Základy elektrických pohonů, oteplování,ochlazování motorů

Transkript

1 Základy elektrických ohonů, otelování,ochlazování motorů Určeno ro studenty kombinované formy FS, ředmětu Elektrotechnika II an Dudek únor 2007 Elektrický ohon Definice (dle ČSN ): Elektrický ohon (EP) je zařízení ro elektromechanickou řeměnu energie (včetně řízení této řeměny), které slouží k tomu, aby ředesaným zůsobem uvedlo oháněný racovní mechanismus nebo zracovávanou látku do ožadovaného ohybového stavu. 1

2 Elektrické ohony Výhody elektrického ohonu oroti neelektrickému: rychlá (téměř okamžitá) ohotovost nasazení jednoduchost ovládání a dobrá řiditelnost mechanických veličin (moment, rychlost, oloha) snadná reverzovatelnost, možnost krátkodobého řetížení dobrá účinnost, malá hmotnost, malá náročnost na údržbu a snadná vyměnitelnost. možnost oužití i do složitých a nebezečných rostředí Hlavními nevýhodami elektrického ohonu jsou: závislost na řívodu el. energie (výjimkou jsou ohony s naájením z akumulátorů) vysoké jmenovité otáčky (vyžaduje oužití mechanických řevodů). Elektrické ohony Druhy elektrických ohonů Podle druhu ohybu Podle druhu oužitého elektromotoru Podle druhu řízení točivý ohon ovládaný ohon netočivý ohon (nař. lineární) regulovaný ohon (regulátor se zětnou vazbou) stejnosměrný ohon (se stejnosměrným motorem, DC-drive) střídavý ohon ( s hnacím střídavým elektromotorem, AC-drive) ohon s krokovým motorem (uvedení názvu druhu elektromotoru) 2

3 Základní rovozní ojmy elektrických ohonů Souštění ohonu.: činnost otřebná ro rozběh ohonu Rozběh ohonu.: řechod EP z klidu na stanovenou rychlost. záběr - začátek rozběhu ohonu 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 ohonu : řechod ohonu z racovní rychlosti do klidu Doběh ohonu : zastavení ohonu bez brždění motorem Brždění ohonu : - činnost otřebná ro zastavení ohonu, (elektrickémotorem, mechanické - brzdou) Pracovní stavy ohonu Pohánění ( tok mechanické energie je od motoru k racovnímu mechanismu) motor racuje v motorickém režimu Brždění ( tok mechanické energie je od racovnímu mechanismu k motoru), motor racuje buď v brzdném nebo v generátorickém režimu 3

4 Pohybová rovnice Pohybová rovnice ro konstantní moment setrvačnosti celk : P = D moment motoru P moment rac. mechanismu D - dynamický moment, rojevuje se ři urychlování nebo zomalování soustavy D = celk * ε D dynamický (též akcelerační) moment celk celkový moment setrvačnosti (součet všech momentů setrvačnosti, jedná se o setrvačné rotující hmoty), kdysi nazývaný GD 2 ε - úhlové zrychlení jedná se o změnu úhlové rychlosti δωδ t omentová rovnováha omentová rovnováha u elektrického ohonu nastane tehdy okud moment oháněcího motoru je shodný s momentem oháněného mechanizmu, to znamená, že ohon běží ustálenou, tj. konstantní rychlostí. Platí tedy: = P ; D = 0, ε = 0 e-li dynamický moment nulový, je rychlost konstantní. V řechodových dějích tj. nař. ři rozběhu, brzdění není dynamický moment nulový. e-li dynamický moment kladný, dochází k akceleraci, ři oačném tj. záorném D dochází k deceleraci. Platí tedy: P ; D 0, ε 0 Při D > 0 je ε > 0 roto Ω(t) roste Při D < 0 je ε < 0 roto Ω(t) klesá 4

5 Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Výtahová charakteristika zdvihací mechanismy, těžní stroje, výtahy Při změně smyslu otáčení se mění smysl výkonu možný řechod do generátorického režimu (IV. Kvadrant) Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Hoblovková charakteristika - šouátka, ventily, ojezdy bagrů, ohony mlýnů, hoblovek Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu tzv. reakční zatížení (III. Kvadrant) 5

6 Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Kalandrová charakteristika - kalandr, aírenský stroj, textilní stroj Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant) Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Ventilátorová charakteristika - ventilátory, čeradla, lodní šrouby Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant) 6

7 Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Navíječková charakteristika navíječky ásů, lechů s konstantním tahem v ásu a navíjecí rychlostí Hyerbolický růběh zatěžovacího momentu, konstantní výkon Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Zatížení závislé na úhlovém natočení komresor (vlevo) a lis (vravo) 7

8 Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Podle časového růběhu zatížení rozlišujeme 3 tyy: časově roměnné zatížení (mlýn, důlní kombajn) eriodické zatížení (výtahy, lisy) neravidelné zatížení (trakce, ruční nářadí) Základní momentové charakteristiky racovních mechanismů Vlevo růběh eriodického zatížení, vravo růběh neravidelného zatížení 8

9 Převodové mechanismy Požaduje-li P jiné trvale otáčky než motor, vkládá se mezi motor a P řevod. Rozsahy otáček motorů bývají min-1 Pro analýzu nutno rovést řeočet statických a dynamických momentů na hřídel motoru Převodové mechanismy 9

10 Přeočet kroutících momentů a momentů setrvačnosti ideální řevodovka Převodový oměr: Přeočet momentu rac. mechanismu na hřídel motoru: Přeočet momentu setrvačnosti rac. mechanismu na hřídel motoru: nmot i = nm m = i m = i m m 2 Přeočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele rac. mechanismu m m = = m m i i 2 Přeočet krouticích momentů a momentů setrvačnosti reálná řevodovka Tok energie z motoru do rac. mechanismu (I.,III. kvadrant) Převodový oměr: Přeočet momentu rac. mechanismu na hřídel motoru: Přeočet momentu setrvačnosti rac. mechanismu na hřídel motoru: n i = n m m mot m m = i η m = i η 2 Přeočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele rac. mechanismu m m = i m m = i 2 η η 10

11 Přeočet krouticích momentů a momentů setrvačnosti reálná řevodovka Tok energie z rac. mechanismu do motoru (brzdný generátorický režim), II,IV. kvadrant Převodový oměr: n Přeočet momentu rac. mechanismu na hřídel motoru: Přeočet momentu setrvačnosti rac. mechanismu na hřídel motoru: i = m m n = i = i mot m m 2 m η η Přeočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele rac. mechanismu m m m i = η m i = η 2 Stabilita neregulovaného elektrického ohonu Stabilitou elektrického ohonu rozumíme schonost ohonu vrátit se do výchozího racovního bodu v říadě, že dojde ke krátkodobé změně zatížení res. momentu motoru matematicky toto lze interretovat jako: P Ω Ω OT n P n OT 11

12 n,(ω) d = OT P n P (Ω P ) Při řechodu k větší Ω je Δ d < 0, to vede ři P > ke snížení rychlosti. P = f(ω) = k P stab. n P (Ω P ) Při řechodu k menším Ω a ři P < se rychlost zvýší. P nestab. 0 ech. charakteristika A + výtah n,(ω) Dynamický moment je malý ři záběru, narůstá až do momentu zvratu ak do rac. bodu klesá n P (Ω P ). d P = f(ω)= k = OT P d P n P (Ω P) 0 z 12

13 ech. charakteristika A + ventilátor n,(ω) Dynamický moment je do momentu zvratu rakticky konstantní. U ventilátorové charakteristiky bylo uvažováno i tření. n P (Ω P ) d =. OT P = f(ω) = k. Ω 2 P d P n P (Ω P) 0 z Ω Ω N ednoduchý zatěžovací diagram jednoho racovního cyklu - hoblovka t a m + ideální řevodovka = P + a t z ě t = P = P - a t = P + a = P - a P OT = P ROZEZD A URYCHOVÁNÍ PRÁCE USTÁLENOU RYCHLOSTÍ BRZDĚNÍ KLID ROZEZD A ZPOALOVÁNÍ A URYCHOVÁNÍ PRÁCE USTÁLENOU RYCHLOSTÍ BRZDĚNÍ A ZPOALOVÁNÍ t 13

14 Ω Ω N ednoduchý zatěžovací diagram jednoho racovního cyklu - výtah t a m + reálná řevodovka = ( P + a ). 1 η t z ě t = ( P + a ). η = P.1 η = P. η = ( P - a ).1η t P OT = ( P - a ). η ROZEZD A URYCHOVÁNÍ ÍZDA USTÁLENOU RYCHLOSTÍ BRZDĚNÍ KLID ROZEZD A ZPOALOVÁNÍ A URYCHOVÁNÍ ÍZDA USTÁLENOU RYCHLOSTÍ BRZDĚNÍ A ZPOALOVÁNÍ t Energetika ohonu, otelování ohonu Přeměna forem energie v elektrickém stroji je dorovázena ztrátami ΔP, které se dají vyjádřit účinností stroje η. 14

15 Otelování a ochlazování motoru Převážnou část závislých ztrát tvoří ouleovy ztráty ( I 2 ), z nichž vzniklé telo oteluje vinutí a konstrukční části stroje - C δθ (C... teelná kaacita [.K-1], - množství tela otřebné k jeho ohřátí o 1 K). je odváděno vně stroje A Δθ *dt (v závislosti na zůsobu rovedení odvodu tela vyjádřené konstantou A [W.K-1] a rozdílem telot mezi strojem a chladivem (okolím) - Δθ =θ θ amb dq=δp dt =C d(δθ)+a Δθ dt kde dq... vyvinuté telo v motoru za jednotku času dt (ztracená energie) Otelování a ochlazování motoru V říadě řiojení stroje k naájecí síti ( ΔP > 0) dojde k následnému otelení stroje, V říadě odojení stroje od naájecí sítě ( ΔP = 0) dojde k následnému ochlazování stroje,... ochlazovací křivka motoru kde T2 - ochlazovací čas. konstanta stroje T2 = CA2, konst. A2 zohledňuje chladící oměry stojícího motoru. (u motoru s vlastním chlazením je T2 4. T1) Δθ0 - očáteční hodnota otelení (t=0) 15

16 Otelování a ochlazování motoru Druhy zatížení S1-S10 V mnoha alikacích u nn motorů je druh rovozu odlišný od trvalého zatížení (zátěžný moment (výkon) se mění včetně častých nestacionárních stavů (rozběhy, brzdění, reverzace aod.). Při jeho rovozování ak dochází rovněž ke změnám ztrát v motoru a tím i jeho otelení. Počet jeho možných druhů rovozu je skoro neomezený. Proto bylo z důvodu zlešení komunikace mezi uživatelem (rojektantem) a výrobcem řistoueno ke klasifikaci určitých druhů rovozu (zatížení). V souladu s mezinárodní klasifikací jsou dle ČSN EN definovány jednotlivé druhy zatížení, označené S1 S10. Druh zatížení S1 - trvalé zatížení Provoz ři konstantním zatížení, který je dostatečně dlouhý ro dosažení ustálené teloty θmax (tz 3 T1), Označení S1 (...) - nemusí být vždy uvedeno. Druhy zatížení S2- S10 U těchto druhů zatížení neracuje motor trvale ři konstantním zatížení. otor je zatěžován v časových úsecích (doby rozběhu, zatížení, brždění, narázdno, klidu) roměnlivým zatížením, což je dorovázeno kolísáním jeho teloty od dovolenou maximální hodnotou. 16

17 Druhy zatížení S1 Trvalé zatížení - druh zatížení S1 Provoz ři konstantním zatížením který je dostatečně dlouhý ro dosažení ustálené teloty Označení : S1 (cont) - nemusí být vždy uvedeno Druhy zatížení S2 t P ± 2 K Krátkodobý chod - druh zatížení S2 Provoz ři konstantním zatížení o stanovenou dobu, Δ t P, která je kratší, než doba nutná ro dosažení ustálené teloty. Následuje doba klidu Δt R a odojení dostatečně dlouhá, aby telota stroje oět dosáhla hodnoty okolí (chladiva) s tolerancí +- 2 K Označení : S2 Δt P Příklad : S2 60 min (min.) 17

18 Druhy zatížení S3 Přerušovaný chod - druh zatížení S3 Sled stejných racovních cyklů z nichž každý zahrnuje dobu rovozu ΔtP ři konstantním zatížení a dobu klidu a odojení ΔtR. Po dobu zatížení se nedosáhne ustáleného otelení. Rozběhový roud odstatně neovlivňuje otelení. normované hodnoty zatěžovatelů ro dobu cyklu T C = 10 minut 15 %, 25 %; 40 %; 60 % ΔtP Označení : S3 z [ % ], kde z [ % ] 100 = ΔtP = 100 Δt + Δt T P R C Ostatní druhy zatížení Přerušovaný chod s rozběhem - druh zatížení S4 Přerušovaný chod s elektrickým brzděním - druh zatížení S5 Přerušované zatížení - druh zatížení S6 Přerušované ravidelné zatížení s elektrickým brzděním - druh zatížení S7 Přerušovanéravidelnézatíženíse změnami otáček sojenými se změnami zatížení - druh zatížení S8 Neravidelné zatížení a změny otáček - druh zatížení S9 Zatížení s nesojitými konstantními zatíženími druh zatížení S10 18

19 Základy dimenzování ohonů Při navrhování elektrických ohonů se vybírá vhodný motor ro rovoz ro konkrétní zatížení. aximální moment motoru musí být vyšší než maximální uvažovaný moment v konkrétní alikaci, motor však musí vyhovovat i teelně, tj. otelení motoru musí být nižší než maximální říustné otelení motoru. V raxi se tedy setkáváme s dvěma stavy: otor, který má často nestacionární stavy (rozběh, brzdění, reverzace) je z důvodu vysokých ztrát a otelení vyššího jmenovitého výkonu než by se očekávalo orientačním návrhem (vyšší ztráty, nutno odchladit) otor, který nemá časté nestacionární stavy a je určen ro řerušovaný nebo krátkodobý chod je nižšího jmenovitého výkonu než by se očekávalo orientačním návrhem (motor se stihne ochladit) 19