče. Různá velikost odpovídá výkonosti měniče.

4.2

Popis

Uvedené měniče nazýváme netočivými [12]. Jsou řízeny polovodičovými součástkami. U přímých měničů, cyklokonvertorů je využíváno řízených usměrňovačů. Přístroj obsahuje dva usměrňovače a na výstup se připojuje zátěž. Změna frekvence výstupního napětí je závislá na počtu usměrněných půlperiod. Do zátěže se tedy dostává střídavé napětí a proud, s jinou periodou. Toto řízení je jednodušší, ale kvalita výstupního napětí je nízká. Ukázku zapojení zobrazuje obrázek 11. Nepřímé měniče mají kvalitnější výstupní napětí. Hlavními částmi je usměrňovač, stejnosměrný meziobvod a tranzistorový nebo tyristorový střídač [1]. Stejnosměrné meziobvody mohou být napěťové nebo proudové. Napěťové měniče, jehož blokové zapojení zobrazuje obrázek č 12, udržují konstantní výstupní napětí. Vstupním obvodem je třífázový můstkový usměrňovač, řízený tyristory. Jejich spínáním je měněna efektivní hodnota výstupního napětí měniče. Druhou částí je stejnosměrný napěťový obvod. V něm je paralelně zařazen kondenzátor a sériově mezi vstupem a výstupem je tlumivka. Kondenzátor vyhlazuje napětí a tím filtruje vyšší harmonické. Cívka tlumí proudové rázy při přechodových dějích (vznikají např. při zapínání či vypínání měniče). Výstupní střídač má za úkol proměnit stejnosměrné napětí na střídavé o požadované frekvenci. Pro konstantní magnetický tok motoru se musí podle vztahu (6) měnit napětí a frekvence souvisle. 19


Obrázek 11: Zapojení přímého měniče [9]

Regulace na výstupu měniče probíhá dvěma způsoby. Amplitudová nebo pulzně šířková modulace (PWM). U amplitudové regulace probíhá přeměna napětí v závislosti na velikosti stejnosměrného napětí. Na vstupu měniče je řízený usměrňovač. Pulzně šířková modulace obsahuje neřízený usměrňovač. Ten zajišťuje konstantní hodnotu stejnosměrného napětí. To je poté rozstřídáno, tedy namodulováno PWM. Frekvence je měněna v závislosti na střídě napěťových impulsů. Jejich perioda (frekvence) musí být však konstantní. Napěťovými měniči můžeme vyrobit výstupní frekvenci v rozsahu přibližně 400 až 1000 Hz. Pokud je obvod sestaven z tranzistorů, kmitočet může být vyšší.

Obrázek 12: Blokové zapojení nepřímého napěťového měniče [9]

20


Φ=

U U 1 · =K· [W b] 4, 44 · Nv · kv f f

(6)

Φ ... magnetický tok statoru Nv ... počet závitů jedné fáze vinutí statoru kv ... činitel vinutí U ... napájecí napětí f ... frekvence výstupního napětí Proudové měniče pracují na stejném principu jako napěťové. Rozdílným parametrem je, že dokáží udržet na svém výstupu konstantní proud. Blokové schéma je uvedeno na obr. 13.

Obrázek 13: Blokové zapojení nepřímého proudového měniče [9]

4.3

Výhody, použití

Měniče se používají u ventilátorů, asynchronních i sychronních motorů, čerpadel nebo i dopravních zařízení. Pří výrobě je nutno dbát na správném odrušení. Je pracováno s vysokými frekvencemi a může docházet k ovlivňování jiných okolních přístrojů. Výkon frekvenčního měniče by měl být naddimenzovaný, podle požadavků použití. Při přetížení motoru by jinak mohlo dojít k poškození měniče. Nejznámějšími výrobci jsou například firmy Moeller, Siemens nebo ABB. Maximální výkonové zatížení výstupu frekvenčních měničů se pohybuje až do 30 MW.

21

Měřicí úloha s alternátorem A 5 návrh úlohy pro měření na alternátoru

5

návrh úlohy pro měření na alternátoru

5.1

Parametry asynchronního motoru [11]

• asynchronní motor Siemens s kotvou nakrátko, označení 1LA7090-4AA10, • 4pólový, dva pólpáry ≡ p = 2, • zapojení statoru do hvězdy, • jmenovitý proud Ijm = 2, 7 A, • jmenovitý výkon Pjm = 1, 1 kW , • jmenovité otáčky njm = 1415 min−1 při frekvenci f = 50 Hz napájecího síťového napětí (pro výpočet uvažováno njm = 1500 min−1 ), • skluz s = 0, 01 [−] ≡ 1 %

5.2

Parametry alternátoru

• alternátor Valeo 120A, označení 028 903 029E, • minimální otáčky nmin = 1200 min−1 při výstupním proudu I = 0 A, • maximální otáčky nmax = 18000 min−1 při výstupním proudu I = 122, 5 A, • průměr řemenice alternátoru dalternátor = 55 mm

5.3

Parametry frekvenčního měniče [10]

• frekvenční měnič Siemens Micromaster 440, označení 6SE6440-2UD21-1AA1, • výstupní výkon P = 1, 1 kW , • vstupní jmenovitý proud IIN = 4, 9 A, • výstupní jmenovitý proud IOU T = 3, 1 A, • rozsah frekvence výstupního napětí f = 0 ÷ 650 Hz 22

Měřicí úloha s alternátorem A 5 návrh úlohy pro měření na alternátoru

5.4

Výpočet převodového poměru

Nejprve je potřeba vypočítat maximální kmitočet výstupního napětí z frekvenčního měniče. Tato frekvence ovlivňuje otáčky rotoru motoru dle vztahu (2). Po úpravě získáme rovnici (7) pro výpočet maximální frekvence. fmax =

n·p 1500 · 2 = = 50, 5 Hz (1 − s) · 60 (1 − 0, 01) · 60

(7)

Poté je možné spočítat převodový poměr N pomocí vztahu (8). N=

nmax alternátor 18000 = = 12 [−] njm motor 1500

(8)

Pomocí převodového poměru lze spočítat minimální otáčky motoru pro dodržení minimálních otáček alternátoru (uvažováno od 1000 min−1 ) (9).

nmin

motor

=

nmin

alternátor

N

=

1000 = 83, 3 min−1 12

(9)

Protože je vypočtený převodový poměr relativně veliký (N = 12 [−]) a řemenice na motoru by měla průměr dmotor = 660 mm podle vztahu (10), byl navržen vícestupňový převod. dmotor = dalternátor · N = 5, 5 · 12 = 660 mm

(10)

Obrázek 14 ukazuje návrh převodu. Vypočtená řemenice motoru má velikost dmotor = 330 mm. Převodová řemenice má dva různé průměry na jedné ose. Menší rozměr má průměr dpřevod

malý

= 55 mm a vetší průměr dpřevod

velký

= 330 mm. Velikost řemenice alternátoru je

dalternátor = 55 mm. Propojení řemenem motoru a menší řemenice převodu získáme poměr N1 = 6 [−] (11). N1 =

dmotor dpřevod

malý

=

330 = 6 [−] 55

(11)

Druhým řemenem propojíme větší převod s alternátorem. Vznikne poměr N2 = 6 [−] (12). Výsledný poměr otáček motoru a alternátoru je dán součtem (13). N2 =

dpřevod velký 330 = = 6 [−] dalternátor 55

(12) 23

Měřicí úloha s alternátorem A 6 Elektrický rozváděč

Obrázek 14: Návrh velikostí řemenic pro daný převodový poměr

N = N1 + N2 = 6 + 6 = 12 [−]

6

(13)

Elektrický rozváděč

Elektrický rozvaděč slouží k napájení a ovládání frekvenčního měniče a hnacího pohonu, motoru Siemens. Zapojení komponent rozváděče zamontovaných ve skříni Schrack uvádí obrázek 15. Celé schéma bylo zakresleno ve freewarovém softwaru PCschematic. Silová část obvodu prochází nejdříve přes hlavní vypínač SW-HL. Z bezpečnostního vypínače je napájení dále vedeno na motorový jistič Q1. Dále je rozvod veden na stykač s pomocným kontaktem KM1. Pomocný kontakt je ovládán stykačem KA1 a zajišťuje sepnutí stykače KM1. Stykač KA1 je spouštěn či rozpínán, pomocí tlačítek start SW3-HL2 a stop SW2-HL3. Relé KM2 je spínáno přes otočný spínač provoz SW4-HL4. Relé zajišťuje přenos napájení pro stabilizovaný stejnosměrný zdroj ∼ 230V / = 24V PV1. Stejnosměrný obvod ze stabilizovaného zdroje je jištěn proudovou pojistkou se světelnou indikací FU4 a umožňuje rozsvěcet kontrolní LED diody na ovládacím panelu dvířek skříňky. Napájení pro frekvenční měnič je vedeno ze stykače s pomocným kontaktem KM1 přes síťovou tlumivku TL1, která zajišťuje filtraci napájecího napětí. Regulaci kmitočtu výstupního napětí frekvenčního měniče lze provést pomocí potenciometru P1 umístěného na dvířkách skříně rozváděče. Součástí schématu zapo24

Měřicí úloha s alternátorem A 6 Elektrický rozváděč

jení je popis barev použitých vodičů. Jejich značení je uvedeno jako legenda v pravém dolním rohu obrázku. Soupis všech součástí použitých v rozváděči je popsán v tabulce 1. Zapojení bylo proměřováno pomocí multimetru Autoranging mini multimetr MN16 Extech Instruments s výrobnm číslem NO.09034404.

25

Měřicí úloha s alternátorem A 7 Závěr

7

Závěr

Při zprovozňování úlohy, kdy byl zapojen motor s frekvenčním měničem docházelo k nečekaným výpadkům elektrického proudu. Po zapnutí provozních spínačů na rozváděči vznikaly proudové výpadky, které byly zapříčiněny vybavením proudového chrániče v podružném elektrickém rozváděči laboratoře. Příčina vzniku této havárie byla odhalena v zapojení rozváděče speciálně sestrojeného pro napájení a řízení dané měřicí úlohy. Musela být odstraněna propojka, která zkratovávala svorku pracovní nuly (světle modrá) se svorkami ochranné nuly (zelenožlutá). Sestavené zapojení bylo dříve používáno pouze v čtyřvodičové síti TNC (tři fázové vodiče a pracovní nula) bez použití proudového chrániče. Docházelo tedy k průtoku proudu přes obvod ochranné nuly, kterou současný proudový chránič zaznamenal vybavením. Vypočtený převodový poměr N = 12 [−] je poměrně veliký protože je pro měřicí účely využíváno celého rozsahu otáček alternátoru. Řemenice na motoru by tedy musela mít při zachování maximální frekvence napájecího napětí motoru f = 50, 5 Hz průměr 660 mm. Pro výpočet byl uvažován současný rozměr řemenice alternátoru, tedy 55 mm. Celý hnací převod byl tedy rozdělen na 2 části. Poměr motor/převod a převod/alternátor. Prostřední část se skládá ze 2 různých řemenic umístěných na jedné ose. Oba způsoby pohonu jsou však proveditelné. Přímý pohon (motor/alternátor) je však náročný na výšku kvůli velkému průměru řemenice motoru.

26

Měřicí úloha s alternátorem A Literatura

Literatura [1] Automatizace. URL: http://www.automatizace.cz/article.php?a=1142 [2] ZAED Autoelektroservis. URL: http://www.zaed.sk/UserFiles/Image/alternator_ popis.jpg [3] Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha : Nakladatelství T. Malina, 2003, ISBN 80-86293-02-5. [4] Bulgakov, A. A.: Řízení asynchronních motorů měniči frekvence. Praha : Státní Nakladatelství Technické Literatury, 1989, ISBN 04-545-86. [5] Klaus, T.: Příručka pro elektrotechnika. Europa - Sobotáles, 2001, ISBN 80-86706-00-1. [6] Moeller: Moeller - Obecně - Třífázový asynchronní motor. URL: http://www.moeller. cz/priruckazapojeni/drives002.html [7] Škoda Panda: alternátory. URL: http://skoda.panda.cz/clanek.php3?id=380 [8] Povážské strojírny: Návod na obsluhu Jawa 50. Druhé vydání, 1965. [9] Richter, A.; Konečná, E.: Výkonová elektronika. TUL, FM, KEL, 2001. [10] Siemens: Frekvenční měniče Micromaster 440. 5 2010. URL: http://www1.siemens. cz/ad/current/file.php?fh=1559d76359&aid=2133962 [11] Siemens: Nízkonapěťové standardní motory 1LA7. 5 2010. URL: http://www1.siemens. cz/ad/current/file.php?fh=031908e542&aid=2133953 [12] Suchánek, V.: Silnoproudá elektrotechnika v automatizaci. Praha : Státní Nakladatelství Technické Literatury, první vydání, 1973, ISBN 04-513-73. [13] Vladař, J.; Zelenka, J.: Elektrotechnika a silnoproudá elektronika. Praha : Státní Nakladatelství Technické Literatury, 1986, ISBN 04-545-86. [14] Voženílek, P.; Novotný, V.; Mindl, P.: Elektromechanické měniče. Praha : Nakladatelství ČVUT, první vydání, 2007, ISBN 978-80-01-03137-7. 27


[15] Wiedemann, E.; Kellenberger, W.: Konstrukce elektrických strojů. Praha : Státní Nakladatelství Technické Literatury, 1973, ISBN 04-534-73.

Poděkování: Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh černobíle.

28


Přílohy

29


Tabulka 1: specifikace rozváděče typ Siemens Sirius 3RV1021-1GA10

označení Q1

název proudový chránič, 3fázový

Schrack LA 30181

KM1

stykač s pomocným kontaktem, 3fázový

Benedikt & Jager K1-09D10

KM2

relé

Schrack PT570024

KA1

stykač

FC1

frekvenční měnič (Siemens)

TL1

síťová tlumivka

24V=, 6A/250V Micromaster 440 6SE6440-2UD21-1AA1 Siemens Micromaster, AC communication choke 1P 6SE6400-3COO-4AD3 Schrack IN8E2334

SW-HL

hlavní vypínač, 3fázový

Moeller M22-LED

HL1

bílá kontrolka (zapnuto)

PA5-6F30, 10kOhm

P1

potenciometr (regulace otáček motoru)

M22-K10 Moeller

SW4-HL4

otoční podsvícený vypínač (provoz)

M22K01

SW2-HL3

rozpínač, tlačítko zelené (stop)

M22K10

SW3-HL2

spínač, tlačítko červené (start)

SW1

rozpínací bezpečnostní tlačítko

Moeller M22-K01

(emergency) zásuvka 230V∼ 1fázová

XS1

svorkovnice, tmavě modrá, 3kusy

-24

svorkovnice, hnědá, 3kusy

24

Weidmuller pojistky

FU1,FU2,

pojistky 3x 1f∼, 1x s LED

FU3,FU4 svorkovnice, zelenožlutá, 5 kusů svorkovnice, hnědá, 5 kusů svorkovnice, světle modrá, 4 kusy PS5R-SD24 Schrack WSM5050210

PV1

stabilizovaný zdroj 230V∼/24V=, 60W skříň

30


Obrázek 15: elektrické zapojení rozváděče

31

Měřicí úloha s alternátorem A

Recommend Documents