1

Základy elektrických pohonů,oteplování,ochlazování motorů

Jan Dudek únor 2007

Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II

Elektrický pohonDefinice (dle ČSN 34 5170): Elektrický pohon (EP) je zařízení pro elektromechanickou přeměnu energie (včetně řízení této přeměny), které sloužík tomu, aby předepsaným způsobem uvedlo poháněný pracovní mechanismus nebo zpracovávanou látku do požadovaného pohybového stavu.

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).

Druhy elektrických pohonů

Elektrické pohony

netočivý pohon

(např. lineární)

Podle druhu pohybu

točivý pohon

Podle druhu řízení

ovládaný pohon

regulovaný pohon (regulátor se zpětnou vazbou)

Podle druhu použitého elektromotoru

stejnosměrný pohon(se stejnosměrným motorem, DC-drive)

střídavý pohon( s hnacím střídavým elektromotorem, AC-drive)

pohon s krokovým motorem(uvedení názvu druhu elektromotoru)

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 ≤ 0,75normální rozběh 0,75 < m ≤ 1,5těžký 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 pohonuPohánění ( tok mechanické energie je od motoru k pracovnímu mechanismu) motor pracuje v motorickém režimu

Brždění ( tok mechanické energie je od pracovnímu mechanismu k motoru), motor pracuje buď v brzdném nebo v generátorickém režimu

4

Pohybová rovnice Pohybová rovnice pro konstantní moment setrvačnosti Jcelk:

MMOT – MPM = MD

MMOT – moment motoru

MPM – moment prac. mechanismu

MD - dynamický moment, projevuje se při urychlování nebo

zpomalování soustavy

MD = Jcelk * ε

MD – dynamický (též akcelerační) moment

Jcelk – celkový moment setrvačnosti (součet všech momentů

setrvačnosti, jedná se o setrvačné rotující hmoty), kdysi

nazývaný GD2

ε - úhlové zrychlení – jedná se o změnu úhlové rychlosti δΩ/δ t

Momentová rovnováha• Momentová rovnováha u elektrického pohonu nastane tehdy pokud

moment poháněcího motoru je shodný s momentem poháněného mechanizmu, to znamená, že pohon běží ustálenou, tj. konstantní rychlostí.

Platí tedy: MMOT = MPM ; MD = 0, ε = 0Je-li dynamický moment nulový, je rychlost konstantní.

• V přechodových dějích tj. např. při rozběhu, brzdění nenídynamický moment nulový. Je-li dynamický moment kladný, docházík akceleraci, při opačném tj. záporném MD dochází k deceleraci.

Platí tedy: MMOT ≠ MPM ; MD ≠ 0, ε ≠ 0

Při MD > 0 je ε > 0 proto Ω(t) roste

Při MD < 0 je ε < 0 proto Ω(t) klesá

5

Základní momentové charakteristiky

pracovních mechanismůVýtahová charakteristika – zdvihací mechanismy, těžní stroje, výtahy

Při změně smyslu otáčení se mění smysl výkonu – možný přechod do generátorického režimu (IV. Kvadrant)

Základní momentové charakteristiky

pracovních mechanismů

Hoblovková charakteristika - šoupátka, ventily, pojezdy bagrů, pohony mlýnů, hoblovek

Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu – tzv. reakční zatížení (III. Kvadrant)

6

Základní momentové charakteristiky

pracovních mechanismůKalandrová charakteristika - kalandr, papírenský stroj, textilní stroj

Při změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant)

Ventilátorová charakteristika - ventilátory, čerpadla, lodní šroubyPři změně smyslu otáčení se nemění smysl výkonu - (III. Kvadrant)

Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů

7

Základní momentové charakteristiky

pracovních mechanismů

Navíječková charakteristika – navíječky pásů, plechů s konstantním tahem v pásu a navíjecí rychlostí

Hyperbolický průběh zatěžovacího momentu, konstantní výkon

Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů

Zatížení závislé na úhlovém natočení kompresor (vlevo) a lis (vpravo)

8

Podle časového průběhu zatížení rozlišujeme 3 typy:• časově proměnné zatížení (mlýn, důlní kombajn)• periodické zatížení (výtahy, lisy)• nepravidelné zatížení (trakce, ruční nářadí)

Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů

Vlevo průběh periodického zatížení, vpravo průběh nepravidelného zatížení

Základní momentové charakteristiky pracovních mechanismů

9

Převodové mechanismyPožaduje-li PM jiné trvale otáčky než motor, vkládá se

mezi motor a PM převod. Rozsahy otáček motorů bývají 750-3000 min-1

Pro analýzu nutno provést přepočet statických a dynamických momentů na hřídel motoru

Převodové mechanismy

10

Přepočet kroutících momentů a momentůsetrvačnosti – ideální převodovka

pm

motp n

ni =Převodový poměr:

Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu

p

pm/pm i

MM =

2p

pm/pm i

JJ =

pm/m iMM ⋅=

2ppm

/m iJJ ⋅=

Tok energie z motoru do prac. mechanismu (I.,III. kvadrant)

Přepočet krouticích momentů a momentůsetrvačnosti – reálná převodovka

Převodový poměr:

Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu

pm

motp n

ni =

pp

pm/pm η⋅

=iM

M

p2p

pm/pm η⋅

=iJ

J

ppm/m η⋅⋅= iMM

p2ppm

/m η⋅⋅= iJJ

11

Přepočet krouticích momentů a momentůsetrvačnosti – reálná převodovka

Tok energie z prac. mechanismu do motoru (brzdný/ generátorický režim), II,IV. kvadrant

Převodový poměr:

Přepočet momentu prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu setrvačnosti prac. mechanismu na hřídel motoru:

Přepočet momentu motoru a momentu setrvačnosti na stranu hřídele prac. mechanismu p

2ppm/

m ηiJ

J⋅

=

p

pm/m η

iMM

⋅=

p2p

pm/pm η⋅=

iJ

J

pp

pm/pm η⋅=

iM

M

pm

motp n

ni =

Stabilita neregulovaného elektrického pohonu

• Stabilitou elektrického pohonu rozumíme schopnost pohonu vrátit se do výchozího pracovního bodu v případě, že dojde ke krátkodobé změně zatížení resp. momentu motoru

• matematicky toto lze interpretovat jako:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛≥⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Ω∂∂

Ω∂∂ MOTPM MM

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛≥⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

nM

nM

∂∂

∂∂ MOTPM

12

MMOT

MPM = f(Ω) = k nP (ΩP)

n,(Ω)

M 0

Pstab.

Pnestab.

Při přechodu k větší Ω

je ΔMd < 0, to vede

při MPM > MMOT ke snížení rychlosti.

Při přechodu k

menším Ω a při MPM < MMOT

se rychlost zvýší. nP (ΩP)

PMMOTd MMM −=

Mech. charakteristika AM + výtah

MMOT

MPM = f(Ω) = knP

(ΩP)

n,(Ω)

M0

.

nP

(ΩP)

PMMOTd MMM −=

Dynamický moment je malý při záběru, narůstá až do momentu zvratu pak do prac. bodu klesá

Mz

MdMPM

13

Mech. charakteristika AM + ventilátor

MMOT

MPM = f(Ω) = k.Ω 2nP

(ΩP)

n,(Ω)

M0

.

nP

(ΩP)

Dynamický moment je do momentu zvratu prakticky konstantní. U ventilátorovécharakteristiky bylo uvažováno i tření.

Mz

MPM

PMMOTd MMM −=

Md

Jednoduchý zatěžovací diagram jednoho pracovního cyklu - hoblovka

t

t

t

Ω

MMOT

PMOT

MMOT = MPM

MMOT = MPM+Ma

MMOT = MPM-Ma

ΩN

t a m

z p ě t

ROZJEZDA URYCHOVÁNÍ

PRÁCE USTÁLENOU RYCHLOSTÍ

BRZDĚNÍA ZPOMALOVÁNÍ

KLIDROZJEZD

A URYCHOVÁNÍPRÁCE USTÁLENOU

RYCHLOSTÍBRZDĚNÍ

A ZPOMALOVÁNÍ

MMOT = MPM-Ma

MMOT = MPM

MMOT = MPM+Ma

+ ideální převodovka

14

Jednoduchý zatěžovací diagram jednoho pracovního cyklu - výtah

t

t

t

Ω

MMOT

PMOT

MMOT = MPM.1/ηp

MMOT = (MPM+Ma).1/ηp

MMOT = (MPM-Ma).1/ηp

ΩN

t a m

z p ě t

ROZJEZDA URYCHOVÁNÍ

JÍZDA USTÁLENOU RYCHLOSTÍ

BRZDĚNÍA ZPOMALOVÁNÍ

KLIDROZJEZD

A URYCHOVÁNÍJÍZDA USTÁLENOU

RYCHLOSTÍBRZDĚNÍ

A ZPOMALOVÁNÍ

MMOT = (MPM-Ma). ηp

MMOT = MPM.ηp

MMOT = (MPM+Ma). ηp

+ reálná převodovka

Energetika pohonu, oteplování pohonu

Přeměna forem energie v elektrickém stroji je doprovázena ztrátami ΔP, které se dají vyjádřit účinností stroje η.

15

Převážnou část závislých ztrát tvoří Jouleovy ztráty (≈I2), z nichž vzniklé teplo

• otepluje vinutí a konstrukční části stroje - C⋅δθ (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−θamb

dQ=ΔP⋅dt =C⋅d(Δθ)+A⋅Δθ⋅dtkde dQ .... vyvinuté teplo v motoru zajednotku času dt (ztracená energie)

Oteplování a ochlazování motoru

Oteplování a ochlazování motoru

V případě odpojení stroje od napájecí sítě ( ΔP = 0) dojde k následnému ochlazovánístroje,

V případě připojení stroje k napájecí síti ( ΔP > 0) dojde k následnému oteplení stroje,

kde T2 - ochlazovací čas. konstanta stroje T2 = C/A2, konst. A2 zohledňuje chladícípoměry stojícího motoru. (u motoru s vlastním chlazením je T2 ≈ 4 . T1) Δθ0 - počátečníhodnota oteplení (t=0)

..... ochlazovací křivka motoru

16

Oteplování a ochlazování motoru

Druhy zatížení S1-S10V 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 rovněžke změnám ztrát v motoru a tím i jeho oteplení. Počet jeho možných druhůprovozu 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 60034-1 definovány jednotlivé druhy zatížení, označené S1 ÷ S10.

Druh zatížení S1 - trvalé zatíženíProvoz při konstantním zatížení, který je dostatečně dlouhý pro dosažení ustálené

teploty θmax (tz ≥ 3 T1), Označení S1 (....) - nemusí být vždy uvedeno.

Druhy zatížení S2-÷ S10U 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.

17

Druhy zatížení – S1

Trvalé zatížení - druh zatížení S1Provoz 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 S2Provoz při konstantním zatížení po stanovenou dobu, Δ tP, která je kratší, než doba nutná pro dosaženíustálené teploty. Následuje doba klidu ΔtR a odpojení dostatečnědlouhá, aby teplota stroje opět dosáhla hodnoty okolí (chladiva) s tolerancí +/- 2 K

Označení : S2 ΔtP (min.) Příklad : S2 60 min

Pt ± 2 K

18

Druhy zatížení – S3

Přerušovaný chod - druh zatížení S3Sled stejných pracovních cyklů z nichžkaždý zahrnuje dobu provozu ΔtP při konstantním zatížení a dobu klidu a odpojení ΔtR . Po dobu zatížení se nedosáhne ustáleného oteplení.

Rozběhový proud podstatněneovlivňuje oteplení.

Označení : S3 z [ % ] , kde z [ % ] 100100 ⋅=⋅+

=C

P

RP

P ΔΔΔ T

ttt

tΔ

normované hodnoty zatěžovatelů pro dobu cyklu TC = 10 minut

15 % , 25 %; 40 %; 60 %

Ostatní druhy zatížení

Přerušovaný chod s rozběhem - druh zatížení S4Přerušovaný chod s elektrickým brzděním - druh zatížení S5

Přerušované zatížení - druh zatížení S6Přerušované pravidelné zatížení s elektrickým brzděním

- druh zatížení S7Přerušované pravidelné zatížení se změnami otáček

spojenými se změnami zatížení - druh zatížení S8Nepravidelné zatížení a změny otáček - druh zatížení S9

Zatížení s nespojitými konstantními zatíženími

– druh zatížení S10

19

Základy dimenzování pohonůPři navrhování elektrických pohonů se vybírá vhodný motor

pro provoz pro konkrétní zatížení.

Maximální moment motoru musí být vyšší než maximálníuvažovaný moment v konkrétní aplikaci, motor však musívyhovovat i tepelně, tj. oteplení motoru musí být nižší nežmaximální 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 (vyšší ztráty, nutno odchladit)

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)