U f. f f 1 DIMENZOVÁNÍ ASYNCHRONNÍHO MOTORU PRO NAPÁJENÍ. U f M MAX Z FREKVEN NÍHO M NI E. 1.1 Úvod. Pro asynchronní motor platí:

Transkript

1 1 DEZOVÁÍ ASYCHROÍHO OTORU PRO APÁJEÍ Z FREKVEÍHO E 11 Úvod Pro asychroí motor platí: AX U f U f Z uvedeých výraz vyplývá, že frekveí mi ídíme tak, aby pomr výstupího aptí ke kmitotu byl kostatí To je však techicky možé pouze do tzv bodu odbuzeí, kdy je dosažeo jmeovité výstupí aptí rové aptí sít Pi dalším zvyšováí kmitotu již zstává výstupí aptí kostatí Proto dochází k odbuzováí motoru Bod odbuzeí lze u vtšiy frekveích mi podle poteby mit Tato fukce se však píliš evyužívá, protože vyžaduje speciel avržeý motor se jmeovitým pracovím bodem ap 400 V / 56 Hz Za bodem odbuzeí platí: f 1 f f AX f 1 f f Obr 1 ometové kivky asychroího motoru pi apájeí z frekveího mie Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 1

2 Pro ázorost porovejme prbhy charakteristických velii frekveího mie a motoru Výstupí proud frekveího mie je omeze pouze jmeovitou hodotou proudu použité polovodiové souástky V Obr je zázora pouze jeho maximálí dovoleá trvalá hodota Jeho skuteá velikost závisí a velikosti odebíraého výkou a výstupího aptí pi daém kmitotu Obr Prbhy charakteristických velii frekveího mie Obr 3 Prbhy charakteristických velii asychroího motoru Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii

3 1 Zatížitelost motoru pi promých otákách Pi ávrhu regulovaého pohou se musí vždy respektovat tepelá kapacita motoru Stadardí asychroí motor má vlastí chlazeí pomocí vetilátoru umístého a hídeli motoru S klesajícími otákami klesá pímo úmr možství chladicího vzduchu, motor se mé (h) chladí a v dsledku toho se v celém regulaím rozsahu 0 f mí jeho mometová zatížitelost aopak motor s cizím chlazeím pomocí exterího vetilátoru lze zatžovat v celém regulaím rozsahu 0 f kostatím mometem ad bodem odbuzeí eí již zatížitelost motoru omezea chlazeím motoru, ale poklesem mometu v dsledku odbuzováí Typický prbh zatžovacího diagramu viz Obr 4 Je teba si uvdomit, že pi odbuzováí klesá momet zvratu s druhou mociou (1/f), kdežto jmeovitý momet s prví (1/f) Logicky proto pi pekroeí mezí frekvece musí dojít k vtší redukci zatížeí, tak aby byl zachovaý dostateý odstup mezi jmeovitým mometem a mometem zvratu Obvykle se požaduje odstup 40 % pro stacioárí stavy a 0 % dyamické Obr 4 Zatžovací diagram asychroího motoru pi apájeí z frekveího mie 11 Posuutí bodu odbuzeí Výjimku tvoí asychroí motory které mají pi stadardím síovém provozu viutí spojeé do hvzdy (Y) Pepojeím viutí do trojúhelíka, pi zachovaém aptí sít, se zvtší fázové aptí o odmociu ze tí Pi zachováí požadavku a kostatí magetický tok, je dsledkem zvtšeí Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 3

4 oblasti chodu s kostatím magetickým tokem stejým zpsobem, tj do Hz Pestože s rstem frekvece dojde ke zvtšeí ztrát v železe, jehož dsledkem je dílí redukce výkou, ií zvýšeí výkou pi 87 Hz proti výkou pi 50 Hz ca 60 % Zkušeosti ukazují, že pi chodu s frekvecí ad 50 Hz emá a tepelou kapacitu motoru výzamý vliv, zda má motor vlastí ebo cizí vetilaci Pozameejme, že teto zpsob pepojeí viutí elze v praxi píliš asto využít, protože aprostá vtšia motor má pro síový provoz viutí spojeé do trojúhelíka vzhledem k požadavku a možost omezeí zábrého proudu pi rozbhu pepíáím viutí hvzda - trojúhelík 13 Proud asychroího motoru Proud asychroího motoru má dv složky iou ( 1Q )a jalovou ( 1D ) Jalová složka vytváí magetický tok, iá toivý momet Platí: 1 1D 1Q 131 Oblast s kostatím magetickým tokem ( 0 f ) Pro výpoet jedotlivých složek statorového proudu lze používat ásledující pibližé výrazy: AX si cos 1 1D AX 1Q cos Ve vtši pípad eí teba používat takto složité výrazy Pro oblast zatížeí defiovaou hraicemi: 0,8 0,7 AX lze s velmi dobrou shodou použít výraz: 1 Poz: Teto výraz lze použít i pro pepoet proudu motor apájeých pímo ze sít v závislosti a zatížeí Z omezujících podmíek je souas zejmé, v jakém rozmezí zatížeí lze teto pepoet použít Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 4

5 13 Oblast ad bodem odbuzeí (f - f AX ) Pro výpoet jedotlivých složek statorového proudu platí ásledující pibližé výrazy: 1 cos 1 cos si AX AX D Q P P cos cos 1 Ve vtši pípad eí teba používat takto složité výrazy Pro oblast zatížeí defiovaou hraicemi: AX 0,7 0,8 ebo AX P P P 0,7,8 0 lze s velmi dobrou shodou použít výraz: P P 1 Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 5

6 14 Postup pi výbru asychroího motoru pro regulovaý poho Výchozí údaje: - aptí apájecí sít - prbh protimometu resp výkou požadovaého a hídeli motoru v závislosti a otákách - regulaí rozsah AX, tím je defiovaý momet AX a výko P AX pi maximálích otákách AX Postup: 1 Volba potu pól motoru Pohoy s kvadratickým prbhem protomometu Pokud je bod AX výraz vzdáleý od sychroích otáek, je z hlediska dimezováí frekveího mie ekoomitjší, aby byl bod AX v oblasti za bodem odbuzeí otor odebírá meší proud, frekveí mi je meší Pohoy s kostatím prbhem protomometu Doporuuje se, aby pokud možo jmeovité otáky motoru pi 50 Hz ležely ve stedu regulaího rozsahu Ze zatžovacího diagramu se pro zvoleý poet pól odete dovoleá zatížitelost z pro AX 3 Provede se pepoet mometu resp výkou a jmeovité otáky pi 50 Hz P P z AX ebo z AX P Z typové ady se vybere motor o typovém výkou ejbližším vyšším 5 U zátží s kostatím prbhem protimometu se provede kotrola zábrého a urychlujícího mometu usí platit: ZÁB DY kde je 60 t AX DY Pípad se ešeím pohybové rovice zkotroluje dyamika pohou tj požadovaé zrychlováí a zpomalováí pohou 6 Provede se výpoet proudu motoru v horím mezím pracovím bod regulaího rozsahu AX, P AX Podle tohoto proudu se ásled zvolí frekveí mi V oblasti Hz použijeme výraz: 1 V oblasti ad bodem odbuzeí použijeme výraz: P 1 P R J Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 6

7 15 Zátž s kvadratickým prbhem protimometu ávrh regulovaého pohou odstedivého erpadla Zadáí: výko P AX = 150 kw pi AX = 000 ot/mi rozsah regulace ot/mi aptí 400 V Výpoet: 9550 P AX 716 AX AX Dimezováí motoru: Alterativ lze použít -pólový ebo 4-pólový motor pracující za bodem odbuzeí Do zatžovacího diagramu vyeseme prbh protimometu pro ob alterativy a odeteme zatžovatel z m -pólový motor 4-pólový motor z 095 z 0 75 Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 7

8 -pólový motor 4-pólový motor z 095 z 0 75 iimálí momet pi jmeovitých otákách motoru 716 AX 754 m z m 075 iimálí výko pi jmeovitých otákách motoru S P 37kW P 150kW 9550 Volba motoru 400 V, 50 Hz: 50 kw, 431 A, 975 ot/mi 160 kw, 305 A, 1480 ot/mi Velikosti: 315D 160 kw 315D 160 kw 315L B 00 kw 315L B 00 kw 355B 50 kw 355B 50 kw Jmeovitý momet zvoleého motoru: P m m 1480 Proud - pólového motoru pi AX : 716 AX A Proud 4- pólového motoru AX : P 150 AX A 1 1 P 160!!!! Volba frekveího mie 400 V: pro p = pro p = 4 F = 395 A 5 kw F = 300 A 170 kw variata s dvoupólovým motorem - dražší motor i F!!!! Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 8

9 Obr 5 Porováí pracovích oblastí regulovaého pohou s pólovým a 4pólovým motorem Zátž s kvadratickým prbhem protimometu Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 9

10 16 Zátž s kostatím prbhem protimometu ávrh regulovaého pohou plužrového erpadla Zadáí: výko P AX = 48 kw pi AX = 100 ot/mi rozsah regulace ot/mi potebý momet pro utržeí z klidového stavu 00 m Výpoet: 9550 P AX 38 AX AX Dimezováí motoru: Alterativ lze použít 4-pólový(1) ebo 6-pólový() motor pracující za bodem odbuzeí Do zatžovacího diagramu vyeseme prbh protimometu pro ob alterativy a odeteme zatžovatel z m 4-pólový motor 6-pólový motor z 08 z 0 84 Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 10

11 4-pólový motor 6-pólový motor z 08 z 0 84 iimálí momet pi jmeovitých otákách motoru 38 AX 478 m z m 084 iimálí výko pi jmeovitých otákách motoru S P 75kW P 48 kw 9550 Volba motoru 400 V, 50 Hz: 75 kw, 146 A, 1473 ot/mi 55 kw, 110 A, 984 ot/mi Velikosti: 80SG 75 kw 80SG 45 kw 80SG 90 kw 80G 55 kw Jmeovitý momet zvoleého motoru: P m m 984 Proud 4- pólového motoru pi maximálích otákách AX : 38 AX A Proud 6- pólového motoru pi maximálích otákách AX : P 48 AX A 1 P 55 1 Volba frekveího mie 400 V: pro p = 4 F = 147 A 85 kw pedchozí typ 11 A 63 kw pro p = 6 F = 11 A 6 kw pedchozí typ 89 A 49 kw Zkoumalo by se použití motoru p=4 s F 11 A - tj akolik je zúžeí regulaího rozsahu plyoucí z proudového omezeí 11 A místo potebých 115 A podstaté Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 11

12 17 apové rezoace a pípusté amáháí izolace viutí zolace viutí motoru je pi apájeí z frekveího mie podstat víc amáhaá ež pi apájeí siusovým aptím z klasické sít Charakter amáháí je ureý typem použitého frekveího mie Ve své podstat amáháí vede k zrychleí procesu stárutí izolace viutí a k zkráceí její doby životosti U staršího typu frekveích mi s proudovým meziobvodem je izolace amáhaá komutaími špikami - viz Obr 6 Velikost komutaího peptí závisí a kostrukci frekveího mie, obvyklá hodota se pohybuje okolo U Obr 6 Typický prbh aptí a výstupu frekveího mie s proudovým meziobvodem U frekveích mi s apovým meziobvodem izolaci viutí amáhá pedevším rychlé pepíáí apových puls pi spíáí jedotlivých pulz šíkové pulzí modulace (PW) a s tím spojeé apové rezoace Každá ábžá hraa pi seputí apového pulsu vyvolá v pívodím kabelu apovou vlu, která v dsledku apových rezoací vede k podstat vtším hodotám aptí a vstupích svorkách motoru VizObr 7, Obr 9 Souas se vzikem peptí dojde k elieárímu rozdleí aptí podél viutí a dsledkem toho k dalšímu zvýšeému amáháí izolace imo to svorkovice motoru musí pi tomto zvýšeém aptí, proti stadardímu stavu pi apájeí ze sít, splovat požadavky a peskokové aptí a a odolost proti vziku plíživých a plazivých proud Pípusté amáháí izolace viutí závisí a dob árstu t A ábžé hray apového pulsu Obr 8 ukazuje prbh pípustého maximálího aptí a svorkách motor se stadardí izolací dle EC Obec: Velikost maximálího aptí závisí a rychlosti árstu ábžé hray apového pulsu a délce motorového kabelu Velikost tohoto aptí lze omezit pomocí filtru umístého a výstupu frekveího mie tvoeého tlumivkou tzv du/dt filtru Velikost apových rezoací závisí samozejm a kostrukci frekveího mie Již pi relativ krátkých délkách motorového kabelu (0 m) mohou bez výstupího du/dt filtru vzikat epípust velká peptí, zatímco s výstupím filtrem jsou dostupé i délky okolo 300 m Každý výrobce frekveího mie udává dovoleé délky motorového kabelu s a bez výstupího du/dt filtru du/dt filtr zárove podstat omezuje možost vziku ložiskových proud a vysokofrekveí ztráty v motoru apové rezoace jsou souas doprovázeé zvýšeím výstupího proudu potebým pro abíjeí parazitích kapacit motorového kabelu Teto pírstek je výzamý zejméa u frekveích mi malých výko v ádech stovek wat a jedotek kilowat Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 1

13 Obr 7 Typický prbh apového pulsu a svorkách asychroího motoru pi apájeého z frekveího mie s apovým meziobvodem (frekveí mi bez du/dt filtru, délka kabelu 0 m) Obr 8 Prbh pípustého maximálího aptí a svorkách motor se stadardí izolací dle EC (U LL = maximálí hodota amplitudy sdružeého aptí) Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 13

14 Obr 9 Typické rozložeí oblastí apových rezoací pi použití frekveího mie s a bez výstupího filtru 171 Kotrola velikosti peptí pi apových rezoacích Kotrola je založea a tom, že se pro zámou délku motorového kabelu z graf odete velikost peptí a velikost gradietu rychlosti árstu apového pulsu Z odeteých hodot se vypote doba árstu t A ábžé hray apového pulsu aximálí velikostí peptí dovoleá výrobcem motoru pro staoveou doba árstu t A se pak porová s odeteou velikost peptí Vlastí postup: 1 Pro zvoleou délku kabelu se z grafu odete velikost peptí U LL /U a velikost gradietu rychlosti árstu apového pulsu du/dt Velikost doby árstu t A se staovuje pro 80 % U LL viz Obr 8 Platí: du dt k U t 0,8 U t A 0,8 LL t A k U LL 3 Staoveá velikost peptí a svorkách motoru musí být vždy ižší, ež maximálí velikost peptí povoleá výrobcem pi vypoteé dob árstu ábžé hray apového pulsu t A Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 14

15 Obr 10 Velikost peptí a gradiet árstu apového pulsu u frekveího mie bez du/dt filtru v závislosti a délce motorového kabelu Obr 11 Velikost peptí a gradiet árstu apového pulsu u frekveího mie s du/dt filtrem v závislosti a délce motorového kabelu ásledující obrázky ukazují oblasti výskytu peptí a svorkách motoru pi výstupích aptích frekveího mie 400, 500 a 690 V a rzých délkách motorového kabelu pi použití du/dt filtru Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 15

16 Obr 1 Vliv použití du/dt filtru a výstupu frekveího mie a amplitudu apových rezoací Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 16

17 Proto vtšia výrobc frekveích mi s ohledem a apové rezoace vlastí provedeí výstupu kokrétího typu frekveího mie vydává doporueí pro použití bžých motor v regulovaých pohoech Typicky se doporuuje: - pro aptí U 500 V - použití du/dt filtru; - pro motory s osovou výškou 80 mm a vtší izolovaé ložisko ap firma ABB doporuuje pro motory s pímým ízeím mometu (DTC) a délkou motorového kabelu do 300 m : aptí P 100 kw P 100 kw ebo EC 315 P 350 kw ebo EC 400 U 500 V stadardí motor stadardí motor stadardí motor + izolovaé ložisko + izolovaé ložisko + commo mode filter U 600 V stadardí motor stadardí motor stadardí motor + du/dt filter + izolovaé ložisko + izolovaé ložisko ebo + du/dt filter + du/dt filter se zesíleou izolací ebo + light commo mode filter se zesíleou izolací ebo + izolovaé ložisko se zesíleou izolací + du/dt filter + commo mode filte U 690 V zesíleou izolaci zesíleou izolaci zesíleou izolaci + du/dt filter + izolovaé ložisko + izolovaé ložisko + du/dt filter + du/dt filter + lihght commo mode filter Pro frekveí mie 400 V malých výko se skalárím ízeím pro omezeí proud pro abíjeí parazitích kapacit ABB doporuuje: Výko F Délka kabelu bez du/dt filtru Délka kabelu s du/dt filtrem kw 50 m 75 m 075 kw 75 m 110 m 40 kw 100 m 100 m kw 00 m 50 m kw 00 m 300 m 18 Petížitelost regulovaých poho Petížeí pohou je spojeé s proudovým árstem odebíraého proudu K tomu aby bylo možé petžovat motor musí mít frekveí mi dostateou proudovou rezervu Pro obvyklé provozí režimy platí do petížeí do 15 lieárí závislost mezi proudem a zatížeím viz díve Krátkodobé petížeí každého motoru je pípusté závisí však a: výchozím zatížeí, velikosti petížeí, délce trváí a teplot motoru a zaátku petížeí Pi kotrole motoru z hlediska petížitelosti musí být zachovaý dostateý odstup mezi jmeovitým mometem a mometem zvratu Obvykle se požaduje odstup 40 % pro stacioárí stavy a 0 % dyamické Frekveí mie mívají obvykle typové parametry udaé pro 0, 10 % a 50% petížitelost v cyklu 1/10 mi Pokud frekveí mi espluje požadavky a petížitelost, volí se frekveí mi o vtší typové velikosti Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 17

18 19 Zvláštosti ávrhu motor pro pohoy s frekveími mii 191 Pídavé ztráty V dsledku apájeí motoru esiusovým aptím a proudem vzikají v motoru ztráty, které v motoru pi apájeí ze sít ejsou Typickým pípadem jsou ztráty v rotorových klecích pracujících a pricipu skiefektu vírová klec, dvojitá klec V dsledku esiusového apájeí se v magetickém toku objevují vyšší harmoické, které pak i pi bžém chodu podporují vzik skiefektu a tím zvýšeé ztráty v rotoru Pi objedáí motoru od osové výšky 355 mm musí být vždy zadáo pro jaký druh provozu je motor ureý Obr 13 Pricip vziku pídavých ztrát v rotoru asychroího motoru s kotvou akrátko 19 Hídelové aptí a ložiskové proudy Hídelové aptí je aptí meé podél hídele mezi obma ložiskovými uzly Je vyvolaé esymetrií magetického pole a je záme pedevším od V motor velkých výko Toto aptí je píiou vziku ložiskových proud, které se uzavírají cestou ejmešího odporu pes hídel stroje, ložiska a kostrou stroje Pi pestoupeí hodoty 500 mv dochází k porušeí olejového filmu v ložiscích Zae protékat ložiskový proud, jehož pítomost podstat zkracuje životost ložisek Pi apájeí asychroího motoru z frekveího mie je mechaismus vziku hídelového aptí podstat složitjší vedle esymetrie magetického toku, se projevuje vliv kapacitích vazeb uvit motoru a commo mode voltage Opateí k omezeí ložiskových proud: - vhodý typ šíkové pulzí modulace - promá taktovací frekvece - výstupí filtr - použití stíého motorového kabelu - magetická symetrie motoru - izolováí ložiska a DE stra (O DRVE ED) Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 18

19 193 ezí a kritické otáky U poho s horí hraicí regulaího rozsahu ad 50 Hz se musí respektovat maximálí otáky s ohledem a mechaické vlastosti motoru zejméa obvodovou rychlost rotoru a z í vyplývající odstedivé síly amáhající rotorovou klec Podstatou roli však hraje i zpsob vyvážeí motoru a provedeí ložiskových uzl, vetilátoru U dvoupólových motor se mimo to musí respektovat 1 a kritické otáky Dvoupólové motory od osové výšky 355 mm mají obvykle sychroí otáky mezi 1 a kritickými otákami V regulaím rozsahu se pak musí poítat se zakázaým pásmem ve kterém vibrace motoru výraz pekroí povoleou hodotu viz Obr 14 Obr 14 Kritické otáky dvoupólového asychroího motoru Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 19

20 LTERATURA Der Drehstrommotor, Falk K Hardware maual ACS600, ABB Dimesioierug eies Atriebssystems, Techische Aleitug r 7, ABB Drehzahlverstellug vo Asychromaschie, Schörer J, Seifert D, Techische Schrifte 4, Loher AG Drehstrommaschiee für drehzahlverstellbare Atriebe, Techische Liste U 03 de terí materiály firem ELCO as, Loher GmbH a ABB Dimezováí a ávrh poho s asychroími motory s frekveími mii 0