TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Měřicí úloha s alternátorem B Bakalářský projekt Jaromír Šejnoha
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
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: Jaromír Šejnoha Studijní program: B 2612 – Elektrotechnika a informatika Název tématu: Měřicí úloha s alternátorem B 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. Malina-nakladatelství, 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) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měřicí úloha s alternátorem B 3
Abstrakt Cílem ročníkového projektu je ověřit zda-li, je možno sestavit ze zadaných komponent učební pomůcku pro studenty bakalářského studia na fakultě mechatroniky. Ověřují se vlastnosti automobilového alternátoru, poháněného asynchronním motorem, řízeným měničem kmitočtů. V práci jsou popsány principy všech tří použitých prvků. Klíčová slova – alternátor, asynchronní motor, měnič kmitočtů, točivé magnetické pole
Abstract The aim of this classis project is verify whether, can put together from engaged component teaching materials for student bachelor studies on faculty mechatroniky. Check characteristics automobile alternator, drive induction motor, controlled frequency changer. In work are described principles of all three used element. Keywords – alternator, induction motor, frequency changer, rotatory magnetic field
Měřicí úloha s alternátorem B 4
Obsah Abstrakt
4
Abstract
4
Obsah
5
Úvod
8
1 Trojfázový asynchronní motor
9
1.1
Princip činnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2
Spouštění dle typu rotorového vinutí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.2.1
Motor s kotvou nakrátko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.3
Regulace otáček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.4
Brzdění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2 Alternátor
18
2.1
Princip činnosti synchronního alternátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2
Synchronní alternátory dle typu buzení (s vyniklými póly) . . . . . . . . . .
19
2.2.1
Alternátor s permanentním buzením . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.2
Alternátor s budicím vinutím (drápkovým rotorem) . . . . . . . . . .
20
Usměrňovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.3.1
Zapojení alternátoru s usměrňovačem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Regulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.3 2.4
3 Měnič kmitočtu
25
3.1
Skalární řízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.2
Vektorové řízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.3
Přímé řízení momentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
Měřicí úloha s alternátorem B Obsah
29
5
4.1
Asynchronní motor Siemens 1LA7090-4AA10 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4.2
Alternátor Valeo 120 A (028 903 029 E) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.3
Měnič kmitočtu Micromaster 440 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.4
Výpočet řemenic a rozvržení úlohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.5
Popis funkce rozvaděče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Závěr
34
Literatura
35
Příloha
37
Měřicí úloha s alternátorem B Obsah
6
Seznam obrázků 1
Magnetický tok statoru a rotoru trojfázového asynchronního motoru [7] . . .
10
2
Momentová a proudová chrakteristika asynchronního stroje [6] . . . . . . . .
11
3
Trojfázový motor s kotvou na krátko [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4
Zaťěžovací char. AM s kotvou nakrátko [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
5
Provedení klecových rotorů (bez rotorových plechů) [10] . . . . . . . . . . . .
13
6
Zapojení asynchronního motoru a) do hvězdy b) do trojúhelníku [10]
. . . .
14
7
Tvary drážek v rotorech nakrátko [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
8
Automobilový alternátor od značky BOSCH [3] . . . . . . . . . . . . . . . .
18
9
Pólové hvězdice [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
10
Schéma zapojení třífázového usměrňovače a jeho přůběh veličin [2] . . . . . .
22
11
Zapojení alternátoru s vyznačeným hlavním chodem [1] . . . . . . . . . . . .
23
12
Ukázka měničů od firmy Siemens [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
13
Obecné schéma vektorově řízeného pohonu s asynchronním motorem [5] . . .
27
14
Blokové schéma měřicí úlohy s alternátorem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
15
Důležitá technická data [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
16
Diagram č. 2 [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
17
Charakteristika alternátoru značky Iskra [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
18
Ovládací panel BOP [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
19
Pohon alternátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
20
Elektrické schéma rozvaděče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Měřicí úloha s alternátorem B Seznam obrázků
7
Úvod Ročníkový projekt se zabývá principem a chováním automobilového alternátoru, jedná se o zdroje elektrické energie v automobilu. Provozní napětí běžného automobilu je 12 voltů stejnosměrných, ty udržuje za vypnutého motoru automobilový akumulátor. Při zapnutém motoru začne dodávat elektrickou energii alternátor, zároveň tím i dobíjí akumulátor. V dnešní době, kdy v automobilu máme spousty elektroniky od ovládání okýnek po satelitní navigaci, se stal alternátor hlavním zdrojem el. energie nutné pro chod automobilu. Seznámíme se s principy všech částí měřicí úlohy s alternátorem. Testovaný alternátor Valeo 120 A (028 903 029 E) je roztáčen třífázovým asynchronním motorem Siemens 1LA7090-4AA10, který je řízen pomocí měniče kmitočtu Micromaster 440. Pohánění alternátoru je provedeno podobně jako v automobilu. Za pomoci řemenice, která přenáší energii z rotující hřídele, v našem případě asynchronního motoru na řemen, který přes druhou řemenici předá rotační energii alternátoru. Řemenice slouží nejen pro uchycení řemene, ale díky různým průměrům obou řemenic i jako převod. Budeme na základě jmenovitých otáček asynchronního motoru a otáček alternátoru, kdy je generovaný proud alternátrou konstatní, zkoumat jaký zvolíme převod, dále pak vhodné uchycení motoru a alternátoru. V příloze je rozkreslený rozvaděč s měničem kmitočtů, jež napájí asynchronní motor.
Měřicí úloha s alternátorem B Seznam obrázků
8
1
Trojfázový asynchronní motor
Asynchronní motor obecně je točivý elektrický stroj (elektromotor), pracující na střídavý proud. Je to nejrozšířenější pohon v elektrotechnice. Tok energie mezi hlavními částmi motoru, statoru a rotoru, je realizován výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost, jednoduchá konstrukce a napájení z běžné střídavé sítě. Napájecí napětí může být jednofázové nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně používanější. Asynchronní motor vynalezl Nikola Tesla.
1.1
Princip činnosti
Základem činnosti asynchronního motoru je točivé magnetické pole, které vytvoříme pomocí trojfázové soustavy. Jsou-li tři statorová vinutí trojfázového motoru s točivým polem připojena na tři fáze trojfázového napětí, mění se postupně periodicky se síťovým kmitočtem 50 Hz velikost i směr magnetického pole na každém statorovém vinutí. Má-li stator motoru tři vinutí natočená proti sobě o 120 stupňů, pak výsledný magnetický tok φ vytvářený proudy IU , IV , IW , ve vinutích U,V,W mění svůj směr tak, že vytváří točivé magnetické pole. Toto pole má na obvodu statoru kroužící severní pól proti němu jižní pól a mluvíme o 2pólovém točivém elektrickém stroji. Točivé pole indukuje v tyčích klecového rotoru nebo vodičích vinutého rotoru proudy, které vytvářejí magnetické pole rotoru. Síly otáčející rotorem mají snahu natočit rotor do pozice, ve které má jeho magnetické pole stejný směr (i orientaci) jako točivé pole statoru. Otáčky rotoru s hladkým válcovým povrchem nedosáhnou otáček synchronních s otáčkami budicího pole, ale zůstávají (úměrně zatížení) menší. Rotor popsaného motoru se otáčí asynchronně a rozdíl v otáčkách se nazývá skluz.
Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
9
Obrázek 1: Magnetický tok statoru a rotoru trojfázového asynchronního motoru [7]
Rychlost otáčení magnetického pole ns statoru závisí na frekvenci napájecí sítě f a na počtu pólových dvojic p stroje. ns =
60 · f p
[min−1 ]
(1)
Skluz otáček asynchronnícho motoru je závislý na zátěži motoru, je to míra asynchronizmu mezi otáčkami synchronními ns a otáčkami rotoru n, udává se v procentech. s=
ns − n · 100 ns
[%]
(2)
Rychlost rotoru n je menší než rychlost synchronní, a sice vždy o tolik, aby se v něm naindukoval takový proud, jenž společně s točivým magnetickým polem vyprodukuje moment dostatečný pro pohánění zátěže a pro pokrytí mechanických a elektrických ztrát. Pro rychlost rotoru tedy platí vzath n = ns · (1 − s) =
60 · f · (1 − s) p
[min−1 ]
(3)
Stroj může pracovat také jako generátor, je-li poháněn hnacím strojem nadsynchronními otáčkami, n > ns (spouštění břemene jeřábem, jízda lokomotivy ze svahu, vodní elektrárna). Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
10
V tomto případě se mechanická energie přivádí do rotoru, z rotoru prostřednictvím magnetického pole do statoru a ze statoru v elektrické formě do sítě. Třetím provozním stavem asynchronního motoru je brzda, kdy jsou stroji vnucené otáčky proti smyslu otáčení točivého magnetického pole ve vzduchové mezeře, změní se směr mechanických otáček a vzniká brzdný moment. Na obr. 2 je znázorněna oblast práce asynchronního stroje.
Obrázek 2: Momentová a proudová chrakteristika asynchronního stroje [6]
Více informací viz [6], [7].
Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
11
1.2 1.2.1
Spouštění dle typu rotorového vinutí Motor s kotvou nakrátko
Obrázek 3: Trojfázový motor s kotvou na krátko [10]
Rotor (kotva) nakrátko nebo též klecový rotor je tvořen blokem (svazkem) rotorových plechů nasazených na hřídeli a vodivou klecí obr. 5, tvořenou měděnými nebo hlinikovými tyčemi odlitými do drážek rotoru a spojenými (svářením) s čelními kroužky. Bez svazku rotorových plechů, má rotor tvar klece. Tyče zalité do drážek nebývají úplně rovnoběžné s osou rotoru, ale jsou sešikmené pro zajištění rovnoměrného chodu motoru. Rotorové plechy jsou kolmé k ose rotace kotvy a jsou vzájemně izolované vrstvou oxidu, což zabraňuje vzniku vířivých proudů, které by neměly potřebný průběh (jako proudy indukované v kleci nakrátko) a způsobovaly by velké tepelné ztráty. Činný odpor vodivé klece je velmi malý. Rozběhový proud proto může dosáhnout až desetinásobku jmenovité hodnoty. Pro jeho velký fázový posun za megnetickým tokem je však točivý moment malý. Průběh momentu v závislosti na otáčkách obr. 4 ukazuje nárůst od MA rozběhového momentu až do hodnoty Mk moment zvratu, kdy začne pokles rychlosti změn indukčního toku ve smyčkách rotoru převažovat nad vlivy zvětšujícími moment. Při jmenovitých otáčkách působí Mn jmenovitý moment. Vyskytuje se zde ještě MS sedlový moment, který odpovídá sedlu v charakteristice, je to nejnižší místo mezi MA a Mk . V nezatíženém stavu dosahuje motor téměř synchronních otáček ns .
Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
12
Obrázek 4: Zaťěžovací char. AM s kotvou nakrátko [10]
Obrázek 5: Provedení klecových rotorů (bez rotorových plechů) [10]
Jelikož má motor s kotvou nakrátko velký rozběhový proud, který by přispíval k poklesu síťového napětí, musí se spouštění motoru regulovat, aby k těmto proudovým nárazům nedošlo. Zmenšení rozběhového proudu u tohoto typu motoru lze dosáhnout pouze zmenšením rozběhového napětí statoru. Výkon a točivý moment motoru jsou úměrné druhé mocnině napětí. Odpovídajícím poměrem se také zmenšuje výkon i moment při zmenšování napětí. Je-li motor spouštěn při polovině jmenovitého napětí, má jen čtvrtinu rozběhového momentu. 1. Statorový spouštěč – do série s vinutím se zapojí omezovací rezistory, které se během spouštění postupně vyřazují. Pro omezení tepelných ztrát v odporech se do obvodu Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
13
zařazují předřadné cívky, které ovšem zhoršují účiník v síti. Tento způsob je vhodný pro jemný záběr motoru, který je při rozběhu málo zatížen. 2. Rozběhové transformátory – transformátory zmenšují při rozběhu napětí a tím i rozběhový proud motoru. Převodním poměrem transformátoru je tento proud odebíraný ze sítě ještě dále zmenšen. Odebíraný rozběhový proud se tedy zmenšuje úměrně čtverci (druhé mocnině) zmenšení rozběhového napětí. Rozběhové transformátory jsou používány např. pro motory velkého výkonu. Z ekonomických důvodů jsou většinou používány autotransformátory. Při spouštění lze autotransformátor i přetížit, neboť ihned po rozběhnutí motoru je odpojen ze sítě. 3. Přepínač hvězda-trojúhelník – statorové svorky motoru jsou běžně spojeny do trojúhelníku obr. 6, pokud při rozběhu přepneme svorky do hvězdy, napětí na vinutí √ se zmenší 3 krát, tím klesne odebíraný proud a výkon na třetinu. Metoda se může používat jen při malém zatížení motoru. Pokud by motor nebyl po rozběhu přepnut do trojúhelníku, mohl by být při jmenovitémm zatížení přetížen a poškozen. Přepínání při rozběhu může být realizováno pomocí stykačů nebo ručně.
Obrázek 6: Zapojení asynchronního motoru a) do hvězdy b) do trojúhelníku [10]
4. Elektronické spouštěče – jde o moderní postup, při kterém lze dosáhnout plynulé zvětšování točivého momentu bez skokových změn proudu. 5. Speciální úprava klece
Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
14
• Kotvy s dvojitou klecí – jedna klec je nazývána rozběhová a druhá, umístěna blíže ke středu, je nazývána běhová. • Odporová klec – klec vyrobená z materiálu s větším měrným odporem. • Vírová kotva – speciální tvary drážek a tyčí vinutí jsou umístěny po celém obvodu rotoru, každý z těchto vodičů má stejný odpor, ale různé rozptylové indukčnosti. Více informací viz [10], [7], [6]
Obrázek 7: Tvary drážek v rotorech nakrátko [10]
a) drážky pro kruhové tyče, b) drážky pro dvojitou klec, c) tvary hlubokých drážek (vírová kotva)
1.3
Regulace otáček
Otáčky rotoru jsou tedy, dány skluzem s, kmitočtem napájecího napětí f a počtem pólů p. Regulovat otáčky tedy můžeme změnou kterékoliv z těchto veličin. 1. Regulace změnou skluzu – změníme-li výkon, který se spotřebovává v rotoru, změní se i skluz. Lze použít pouze pro motor s kroužkovou kotvou. • Pomocí regulačního odporu – zařazením odporu do obvodu rotoru se část skluzového výkonu přemění na teplo. Je to nehospodárný způsob změny skluzu. • Podsynchronní kaskádou – část skluzového výkonu se vrací zpět do sítě, jde tedy o hospodárnější způsob snížení skluzu. Kmitočet rotorových proudů je odlišný od kmitočtu sítě, před navrácením výkonu do sítě se tedy musí použít měnič kmitočtu. Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
15
2. Regulace změnou kmitočtu – používá se u motorů s kotvou nakrátko. Připojením měniče kmitočtu můžeme řídit napětí nebo proud a tím i vytvářené magnetické pole statoru. • Skalární řízení – lze nastavovat velikost magnetického toku. • Vektorové řízení – kromě velikosti magnetického toku lze nastavovat i jeho směr a tím můžeme docílit plynulou změnu otáček při jakémkoliv režimu práce a zatížení. Jde o nejdokonalejší způsob řízení otáček a lze jím docílit i otáček nadsynchronních. 3. Regulace změnou počtu pólových dvojic – provádí se buď přepojením statorového vinutí, nebo připojením dalšího vinutí s jiným počtem pólů. Tím lze dosáhnout pouze skokové změny otáček, protože počet pólů stroje a tím i pólových dvojic může být pouze celé číslo. Motory musí mít na statoru takové vynutí, jehož počet pólů lze měnit. Více informací viz [6], [7], [10].
1.4
Brzdění
Pohony s trojfázovými asynchronními motory musí být často zabržděny, např. u jeřábů při spouštění břemene nebo u obráběcích strojů při rychlém zastavení. K brždění se nabízí řada možností. Při ztrátovém brždění je přeměňována kinetická energie v energii tepelnou, při tzv. rekuperačním brždění je přeměňována kinetická energie v elektrickou energii. 1. Mechanické brzdění – třecí přítlaková pérová brzda je přitlačována pérem při vypnutém motoru. Při zapnutí motoru je brzda elektromagnetem odtažena od brzdného kotouče. Používá se u obráběcích strojů a u zdvihovacích mechanizmů. 2. Brzdění protiproudem – změněním smyslu otáčení magnetického pole statoru se vytváří brzdný moment, působící proti směru otáčení rotoru. Po dosažení nulových otáček je nutno motor odpojit, aby se nezačal otáčet opačným směrem. Veškerá kinetická energie se mění na teplo, které zůstává v motoru, brzdění protiproudem je tedy značně nehospodárné a připadá v úvahu pouze pro velmi malé výkony. Skokovým přepnutím smyslu otáčení motoru totiž vznikne skluz o velikosti dvojnásobku nominální frekvence motoru a tím dojde k obrovskému přetížení motoru a nárůstu proudu. Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
16
3. Dynamické brzdění – (stejnosměrná brzda) statorové vinutí se odpojí od sítě a připojí se na zdroj stejnosměrného napětí. Magnetické pole statoru je tedy nepohyblivé a pohybující se rotor sám vytváří brzdný moment. Velikost brzdného momentu je možno regulovat velikostí stejnosměrného proudu pouze v omezeném rozsahu. Tento způsob není moc účinný při vyšších otáčkách a při otáčkách blízkých nule se musí motor dobrzdit mechanicky. Navíc stejně jako u brzdění protiproudem veškeré teplo vytvořené brzděním zůstává v motoru, který se tím ohřívá. 4. Brzdění generátorické – jedná se o nejhospodárnější způsob brzdění asynchronního motoru. Dochází k němu při s > 1, tedy při práci motoru jako genarátoru. K tomuto účelu je nutné zvýšit otáčky motoru nad synchronní, musí se zde použít frekvenční měnič. Je zde možné vracet vyrobenou energii zpátky do sítě (rekuperace), pokud nelze vracet, tak se nejčastěji spálí v odporníku. Generátorické brzdění používají například moderní lokomotivy, tramvaje a trolejbusy. Lze jím zastavit motor až do nulových otáček, udržovat konstantí brzdicí moment a podobně. U tohoto způsobu je také výhodné, že se vyrobená energie odvede mimo motor, který se díky tomu zbytečně nepřehřívá. Více informací viz [6], [7], [10].
Měřicí úloha s alternátorem B 1 Trojfázový asynchronní motor
17
2
Alternátor
Alternátor je točivý elektrický stroj sloužící k přeměně mechanické energie na energii elektrickou, pracujicí na základě elektromagnetické indukce.
Obrázek 8: Automobilový alternátor od značky BOSCH [3]
1. Synchronní – otáčky magnetického pole jsou rovny otáčkám hřídele. • Turboalternátory (s hladkým rotorem) – pracují v tepelných elektrárnách a pohánějí je parní nebo plynové turbíny. Poloha hřídele je vodorovná, otáčky od 1500 do 3000 za minutu. • Hydroalternátory (s vyniklými póly) – najdeme ve vodních elektrárnách ve spojení s vodními turbínami. Poloha hřídelé většinou svislá, otáčky od 100 do 1500 za minutu. • Alternátory poháněné spalovacími motory (s vyniklými póly) – jsou pomaluběžné stroje s velkým průměrem a malou délkou rotoru obr. 8. Rotor pracuje většinou i jako setrvačník, pro zlepšení chodu pístových motorů. 2. Asynchronní – trojfázový asynchronní motor, který pracuje v generátorickém módu. Otáčky magnetického pole se nerovnají otáčkám hřídele. Používají se většinou v malých vodních elektrárnách. Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
18
Alternátory jsou součástí mnoha dalších strojů a kvůli své jednodušší konstrukci jsou používány i tam, kde před rozšířením polovodičových usměrňovačů kdysi sloužily stejnosměrné generátory (dynama). Co do počtu vyrobených kusů je nejvýznamnějším praktickým nasazením alternátorů automobilismus, kde slouží jako základní zdroj elektrické energie pro elektrickou síť motorových vozidel. Největší alternátory, kterými jsou vybaveny běžné elektrárny, jsou dnes prakticky jediným strojním zařízením vhodným pro velkovýrobu elektrické energie určené pro napájení veřejných elektrorozvodných sítí.
2.1
Princip činnosti synchronního alternátoru
Základními součástmi pro výrobu elektrické energie jsou, stejně jako u asynchronního motoru, stator a rotor. Rotor je nasazen na otáčející se hřídeli a tvoří jej permanentní magnet či elektromagnet s cívkou napájenou stejnosměrným, tzv. budicím proudem z pomocného dynama, nasazeného na téže ose. Rotor je zdrojem otáčejícího se magnetickéhé pole, jež indukuje v cívkách statoru střídavé vysoké napětí. Kvůli zabránění ztrátám vířivými proudy, v důsledku vzniku střídavého proudu, musí být magnetický obvod statoru složen z plechů.
2.2 2.2.1
Synchronní alternátory dle typu buzení (s vyniklými póly) Alternátor s permanentním buzením
Vhodný především pro menší vozidla s málo proměnnou spotřebou. V magnetickém obvodu statoru je uloženo pracovní vynutí, ze kterého se odebírá potřebný proud pro provoz vozidla, magnetický tok je vytvářen stálými (permanentními) magnety. Vyznačuje se svou jednoduchostí a spolehlivostí, hlavní výhodou je přirozená regulace proudu. Hlavní rozdíly v konstrukci jednotlivých typů jsou v umístění ventilátoru (uvnitř nebo vně), v počtu oběžných kol ventilátoru (jedno nebo dvě), ve velikosti sběracích kroužků a v umístění usměrňovače (uvnitř nebo vně předního břemenového víka). U větších strojů je stator stejný jako stator třífázového asynchronního motoru. U menších strojů stator tvoří jednotlivé cívky na pólových nástavcích složených z plechů, které napájí samostané obvody (žárovky, zapalování, atd.). Vnější rotor – póly tvořeny několika páry permanentních magnetů připevněných na rotoru,
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
19
střídá se severní a jižní pól magnetu. Vnější rotor má velký moment setrvačnosti a působí u dvoudobých motorů jako setrvačník pro plynulejší chod motoru. Vnitřní rotor – póly tvořeny pólovými nástavci a ty jsou magnetovány jedním permanentním magnetem prstencového tvaru. 2.2.2
Alternátor s budicím vinutím (drápkovým rotorem)
Používá se převážně u větších motorových vozidel, která vyžadují větší výkony. Je zde nutná regulace napětí, rotor je buzen stejnosměrným proudem. Stator je stejný jako u asynchronního motoru. V drážkách statorového paketu složeného z plechů, na jedné straně izolovaných, je uloženo trojfázové vynutí. Rotor, je složen ze dvou nalisovaných či vyfrézovaných hvězdic z měkké oceli obr. 9. Obě z nich mají na vnějším obvodě k drápkových pólů (např. 6). Do mezery mezi drápkovými póly jedné hvězdice zasahují drápkové póly druhé hvězdice, takže ve vzduchové mezeře působí 2 · k drápkových pólů. Budící cívka prstencového tvaru, která je napájená přes dva, na hřídeli nalisované kroužky, budí všechny póly tak, že na obvodě se severní a jižní póly střídají. Jedna hvězdice nese jenom samé severní póly a druhá samé jižní. Magnetický tok Φ, vycházející z jednoho severního drápkového pólu projde přes vzduchovou mezeru, rozdělí se ve statorovém paketu na dvě poloviny z nichž každá projde opět přes vzduchovou mezeru do vedle sebe sousedících jižních drápkových pólů. Obě poloviny se spojí v rotorovém prstencovém jihu. Výpočet otáček je podobný jako u asnychronního motoru, ale zde se jedná o synchronní stroj, takže synchronní otáčky se rovnají otáčkán rotou. Více informací viz [11]. n=
60 · f p
[min−1 ]
(4)
kde f je frekvence střídavého proudu v alternátoru, p počet pólových dvojic a n jsou otáčky rotoru. Drápkové póly mají tvar lichoběžníku, aby se při otáčení rotoru magnetický tok Φ pozvolna měnil tak, aby indukované napětí mělo přůběh blízký sinusovce a aby se zmenšil magnetický hluk stroje.
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
20
Obrázek 9: Pólové hvězdice [1]
2.3
Usměrňovače
Jelikož alternátor vyrábí střídavý proud a v automobilech je používán proud stejnosměrný, musíme použít usmeřňovač, který nám ho převede na onen stejnosměrný. V dnešní době usměrňovač tvoří s alternátorem jeden celek, takže máme na výstupních svorkách přímo proud stejnosměrný. K usměrnění střídavého proudu alternátoru se používají křemíkové diody, namontované pro lepší chlazení přímo do štítu alternátoru. Aby alternátor byl dobře využit, používá se usměrňovač v můstkovém zapojení viz obr. 10. Kladné půlvlny třífázového proudu jsou usměrňovány anodovou skupinou diod V1, V2, V3, záporné půlvlny katodovou skupinou diod V4, V5, V6. Usměrňené napětí ud je dáno součtem napětí v daném okamžiku, které usměrňuje anodová a katodová skupina diod. V motorovém vozidle pracuje alternátor do protinapětí akumulátorové baterie, takže proud do akumulátoru jde jen v době, kdy usměrněné napětí je vetší než na napětí akumulátoru.
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
21
Obrázek 10: Schéma zapojení třífázového usměrňovače a jeho přůběh veličin [2]
2.3.1
Zapojení alternátoru s usměrňovačem
Střídavé napětí indukované v třífázovém pracovním vinutí statoru je usměrňováno hlavním usměrňovačem v můstkovém zapojení. Proud alternátoru IG se dělí na proud, který slouží k dobíjení akumulátoru a proud pro spotřebiče.
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
22
Obrázek 11: Zapojení alternátoru s vyznačeným hlavním chodem [1]
(1) – alternátor, (2) – regulátor, (3) – kontrolka, (4) — spínač (spínací skříňka), (5) – akumulátorová baterie, (a) – diody pomocného usměrňovače, (b) – kladné diody, (c) – záporné diody, (d) – budicí vinutí Proud IG indukovaný v jedné fázi (např. V) jde přes jednu z kladných diod (b) na svorku B+ a dále přes akumulátor, popř. spotřebič na kostru (svorka B-) a odtud přes jednu ze záporných diod (c) zpět na vinutí statoru (fáze W). Jak se postupně mění pořadí diod, kterými proud prochází.
2.4
Regulátory
U alternátoru s permanentním buzením regulace není třeba (ale může být), jelikož se používá nejčastěji u motocyklů, kde se mezi spotřebiče řadí pouze světlomety a blinkry, tedy se nám zatížení alternátorů příliš nemění a napětí generované alternátorem je téměř konstantní. Alternátor s budicím vinutím už je nutno regulovat. Regulátor udržuje výstupní napětí
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
23
alternátoru na konstantní velikosti (7 V, 14 V, 28 V). Jelikož u většiny vozidel máme různé spotřebiče, které mění zatížení alternátoru podle jejich připojení (klimatizace, rádio, vytápění sedaček, různé motorky na ovládání všeho, co se dříve ovládalo manuálně, atd.). 1. Regulátory elektromagnetické (vibrační) – jedná se již o zastaralé regulátory, jsou poměrně značně rozměrné a mají velkou hmotnost, mohou být umístěny pouze mimo alternátor. Není zde možnost dosáhnout vysoké frekvence sepnutí kontaktů a z toho důvodu i omezená přesnost regulace. Díky opalování kontaktů jsou zvýšené nároky na údržbu, opravy a v neposlední řadě je zde jiskření kontaktů, které je zdrojem rušení. Dělí se na jednostupňové a dvoustupňové. 2. Regulátory polovodičové – v dnešní době nejpoužívanější. Tranzistory v polovodičovém regulátoru pracují ve spínacím režimu jako mechanický kontakt, ale bez nežádoucích vlastností, který každý kontaktní systém má. Mezi výhody patří možnost dosažení velmi krátké doby spínání a tím i vysoké přesnosti regulace, žádné opotřebení, není tedy zapotřebí údržba, při spínání nevzniká jiskření a tím se omezuje rušení, odolnost proti nárazům, vibracím a povětrnostním vlivům, malé rozměry umožňují ve většině případů montáž regulátoru přímo do alternátoru. Více informací viz [11].
Měřicí úloha s alternátorem B 2 Alternátor
24
3
Měnič kmitočtu
Měnič kmitočtu (často nesprávně nazývaný frekvenční měnič) je zařízení, které slouží k regulaci kmitočtu výstupního napětí nebo proudu. Dříve se realizoval jako rotační měnič, dnes se používají spíše elektronické obvody a moderní výkonové polovodičové součástky. Z nich je vytvořen usměrňovač a střídač, případně další řídicí a stabilizační elektronika. Velmi častým důvodem k nasazení frekvenčního měniče bývá potřeba plynulé regulace otáček asynchronního elektromotoru. Dříve se ke změně otáček elektromotoru používalo Ward Leonardovo soustrojí (pohon – dynamo – stejnosměrný motor).
Obrázek 12: Ukázka měničů od firmy Siemens [8]
Měnič kmitočtu, jak už bylo řečeno, je v dnešní době polovodičové zařízení, sestávající z napájecího řízeného usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu s kondenzátorem a výstupního střídače, který pracuje s pulsně šířkovou modulací. Vstupní usměrňovač se připojí na třífázovou napájecí síť. Na výstupu měniče je pak proměnné napětí a kmitočet (U/f=konst.), které umožňují regulaci otáček připojeného třífázového asynchronního motoru. Srdcem měniče je regulátor s řídicím procesorem, který zajišťuje vnitřní řízení měniče a komunikaci s vnějším okolím. Měniče se vyrábí v provedení se skalárním nebo vektorovým řízením, bez zpětné otáčkové vazby, ale i s ní, standardně obsahují i PID regulátor. Měniče Měřicí úloha s alternátorem B 3 Měnič kmitočtu
25
umožňují připojení k nadřazenému PLC po sběrnici profibus. Funkce měničů lze rozšířit dovybavením řadou doplňků, volených podle konkrétních požadavků tak, že s nimi lze např. realizovat pohony s aktivní zátěží, což znamená, že u těchto pohonů se vyskytuje i generátorický chod a pohon lze provozovat v brzdném režimu. Mezi hlavní přednosti frekvenčních měničů patří plynulost změn otáček, úspora energie,odlehčení síti, přesnost, rychlost
3.1
Skalární řízení
Při tomto způsobu řízení jsou regulovány pouze amplitudy jednotlivých veličin. Řídící a zpětnovazební signály jsou tedy stejnosměrné, což značně usnadňuje návrh regulačních obvodů. Výstupem regulačních algoritmů je požadované napětí a frekvence, jakožto vstup pro modulátor. Skalární řízení v uzavřené smyčce (zpětnovazební) dosahuje velké statické přesnosti regulace. Tento způsob řízení asynchronního motoru je nazýván skalárním proto, že je zde regulována pouze absolutní hodnota napětí US a frekvence fs . Prostorová orientace vektoru napětí není rozhodující.
3.2
Vektorové řízení
Princip vektorového řízení je založen na odděleném řízení momentu a toku. Moment je úměrný momentotvorné (činné) složce statorového proudu, tok tokotvorné (jalové) složce. Skutečný moment a skutečný tok se vypočítává neustále procesorem z měřených veličin I, U , popřípadě ω, porovnává se v komparátorech se žádanými hodnotami a procesor dále vypočítává potřebné údaje pro šířkově pulsní modulátor, který nastavuje U a f potřebné k dosažení žádaného toku a momentu. Takto se dá udržovat tok a regulovat moment (třeba i skokem).
Měřicí úloha s alternátorem B 3 Měnič kmitočtu
26
Obrázek 13: Obecné schéma vektorově řízeného pohonu s asynchronním motorem [5]
Druhy provozu: • bez otáčkové zpětné vazby (pseudovektorové řízení, open loop vector) – nejsou informace o otáčkách motoru, proto měnič provádí odhad - musí mít k dispozici základní konstanty motoru, další údaje sám zjistí testem (autotuning). Kvalita řízení závisí na přesnosti zadání konstant a na algoritmu výpočtu otáček. • s otáčkovou zpětnou vazbou – přesnější, lepší dynamika. • provoz s minimálním tokem (jen některé měniče) – lze měnit i tok (odbudit), čímž klesaji ztráty, ale má horší dynamiku. Vhodné pro ventilátorovou chararakteristiku zátěže. • s regulací polohy v servopohonech – navíc je zde nadřazená regulační smyčka polohy. Toto řízení je vhodné pro pohony s vysokými nároky na přesnost a dynamiku řízení otáček, pohony s regulací momentu mezi než patří například jeřáby, výtahy, navíjecí mechnismy, atd..
Měřicí úloha s alternátorem B 3 Měnič kmitočtu
27
3.3
Přímé řízení momentu
Princip přímého řízení momentu spočívá ve vytvoření točivého magnetického pole ve statoru pomocí spínání napěťových vektorů, přičemž rychlost otáčení pole, a tím i velikost momentu, je možné ovlivňovat dvěma způsoby: pulzním spínáním nulového vektoru napětí a pulzním přepínáním směru otáčení vektoru statorového magnetického toku. Narozdíl od klasického vektorového řízení se tedy nereguluje momentotvorná a tokotvorná složka statorového proudu. V systému není obsažen pulsně šířkový modulátor, jako je tomu u standardních vektorově řízených pohonů. Momentová odezva bývá asi 10 krát rychlejší (1 až 2 ms) než je tomu u vektorově řízených asynchronních motorů nebo stejnosměrných motorů. Dynamická přesnost regulace rychlosti je srovnatelná se stejnosměrným pohonem. Použítí tohoto řízení je alternativní k vektorovému řízení, ale narozdíl od něj je málo rozšířené. Více informací viz [5].
Měřicí úloha s alternátorem B 3 Měnič kmitočtu
28
4
Řešení měřicí úlohy s alternátorem
Obrázek 14: Blokové schéma měřicí úlohy s alternátorem
4.1
Asynchronní motor Siemens 1LA7090-4AA10
O asynchroním motoru už bylo řečeno vše potřebné, teď se zaměříme na technická data konkrétního typu motoru, který využíváme v úloze. Každý znak nebo množina znaků v názvu motoru má svůj význam. První čtyři znaky „1LA7“, nám udávají typovou řadu motoru, podle které daný motor snáze nalezneme. Další dva znaky „09“, udávají velikost výšky osy v milimetrech (09 => 90 mm). Sedmý znak „0“ udává velikost kostry (svazku), pro nás 0 => krátká. „1LA7“4 znamená, že se jedná o 4pólový motor (dva pólpáry). „A“ odkazuje na provedení motoru, které máme základní s hliníkovou kostrou. „A“ informuje o třídě rotoru, která je tady 16. „1“ udává napájecí napětí a to je při 50 Hz v zapojení do trojúhelníku 230 V, v zapojení do hvězdy 400 V, při 60 Hz je při zapojení do hvězdy 460 V. „0“ poslední znak označuje tvar a ten je zde patkový (IM B3).
Měřicí úloha s alternátorem B 4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
29
Obrázek 15: Důležitá technická data [8]
Obrázek 16: Diagram č. 2 [8]
Jmenovitý krouticí moment na hřídeli se vypočte: M = 9, 55 · P ·
1000 n
[min−1 ]
(5)
kde P je jmenovitý výkon v kW, n otáčky v min-1.
Měřicí úloha s alternátorem B 4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
30
4.2
Alternátor Valeo 120 A (028 903 029 E)
Bohužel se mi nepodařilo sehnat katalogové údaje k tomuto typu alternátoru. Avšak našel jsem podobný a to od značky Iskra typ AAK Compact. U alternátoru nás zajímá především, při jakých otáčkách začne generovat el. a při kterých se nám ustálí dodávaný proud, při konstantním napětí. Tyto údaje zjistíme z charateristiky na obr. 17. Nás zajímá charakteristika do 120 A.
Obrázek 17: Charakteristika alternátoru značky Iskra [4]
4.3
Měnič kmitočtu Micromaster 440
Náš měnič má výstupní výkon 1,1 kW se jmenovitou hodnotou vstupního proudu 4,9 A, výstupní jmenovitou hodnotou 3,1 A a váží přibližně 1,3 kg. Měnič používá vektorové řízení, buďto se zpětnou vazbou ze snímače otáček, nebo bez zpětné vazby. Zapojuje se spolu se síťovou komunikační tlumivkou. Sít’ová komutační tlumivka se používá k omezení amplitudy napětí nebo k omezení komutačních proudů. Kromě toho snižuje vyzařování vyšších harmonických kmitočtů rušivě ovlivňujících měnič a sít’. Parametry měniče se nastavují pomocí ovládacího panelu (BOP). Měřicí úloha s alternátorem B 4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
31
Obrázek 18: Ovládací panel BOP [9]
Zelené tlačítko je pro zapnutí měniče, červené pro jeho vypnutí. Pak tu máme tlačítko pro změnu směru otáčení motoru a pro krokování. Tlačítkem F n vybíráme fukce a tlačítkem P přistupujeme k parametrům. Nakonec tu jsou tlačítka pro zvýšení či snížení, používá se u nastavování parametrů.
4.4
Výpočet řemenic a rozvržení úlohy
Jelikož jmenovité otáčky nj asynchronního motoru Siemens 1LA7090-4AA10 jsou 1415 min−1 , z alternátorové charakteristiky obr. 17 je vidět, že alternátor začne dodávat konstatntní napětí 13 V od 1000 min-1 a na otáčkách rovných nust =7000 min−1 už se téměř nemění generovaný proud z něj, tak bych volil převod z roven 5. Na základě výpočtu: z=
nust nj
(6)
Protože řemenice na alternátoru je už daná a má průměr 5,5 cm, tak na hnací osu asynchronního motoru je nutno dát řemenici o průměru 27,5 cm. Převod řemenic v automobilu bývá okolo hodnoty 2,5 jelikož otáčky spalovacích motorů dosahují hodnot u naftových motorů maximálně 5000 min−1 a u benzínových maximálně 8000 min−1 . U benzinových motorů by tedy hodnota převodu mohla být i méně než 2. Řemen jsem zvolil délky 175 cm, z toho vyšla vzdálenost motoru od alternátoru 60,6 cm. Uchycení motoru a alternátoru bych navrhl vedle sebe v horizontální poloze viz obr. 19. Pro alternátor musí být vytvořen speciální držák a motor stačí přišroubovat čtyřmi šrouby, pro které jsou otvory na patkách kostry motoru, skrz desku či stůl. Měřicí úloha s alternátorem B 4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
32
Obrázek 19: Pohon alternátoru
4.5
Popis funkce rozvaděče
Rozvaděč je napájen třífázovým napětím, po zapnutí hlavního vypínače SW − HL se nám rozsvítí světlo HL1 (zapnuto) avšak měnič napájen není. To zařídíme otočným spínačem SW 4 − HL4 (provoz). Nyní už můžeme zapnout měnič zeleným tlačítkem na vlastním ovládacím panelu (BOP). Po nastavení příslušných parametrů v měniči pro chod motoru, stiskneme tlačítko SW 3 − HL2 (start) a pokud nemáme „potenciometr“ pro nastavení velikosti kmitočtů na nule, rozběhne se nám motor. Ten lze vypnout stiskem tlačítka SW 2 − HL3 (stop), nebo bezpečnostním vypínačem SW 3 − HL2, či úplným odpojením měniče kmitočtů pomocí hlavního vypínače SW − HL. V rozvaděči je použit proudový chránič Q1 a bezpečnostní relé KA1. Rozkreslený rozvaděč je uveden v příloze.
Měřicí úloha s alternátorem B 4 Řešení měřicí úlohy s alternátorem
33
Závěr V ročníkovém projektu jsme se seznámili se všemi třemi hlavními prvky úlohy a vysvětlili jsme si jejich principy. V praktické části jsme si vyzkoušeli řízení motoru měničem kmitočtů, u kterého jsme nastavili parametry na základě dokumentace k tomuto typu měniče. Dále jsme si rozkreslili rozvaděč, který napájí motor. Ve schématu jsou použity obecné značky (např. stykače, chrániče, relé, atd.), až na blok měniče a tlumivku, kterou nám zaslali z firmy Siemens. Z katalogových listů je zřejmé, že ze zadaných prvků se může sestavit funkční učební pomůcka, výstupní výkon měniče je dostatečný pro pohon našeho motoru. Pomocí této učební pomůcky lze zkoumat vlastnosti alternátoru a zároveň si vyzkoušet vektorové řízení v praxi, které je v této době považováno za nejdokonalejší řízení.
Měřicí úloha s alternátorem B Závěr
34
Použitá Literatura [1] Alternátory. [online], 2010 [cit. 2010-01-07]. URL: http://vyuka.fel.zcu.cz/kae/ NSA/Texty/Alternatory.pdf [2] Polovodičové usměrňovače. [online], 2010 [cit. 2010-04-15]. URL: http://fei1.vsb.cz/ kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Usm%201%20n_bc%20FS.pdf [3] BOSCH: [online], 2010 [cit. 2010-02-07]. URL: http://www.bosch.cz/press/img/db/ obrazky/vobr159.jpeg [4] Iskra-AGV: [online], 2010 [cit. 2010-05-15]. URL: http://www.iskra-agv.cz/us/pdf/ alternators_aak_c.pdf [5] Kadaník, P.: Elektrický pohon s asynchronním motorem. [online], 2010 [cit. 201005-07]. URL: http://pohony.kadanik.cz/PDFs/disertace/kap_04_asynchronni_ motor_disertace_kadanik.pdf [6] Konečná, E.; Richter, A.: Elektrické stroje. [online], Září 2000. URL: http://www.mti. tul.cz/files/evc/El_Str2_h.pdf [7] Schmid, D.; aj.: Řízení a regulace pro strojírenctví a mechatroniku. Praha : EuropaSobotáles cz. s. r. o., 2005, ISBN 80-86706-10-9, 420 s. [8] Siemens: Katalog K02. [online], 2010 [cit. 2010-03-22]. URL: http://www1.siemens. cz/ad/current/index.php?ctxnh=1d95c74197&ctxp=doc_katalogy [9] Siemens: Katalog DA 51.2. [online], 2010 [cit. 2010-04-26]. URL: http://www1. siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=9a3ead7acd&ctxp=doc_katalogy [10] Tkotz, K.; aj.: Příručka pro elektrotechnika. Praha : Europa-Sobotáles cz. s. r. o., 2006, ISBN 80-86706-13-3, 624 s. [11] Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha : T. Malina, 2003, ISBN 808629302-5, 316 s. 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. Měřicí úloha s alternátorem B Použitá Literatura
35
Příloha
Obrázek 20: Elektrické schéma rozvaděče
Měřicí úloha s alternátorem B Příloha
37
