ZÁKLADY ELEKTRICKÝCH POHONŮ (EP) Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

Transkript

1 ZÁKLADY ELEKTRICKÝCH OHONŮ (E) Určeno pro posluchače bakalářských sudijních programů FS Obsah 1. Úvod (definice, rozdělení, provozní pojmy,). racovní savy pohonu 3. Základy mechaniky a kinemaiky pohonu (pohybová rovnice, diagramy) 4. Energeika pohonu, oeplování mooru a druhy zaížení 5. Základy návrhu a dimenzování mooru červenec 004 Doc.Ing. Václav V r á n a, CSc. 1

2 1. Úvod odle druhu použiého hnacího mooru lze pohony rozděli na: - pohony s elekrickými moory - elekropohony (E), - pohony s neelekrickými moory, jako např.ruční, spalovací, pneumaické, hydraulické. Definice (dle ČSN ): Elekrický pohon (E) je zařízení pro elekromechanickou přeměnu energie (včeně řízení éo přeměny), keré slouží k omu, aby předepsaným způsobem uvedlo poháněný pracovní mechanismus nebo zpracovávanou láku do požadovaného pohybového savu. Obsahuje čási pro: přeměnu a přenos energie (elekromoor a případně měnič el. energie, spojky, převodovku) řízení, jišění a signalizaci ohoo procesu (reguláory, čidla, převodníky a přísroje) V E dochází k řízené přeměně elekrické energie na neelekrické formy energie (mechanickou práci, kineickou, poenciální energii). Zdroj elekrické energie (napájecí síť) Spínací a jisící zařízení akční člen elekrický moor mechanický převod Tok elekrické.energie Tok mech. energie Obr.1 Obecná srukura elekrického pohonu racovní mechanismus Výhody elekrického pohonu oproi neelekrickému: - rychlá (éměř okamžiá) pohoovos nasazení, - jednoduchos ovládání a dobrá řidielnos mechanických veličin (momen, rychlos, poloha) - snadná reverzovaelnos, možnos krákodobého přeížení, - dobrá účinnos, - malá hmonos, malá náročnos na údržbu a snadná vyměnielnos. - možnos použií i do složiých a nebezpečných prosředí, Hlavními nevýhodami elekrického pohonu jsou: - závislos na přívodu el. energie (výjimkou jsou pohony s napájením z akumuláorů) - vysoké jmenovié oáčky (vyžaduje použií mechanických převodů). Druhy elekrických pohonů podle různých kriérií: odle druhu pohybu kerým se přenáší mechanická energie na pracovní mechanismus: očivý, neočivý pohon ( např. lineární, krokový, rázový apod.) odle supně řidielnosi jednorychlosní pohon pohon s nasavielnou rychlosí (plynule, skokově) odle druhu řízení ovládaný pohon regulovaný pohon (reguláor se zpěnou vazbou) odle druhu použiého elekromooru

3 sejnosměrný pohon (se sejnosměrným moorem) DC-drive, sřídavý pohon ( s hnacím sřídavým elekromoorem) AC-drive, pohon s krokovým moorem (uvedení názvu druhu elekromooru) odle způsobu přenosu mechanické energie: s převodovkou, bez převodovky, bez spojky, se spojkou Základní provozní pojmy elekrických pohonů..oe\ohony_oe.doc Spoušění pohonu.: - činnos pořebná pro rozběh pohonu Rozběh pohonu.: přechod E z klidu na sanovenou rychlos. záběr - začáek rozběhu pohonu doba rozběhu (z klidu na sanovenou rychlos) míra rozběhu - kvanifikuje obížnos rozběhu a lze jej definova vzahem m sř... Sřední hodnoa pořebného hnacího momenu (síly) =... Jmenoviá hodnoa momenu (síly) N dle velikosi míry rozběhu m: - lehký rozběh m 0,75 - normální rozběh 0,75 < m 1,5 - ěžký rozběh m > 1,5 Zasavení pohonu : přechod pohonu z pracovní rychlosi do klidu Doběh pohonu : zasavení pohonu bez brždění moorem Brždění pohonu : - činnos pořebná pro zasavení pohonu, (elekrické-moorem, mechanické - brzdou). racovní savy pohonu ohánění ( ok mechanické energie je od mooru k pracovnímu mechanismu) Brždění ( ok mechanické energie je od pracovnímu mechanismu k mooru) racovní savy mooru nebo záěže je vhodné popisova momenem a oáčkami n (rychlosí oáčení Ω ) včeně jejich grafického znázornění v rovině -n (-Ω) rozdělené osami momenu a oáčkami n ( rychlosí Ω ) na 4 kvadrany I, II, III, IV viz. obr. 3 n, (Ω) zdroj energie el mech. hnací el. moor mec pracovní mechanismus II. kvadran < 0 brzdění - brzda I. kvadran > 0 pohánění - moor z (zráy) obr..1 Tok výkonů el. pohonu v pracovním savu pohánění zdroj energie, ( brzdný rezisor ) el brzdící el. moor mec pracovní mechanismus III. kvadran > 0 pohánění - moor 0 IV. kvadran < 0 brzdění - brzda z (zráy) obr.. Tok výkonů el. pohonu v pracovním savu brzdění Obr. 3 racovní režimy mooru v rovině Ω,(n) - omenová rovnováha, Usálený sav OT =, n,( Ω ) = kons., W = KIN kons. 3

4 n ( Ω) n (Ω ) OT racovní bod (n, ) průsečík momenových závislosí (charakerisik) mooru = OT f ( n ) a pracovního mechanismu = f ( n ). n,( Ω ) = kons., W = KIN kons. 0 řechodný sav (děj) OT, n,( Ω ) = var., W KIN = var. obr. 4. racovní bod v rovině n- 3. Základy mechaniky a kinemaiky pohonu echanika elekrického pohonu se zabývá pohyby, jejich zákoniosmi, příčinami, důsledky a využíváním v praxi. V zásadě se zde jedná o dva druhy pohybu (oáčivý a ranslační). Kinemaická veličina Rychlos : (oáčky) n D r u h oáčivý [o/min] (Ω [rad/s]) p o h y b u ranslační v [m/s] Zrychlení α [rad/s ] a [m/s ] Dráha σ [rad] l [m] ezi jednolivými kinemaickými veličinami plaí známé vzahy (inegrace - derivace) a časo se proo se yo nazývají savovými veličinami. ezi obdobnými veličinami obou druhů pohybu je přímá úměra závislá na druhu převodového úsrojí mezi ěmio pohyby. Nejčasěji bývá z oáčivého pohybu ranslační pohyb odvozen např.: - pomocí převodů a mechanismů (šnekového, klikového, vačkového); - z obvodové rychlosi kola, bubnu, kladky, koouče apod. D Ω (v) m n, Ω, α, σ, v, a, l, F Obr.5 Kinemaické schéma převodu pohybů rozběh α=kons. α > 0 chod α=0 zasavení α=kons. α < 0 v = α = π 60 D n [m.s -1 ; m, o.min -1 ]; Ω = a D [s- ; m.min - ], = F D [Nm; N, m] J = m D [kgm ;kg, m] v D, [.s-1 ;, o.min -1 m] Vlasní pohyb lze popsa buď časovými funkcemi kinemaických veličin (rychlosi, dráhy, zrychlení) s jejich grafickým zobrazením pomocí zv. časových diagramů, nebo jejich vzájemnou závislosí se zobrazením v rovině (fázová rajekorie zobrazená ve fázové rovině). 0 σ, (s) Obr. 6 Fázové veličiny při polohování 4

5 ohybová rovnice pohonu Lze vyjí z energeické bilance sousavy pohonu provedené v jednom společném působiši, kerým bývá zvolen nejčasěji hřídel hnacího elekromooru. Energie dodaná moorem W OT se musí rovna souču přírůsku kineické energie W k a energie spořebované pracovním mechanismem W, což lze vyjádři vzahem: k W = OT W + W Úpravou (časovou derivací a podělením rychlosí) obdržíme - pohybovou rovnicí popisující chování mooru ve všech pracovních savech (usálených i přechodných): J d Ω 1 dj OT = + Ω + d dα ro sálý (neměnný) momen servačnosi je dj / dα = 0 = J d Ω OT d + = + d Řešení éo diferenciální rovnice Ω = f( ) n = f () Kinemaické chování pohonu určuje velikos a znaménka dynamického momenu d, OT = d = 0 usálený pracovní savu pohonu V případech m d 0 přechodné pracovní savy pohonu, α d ři d > 0 dochází ke zvyšování (snižování) absoluní hodnoy rychlosi při kladném (záporném) směru oáčení ři d < 0 dochází ke snižování (zvyšování) absoluní hodnoy rychlosi při kladném (záporném) směru oáčení - zpomalování (urychlování) pohonu. řepočy momenů pracovního mechanismu na hřídel mooru OTOR ŘEVOD RACOVNÍ ECHANISUS n 1 n OT, n OT, α OT J OT, n OT i n1 n = = n n J, η OT, n, α J, n OTOR ŘEOČTENÝ RACOVNÍ ECHANISUS. ' = i OT, n OT, Ω OT J OT + J,, J, J ' J = ( i ) 5

6 4. Energeika pohonu, oeplování mooru a druhy zaížení řeměna forem energie v elekrickém sroji je doprovázena zráami, keré se dají vyjádři účinnosí sroje η., mec mec η = = + el mec Vzniklé zráy v mooru = k + v, kde k, - konsanní zráy (nezávislé na zaížení) v - závislé zráy na zaížení Oeplování a ochlazování mooru řevážnou čás závislých zrá voří Joulovy zráy ( I ), z nichž vzniklé eplo - oepluje vinuí a konsrukční čási sroje - C dθ (C... epelná kapacia [J.K -1 ], - množsví epla pořebné k jeho ohřáí o 1 K). - je odváděno vně sroje A θ * d (v závislosi na způsobu provedení odvodu epla vyjádřené konsanou A [W.K -1 ] a rozdílem eplo mezi srojem a chladivem (okolím) - θ = θ napájecí síť Tepelné poměry ve sroji lze zjednodušeně, při Odvod do okolí konsanním zaížení a při uvažování sroje jako homogenního ělesa s nekonečnou epelnou A. θ.. d 1 vodivosí a prosředí s nekonečnou ep. kapaciou, vyjádři rovnicí epelné rovnováhy (odvo- mec zené z energeické bilance) C θ dq = d = C d( θ) + A θ d, Oeplení kde dq... vyvinué eplo v mooru za jednoku času d (zracená energie) řechodný děj oeplování (pro = kons a počáeční oeplení θ 0 ( = 0) ) (oeplovací křivka) θ = θ + θ = θ + θ θ T1 T1 T1 1 e 0 e 0 ( 0 ) e, kde T 1... oeplovací časová konsana sroje T 1 = C/A 1 θ... usálená hodnoa oeplení ( ) Usálený sav oeplování: d( θ) = 0, = A θ θ = A 1 θ V případě odpojení sroje od napájecí síě ( θ = 0) dojde k následnému ochlazování sroje, 0 oeplování ochlazování 0 T Obr. Oeplovací a ochlazovací křivka mooru θ = θ0 e mooru T θ amb... ochlazovací křivka kde T - ochlazovací čas. konsana sroje T = C/A, kons. A zohledňuje chladící poměry sojícího mooru. (u mooru s vlasním chlazením je T 4. T 1 ) θ 0 - počáeční hodnoa oeplení (=0) 6

7 V případě rovnováhy zráového výkonu a epelného výkonu odváděného z mooru dojde k usálení eploy mooru na konsanní hodnoě. θ ři uvažování eploy okolí θ ab = 40 C je pak dovolené oeplení sroje ϑ dov = ϑ max 40 Dovolenému oeplení sroje je úměrná dovolená hodnoa maximálního zráového výkonu N v závislosi na provedení a způsobu odvodu epla vyjádřený pro daný sroj konsanou A. Závislos zráového výkonu na skuečném zaížení sroje : v = N N, kde N a N... jmenovié výkony sroje (zráový a mechanický) řekračování mezní hodnoy eplo θ max, ke kerému dochází při zhoršení chladících poměrů (zvýšení eploy okolí, nadměrná výška, porucha venilace apod.) nebo při přeěžování mooru, způsobuje zv. sárnuí izolace, keré se projeví ve snížení její živonosi a může vés časo k předčasnému porušení izolační schopnosi s následným průrazem izolace (zv. spálení mooru). ři rvalém překročení mezní hodnoy eploy o 8 K dochází ke snížení živonosi izolace na polovinu. Dosažení usálené hodnoy eploy mooru předpokládá jeho rvalé časově neměnné zaížení, keré se v praxi vyskyuje jen u někerých zařízení. V mnoha případech se záěžný momen (výkon) mooru mění včeně časých nesacionárních savů (rozběhy, brzdění, reverzace apod.), kdy dochází rovněž ke změnám zrá v mooru a ím i jeho oeplení. V souladu s mezinárodní klasifikací jsou dle ČSN EN definovány jednolivé druhy zaížení, označené S1 S10. Druh zaížení S1 - rvalé zaížení - rovoz při konsanním zaížení, kerý je dosaečně dlouhý pro dosažení usálené eploy θ max ( z 3 T 1 ), Označení S1 (...) - nemusí bý vždy uvedeno. Druhy zaížení S- S10- U ěcho druhů zaížení nepracuje moor rvale při konsanním zaížení. oor je zaěžován v časových úsecích (doby rozběhu, zaížení, brždění, naprázdno, klidu) proměnlivým zaížením, což je doprovázeno kolísáním jeho eploy pod dovolenou maximální hodnoou. 5. Základy návrhu a dimenzování mooru Hlediska: ekonomická (pořizovací a provozní náklady, produkivia sysému) echnická - energeická (druh, charaker a velikos zaížení, výkon zdroje - funkční - echnologická ( řidielnos, spoušění, reverzace, brzdění aj.), - pracovní prosředí (eploa okolí, prašnos,vlhkos, výška, hlučnos aj.) odmínky při návrhu ypové velikosi mooru. 1. omen mooru OT musí bý vždy věší než maximální hodnoa požadované momenu od poháněné sousavy OŽ OT OZ aximální hodnoa požadovaného momenu je dána součem dynamického a saického momenu (např. při rozběhu zaíženého pohonu). aximální momen mooru m je závislý na druhu mooru.u A je o momen zvrau, u SS je jeho hodnoa dána výrobcem ( cca 1,5 násobku jmenoviého proudu I N ) 7

8 . Teploa mooru nesmí překračova mezní dovolenou hodnou danou epelnou řídou izolace vinuí. Jelikož oeplení je přímo úměrné zráám ( θ ) a zráy jsou úměrné výkonu ( popř. (při n kons.) je pro dimenzování směrodaný zv. zaěžovací diagram mooru obsahující závislosi n(), I() popř. (), (). Zaěžovací diagram mooru se určí na základě zaěžovacího diagramu pracovního mechanismu (záěže) a určení pořebných dynamických momenů pro přechodné savy (rozběhy, brzdění, zvyšování, snižování oáček). Na oeplování mooru může mí dále vliv : druh a provedení mooru (AC, DC, oevřený, uzavřený, řízený, neřízený apod.) způsob chlazení (vlasní, cizí, chladící medium apod.), 3. oor musí mí dosaečný záběrový momen U navrženého mooru pro pohony s proměnlivým a nesálým zaížením splňujícího podmínku momenovou je nuno provés následnou konrolu na jeho oeplení. K usnadnění éo konroly byly (v souladu s ČSN EN ) sanoveny. zv. druhy zaížení S1 - S10 pro keré lze snadněji provés přiřazení ypové velikosi mooru. V případě, že skuečnému zaěžování mooru lze přiřadi uvedený druh zaížení, lze na základě příslušných paramerů udávajících výkonnos mooru požadova u výrobce (dodavaele) sanovení ypové velikosi mooru pro eno zadaný druh zaížení. ři dimenzování mooru pro rvalé zaížení S1 je možno vycháze z jmenoviých paramerů mooru popř. zohledni eplou mooru a způsob chlazení, což se věšinou projeví v redukci jmenoviých paramerů. (Např. moor s vlasní venilací pracující rvale při n < n N ) Z hlediska dimenzování mooru pro osaní druhy zaížení (kromě rvalého S1) je nuno se seznámi s paramery veličin jednolivých druhů zaížení, popř. konzulova s výrobcem mooru. 8