Základy elektrických pohonů, oteplování,ochlazování motorů
Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II
Jan Dudek
únor 2007
Elektrický pohon Definice (dle ČSN 34 5170): Elektrický pohon (EP) je zařízení pro elektromechanickou přeměnu energie (včetně řízení této přeměny), které slouží k tomu, aby předepsaným způsobem uvedlo poháněný pracovní mechanismus nebo zpracovávanou látku do požadovaného pohybového stavu.
1
Elektrické pohony Výhody elektrického pohonu oproti neelektrickému: • • • • • •
rychlá (téměř okamžitá) pohotovost nasazení jednoduchost ovládání a dobrá řiditelnost mechanických veličin (moment, rychlost, poloha) snadná reverzovatelnost, možnost krátkodobého přetížení dobrá účinnost, malá hmotnost, malá náročnost na údržbu a snadná vyměnitelnost. možnost použití i do složitých a nebezpečných prostředí
Hlavními nevýhodami elektrického pohonu jsou: • •
závislost na přívodu el. energie (výjimkou jsou pohony s napájením z akumulátorů) vysoké jmenovité otáčky (vyžaduje použití mechanických převodů).
Elektrické pohony Druhy elektrických pohonů Podle druhu pohybu
točivý pohon
Podle druhu použitého elektromotoru
ovládaný pohon
netočivý pohon
regulovaný pohon (regulátor se zpětnou vazbou)
(např. lineární)
stejnosměrný pohon (se stejnosměrným motorem, DC-drive)
Podle druhu řízení
střídavý pohon ( s hnacím střídavým elektromotorem, AC-drive)
pohon s krokovým motorem (uvedení názvu druhu elektromotoru)
2
Základní provozní pojmy elektrických pohonů Spouštění pohonu.: činnost potřebná pro rozběh pohonu Rozběh pohonu.: přechod EP z klidu na stanovenou rychlost. • záběr - začátek rozběhu pohonu • doba rozběhu (z klidu na stanovenou rychlost) • míra rozběhu - kvantifikuje obtížnost rozběhu a lze jej definovat vztahem dle velikosti míry rozběhu m: - lehký rozběh m ≤ 0,75 normální rozběh 0,75 < m ≤ 1,5 těžký rozběh m > 1,5
Zastavení pohonu : přechod pohonu z pracovní rychlosti do klidu • •
Doběh pohonu : zastavení pohonu bez brždění motorem Brždění pohonu : - činnost potřebná pro zastavení pohonu, (elektrickémotorem, mechanické - brzdou)
Pracovní stavy pohonu Pohánění ( tok mechanické energie je od motoru k pracovnímu mechanismu) motor pracuje v motorickém režimu Brždění ( tok mechanické energie je od pracovnímu mechanismu k motoru), motor pracuje buď v brzdném nebo v generátorickém režimu
3
Pohybová rovnice Pohybová rovnice pro konstantní moment setrvačnosti Jcelk: MMOT – MPM = MD MMOT – moment motoru MPM – moment prac. mechanismu MD - dynamický moment, projevuje se při urychlování nebo zpomalování soustavy MD = Jcelk * ε MD – dynamický (též akcelerační) moment Jcelk – celkový moment setrvačnosti (součet všech momentů setrvačnosti, jedná se o setrvačné rotující hmoty), kdysi nazývaný GD2
ε - úhlové zrychlení – jedná se o změnu úhlové rychlosti δΩ/δ t
Momentová rovnováha •
Momentová rovnováha u elektrického pohonu nastane tehdy pokud moment poháněcího motoru je shodný s momentem poháněného mechanizmu, to znamená, že pohon běží ustálenou, tj. konstantní rychlostí. Platí tedy: MMOT = MPM ; MD = 0, ε = 0 Je-li dynamický moment nulový, je rychlost konstantní.
•
V přechodových dějích tj. např. při rozběhu, brzdění není dynamický moment nulový. Je-li dynamický moment kladný, dochází k akceleraci, při opačném tj. záporném MD dochází k deceleraci. Platí tedy: MMOT ≠ MPM ; MD ≠ 0, ε ≠ 0 Při MD > 0 je ε > 0 proto Ω(t) roste Při MD < 0 je ε < 0 proto Ω(t) klesá
4
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Výtahová charakteristika – zdvihací mechanismy, těžní stroje, výtahy Při změně smyslu otáčení se mění smysl výkonu – možný přechod do generátorického režimu (IV. Kvadrant)
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Hoblovková charakteristika - šoupátka, ventily, pojezdy bagrů, pohony mlýnů, hoblovek Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu – tzv. reakční zatížení (III. Kvadrant)
5
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Kalandrová charakteristika - kalandr, papírenský stroj, textilní stroj Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant)
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Ventilátorová charakteristika - ventilátory, čerpadla, lodní šrouby Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant)
6
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Navíječková charakteristika – navíječky pásů, plechů s konstantním tahem v pásu a navíjecí rychlostí Hyperbolický průběh zatěžovacího momentu, konstantní výkon
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Zatížení závislé na úhlovém natočení kompresor (vlevo) a lis (vpravo)
7
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Podle časového průběhu zatížení rozlišujeme 3 typy: • časově proměnné zatížení (mlýn, důlní kombajn) • periodické zatížení (výtahy, lisy) • nepravidelné zatížení (trakce, ruční nářadí)
Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů Vlevo průběh periodického zatížení, vpravo průběh nepravidelného zatížení
8
Převodové mechanismy Požaduje-li PM jiné trvale otáčky než motor, vkládá se mezi motor a PM převod. Rozsahy otáček motorů bývají 750-3000 min-1
Pro analýzu nutno provést přepočet statických a dynamických momentů na hřídel motoru
Převodové mechanismy
9
Přepočet kroutících momentů a momentů setrvačnosti – ideální převodovka Převodový poměr: Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru: Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:
Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu
nmot npm M / M pm = pm ip
ip =
/ J pm =
J pm ip2
M m/ = M m ⋅ ip J m/ = J pm ⋅ ip2
Přepočet krouticích momentů a momentů setrvačnosti – reálná převodovka Tok energie z motoru do prac. mechanismu (I.,III. kvadrant)
nmot npm
Převodový poměr:
ip =
Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru: Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:
/ M pm =
Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu
/ J pm =
M pm ip ⋅η p
J pm ip2 ⋅η p
M m/ = M m ⋅ ip ⋅η p
J m/ = J pm ⋅ ip2 ⋅η p
10
Přepočet krouticích momentů a momentů setrvačnosti – reálná převodovka Tok energie z prac. mechanismu do motoru (brzdný/ generátorický režim), II,IV. kvadrant Převodový poměr:
ip =
Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru: Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:
Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu
nmot npm
/ M pm =
/ J pm =
M m/ =
J = / m
M pm ip
⋅η p
J pm ⋅η p ip2 M m ⋅ ip
ηp
J pm ⋅ ip2
ηp
Stabilita neregulovaného elektrického pohonu • Stabilitou elektrického pohonu rozumíme schopnost pohonu vrátit se do výchozího pracovního bodu v případě, že dojde ke krátkodobé změně zatížení resp. momentu motoru • matematicky toto lze interpretovat jako:
⎛ ∂M PM ⎜ ⎝ ∂Ω
⎞ ⎛ ∂M MOT ⎞ ⎟ ⎟≥⎜ ⎠ ⎝ ∂Ω ⎠
⎧⎛ ∂M PM ⎞ ⎛ ∂M MOT ⎞⎫ ⎟⎬ ⎟≥⎜ ⎨⎜ ∂ ∂ n n ⎠ ⎝ ⎠⎭ ⎩⎝
11
n,(Ω)
MPM = f(Ω) = k
nP (ΩP)
Při přechodu k větší Ω je ΔMd < 0, to vede při MPM > MMOT ke snížení rychlosti.
M d = M MOT − M PM
Pstab. MMOT
Při přechodu k menším Ω a při
MPM < MMOT se rychlost zvýší.
nP (ΩP)
Pnestab. M
0
Mech. charakteristika AM + výtah n,(Ω)
Dynamický moment je malý při záběru, narůstá až do momentu zvratu pak do prac. bodu klesá
MPM = f(Ω) = k
nP (ΩP)
M d = M MOT − M PM MMOT .
MPM
Md
nP (ΩP) 0
Mz
M
12
Mech. charakteristika AM + ventilátor n,(Ω)
MPM = f(Ω) = k.Ω 2
nP (ΩP)
Dynamický moment je do momentu zvratu prakticky konstantní. U ventilátorové charakteristiky bylo uvažováno i tření.
M d = M MOT − M PM MMOT .
MPM
Md
nP (ΩP) 0
Mz
M
Jednoduchý zatěžovací diagram jednoho pracovního cyklu - hoblovka Ω ΩN
MMOT
t a m
+ ideální převodovka t
MMOT = MPM+Ma z p ě t
MMOT = MPM MMOT = MPM-Ma
t MMOT = MPM+Ma
PMOT
ROZJEZD A URYCHOVÁNÍ
PRÁCE USTÁLENOU RYCHLOSTÍ
KLID BRZDĚNÍ ROZJEZD A ZPOMALOVÁNÍ A URYCHOVÁNÍ
MMOT = MPM-Ma MMOT = MPM
t PRÁCE USTÁLENOU RYCHLOSTÍ
BRZDĚNÍ A ZPOMALOVÁNÍ
13
Jednoduchý zatěžovací diagram jednoho pracovního cyklu - výtah Ω ΩN
MMOT
t a m
+ reálná převodovka t
MMOT = (MPM+Ma).1/ηp z p ě t
MMOT = MPM.1/ηp
MMOT = (MPM+Ma). ηp
MMOT = MPM.ηp
MMOT = (MPM-Ma).1/ηp t
PMOT
MMOT = (MPM-Ma). ηp
ROZJEZD A URYCHOVÁNÍ
JÍZDA USTÁLENOU RYCHLOSTÍ
KLID BRZDĚNÍ ROZJEZD A ZPOMALOVÁNÍ A URYCHOVÁNÍ
t JÍZDA USTÁLENOU RYCHLOSTÍ
BRZDĚNÍ A ZPOMALOVÁNÍ
Energetika pohonu, oteplování pohonu Přeměna forem energie v elektrickém stroji je doprovázena ztrátami ΔP, které se dají vyjádřit účinností stroje η.
14
Oteplování a ochlazování motoru Převážnou část závislých ztrát tvoří Jouleovy ztráty (≈I2), z nichž vzniklé teplo • otepluje vinutí a konstrukční části stroje - C⋅δθ (C ... tepelná kapacita [J.K-1], - množství tepla potřebné k jeho ohřátí o 1 K). • je odváděno vně stroje A⋅Δθ *dt (v závislosti na způsobu provedení odvodu tepla vyjádřené konstantou A [W.K-1] a rozdílem teplot mezi strojem a chladivem (okolím) Δθ ′ =θ−θamb dQ=ΔP⋅dt =C⋅d(Δθ)+A⋅Δθ⋅dt kde dQ .... vyvinuté teplo v motoru za jednotku času dt (ztracená energie)
Oteplování a ochlazování motoru V případě připojení stroje k napájecí síti ( ΔP > 0) dojde k následnému oteplení stroje,
V případě odpojení stroje od napájecí sítě ( ΔP = 0) dojde k následnému ochlazování stroje, ..... 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) Δθ0 - počáteční hodnota oteplení (t=0)
15
Oteplování a ochlazování motoru
Druhy zatížení S1-S10 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. Druh zatížení S1 - trvalé zatížení Provoz při konstantním zatížení, který je dostatečně dlouhý pro dosažení ustálené teploty θmax (tz ≥ 3 T1), Označení S1 (....) - nemusí být vždy uvedeno. Druhy zatížení S2-÷ S10 U těchto druhů zatížení nepracuje motor trvale při konstantním zatížení. Motor je zatěžován v časových úsecích (doby rozběhu, zatížení, brždění, naprázdno, klidu) proměnlivým zatížením, což je doprovázeno kolísáním jeho teploty pod dovolenou maximální hodnotou.
16
Druhy zatížení – S1 Trvalé zatížení - druh zatížení S1 Provoz při konstantním zatížením který je dostatečně dlouhý pro dosažení ustálené teploty
Označení : S1 (cont) nemusí být vždy uvedeno
Druhy zatížení – S2
tP ± 2 K
Krátkodobý chod - druh zatížení S2 Provoz při konstantním zatížení po stanovenou dobu, Δ tP, která je kratší, než doba nutná pro dosažení ustálené teploty. Následuje doba klidu ΔtR a odpojení dostatečně dlouhá, aby teplota stroje opět dosáhla hodnoty okolí (chladiva) s tolerancí +/- 2 K Označení : S2 ΔtP (min.) Příklad : S2 60 min
17
Druhy zatížení – S3 Přerušovaný chod - druh zatížení S3 Sled stejných pracovních cyklů z nichž každý zahrnuje dobu provozu ΔtP při konstantním zatížení a dobu klidu a odpojení ΔtR . Po dobu zatížení se nedosáhne ustáleného oteplení. Rozběhový proud podstatně neovlivňuje oteplení. normované hodnoty zatěžovatelů pro dobu cyklu TC = 10 minut 15 % , 25 %; 40 %; 60 %
Označení : S3
Δt
Δt
P P z [ % ] , kde z [ % ] = Δt + Δt ⋅ 100 = T ⋅ 100 P R C
Ostatní druhy zatížení 9
Přerušovaný chod s rozběhem - druh zatížení
S4
Přerušovaný chod s elektrickým brzděním - druh zatížení
9
9 9
Přerušované zatížení - druh zatížení
S5
S6
Přerušované pravidelné zatížení s elektrickým brzděním - druh zatížení 9
S7
Přerušované pravidelné zatížení se změnami otáček spojenými se změnami zatížení - druh zatížení S8
9
Nepravidelné zatížení a změny otáček - druh zatížení 9
S9
Zatížení s nespojitými konstantními zatíženími – druh zatížení
S10
18
Základy dimenzování pohonů Při navrhování elektrických pohonů se vybírá vhodný motor pro provoz pro konkrétní zatížení. Maximální moment motoru musí být vyšší než maximální uvažovaný moment v konkrétní aplikaci, motor však musí vyhovovat i tepelně, tj. oteplení motoru musí být nižší než maximální přípustné oteplení motoru. V praxi se tedy setkáváme s dvěma stavy: Motor, který má často nestacionární stavy (rozběh, brzdění, reverzace) je z důvodu vysokých ztrát a oteplení vyššího jmenovitého výkonu než by se očekávalo orientačním návrhem (vyšší ztráty, nutno odchladit) Motor, který nemá časté nestacionární stavy a je určen pro přerušovaný nebo krátkodobý chod je nižšího jmenovitého výkonu než by se očekávalo orientačním návrhem (motor se stihne ochladit)
19
