Ota Roubíèek ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY pøíruèka techniky, volby a užití vybraných druhù Praha 2004

Ota Roubíèek ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY pøíruèka techniky, volby a užití vybraných druhù Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Veškerá práva vyhrazena Ing Ota Roubíèek, DrSc, 2004 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Ota Roubíèek: Elektrické motory a pohony pøíruèka techniky, volby a užití vybraných druhù BEN technická literatura, Praha 2004 1 vydání ISBN 80-7300-092-X

OBSAH 1 PRINCIPY STAVBY A PÙSOBENÍ VYBRANÝCH DRUHÙ MOTORÙ 13 1 1 VŠEOBECNÌ 13 1 2 INDUKÈNÍ MOTORY 15 1 2 1 Princip pùsobení 15 1 2 2 Konstrukèní uspoøádání 16 1 2 21 Motor s kroužkovým rotorem 16 1 2 22 Motor s klecovým rotorem 20 1 2 23 Jednofázové motory 21 1 2 24 Motory pro speciální úèely 22 1 2 3 Provozní vlastnosti 22 1 2 31 Provozní charakteristiky 22 1 2 32 Úèinnost a ztráty za provozu 26 1 2 4 Øízení chodu 26 1 2 41 Spouštìní 26 a) Všeobecnì 26 b) Pøímé pøipojení na sí 26 c) Zmenšení statorového napìtí 26 d) Impedance v rotorovém obvodì 27 e) Soft-start 27 f) Rozbìhové spojky 28 1 2 42 Brzdìní 28 a) Protiproud 28 b) Rekuperace 28 c) Stejnosmìrný proud 29 d) Jednofázové zapojení 29 1 2 43 Øízení rychlosti otáèení 30 a) Všeobecnì 30 b) Zmìna poètu pólù 30 c) Zmìna skluzu 30 d) Zmìna kmitoètu napájecího napìtí 31 e) Kaskády 34 1 2 5 Pøíklady konstrukce motorù 35 1 3 VELKÉ SYNCHRONNÍ MOTORY 40 1 3 1 Princip pùsobení 40 1 3 2 Konstrukèní uspoøádání 41 A OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY 3

1 3 21 Motor s vyniklými póly 41 1 3 22 Turbomotor 43 1 3 3 Provozní vlastnosti 44 1 3 31 Provozní charakteristiky 44 1 3 32 Kritická rychlost otáèení 46 1 3 33 Úèinnost a ztráty za provozu 47 1 3 4 Budicí soustavy 47 1 3 41 Všeobecnì 47 1 3 42 Kroužkové budicí soustavy 47 a) Rotaèní budiè 47 b) Øízený usmìròovaè 48 c) Kompaudaèní soustava 48 2 3 43 Bezkroužkové budicí soustavy 48 a) Støídavý budiè a rotující usmìròovaè 48 b) Neøízený usmìròovaè a rotaèní transformátor 48 c) Budiè s protibìžným polem 48 1 3 5 Øízení chodu 49 1 3 51 Spouštìní 49 a) Všeobecnì 49 b) Asynchronní rozbìh 49 c) Rozbìhový motor 50 d) Kmitoètový rozbìh 50 1 3 52 Synchronizace 51 1 3 53 Brzdìní 51 1 3 54 Øízení rychlosti otáèení 51 a) Konvenèní kmitoètové øízení 51 b) Nezávislé øízení 51 c) Závislé øízení (ventilový motor) 52 1 3 6 Konstrukce motorù 56 1 4 RÁMCOVÌ O VELKÝCH STEJNOSMÌRNÝCH MOTORECH 59 1 4 1 Princip a uspoøádání 59 1 4 2 Hlavní typy 61 1 4 3 Provozní vlastnosti 61 1 4 4 Øízení chodu 62 1 4 5 Konstrukce velkých motorù 63 1 5 VNÌJŠÍ ZAØÍZENÍ VE VÝKONOVÝCH OBVODECH MOTORÙ 63 1 5 1 Všeobecnì 63 4 OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY A

1 5 2 Høídelové spojky 63 1 5 21 Všeobecnì 63 1 5 22 Pevné spojky 65 1 5 23 Pružné spojky 66 1 5 24 Zubové spojky 66 1 5 25 Tøecí spojky 67 1 5 26 Odstøedivé spojky 67 1 5 27 Indukèní spojky 68 1 5 3 Brzdy 69 1 5 4 Odporníky a spouštìèe 69 1 5 41 Odporníky 69 1 5 42 Spouštìèe 70 1 5 43 Spouštìcí reaktory a autotransformátory 70 1 5 5 Spínací kontaktní pøístroje 71 1 5 51 Pøístroje vysokého napìtí 71 1 5 52 Pøístroje nízkého napìtí 72 1 5 6 Spínací bezkontaktní pøístroje 72 1 5 7 Ochrany 73 1 5 8 Kabely 74 2 VYBRANÉ REGULAÈNÍ POHONY 75 2 1 VŠEOBECNÌ 75 2 2 VÝKONOVÉ POLOVODIÈOVÉ KOMPONENTY 76 2 2 1 Výkonové polovodièové souèástky 76 2 2 2 Výkonové integrované struktury 77 2 2 3 Chlazení 78 2 3 STATICKÉ MÌNIÈE 79 2 3 1 Rozdìlení a zapojení mìnièù 79 2 3 2 Elektromagnetická kompatibilita mìnièù 80 2 3 3 Výbìr mìnièe 82 2 4 POHON S INDUKÈNÍM MOTOREM 82 2 4 1 Mìnièové pohony 82 2 4 12 Možnosti programování øídicí èásti mìnièù 84 A OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY 5

2 4 13 Zpùsoby øízení motorù 85 2 4 2 Nìkteré konkrétní struktury indukèního pohonu 85 2 5 POHON SE SYNCHRONNÍM POHONEM 89 2 6 POHON SE STEJNOSMÌRNÝM MOTOREM 89 3 OKOLNOSTI ROZHODOVÁNÍ O VOLBÌ POHONNÉHO PROSTØEDKU 91 3 1 VŠEOBECNÌ 91 3 2 MECHANICKÉ A TECHNOLOGICKÉ PROSTØEDÍ 91 3 2 1 Zatìžovací charakteristiky pohánìných zaøízení 91 3 2 2 Dynamické zatížení 93 3 2 3 Momentové charakteristiky a zatìžování motorù 93 3 2 4 Technologické charakteristiky pohánìných zaøízení 94 3 3 PROVOZNÍ DISPOZICE MOTORÙ 97 3 3 1 Všeobecnì 97 3 3 2 Indukèní motory 97 3 3 3 Synchronní motory 98 3 3 4 Velké stejnosmìrné motory 99 3 3 5 Motory s pøevodem 100 3 3 6 Konstrukèní hlediska u motorù 100 3 4 VÝBÌR DRUHU ELEKTRICKÉHO POHONNÉHO PROSTØEDKU 103 3 4 1 Všeobecnì 103 3 4 2 Hlediska výbìru 103 4 PRAVIDLA A OKOLNOSTI PRO INSTALACI A UŽITÍ VYBRANÝCH MOTORÙ A POHONÙ 105 4 1 K DISPOZICI POHONNÉHO PROSTØEDKU 105 4 1 1 Všeobecnì 105 4 1 2 Základní dispozice 105 4 1 3 Doplòující okolnosti 106 4 2 PROVOZNÍ PROSTØEDÍ 107 6 OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY A

4 2 1 Všeobecnì 107 4 2 2 Motory 107 4 2 3 Regulaèní pohony 108 4 2 4 Doporuèení krytí a úprav 109 4 2 5 Blíže o prostøedí s nebezpeèím výbuchu 110 4 2 51 Všeobecnì 110 4 2 52 Parametry prostøedí 110 4 2 53 Druh ochran 111 4 2 54 Oznaèování chránìných zaøízení 112 4 3 4 3 1 4 3 2 4 3 3 4 4 TECHNICKÉ PROVOZNÍ PODMÍNKY 113 Všeobecnì 113 Motory 113 Regulaèní pohony 115 VŠEOBECNÁ PROHLÍDKA ZAØÍZENÍ 116 4 5 4 5 1 NEELEKTRICKÉ NÁLEŽITOSTI INSTALACE 117 Základy pro motory a rozvádìèe 117 4 5 11 Upevnìní motoru 117 a) Bìžné upevnìní 117 b) Odpružené upevnìní 119 c) Dimenzování základu 121 4 5 12 Základ pro rozvádìèe 121 4 5 13 Pøívod chladicího vzduchu 121 4 5 2 Kapalinové okruhy 121 4 5 21 Výmìníky tepla s vodním chlazením 121 a) Chlazení motorù 121 b) Chlazení pøístrojových skøíní 122 4 5 22 Olejové mazací okruhy 123 4 5 3 Høídelové spojky 123 4 6 MECHANICKÁ OCHRANA PØED ÚRAZEM 126 4 7 ELEKTRICKÉ NÁLEŽITOSTI INSTALACE 127 4 7 1 Ochrana pøed úrazem elektrickým proudem 127 4 7 11 Hlavní zásady 127 a) Všeobecnì 127 b) Druhy a prostøedky ochran 128 c) Ochranná opatøení 129 d) Zvýšený stupeò ochrany 129 A OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY 7

e) Uzemòování a ochranné vodièe 130 f) Ochrana zaøízení s napìtím nad 1 kv 130 4 7 12 Ochrana komponent pohonu 130 4 7 2 Pøístroje pro pøipojení k napájecí síti 132 4 7 21 Všeobecnì 132 4 7 22 Pojistky 133 4 7 23 Spínací pøístroje 134 4 7 24 Øídicí výkonové pøístroje pro motory 135 4 7 3 Pøepìtí a ochrana pøed ním 136 4 7 31 Všeobecnì 136 4 7 32 Svodièe pøepìtí 137 4 7 33 Uspoøádání pøepì ové ochrany 137 4 8 KABELY 138 4 8 1 Všeobecnì 138 4 8 2 Dimenzování kabelù 139 4 8 3 Poznámka k ukládání kabelù 141 4 9 JIŠTÌNÍ 142 4 9 1 Pøístup k jištìní 142 4 9 2 Pøedepsané jištìní 143 4 9 3 Poznámky k jištìní a jeho nastavení 144 4 9 31 Všeobecnì 144 4 9 32 Jištìní u støídavých motorù 144 a) Nízkonapì ové motory 144 b) K pøítomnosti stykaèù a kontrolérù u nízkonapì ových motorù 147 c) Vysokonapì ové motory 147 4 9 33 Rámcovì k jištìní u velkých stejnosmìrných motorù 148 4 9 34 Jištìní u statických mìnièù 149 4 9 35 Jištìní kabelových pøívodù 149 4 10 ZÁSADY PRO OPTICKOU SIGNALIZACI PROVOZNÍCH STAVÙ 149 4 11 KONTROLA PØED UVEDENÍM DO PROVOZU 150 4 12 POZNÁMKY K TEMPEROVÁNÍ A SKLADOVÁNÍ ZAØÍZENÍ 152 4 12 1 Temperování 152 4 12 2 Skladování 152 8 OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY A

5 PRAKTICKÉ PØÍKLADY INSTALACE 155 6 DOPLÒKY 157 6 1 POSUZOVÁNÍ SHODY 157 6 2 K UVÁDÌNÍ MOTORÙ A POHONÙ DO PROVOZU 157 PØÍLOHA 1 159 PØÍLOHA 2 162 PØÍLOHA 3 170 PØÍLOHA 4 174 POUŽITÁ LITERATURA A KNIŽNÍ BIBLIOGRAFIE 179 A OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY 9

O KNIZE Pøedložená pøíruèka podává pøehled o technice, hlediscích volby a pøístupech k instalaci a užití vybraných druhù elektrických motorù (dále pouze motorù) a jednomotorových regulaèních pohonù, vyskytujících se zejména v energetice, v prùmyslu tìžby a zpracování uhlí a rud, v tìžkém prùmyslu a v podobných prùmyslových odvìtvích Jde o obory, pro které jsou charakteristickými jednak nároky na velké výkony pohonù stìžejních zaøízení a jednak požadavky na zabezpeèení pohonù støedních a menších výkonù pro rozsáhlé související technologické soubory Obsah pøíruèky má posloužit k rychlé orientaci v problematice a v neposlední øadì též k iniciování podnìtù pro tvùrèí rozhodování pøi øešení otázek volby, instalace a užití pøedmìtných zaøízení i v ménì obvyklých podmínkách Vìcná náplò pøíruèky je èlenìna do šesti oddílù a pøíruèka má ètyøi pøílohy První oddíl je vìnován principùm stavby a pùsobení indukèních a velkých synchronních motorù a pouze okrajovì (s ohledem na klesající význam) témuž u velkých stejnosmìrných motorù Jelikož v nìkterých pøípadech tvoøí integrální souèást motorù elektronické periferie, jsou zde objasnìny též zásady èinnosti v úvahu pøicházejících zapojení Pro úplnost je první oddíl doplnìn zmínkou o zaøízeních ve vnìjších elektrických a mechanických výkonových obvodech motorù, zabezpeèujících funkci motorù Druhý oddíl seznamuje s hlavními vlastnostmi nejdùležitìjších výkonových polovodièových souèástek a s výkonovými integrovanými strukturami, jakož i se statickými polovodièovými mìnièi a jejich použitím ve støídavých pohonech Na nìkterých konkrétních blokových schématech støídavých a stejnosmìrných jednomotorových pohonù se objasòuje pùsobení automatické regulace jejich chodu Tøetí kapitola si všímá hledisek, ovlivòujících volbu pohonného motoru nebo regulaèního pohonu pro danou aplikaci a souvisejících s jejich konstrukèními a provozními vlastnostmi Pøedkládá rovnìž rámcové strojnì-technologické charakteristiky nejdùležitìjších v úvahu pøicházejících pohánìných zaøízení Ve ètvrtém nejrozsáhlejším oddíle jsou uvádìny praktické okolnosti, rozhodující pro instalaci a užití pøedmìtných motorù a pohonù a jejich pøíslušenství a respektující evropské, mezinárodní a èeské technické normy EN (CENELEC), IEC a ÈSN Týká se to zejména základních dispozic motorù a pohonù, provozního prostøedí, provozních podmínek, neelektrických a elektrických náležitostí instalace, ochrany pøed úrazem se zvláštním dùrazem na opatøení proti úrazu elektrickým proudem, dále pak kabeláže, jištìní, skladování a prohlídek Je zmínìn též systém signalizace provozních stavù Pátý oddíl ilustruje pøedchozí výklad nìkolika praktickými pøíklady V šestém, doplòkovém oddíle je upozornìno na posuzování shody, velmi dùležité okolnosti pro výrobu, dovoz a trh pouze bezpeèných zaøízení Toliko pro celkovou souvislost se naznaèuje poslední krok k užití uvádìní motorù a pohonù do provozu (tyto záležitosti již leží mimo rámec pøíruèky) První pøíloha podává pøehled hlavních parametrù a vlastností indukèních a velkých synchronních motorù Ve druhé pøíloze jsou pøiblížena nejdùležitìjší principiální 10 OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY A

schémata zapojení a základní vlastností polovodièových statických mìnièù, používaných v pohonech Tøetí pøíloha uvádí hlavní normy EN a IEC, mající vztah k obsahu pøíruèky Jelikož relevantní èeské technické normy ÈSN EN a ÈSN IEC jejich obsah buï pøejímají nebo k nìmu smìøují, nejsou zvláš citovány Ve ètvrté pøíloze lze nalézt vždy užiteèný pøehled jednotek mezinárodní soustavy SI, používaných v elektrotechnice a pøevod vybraných cizích nebo starších jednotek na jednotky soustavy SI K usmìrnìní pøípadného dalšího studia tematiky, kterou se pøíruèka zabývá, mohou posloužit odkazy v pøipojeném rozsáhlém seznamu literatury Jelikož pøíruèka má pøehledný podrobný obsah, neobsahuje jmenný rejstøík Jako podkladù pro zpracování pøíruèky bylo využito veøejnì publikované i firemní literatury o elektrických strojích, o regulaèních pohonech s nimi, o pøístrojovém pøíslušenství jejich silových a øídicích obvodù, dále pak souvisejících norem EN a IEC a konzultací s odborníky z vysokých škol a z prùmyslu Pøíruèku mohou využívat technici a inženýøi, zabývající se obchodnì-technickými a servisními službami, užiteèné informace poskytne i manažerùm, projektantùm, pracovníkùm investièních útvarù, provozu a údržby a rovnìž studentùm odborných škol Svou jednoduchostí a pøehledností má pøedpoklady stát se vhodnou pomùckou též pro odborníky souvisejících profesí s ne elektrotechnickou specializací a jako taková poslouží i všem ostatním zájemcùm o pøíslušnou problematiku, kteøí k seznámení se s ní dosud nemìli jinou pøíležitost Autor se snažil podat široký tematický rozsah pøíruèky, pøihlížeje pøitom k jejímu úèelu, co nejúplnìji, nejsrozumitelnìji a v pokud možno vyvážené formì, aniž by pøitom pustil ze zøetele nezbytnost zachování úsporného stránkového rozsahu díla Pokud se mu tento obtížný úmysl ne všude a ve všem daøilo plnit, prosí laskavého ètenáøe o shovívavost Autorovi je milou povinností podìkovat na tomto místì pøedevším recensentùm pánùm Ing Josefovi Heømanovi Csc z FCC PUBLIC, s r o, Ing Janovi Peøinovi z ÈVUT a Ing Josefovi Šimkovi CSc z ÈKD-NOVÉ ENERGO, a s za zájem a pozornost, kterou vìnovali rukopisu a za spolupráci a øadu podnìtných pøipomínek i mimo rámec recenze, èím vším výraznì pøispìli k úrovni a vyváženosti obsahu Dále pak dìkuje pánùm Aleši Vebrovi ze ZKUŠEBNICTVÍ, a s za spolupráci na pátém oddíle a za zpracování obrázkù, doc Ing Františku Fenclovi CSc z ÈVUT za vytvoøení podkladù k vypracování kapitoly 4 8 a Ing Pavlu Køemenovi CSc z a s ZKUŠEBNICTVÍ za cenné pøipomínky, jakož i všem ostatním, kteøí byli nápomocni radou a pøispìním Fotografická dokumentace velkých elektrických strojù a jejich souèástí byla zapùjèena laskavostí výrobce ÈKD Nové Energo, a s Ostatní vyobrazení tohoto druhu pocházejí z propagaèní dokumentace výrobcù, uvádìných v textu k pøíslušným obrázkùm V neposlední øadì zaslouží ocenìní též konstruktivní pøístup redakce vydavatele k zámìru na vydání pøíruèky i její sympatické a efektivní jednání v období pøípravy a redakce rukopisu, a to tím spíše, že souèasné zdejší vydavatelské povìdomí není, v dùsledku dopadù restrukturalizace èeského elektrotechnického prùmyslu, vydávání publikací z oblasti silnoproudé elektrotechniky pøíliš naklonìno Autor A OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY 11

Vysvìtlují se principy stavby a funkce indukèních a velkých synchronních motorù, ve struènosti (vzhledem k menšímu významu) též velkých motorù stejnosmìrných Je vìnována pozornost i elektrickým pøístrojùm a mechanickým komponentám v jejich výkonových obvodech a elektronickým periferiím, integrovaným se strukturou motorù Popisují se vlastnosti nejdùležitìjších výkonových polovodièových souèástek, je poukázáno na výkonové integrované struktury a pøibližují se hlavní typy statických polovodièových mìnièù s jejich charakteristikami Na blokových schématech se objasòuje funkce nìkterých konkrétních støídavých a stejnosmìrných jednomotorových pohonù s automatickou regulací chodu Pøedkládají se stanoviska pro aplikaèní výbìr vhodného druhu motoru nebo regulaèního pohonu V souladu s normami EN a IEC je poukázáno na hlavní skuteènosti, významné pro instalaci a užití sledovaných motorù a regulaèních pohonù Nejsou pomíjeny ani otázky ochrany pøed úrazy, pøedevším elektrickým proudem, posuzování shody a uvádìní zaøízení do provozu Výklad objasòují praktické pøíklady Pøílohy uvádìjí pøehled dùležitých vlastností a parametrù uvažovaných motorù, statických mìnièù pro regulaèní pohony, seznam s pøedmìtem práce souvisejících hlavních norem EN a IEC a pøehled jednotek mezinárodní soustavy SI, používaných v elektrotechnice (vèetnì pøepoètu cizích a starých jednotek) Je pøiložena též rozsáhlá knižní bibliografie k obsahu pøíruèky Pøíruèka má pøispìt k rychlé orientaci v otázkách výbìru pohonného prostøedku pro danou aplikaci a k rozvoji tvùrèích postupù pøi jeho instalaci a užití, a to též v ménì obvyklých, netypických nebo nových podmínkách Je urèena technikùm a inženýrùm z oblastí obchodnì-technických služeb, servisu, projekce, investic, provozu a údržby, hodí se i pro prùmyslové manažery, studenty odborných škol, jakož i pro ostatní zájemce o problematiku pøíruèky 12 OTA ROUBÍÈEK: ELEKTRICKÉ MOTORY A POHONY A