Základy elektrických pohonů, oteplování,ochlazování motorů

Transkript

1 Základy elektrických pohonů, oteplování,ochlazování motorů Určeno pro studenty komb. formy FMMI předmětu / 04 Elektrotechnika Zpracoval: Jan Dudek únor 2007 Elektrický pohon Definice (dle ČSN ): 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

2 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 Podle druhu použitého elektromotoru Podle druhu řízení točivý pohon ovládaný pohon netočivý pohon (např. lineární) regulovaný pohon (regulátor se zpětnou vazbou) stejnosměrný pohon (se stejnosměrným motorem, DC-drive) střídavý pohon ( s hnacím střídavým elektromotorem, AC-drive) pohon s krokovým motorem (uvedení názvu druhu elektromotoru) 2

3 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, (elektrické-motorem, mechanické - brzdou) Pracovní stavy pohonu Pohánění ( tok mechanické energie je od motoru k pracovnímu mechanismu) Brždění ( tok mechanické energie je od pracovnímu mechanismu k motoru) 3

4 Pohybová rovnice Pohybová rovnice pro konstantní moment setrvačnosti J: M MOT M PM = M D M MOT moment motoru M PM moment prac. mechanismu M D - dynamický moment, projevuje se při urychlování nebo zpomalování soustavy M D = J celk * ε J celk celkový moment setrvačnosti (součet všech momentů setrvačnosti, jedná se o setrvačné rotující hmoty) ε - úhlové zrychlení jedná se o změnu úhlové rychlosti Ω Energetika pohonu, oteplování pohonu Přeměna forem energie v elektrickém stroji je doprovázena ztrátami ΔP, které se dají vyjádřit účinností stroje η. 4

5 Oteplování a ochlazování motoru Převážnou část závislých ztrát tvoří Jouleovy ztráty ( I 2 ), z nichž vzniklé teplo otepluje vinutí a konstrukční části stroje - C dθ (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 θ amb 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 Pozn. Pro komb. formu rovnice se neučte, stačí průběh na další straně 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) 5

6 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 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. 6

7 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 Krátkodobý chod - druh zatížení S2 Provoz při konstantním zatížení po stanovenou dobu, Δ t P, která je kratší, než doba nutná pro dosažení ustálené teploty. Následuje doba klidu Δt R a odpojení dostatečně dlouhá, aby teplota stroje opět dosáhla hodnoty okolí (chladiva) s tolerancí +/- 2 K Označení : S2 Δt P (min.) Příklad : S2 60 min 7

8 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. ΔtP Označení : S3 z [ % ], kde z [ % ] 100 = ΔtP = 100 Δt + Δt T P R C 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 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 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) 8