BAKALÁRSKA PRÁCA. Žilinská univerzita v Žiline. Rekonštrukcia meracieho a ovládacieho panelu v laboratóriu elektrických pohonov ND 215

Transcript

1 Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov BAKALÁRSKA PRÁCA Rekonštrukcia meracieho a ovládacieho panelu v laboratóriu elektrických pohonov ND

2 Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov BAKALÁRSKA PRÁCA Textová časť 2008

3 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKROTECHNICKÁ FAKULTA Katedra výkonových elektrotechnických systémov Ak. rok 2007/2008 ZADANIE BAKALÁRSKEJ PRÁCE Meno: Radoslav RADIL Študijný program: Elektrotechnika Téma bakalárskej práce: Rekonštrukcia meracieho a ovládacieho panelu v laboratóriu elektrických pohonov ND 215 Pokyny pre vypracovanie bakalárskej práce: 1. Všeobecný popis laboratória ND Analýza potrieb laboratória ND Grafický návrh panelu vizualizácia Zoznam odbornej literatúry: [1] Bednárik, B.: Laboratórium elektrických pohonov ND 215 Panel MD popis a schémy Predpokladaný rozsah práce: 30 strán Vedúci bakalárskej práce: Ing. Michal Malek Recenzent bakalárskej práce: Dátum odovzdania bakalárskej práce: Žilina

4 BAKALÁRSKA PRÁCA Priezvisko a meno : Šk. Rok : 2007/2008 Téma diplomovej práce : Rekonštrukcia meracieho a ovládacieho panelu v laboratóriu elektrických pohonov ND 215 Fakulta : Elektrotechnická Katedra: Výkonových elektrotechnických systémov Počet strán : 52 Počet obrázkov : 40 Počet tabuliek : 4 Počet grafov : 1 Počet príloh : 6 Počet použ. lit. : 13 ANOTÁCIA / slovenský jazyk / Hlavným cieľom mojej bakalárskej práce bola návrh rekonštrukcie meracieho a ovládacieho panelu. Zaoberal som sa návrhom rozmiestenia nových prvkov, zisťovaním ich parametrov ako aj meraním na nich. V poslednej časti práce som riešil grafický návrh panelu a umiestnenia prvkov potrebných na ovládanie a meranie jednotlivých pohonov. ANOTATION / anglický jazyk / A main goal of my bachelor work was a design of reconstruction of measuring and control panel. I dealt with proposal of layout of new components, finding their parameters as well as measuring on them. I solved graphical layout of panel and positioning of components needed to control and measure individual drives in last section of the project. Kľúčové slová : centrálny panel, jednosmerný cudzobudený motor, asynchrónny motor, synchrónny motor, štvorkvadrantový menič, frekvenčný menič, autotransformátor, istiace prvky. Vedúci BP : Ing. Malek Michal Recenzent : Dátum :

5 Poďakovanie Na záver by som sa chcel poďakovať vedúcemu diplomovej práce pánovi Ing. Michalovi Malekovi za cenné rady a poskytnuté materiály.

6 Čestné prehlásenie Prehlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej Ing. Michalovi Malekovi a použil som len literatúru uvedenú v práci. V Žiline, dňa podpis

7 Obsah Žilinská univerzita v Žiline Zoznam použitých skratiek a symbolov... 8 Úvod Všeobecný popis laboratória ND Bezpečnostné predpisy pre prácu v laboratóriu Základné pojmy Laboratórium ND Ergonomické rozmiestnenie Obsah Laboratória Analýza potrieb laboratória ND Jednosmerný cudzobudený motor Meranie na motore s cudzím budením Asynchrónny motor Meranie na asynchrónnom motore Synchrónny motor Štvorkvadrantový menič Frekvenčný menič Autotransformátor Istiace prvky Grafický návrh panelu vizualizácia Umiestnenie Grafický návrh Uloženie prvkov Elektroinštalácia Záver Zoznam použitej literatúry

8 Zoznam použitých skratiek a symbolov 4Q...štvorkvadrantový AC....striedavý ASK1...konektor AV1H, AS1H...snímač polohy cosφ. [-]...účinník D1 4...polovodičové diódy DSP...digitálny signálový procesor DTC... priame momentové riadenie f sn...[hz]...menovitá frekvencia I 0...[A]..prúd naprázdno I a...[a]...prúd kotvou I b...[a]...budiaci prúd I bn...[a]. menovitý budiaci prúd IGBT...unipolárny tranzistor I k...[a]..prúd nakrátko I N...[A]...menovitý prúd JMO...jednosmerný medziobvod L1, L2, L3...sieťové fázy LCD...monitor M...[Nm]...moment M...[Nm]...moment motora M b...[n.m]...brzdný moment MOS FET...unipolárny tranzistor n...[min -1 ]..otáčky n 0...[min -1 ]...otáčky naprázdno n max...[min -1 ]...maximálne otáčky n N...[min -1 ]...menovité otáčky PC...počítačová stanica P k...[w]...výkon nakrátko P m [W]..výkon na hriadeli PP...pomocné póly 8 PWM...šírkovo impulzná modulácia R...[Ω]..odpor R a [Ω]..odpor kotvy R b...[ω]..odpor budenia R Fe...[Ω]..odpor železa R PP...[Ω].odpor pomocných pólov R sp...[ω]...spúšťací odpor s...[%]...sklz asynchrónneho motora STN...slovenská technická norma T1-4...unipolárne tranzistory TF...teplotný snímač U..[V].svorkové napätie U a...[v].napätie na kotve U mot...[v] motorické napätie U N...[V]...menovité napätie UP...univerzálny panel U sn...[v]. menovité svorkové napätie X µ...[ω].magnetická reaktancia X σ...[ω].rozptylová reaktancie P 0...[W] straty naprázdno P Fe..[W] straty v železe P js...[w].straty vo vinutí statora P mech...[w] mechanické straty η...[%]...účinnosť Φ...[Wb]...magnetický tok Ω. [rad -1 ]. mechanické otáčky

9 Úvod Žilinská univerzita v Žiline Merací panel a ovládací panel sa nachádza v laboratóriu od roku 1986, od kedy celé laboratórium neprešlo veľkými zmenami. Sú tam osadené staršie typy jednosmerných ako aj striedavých motorov spojených do štyroch sústrojenstiev. Tieto obsahujú zastaralé motory s ohľadom na súčasný vývoj pohonárskej technológie. Preto postihlo laboratórium ND 215 veľa inovácii. Návrhom nového meracieho panelu som bol poverený ja a zaoberám sa ním v mojej bakalárskej práci. Keďže laboratórium v značnej miere nevyhovuje dnešnej pohonárskej oblasti a zaostáva za modernými trendmi v tejto oblasti, je potrebné spraviť analýzu potrieb. V dnešnej dobe sa najčastejšie využívajú asynchrónne motory. Pokrývajú asi 90% motor v oblasti pohonov aj keď ich už dobiehajú univerzálne motorčeky. Majú výhodu v lacnejšej konštrukcii čo má za následok aj ich veľké využitie. Tento typ motoru sme v našej analýze nahradili jednosmerným cudzobudeným motorom, ktorý má lepšie mechanické a dynamické vlastnosti. Posledným druhom z motorov využitých v modernizovanom laboratóriu ND 215 je synchrónny motor. Tento sa využíva v priemyselných aplikáciách. Použité motory sú prírubové čo znamená, že umožňujú priame pripojenie motora na prevodovku. Každý z navrhovaných motorov má výrazne lepšie vlastnosti ako staršie typy v laboratóriu. Tieto motory sa dajú riadiť tromi základnými parametrami, z ktorých využijeme len dve. Riadenie pomocou svorkového napätia a frekvencie. Na tieto účely sa k motorom pripájajú frekvenčné a štvorkvadrantové meniče. Tieto výrazne postúpili vďaka rýchlemu vývoju v oblasti výkonovej elektrotechniky. Na spínanie totiž už využívajú špeciálne výkonové prvky, ktoré sú schopné vydržať veľký prestup prúdu v daných polovodičových štruktúrach. Sú to hlavne unipolárne tranzistory. Nie len oblasť pohonov a výkonovej techniky, ale aj oblasť istiacich prvkov zaznamenala od roku 1986 výrazný pokrok vo využívaní nových materiálov. V nasledujúcom texte sú uvedené inovácie v daných oblastiach ako aj merania na jednotlivých motoroch. 9

10 1.Všeobecný popis laboratória ND 215 Vybavenie laboratória umožňuje cvičiť a experimentovať v oblasti el. pohonov a elektromechanických regulačných obvodov na rôznych el. strojoch a sústrojenstvách. Sústrojenstvo sa dá zostavovať z jednotlivých strojov na pevných stojanoch. Schematické znázornenie usporiadania laboratória je uvedené v prílohe. Zariadenia pre výučbu alebo prístroje sú inštalované na univerzálnom paneli (UP). Tento panel je vlastne ústredným a viacúčelovým riadiacim centrom celého laboratória a jeho usporiadanie a konštrukčná schéma je uvedená v prílohe. Na paneli sú vyvedené svorkovnice všetkých strojov v laboratóriu a spolu s ďalšími istiacimi, ovládacími, spojovacími alebo meracími prvkami tak, aby sa potrebné zapojenia elektrických obvodov mohli vykonávať priamo na paneli ľahko a prehľadne. [1] Svorky na paneli sú rozdelené do 4 skupín: 1. napäťové zdroje a) s pevným napätím a regulovateľné; b)striedavé a regulovateľné; 2. objekty merania elektrické stroje na striedavý a jednosmerný prúd; 3. ovládacie, riadiace a meracie prístroje vypínače, prepínače, ističe, stýkače a iné.; 4. voľné svorky pre vyvedenie vymeniteľných el. strojov a prístrojov na prípojných miestach. Stúpajúce nároky na presnosť výroby spolu s potrebnou väčšiu produktivitou práce pri menšom počte pracovných síl si vynútili zavedenie poloautomaticky alebo automaticky riadených pohonov. Automatickým pohonom nazývame zariadenie, slúžiace k samočinnému riadeniu pohonu tak, aby pracovný cyklus postupoval podľa vopred určeného programu za dodržiavaných vopred stanovených podmienok a bezpečnostných predpisov, aby nemohlo dôjsť k úrazu osôb. Poloautomaticky riadené pohony majú význam vtedy, keď vyžadujú zásah obsluhy (napr. stlačenie zapínacieho tlačidla). V tomto prípade môže byť obsluha menej kvalifikovaná, pretože kvalita výrobkov už na nej nezávisí, je daná len presnosťou a spoľahlivosti automatiky. Plnoautomatizované zariadenie pri správnej činnosti všetkých častí nepotrebuje vôbec zásah človeka. Pohon sa sám uvádza v chod, sám sa reguluje a zastavuje (napr. 10

11 automatická vodáreň). Tohto spôsobu riadenia možno využiť iba pri pohonoch, ktorých pracovný cyklus je periodický alebo sa nepretržite opakuje. Správnej voľbe elektrických strojov a prístrojov je treba venovať veľkú pozornosť. Pri poruche ktorejkoľvek časti elektrickej výbavy je vyradený z prevádzky celý pohon aj s poháňaným zariadením a vznikajú straty. Druh prístroja volíme podľa veľkosti I N, prúdového nárazu pri zapínaní aj vypínaní, skratových pomerov v napájacej sieti, hustoty spínania. Musíme brať do úvahy aj spôsoby rozbehu poháňaného motora, spôsob ovládania a umiestnenia prístroja a prostredia, v ktorom bude pracovať. Pri návrhu motora pre pohon musíme poznať dôležité pracovné údaje (výkon, moment, otáčky, spôsob riadenia a napájania), aby bolo možné návrh prispôsobiť rozbehovým pomerom, požiadavkám na reguláciu a súčasne prihliadnuť k charakteristickým vlastnostiam poháňaného motora. Veľmi dôležitým je návrh istenia motorov, zdrojov a vedení proti skratu a preťaženiu. Proti skratu sa motor istí poistkami, ističmi alebo elektromagnetickými nadprúdovými relé. Proti preťaženiu sa motor chráni ističmi a nadprúdovými tepelnými relé. Spôsob istenia sa volí pre každý prípad zvlášť s ohľadom na podmienky spúšťania, chodu a stability siete. 11

12 1.1 Bezpečnostné predpisy pre prácu v laboratóriu Pri práci a obsluhe el. zariadení v laboratóriu musia byť zachované príslušné bezpečnostné opatrenia podľa slovenských štátnych noriem, aby nedošlo ku zraneniu osôb alebo poškodeniu zariadení. Základné bezpečnostné predpisy sú uvedené v normách STN (Všeobecné predpisy pre ochranu pred nebezpečným dotykovým napätím), STN (Bezpečnostné predpisy pre obsluhu a prácu na el. zariadení), STN (Bezpečnostné predpisy pre obsluhu a prácu v skúšobných priestoroch). V školskom laboratóriu sa musia mimo všeobecne platných bezpečnostných predpisov pre prácu a obsluhu el. zariadenia dodržať ešte nasledujúce zvláštne ustanovenia: 1. Pri výučbe v laboratóriu musí na jedného asistenta pripadať maximálne 10 študentov. K zaisteniu dostatočnej bezpečnosti študentov pri zložitejšej a obtiažnejšej práci stanoví vedenie katedry odpovedajúci počet študentov v skupine. 2. Pred zahájením výučby v laboratóriu preskúša asistent signálne zariadenia, označujúce zapnutý stav na hlavnom vypínači, ktorým možno v prípade nebezpečia odpojiť hlavný prívod prúdu. Hlavný vypínač musí byť výrazne označený a prístup k nemu musí byť vždy volný. 3. Hasiace prostriedky musia byť v nezávadnom stave. 4. Študenti musia byť oboznámení pred začatím výučby so zásadami prvej pomoci pri úraze elektrinou. 5. V laboratóriu sa používajú bezpečnostné tabuľky podľa STN Študenti vysokej školy elektrotechnickej sa po čase štúdia v školských laboratóriách považujú za osoby poučené. Aby v laboratóriu nedošlo ku materiálovým škodám alebo ublíženiu na zdraví, záleží tiež na kázni a zodpovednosti všetkých prítomných osôb. 12

13 1.2 Základné pojmy Každé automatické riadenie pohonov je realizované podľa zložitosti s väčším alebo menším počtom elektrických prístrojov spínacích, spojovacích, istiacich, riadiacich, regulačných, spúšťacích, ktoré majú spínať, ovládať a riadiť prúd v elektrických obvodoch. Vzájomná väzba medzi jednotlivými časťami zapojení sa uskutočňuje pomocnými kontaktmi spínacích prístrojov, ktorými sú najčastejšie stýkače a relé. Stýkače samočinné spínače s diaľkovým ovládaním pre veľmi časté spínanie hlavnými i pomocnými kontaktmi. Zapínajú sa tlačidlami a pohyblivá časť sa drží v zapnutej polohe pôsobením elektromagnetu. Hlavné kontakty spínajú podľa typovej veľkosti stýkača prúdu od 10 do 1000 A, pomocné kontakty prúdu od 2 do 10 A. Napätie ovládacej cievky môžeme voliť podľa potreby striedavé alebo jednosmerné (24, 120, 220 V striedavé, 24, 48 V jednosmerné). Pomocné relé princíp ich spínania je zhodný so stýkačom. Riadi požadované úkony a pracovné pochody v stanovenom poradí svojimi kontaktmi. Môžu spínať len malé jednosmerné alebo striedavé prúdy malého alebo nízkeho napätia. Časové relé oneskorovacie členy, spínajú obvod po určitom nastavenom čase. V zásade rozoznávame dva druhy časových relé a to: a) oneskorené pri zapínaní b) oneskorené pri vypínaní Poháňajú sa motorčekom, hodinovým strojčekom alebo magnetom, rozsah nastavený od 0 do desiatok sekúnd (krátkodobé relé), a dlhodobé relé ma rozsah nastavenia až do 360 minút. Nadprúdové tepelné relé istí pred preťažením. Vyrábajú sa z dvojkovu (bimetalové relé), pre určitý prúd I N, nastaviteľný v rozsahu ± 20%. Menšie prúdy ním pretekajú priamo, u väčších prúdov sa používajú bočníky alebo istiace prúdové trensformátory. Elektromagnetické relé nadprúdové istí pred skratmi. Poistky je to najjednoduchšie samočinné zariadenie k isteniu spotrebičov a vedení pred skratom a preťažením, kedy preruší obvod pretavením poistkovej vložky. Podľa prevedenia sa delí na rýchle a pomalé. Rýchle poistky slúžia k ochrane vedenia a približne sa dimenzujú na dvojnásobok menovitého odberu, pomalé poistky majú väčšiu časovú otepľovaciu konštantu a používajú sa na ochranu elektrických motorov. Pomalé poistky dimenzujeme presne na menovitý prúd daného motora. Odpojovač slúži k viditeľnému a zaistenému odpojeniu obvodu bez prúdu vo vedení vn, preto sa vždy zapojujú do série s vypínačmi. 13

14 Vypínač zapínajú a vypínajú prúdy od najmenšieho až po skratové. Spínače spínajú menovité prúdy, neistia pred preťažením. V zapnutom stave krátkodobo vydržia skratový prúd. Môžu mať dve alebo viac polôh (prepínače) a sú rôzne konštrukcie (pákové, paketové, vačkové atď). Ističe chránia proti preťaženiam aj skratom, podľa toho sa delia na rýchle a pomalé. Môžu vypínať maximálne 6-krát za hodinu pri nadprúdoch a skratoch. Voľnobežkou sa prenáša pohyb ovládacieho ústrojenstva mechanicky na kontakty. Spúšť (nadprúdové, podprúdové, podpäťové atď.) samočinne a priamo mechanicky vybaví istič pri zmene istiacej veličiny. Ovládače a spínacie voliče spínajú pomocné obvody mechanicky. Môžu byť rôznej s rôznym usporiadaním kontaktov. Najviac sa používajú tlačidlové ovládače, ktorých pracovné kontakty sú zopnuté len pri pôsobení vnútornej sily. Transformátor netočivý elektrický stroj, ktorý pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie. Transformátor mení privedené striedavé napätie a prúdu na inú hodnotu s nezmenenou frekvenciou. Asynchrónny stroj má galvanicky oddelené vinutia, umiestnené na statore a rotore. Statorové vinutie sa obyčajne napája trojfázovým prúdom, ktorý vytvára otáčavé magnetické pole. V rotore sa indukuje prúd, ktorý spolu s otáčavým magnetickým poľom vytvára otáčavý moment. Synchrónny stroj má na statore obyčajne trojfázové vinutie. Rotor je zložený s permanentného magnetu. Ak napájame vinutie synchrónneho stroja trojfázovým prúdom, tento stroj môže pracovať ako motor. Jednosmerný stroj má na vyjadrených póloch statora umiestnené budiace vinutie, vývody cievok rotorového vinutia sú prispájkované na lamely komutátora. Vinutie rotora a budiace vinutie nemusia byť galvanicky spojené. Uvedené prístroje so svojimi ovládacími prvkami a písmenovým označením sú popísané v tabuľkách. Okrem týchto prístrojov sa v obvodoch pre automatické riadenie používa celá rada ďalších prístrojov napr. spúšťače, odporníky, zásuvky, koncové vypínače, svetelné alebo zvukové návestia, magnety, elektromagnetické posuvníky, meracie prístroje. Pomocou týchto prístrojov sa zaisťuje správny chod motora a priebeh pracovného cyklu poháňaného pracovného stroja. Musia byť preto spoľahlivé, trvanlivé a jednoduché na údržbu. 14

15 1.3 Laboratórium ND 215 Laboratórium je miesto pre meranie, skúmanie a hľadanie nových javov, technológii, komponentov a rôznych iných technických ale aj elementárnych princípov. Keďže miestnosť ND 215 už nevyhovuje moderným trendom s oblasti pohonárskej techniky bude ju treba zrekonštruovať a inovovať. V nasledujúcich kapitolách je jednoduchý popis prístrojov využitých v laboratóriu ako aj ich ergonomické rozmiestnenie Ergonomické rozmiestnenie Pri ergonomickom rozmiestnení jednotlivých zariadení a prvkov rozumieme správne priestorové riešenie uloženia daných zariadení. Keďže každý návrhár takýchto riešení má inú koncepciu riešenia využitia priestorov je obzvlášť ťažké nájsť to najlepšie riešenie danej problematiky. V danom priestore som zvolil komplexné riešenie rozloženia na využitie väčšieho priestoru na zväčšenie miest pre študentov a bezproblémový pohyb po laboratóriu, čo bolo možné len vďaka modernizácii laboratória podľa nových trendov v pohonárskej technike. Technický výkres rozloženia laboratória je aj spolu s jeho elektroinštalačnou schémou uvedený v prílohe Obsah Laboratória Vývoj v oblasti výkonovej elektrotechniky spôsobil rapídne zníženie využitia jednosmerných sériových a derivačných motorov. Nové technologické vyhotovenia motorov a hlavne konštrukčné vylepšovanie ich parametrov nás viedlo ku kúpi nových motorov spojených do sústrojenstva. Keďže jednotlivé navrhnuté motory môžu pracovať aj ako generátory a následne ako aj induktívna záťaž je výhodné spájať asynchrónny motor s cudzobudeným a synchrónny s asynchrónnym. Typy a parametre ako aj princíp činnosti daných motorov budú uvedené v nasledujúcej kapitole. V laboratóriu sa ďalej nachádza trojfázový olejom chladený autotransformátor umiestnený vo výbežkoch laboratória, hlavný rozvádzač, pokusné pracovisko umiestnené v zadnej časti laboratória vybavené podľa potrieb stolom a stoličkou ako aj technickými prvkami na meranie a prácu v daných podmienkach, stolmi pre študentov ako aj umiestnením stola pre vyučujúceho, tabuľou na písanie a nakoniec meracím a ovládací panelom, ktorý je hlavnou náplňou mojej aj kolegovej bakalárskej práce. Panel je bližšie popísaný v kapitole 3. 15

16 2. Analýza potrieb laboratória ND 215 Analýzou potrieb v pohonárskej technike a pokročením v oblastiach výkonovej elektrotechniky, pomocou ktorej akémukoľvek motoru môžeme vnútiť potrebnú charakteristiku, sme usúdili použiť jednotlivé komponenty uvedené v tejto kapitole. V nasledujúcich riadkoch budú jednoducho vysvetlené ich princípy ako aj merania, ktoré budeme realizovať na univerzálnom panely. V laboratóriu budú použité nové motory od firmy SEW. 2.1 Jednosmerný cudzobudený motor Nová generácia jednosmerných elektromotorov mení veľa zo zakorenených predstáv. Obr Jednosmerný cudzobudený motor Vďaka využitiu počítačovej optimalizácie technického riešenia, ktoré bolov minulosti nemožné, bola vyvinutá úplne nová generácia jednosmerných elektromotorov. [3] Vlastnosti: - široké komutačné pásmo - optimálna kvalita kief - dlhé kefy - malý priemer komutátora - malé medzery v tesnení ložísk - veľká odolnosť voči znečisteniu 16

17 Stelesňujú mnoho kladných charakteristík, ktoré predtým nebolo možné dosiahnúť: - Vysoký výkon a malé rozmery - Vysoký výkon vo veľkom rozsahu otáčok - Hladký chod pri nízkych otáčkach a malý moment zotrvačnosti - Výhody jednosmerného prúdu pri nenáročnej údržbe Nová generácia jednosmerných elektromotorov ponúka úplne nové príležitosti pre zlepšenie kvality pohonov dynamickejšou regulácie otáčok. Vďaka dokonalej optimalizácii elektrických a mechanických charakteristík a veľkému rozsahu otáčok už nie sú nevyhnutné veľké motorové pohony k dosiahnutiu žiadaného rozsahu otáčok a výkonov. Nie je prehnané tvrdiť, že tieto motory patria do generácie, ktorá ponúka úplne nový výkon a príležitosti. Hlavnými rysmi jednosmerných motorov sú ich veľmi vysoký výkon a moment vzhľadom k ich konštrukčnej veľkosti. Počet nových riešení a niektoré patenty aplikované firmami dali motorom taký skvelý výkon, že sú vo svojej triede jediné na trhu s týmto špeciálnym riešením. Napríklad vývojové práce na statore poskytli viac miesta pre vinutie a viedli k rovnomernému odvodu tepla vďaka kompaktnejšiemu tvaru cievok a ku zlepšeniu výrobného procesu. Najväčší rozdiel bol dosiahnutý v kotve. Nasmerovaním chladiacich kanálikov pod drážkami dosiahneme prvé, a hlavne plne symetrické rozloženie magnetického toku v kotve. Je tu minimálne narušenie ciest magnetického toku chladiacimi kanálikmi. Účinnosť chladiacich kanálikov mohla byť následne výrazne zvýšená ako výsledok toho, že vinutie je bližšie k drážkam. Zároveň bola zväčšená ich chladiaca plocha. Spojenie lepšieho chladenia so súčasným zlepšením magnetického toku je niečo, čo bolo predtým nemožné. Zlepšenie cesty magnetického toku v kotve je nasledované optimalizáciou v statoru. Ak chceme hladký chod bez trhania pri nízkych otáčkach, musíme mať homogénne zmagnetizované jadro kotvy. Vďaka magnetickej polarizácii, čo je normálna charakteristika elektroplechov, dochádza k trhavému behu pri nízkych otáčkach, pokiaľ to nie je potlačené. Konštrukcia týchto motorov kompletne vylučuje tento nedostatok, čiastočne uplatnením špeciálneho výrobného procesu zošikmením rotorových drážok, ktorý minimalizuje odchýlku v jadre kotvy. To je hlavný prvok na zaistenie homogenity a stopercentného riadenia behu pri veľmi nízkych otáčkach. 17

18 Kvalita konštrukcie jednosmerných motorov vedie k značnému zvýšeniu maximálnej rýchlosti bez dopadu na spoľahlivosť údržby. Keďže rotorové drážky sú radiálne malé a magnetický obvod je výkonovo dimenzovaný, mechanické a elektrické straty sú na nízkej úrovni i pri veľkých otáčkach. Konštrukčné práce sa tiež zamerali na zvýšenie stability komutátoru a redukciu jeho priemeru s nižšou obvodovou rýchlosťou. Naviac aj vibrácie sú na nízkej úrovni. Je tu dokonalá prevencia pohybu koncov cievok prostredníctvom masívnych podporných krúžkov pod koncami rotorových cievok a použitím masívneho hriadeľu k obmedzeniu prehnutia. n [min -1 ] n 0 U = konšt., I b = konšt. R sp1 < R sp2 < R sp3 R a n [min -1 ] n 0 I b = konšt., R a = konšt. U 3 > U 2 > U 1 R a + R sp1 n 0 U 3 R a + R sp2 n 0 R a + R sp3 U 1 U 2 I a [A] a) b) I a [A] n [min -1 ] n 02 U = konšt., R a = konšt. Φ 1 > Φ 2 M [Nm] I b = konšt. n 01 Φ 2 Φ 1 I a c) d) I a Obr a) elektromechanické charakteristiky n = f (I a ) pri spúšťaní motora; b) elektromechanické charakteristiky n = f (I a ) zmenou svorkového napätia; c) vplyv zmeny Φ na charakteristiky motora; d) momentová charakteristika M = f (I a ) 18

19 Okrem klasických jednosmerných motorov s medeným komutátorom sú na trhu motory, ktoré využívajú elektrické komutátory. Tieto motory už nemajú klasický rotor so zošikmenými drážkami ale využívajú permanentný magnet. Konštrukčne sa podobajú synchrónnym motorom s permanentným magnetom. Náš motor bude mať teda aj podobné parametre ako synchrónny motor uvedený v ďalšej kapitole Meranie na motore s cudzím budením Základné vlastnosti, parametre a charakteristiky motora je základná a najpodstatnejšia vec, ktorú musíme pri kúpe zistiť. Robíme to pomocou niektorých jednoduchých meraní. Tieto merania môžeme rozdeliť do troch základných častí. [2] a) Identifikácia parametrov JSMCB Meranie odporov vinutia Odpory vinutí zisťujeme voltampérovou metódou. Meriame vždy po dokonalom ustálení a vyrovnaní teploty stroja a teploty okolia. R [Ω] R (θ) R 20 R θ A R + V U θ 20 θ [ K] θ [ C] Obr Meranie odporu budiaceho vinutia Ohmovou metódou Obr Teplotná závislosť odporu medi Odpor budiaceho vinutia R b meriame na svorkách vyvedených na svorkovnici priamo. Schéma je na obr Voltmeter nezaraďujeme do schémy nastálo, ale len prikladáme hrotmi na svorky po dobu odčítania. Z aspoň troch meraných hodnôt určíme strednú hodnotu R bθ. R n i= b = 1 θ n R i 19

20 Meranie odporov kotvy a pomocných pólov Odpor kotvy a pomocných pólov sa nedá merať zo svorkovnice, nakoľko v sérii sú uhlíky, ktoré predstavujú napäťovo závislý odpor. Odpor pomocných pólov R PP meriame medzi prívodom na kefu a výstupnou svorkou kotvy. Preto musíme vo vnútri stroja sledovať prepojenie vinutia pomocných pólov (PP) a zberného ústrojenstva bod K na obr V L L 1 2 (X1 (X2 + - ) ) (B1 (B2 K ) PP ) (C1 (C2 ) KV ) A 1 A 2 A R U B Obr Meranie odporu v obvode kotvy Ohmovou metódou. (X1) - (X2) vinutie kotvy, (B1) - (B2) vinutie pomocných pólov (PP), (C1) - (C2) vinutie kompenzačného vinutia (KV). Odpor kotvy R a určíme meraním úbytku napätia medzi lamelami L1 a L2, vzdialenými o pólový rozstup, pod dvoma susednými sadami kief + a -. Meranie indukčnosti kotvy Urobíme rozbeh nabudeného motora pripojením vhodného zníženého napätia na svorky kotvy a pritom pomocou osciloskopu sledujeme priebeh prúdu v obvode kotvy. Schéma zapojenia je na obr R 1 V 1 A 1 U 1 R b, L b R 2 V 2 R a, L a A 2 U 2 PC O SC u a Obr Schéma zapojenia pre meranie indukčnosti kotvy 20

21 b) Meranie v stave naprázdno Motor je v stave naprázdno, je plne budený, kotva je pripojená na zdroj napätia, na hriadeli nie je žiadna mechanická záťaž, a preto sa otáča otáčkami naprázdno n 0. Meriame závislosť otáčok naprázdno: 1) Od napätia kotvy, pri konštantnom I b : n 0 = f (U a ); I b = konšt. 2) Od budiaceho prúdu, pri konštantnom U a : n 0 = f (I b ); U a = konšt. Schéma zapojenia je na obr Pri meraní charakteristiky 1) najprv zapojíme budiaci okruh a nastavíme nominálnu hodnotu budiaceho prúdu I bn, ktorý budeme udržiavať konštantný. Potom zapojíme okruh kotvy pri nominálnom napätí, pri ktorom sa motor roztočí a postupne zvyšujeme U a, čím sa zväčšujú aj otáčky motora. Obr Schéma pre meranie motora s cudzím budením v stave naprázdno Vidíme že ak by sa prerušil budiaci obvod (I b = 0) by otáčky nebezpečne stúpli až po možné poškodenie stroja. Závislosť otáčok od budenia, t.j. charakteristiku 2) meriame pre U a = 0,5 U N a U a = 0,25 U N, znižovaním budiaceho prúdu I b, čím sa otáčky zvyšujú. Odbudzujeme len po maximálne otáčky dané výrobcom na štítku. n 0 [min -1 ] n 0 = f(u a ), I b = konšt. = I bn n 0N A B n 0 = f(i b ), U a = 0,5U N n 0 = f(i b ), U a = 0,25U N 0 0,5U N U N U a [V] Obr Závislosť otáčok od napätia kotvy a budiaceho prúdu 21 I bn I b [A]

22 c) Zaťažovacia skúška motora Účelom skúšky je overiť motor po stránke mechanickej a elektrickej t.j. merať moment M, otáčky n, mechanický výkon na hriadeli P m v závislosti od zaťaženia I a pri konštantnom napätí a budení, a spracované výsledky merania porovnať so štítkovými údajmi motora. Obr Schéma zapojenia pri meraní zaťažovacej skúšky motora s cudzím budením Z nameraných hodnôt vypočítame: Mechanický výkon na hriadeli kde n Ω = 2π, ak n [min -1 ] 60 a účinnosť η = U P P ( I + I ) UI a m b = m P m = MΩ n [min -1 ] M [Nm] η [-] P m [W] M N M P m n N P mn η N η n I an Obr Zaťažovacie charakteristiky I a [A] 22

23 d) Meranie mechanickej charakteristiky motora Mechanická charakteristika n = f (M) je závislosť otáčok motora od momentu pri stálom napájacom napätí a konštantnej polohe reostatu v budiacom obvode a meria sa pri teplote blízkej pracovnej teplote vinutia. Meraný cudzobudený motora uvedieme do chodu a zaťažujeme dynamometrom tým istým spôsobom ako pri zaťažovacej skúške, len s tým rozdielom, že meranie robíme pri nastavených rozdielnych hodnotách spúšťacieho odporu R sp (obr. 2.2), pričom tieto odpory musia byť dimenzované na trvalé zaťaženie, až po úplné vyradenie odporu R sp. Tak sa nameria charakteristika pre R a. 2.2 Asynchrónny motor Trojfázový asynchrónny alebo indukčný motor je najrozšírenejším druhom elektromotora. Približne 90 % z celkového počtu motorov sú práve trojfázové asynchrónne motory a však v dnešnej dobe ho začínajú nahrádzať univerzálne motory, ktoré sú lacnejšie. Konštrukcia asynchrónneho motora je veľmi jednoduchá. Oproti jednosmerným a synchrónnym motorom sa zásadne líši v tom, že sa do rotora žiadny prúd neprivádza a trojfázový prúd prechádza len vinutím statora. [5] V laboratóriu bude použitý asynchrónny motor DV132S4 od firmy SEW- ERODRIVE. Je to motor, ktorý má oproti starším typom niekoľko predností: - Minimálny nárok na priestor - Všestranné a robustné vyhotovenie - Veľká rozmanitosť kombinácií a nehlučný beh Obr ASM od firmy SEW Obr Hliníkový rotor motoru DV132S4 23

24 Typový rad DR / DT / DV Trojfázové motory a trojfázové brzdové motory typových radov DR / DT / DV sú ideálne vhodné pre štandardné pohony SEW-EURODRIVE. 2-, 4-, 6- alebo 8-pólové motory alebo motory s prepínateľnými pólmi - rozmanitosť variantov zaručuje výber správneho motora pre našu pohonársku úlohu. Brzdové motory SEW-EURODRIVE majú zabudované bezpečnostné kotúčové brzdy s elektromagnetom budeným jednosmerným prúdom. Brzdový menič na ovládanie brzdy je štandardne zabudovaný vo svorkovnici motora a na želanie sa dodáva aj vo vyhotovení pre montáž do rozvádzača. Patentovaný dvojsystém cievok brzdy umožňuje vysokú frekvenciu spínania a presnosť polohovania daného mimoriadne krátkou dobou aktivovania a príťahu. Technické údaje Rozsah výkonov [kw] 0, ,0 Počet pólov 2 / 4 / 6 / 8 Synchrónne otáčky [min 1 ] 750 / 1000 / 1500 / 3000 Prepínateľný počet pólov 4/2 / 6/2 / 8/2 12/2 6/4 8/4 Frekvencia [Hz] (štandardne: 50) Napätie [V] Napätie motora s prepínateľnými pólmi 2 / 4 / 6 [V] / alebo / Stupeň ochrany krytom IP54, na požiadanie aj IP 55 / IP65 / IP56 / IP66 Ochrana proti výbuchu Dodávajú sa pohony s obmedzeným rozsahom výkonov. Tab Spektrum motorov od firmy SEW EURODRIVE 24

25 Typové označenie asynchrónneho motora pre laboratórium od firmy SEW: DV 132S4 / BMG / TF / ASK1 / AV1H Doplnok motora Snímač HIPERFACE Doplnok motora Konektor ASK1 Doplnok motora Snímač teploty Doplnok motora brzda Konštrukčná veľkosť 132S a štvorpólové vyhotovenie Prírubový motor Pri motoroch napájaných meničom treba rešpektovať pokyny dané výrobcom meniča. Oproti predchádzajúcim typom motorov má typ DV špeciálne prípojky na zlepšenie nízkoodporového uzemnenia pri vysokých frekvenciách. V závislosti od konštrukcie môže pri odpojovaní magnetov s točivým poľom a mnohopólových motorov dochádzať ku vzniku veľmi vysokých indukovaných napätí. Preto SEW-EURODRIVE odporúča prídavné ochranné varistorové zapojenie na obr Obr Varistorové zapojenie na obmedzenie indukovaných napätí Motor má v hlave vinutia pevne spojený uzol s tromi prípojkami. Sieťové prívody (L1, L2, L3) sa pripájajú vo svorkovej skrini (1) na svorkový blok (U, V, W) pomocou ťažných klietkových pružín (2). Brzda BMG02 sa ovláda pomocou brzdného meniča BG1.2 (3). Alternatívne je možné brzdu ovládať pomocou usmerňovača radu BM. Obr Svorková skriňa motoru DV132S4 25

26 Motor ďalej obsahuje konektor ASK1, cez ktorý môžeme motor pripojiť k okolitým perifériám. Obr Motor DV132S4 s konektorom ASK1 Konektor je pripojený jednostrmeňovým upevnením na svorkovú skriňu a je už z výroby kompletne zapojený vrátane doplnkových vývodov ako napr. pre brzdový usmerňovač. Pohony s týmto konektorom sú certifikované podľa špecifikácie ECOFAST. Okrem týchto konektorov obsahuje aj niekoľko snímačov, potrebných pre správnu funkciu motora. Snímanie teploty je realizované pomocou termostatu. Ak teplota vo vinutí presiahne maximálnu možnú hranicu termostat vypína obvod. Ďalším snímačom je resolver AV1H (snímač HIPERFACE), ktorý sa používa na presné meranie polohy rotora. Snímač dodáva informáciu o polohe prostredníctvom rozhrania RS485 alebo sin a cos signálov. Bližšie oboznámenie s novými technológiami v tejto oblasti nám objasní porovnanie kladov a záporov jednej a druhej konštrukcie. Firma SEW vyvinula a vyrába od roku 2003 aj asynchrónne motory s medeným rotorom. Typ DV132S4 je motor s hliníkovým rotorom. Použitím rotoru s meďou (odlievaná do ocelového jadra rotoru) získavame vyššiu účinnosť. Na základe tejto zmeny sa modifikuje aj oblasť statora. Tieto zmeny majú okrem zvyšovania účinnosti aj iné prednosti. Udržuje krútiaci moment na kritickej hodnote ako aj hodnotu rozbehového momentu. Porovnanie týchto motorov je obzvlášť zaujímavé. Pre porovnanie sú použité motory 1,1 a 5,5 kw. Výhodou medenej konštrukcie je lepšia vodivosť, v dôsledku čoho môžeme zmenšiť rotor. Následne sa nám zmenší aj stator, teda veľkosť celého motora. Hliníková klietka sa vytvára ľahšie, je menej nákladná v dôsledku nižšieho bodu tavenia ako pri medenom odliatku. Vo všeobecnosti však platí: To čo ušetríme pri výrobe hliníkového motora to pri medenom motore ušetríme na oceľovej konštrukcii a prevádzke. [12] 26

27 50Hz 60Hz Motory s medeným rotorom η [%] cosϕ [-] η [%] cosϕ [-] DTE90S4 1,1 kw 82,8 % 0,79 84,1 % 0,8 DVE132S4 5,5 kw 88,1 % 0,83 89,7 % 0,84 Motory s hliníkovým rotorom DT90S4 1,1 kw 75,7 % 0,77 77,4 % 0,78 DV132S4 5,5 kw 84,8 % 0,83 86,6 % 0,84 Tab Porovnanie asynchrónnych motorov Ako vlastne dosahujú väčšiu účinnosť? Je to jednoduché. Keďže meď má menšie straty ako hliník a konštrukcia je menšia, dosahujeme to, že straty na rotore, statore a vo vzduchovej medzere sú menšie. Rozdiel strát jednotlivých motorov je uvedený v grafe 2.1. Graf 2.1. Straty na motoroch s hliníkovým a medeným rotorom Pretože technológia je pomerne nová a motory majú dlhú životnosť nie je ľahké určiť zmenu spoľahlivosti v porovnaní s predchádzajúcimi typmi. Dá sa však predpokladať že budú mať dlhšiu životnosť na základe: - vysokej pevnosti mede - nižšie teplotné rozdiely počas prevádzky - pozitívny vplyv medenej kostry na oceľovú konštrukciu Od roku 2005 sa do obehu dostalo nad kusov motorov s medeným rotorom. 27

28 Obr Ilustrácia kotvy nakrátko Ilustrácia kotvy nakrátko, so stúpaním 1. Hriadeľ, 2. Klietka, 3. Výstuha (zobrazená len časť), 4. Fixovacie drážky Tyče majú na prvom obrázku axiálnu odchýlku 0 (axiálne), ale pre lepšiu šumovú charakteristiku točivého poľa sa v súčasnosti mierne stáčajú (cca. 5, zhruba ako na vrtáku), viď druhý obrázok. Toto tiež uľahčuje výrobu, pretože tyče netreba nalisovať, pretože výstuže majú väčšie diery. Tyče stačí voľne nasunúť a skrútením sa zafixujú. Potom sa skrútená vystužená klietka za pomoci lisu navlečie na hriadeľ. Pre názornú ukážku typového štítku asynchrónneho motora uvádzam 11kW motor aj s jeho základnými parametrami na obr A však v laboratóriu sa bude nachádzať vyššie uvedený typ, ktorého štítok sa mi nepodarilo obstarať. Obr Štítok 11kW ASM Použitie Asynchrónne stroje sa využívajú hlavne ako pohonné motory v priemyselnej výrobe. Ďalej sú to takmer všetky motory pre jednofázovú sieť, teda elektrické pohony domácich spotrebičov (chladnička, práčka,...). Indukčné stroje v generátorickej prevádzke sa používajú ako generátory vo veterných elektrárňach. 28

29 2.2.1 Meranie na asynchrónnom motore Na tomto motore od firmy SEW sa dá vykonávať veľa druhov meraní ale mi sa budeme v nasledujúcich častiach venovať len pár meraniam popísaných stručne. [2] a) Meranie odporu vinutí Meranie robíme V-A metódou jednosmerným prúdom v studenom stave, pritom rotor musí byť v pokoji. Ak nie je možné odmerať teplotu vinutia, považuje sa za rovnakú ako teplota okolia. Schéma zapojenia ja na obr. Prúd pri meraní musí byť zvolený tak, aby sa vinutie počas merania nezohrialo. Spravidla býva (0,1 0,2)I N. Meranie urobíme pri minimálne troch rôznych hodnotách prúdu a z vypočítaných hodnôt stanovíme strednú hodnotu pre každú fázu. Obr Schéma zapojenia na meranie odporu vinutia V strojoch, kde sú vyvedené začiatky a konce vinutí jednotlivých fáz, meriame každú fázu zvlášť (obr. 2.18). V niektorých prípadoch (tam kde je stroj len na jedno napätie) je spojenie vinutí do hviezdy, alebo do trojuholníka urobené natrvalo a na svorkovnici sú vyvedené len tri vývody. V týchto strojoch meriame odpor medzi svorkami a odporom jednotlivých fáz počítame. b) Meranie naprázdno Účelom merania naprázdno je zistiť prúd naprázdno, straty v železe, straty mechanické a určiť prvky priečnej vetvy náhradnej schémy X µ a R Fe. Chodom naprázdno asynchrónneho motora rozumieme ustálený chod pri napájaní statorového vinutia U sn a f sn a rotor je spojený nakrátko. Motor sa točí samotný, bez zaťaženia, takmer synchrónnou rýchlosťou. Pri meraní naprázdno je stator napájaný súmerným regulovateľným napätím so stálym kmitočtom. Pred vlastným meraním sa určitú dobu zabeháva, aby sa ustálili straty v ložiskách. 29

30 Po rozbehu odoberá motor zo siete len malý príkon P 0, ktorý sa spotrebuje na krytie strát naprázdno P 0 (straty v železe P Fe a straty mechanické P mech ) a strát vo vinutí statora P js0, spôsobených prúdom naprázdno I 0. Obr Meranie naprázdno asynchrónneho motora Výsledky skúšky naprázdno sa spracujú graficky ako tzv. charakteristiky naprázdno (obr. 2.20). cosφ 0 [-] P 0 P 0 [W] I 0 [A] cos I 0 P 0 [W] I 0 P 0 P 0 P 0 P 0 = P Fe + P mech P 0N P Fe P FeN P mech cosφ 0 P mech P mech U min U N U 0 [V] U 2 [V 2 ] Obr Charakteristika naprázdno ASM Obr Straty naprázdno c) Meranie nakrátko Účelom merania nakrátko je zistiť prúd nakrátko, straty nakrátko, účinník nakrátko a prvky pozdĺžnej vetvy náhradnej schémy R a X σ. Stavom nakrátko asynchrónneho motora rozumieme ustálený stav pomerov v statorovom vinutí, ak je rotor spojený nakrátko a zabrzdený. Prechodový stav nakrátko vzniká aj pri pripojení motora nakrátko k sieti pri spúšťaní. Preto z výsledkov skúšky nakrátko môžeme zistiť hodnoty charakteristické pri spúšťaní, t.j. ustálené hodnoty záberového prúdu a záberového momentu. 30

31 Pri skúške nakrátko neodoberáme ani nedodávame žiadnu mechanickú energiu, takže celý príkon odoberaný zo siete sa spotrebuje na krytie strát, ktoré sa v stroji premenia na teplo. Výsledky meranie nakrátko sa spracujú grafy ako tzv. charakteristiky nakrátko (obr. 2.22). cosφ k [-] P k I k [W][A] I k I N I k P k cosφ k I k [A] I k I kn P jrk P kn U k U k [V] Obr Charakteristika nakrátko ASM Obr Určenie prúdu I kn vzhľadom na sýtenie d) Zaťažovacia skúška Pracovné (zaťažovacie) charakteristiky asynchrónneho stroja vyjadrujú závislosť rôznych veličín (príkonu, prúdu, sklzu, účinnosti, účinníka) od výkonu pri konštantnom statorovom napájacom napätí a kmitočte. Určuje sa postupnou zmenou záťaže stroja v medziach od určitého preťaženia (asi 1,5 P N ) až do chodu naprázdno. Pred začiatkom merania charakteristiky sa odporúča motor dôkladne prehriať pri 75% menovitého zaťaženia, aby sa teplota vinutia statora a rotora ustálila. Aby sa tieto teploty udržiavali na rovnakej úrovni, je účelné urobiť skúšku od vyššieho zaťaženia k nižšiemu a nie naopak. Skúšané motory stredných a malých veľkostí zaťažujeme obvykle elektrickým dynamometrom alebo brzdou, veľké asynchrónne motory dynamom, synchrónnym alebo asynchrónnym generátorom. Schéma zapojenia je na obr U k x U U N U k [V] Obr Schéma zapojenia pri zaťažovacej skúške asynchrónneho motora 31

32 I [A] P p [W] U = konšt. = U N P p I cosφ [-] η, s [%] cosφ s(n) η Obr Pracovné (zaťažovacie) charaktristiky ASM P = Mω [W] e) Meranie mechanickej (momentovej) charakteristiky Mechanická (momentová) charakteristika udáva závislosť elektromagnetického momentu točivého poľa od sklzu s, alebo od otáčok n. Skutočný moment na hriadeli je v motoroch menší o moment vlastných mechanických strát a o časť prídavných strát. Tvar týchto charakteristík závisí jednak od druhu použitej klietky nakrátko i od správnej technológie výroby celého rotora. V motoroch s krúžkovým rotorom závisí aj od veľkosti odporu spúšťača. Momentovú charakteristiku môžeme experimentálne zistiť dvoma spôsobmi: 1) Staticky zmenou brzdného momentu M b pri M a = 0. 2) Dynamicky zmenou zrýchľujúceho momentu M a pri M b = 0. Presnosť merania je ovplyvnená nepresnosťou pri prepočítaní nameraných veličín na U sn, zmenou odporu vinutia oteplením a krátkou dobou, v ktorej sa musí meranie uskutočniť. Obr Mechanická (momentová) charakteristika ASM 32

33 2.3 Synchrónny motor Točivé magnetické pole pôsobí na magnetku tak, že sa magnetka vo vnútri statora otáča. Máme trojfázový prúd o kmitočte 50 Hz. V dôsledku toho točivé magnetické pole vykoná 50 otáčok za sekundu. Rovnakou rýchlosťou sa teda bude otáčať i magnetka. Pripusťme, že magnetka predstavuje rotor, potom ale jeho pohybovú energiu môžeme využiť k pohonu iných zariadení. Vznikne tak motor, ktorého rotor sa bude otáčať zhodne alebo synchrónne s točivým magnetickým poľom. Takéto motory sa nazývajú motory synchrónne, a keďže sú napájané trojfázovým prúdom, ide teda o trojfázové synchrónne motory. Nové typy majú niekoľko predností pomocou ktorých sa líšia od starých: - Spoľahlivé a hospodárne - Mimoriadne malý moment zotrvačnosti - Veľký rozsah krútiacich momentov - Veľká preťažiteľnosť - Malé straty Obr Synchrónny motor od firmy SEW Typový rad DS/CM Synchrónne servomotory sú ideálne práve pre vysokodynamické aplikácie. Nový typový rad motorov CM má tri konštrukčné veľkosti, v každej veľkosti tri dĺžky a pokrýva rozsah statických krútiacich momentov Nm. Motor má vysokoenergetické magnety NdFeB a ponúka ako štandardnú vlastnosť veľkú preťažiteľnosť - prúd pri zastavenom motore až 400 %. Servomotor CM má novú konštrukciu magnetického obvodu a vďaka tomu má veľmi kompaktný tvar a veľkú hustotu výkonu. Typový rad DS s tromi dĺžkami dopĺňa oblasť malých statických krútiacich momentov Nm. Zrýchľovacie momenty motorov 33

34 pri všetkých veľkostiach sú trojnásobné až štvornásobné v porovnaní s nominálnymi momentmi. Motory sú štandardne vybavené tepelnou ochranou a spätnou väzbou pomocou resolvéra (vysielač uhlového natočenia) na riadenie motora. Technické údaje Statický moment [Nm] Trieda otáčok [min 1 ] Moment zotrvačnosti [kgcm 2 ] Motor Brzdový motor , , Tab Technické údaje Typové označenie synchrónneho motora pre laboratórium od firmy SEW: CFM 90L / BR / TF / AS1H Doplnok motora Snímač HIPERFACE Doplnok motora Snímač teploty Doplnok motora brzda Konštrukčná veľkosť 90L Prírubový motor Pri použití vysokoenergického materiálu NdFeB môžeme navrhnúť motor s malým priemerom. Z tohoto dôvodu a majú tieto motory nízky moment zotrvačnosti. Stabilita magnetického materiálu a dizajn magnetického poľa navzdory demagnetizácii dovolí preťaženie motora až do štvornásobku menovitého prúdu. Toto má za následok zvýšenie rýchlosti na maximum a nízku dobu zotrvačnosti trojfázového AC pohonu. Prostredníctvom budenia trvalými magnetmi vznikajú v rotore zanedbateľne malé teplotné (Jouleove) straty. V trojfázovom AC servomotore, sa objavujú Jouleove straty len v oblasti statora, ktoré môžeme prostredníctvom krytu odviesť do okolia. Tieto priaznivé chladiace podmienky dovolia vysoký objem vinutia. Pretože sa celé tepeľné straty sa odvádzajú krytom, je možné tieto motory riešiť ako odolné voči vniku vody a prachu (IP 54 alebo IP 65) pri nízkych nákladoch. 34

35 Dynamická výkonnosť a presnosť umožňuje využívať tieto motory vo všetkých oblastiach priemyslu. SEW-EURODRIVE poskytuje ideálnych predstaviteľov pre takéto prevádzky: Spoľahlivé a hospodárne servomotory série DS/CM. Tieto motory sa chladia prostredníctvom krytu vedením a sálaním; majú široké rozpätie krútiaceho momentu od 1 Nm k 68 Nm s vrcholovou prevádzkovou hodnotou 238 Nm. Tieto servomotory majú vysokú preťažiteľnosť a pokrývajú takmer celý rozsah výkonov. SEW-EURODRIVE vyvíja a vyrába niekoľko rozdielnych kombinácií a inštalácií v oblasti servo aplikácií. DS/CM synchrónne servomotory môžeme priamo pripojiť ku stroju alebo môžu byť integrované ako priame prevodové motory spojené s prevodovou jednotkou. Prevodová jednotka v štandardnom a redukčnom prevedení môže byť inštalovaná ako planetárna servo prevodová jednotka a uhlová servo prevodová jednotka tá môže byť pripojená priamo k motoru, t.z. bez adaptéru. Motor má možnosť inštalovať 24V prídržnú brzdu pre DS sériu alebo výkonnú servo brzdu pre CM sériu. Špeciálny dizajn využíva štandardne spätnú väzbu s 2-pólovým resolverom ako aj inštaláciu úplného sériového a paralelného snímača s HIPERFACE rozhraním. Špeciálne pracujúca brzda CM série dosahuje vysoký krútiaci moment a predstavuje optimálne riešenie aplikácie, napríklad vo výťahoch. Ďalšia výhoda je použitie HIPERFACE snímača. Jeho "elektronický identifikátor" poskytuje automaticky všetky informácie o pohone pri rozbehu a v prípade požiadavky na obsluhu. DS/CM synchrónny servomotor pre veľmi rýchle aplikácie: Synchrónne servomotory sa v súčasnosti prednostne využívajú v oblasti veľmi rýchlych aplikácií. Motor CM série je vyrábaný v troch veľkostiach s troma dĺžkami pre každú veľkosť; tieto vytvárajú moment v rozpätí od Nm statického momentu. Tieto motory sú vybavené s vysoko-energickými magnetmi NdFeB, ktoré umožňujú preťaženie nad 400 % menovitého prúdu. Moderná technológia magnetických obvodov umožňuje zvýšiť presnosť polohovania, plynulosť rotácie a krátku dobu zastavenia. Všetky motory sú vybavené termálnym snímačom na ochranu motora a snímačom polohy pre riadenie motora. V tejto kapitole sa nebudeme venovať meraniu motora. Princíp merania je podobný ako u asynchrónneho motora. 35

36 2.4 Štvorkvadrantový menič Medzi základné požiadavky jednosmerného pohonu patrí možnosť jeho regulácie. Otáčky motora je možné riadiť zmenou odporu v obvode kotvy zapojením prídavného odporu, zmenou magnetického toku vplyvom zmeny budiaceho prúdu (táto možnosť sa vylučuje použitím motora s pernamentnými magnetmi) alebo zmenou svorkového napätia. Zmenu svorkového napätia umožňujú polovodičové meniče. Práve zmenou napätia sa dosahuje vysoká účinnosť regulácie a malé straty. Konštrukcia výkonových meničov za posledné desaťročie prekonala výrazné zmeny. Do výroby sa začali nasadzovať priemyselné roboty. Tieto roboty vzhľadom na svoj charakter činnosti, vyžadujú také pohony, ktoré sú schopné zabezpečiť čo najvyššiu dynamiku. Preto sú roboty osadzované jednosmernými motormi a motormi špeciálnej konštrukcie, s veľmi nízkym momentom zotrvačnosti. Jednosmerné motory sa vyznačujú jednoduchou riaditeľnosťou otáčok a spoľahlivosťou. V spojení s meničom musia umožniť plynulú zmenu otáčok, prípadne reverzácie, zmenou svorkového napätia. Túto zmenu umožňujú napäťové meniče. Vďaka tranzistorovej štruktúre a použitiu vhodnej spínacej modulácii dosahujú veľmi dobrú účinnosť a riaditeľnosť. [4] Obr Štvorkvadrantový menič Moderné elektrické pohony spolu s meničom musia pracovať vo všetkých štyroch kvadrantoch charakteristík moment - otáčky. Štvorkvadrantový menič (obr. 2.28) umožňuje jednoduché riadenie jednosmerných motorov. Šírkovou impulznou moduláciou (PWM) mení efektívnu hodnotu výstupného napätia. Jeho jednoduchá konštrukcia zapojená do plného mostu (H - Bridge) umožňuje meniť veľkosť, smer otáčok a brzdenie. 36

37 Obr Priebehy napätia a prúdu na motore z 4Q meniča Spínaním tranzistorov T1 až T4 sa na kotvu motora prichádzajú impulzy s premenlivou polaritou. Ich dĺžka je riadená riadiacimi signálmi. Závisí od a, ktoré nadobúda hodnotu 0 až 1. Pre hodnotu striedy 1:1 (50% na 50%) je stredná hodnota napätia U str na kotve motora rovná nule. Otvorením tranzistora T1 a T4 začne tiecť prúd v smere prerušovanej čiary (obr. 2.28). Ich vypnutím sa prúd začne uzatvárať nulovými diódami D3, D2 (pre odvedenie energie nahromadenej v indukčnosti záťaže). V ďalšom intervale vedú tranzistory T2, T3 a zmena polarity výstupného napätia U mot sa zmení. Po ich vypnutí sa prúd začne uzatvárať nulovými diódami D1, D4. Tento dej sa cyklicky opakuje. Medzi zopnutím jednej dvojice tranzistorov T1, T4 a T2, T3 je ochranná doba tzv. dead time (približne 1ms), ktorá nám vylúči súčasné zopnutie všetkých štyroch tranzistorov, čo by malo za následok mikroskrat. Tento spôsob riadenia sa používa u pohonov s malým výkonom. Jej prednosťou je jednoduchá realizácia riadiaceho systému a neexistuje zóna necitlivosti. Privedené napätie na kotvu má však premenlivé znamienko, čo môže v niektorých prípadoch spôsobovať pulzovanie momentu motora. Okrem toho vznikajú tepelné straty v železe i medi, lebo pri striede 1:1 je efektívna hodnota prúdu nenulová. Bloková štruktúra meniča je znázornená na obr

38 Obr Bloková štruktúra meniča Menič je napájaný zo zdroja jednosmerného napätia 24V a prúdová zaťažiteľnosť je požadovaná desiatky ampérov. Celá konštrukcia je rozdelená do funkčných blokov. Skladá sa zo štvorkvadrantového meniča zapojeného do plného mostu, ktorým napájame jednosmerný motor s pernamentnými magnetmi. Výkonové tranzistory budíme budičom MOS FET. Budič je navyše vybavený vstupom ochrany, ktorý ma za úlohu blokovať riadiace signály v prípade prekročenia maximálneho prúdu. Blok napájania stabilizuje jednotlivé napätia pre napájanie jednotlivých blokov a zároveň oddeľuje digitálnu zem od analógovej. V prípade aktívneho brzdenia, alebo rýchlej reverzácie otáčok motora dochádza k rekuperácii energie spätne do napájacieho zdroja. To spôsobuje neželané zvýšenie napätia na kondenzátoroch zdroja napájania. Z tohto dôvodu je menič vybavený brzdiacim odporníkom. Z mostíka snímame prúdy, napätia a prechody nulou, ktoré sú potrebné pre spätné slučky regulácie. Všetky vstupné a výstupné signály sú vyvedené na spoločnú zbernicu UNI_3. Ňou je menič prepojený s DSP (digitálny signálový procesor). 38