DOBÓR MASZYN ELEKTRYCZNYCH dr inż. Michał Michna 2

Transkrypt

1

2 DOBÓR MASZYN ELEKTRYCZNYCH dr inż. Michał Michna 2

3 Układ napędowy Żródło zasilania Przekształtnik energoelektroniczny Silnik elektryczny Sprzęgło Urządzenie napędzane Układ sterowania Dodatkowo łączniki, aparatura zabezpieczająca bezpieczniki, wyzwalacze termiczne, połączenia pędne sprzęgła i przekładnie, dławiki wygładzające, rezystory regulacyjne i rozruchowe, aparatura kontrolno pomiarowa: czujniki napięcia, prędkości i prądu, mierniki, urządzenia rozruchowe rezystory, rozruszniki, urządzenia hamujące zwalniaki, rezystory, układy regulacji napięcia dr inż. Michał Michna 3

4 Dobór maszyn Charakter sieci, do której silnik ma być przyłączony, sieć publiczna sieć wewnętrzno-zakładowa napięcie sieci z uwzględnieniem przewidywanych jego odchyleń od wartości znamionowej. Sposób ustawienia przenośny, przewoźny, ustawiony na stałe na fundamencie lub zawieszony, wbudowany do maszyny napędzanej. Warunki występujące w pomieszczeniu wilgoć, pył, gazy wybuchowe, wyziewy żrące dr inż. Michał Michna 4

5 Dobór maszyn Warunki występujące w pomieszczeniu wilgoć, pył, gazy wybuchowe, wyziewy żrące. Dane określające urządzenia napędzane rodzaj przemysłu, charakterystyki procesu technologicznego i maszyny napędzanej dr inż. Michał Michna 5

6 Dobór maszyn Charakterystyka układu napędowego przebieg obciążenia, rodzaj pracy ciągła, dorywcza, przerywana, częstość włączeń, prędkość obrotowa stała, zmienna z podaniem zakresu regulacji, warunki rozruchowe, hamowanie, zmiana kierunku wirowania dr inż. Michał Michna 6

7 Sprzęgnięcie silnika Dobór maszyn bezpośrednie z podaniem rodzaju sprzęgła, napęd pasowy czy też przekładnia zębata, wymiary wału napędowego, położenie wału. obsługa silnika, rodzaj sterowania, zabezpieczeń Ponadto przy wyborze silnika należy brać pod uwagę istniejące normy i przepisy dr inż. Michał Michna 7

8 Dobór maszyn mocy znamionowa Zainstalowanie silnika o nieodpowiednio dobranej mocy może stać się przyczyną dodatkowych strat energii, a tym samym zbędnych kosztów. moc zbyt duża praca przy małej sprawności i przy niskim współczynniku mocy. bieg jałowy duże straty, wsp. mocy nawet 0,1 moc zbyt mała częste przerw w pracy silnika na skutek odłączenia go przez urządzenia zabezpieczające przegrzanie silnika i jego uszkodzenie. moment maksymalny silnika powinien być większy od momentu maksymalnego przewidywanego obciążenia silnika dr inż. Michał Michna 8

9 Dobór maszyn prędkość obrotowa w przypadku gdy wał silnika ma być bezpośrednio sprzęgnięty z wałem maszyny napędzanej, powinna być możliwie bliska prędkości obrotowej maszyny napędzanej. Jeżeli występują trudności w dobraniu odpowiedniej prędkości obrotowej silnika ze względu na znaczną różnicę w stosunku do prędkości obrotowej maszyny napędzanej, stosuje się przekładnię zębatą lub pasową, której przełożenie ma się równać stosunkowi prędkości obrotowych silnika i maszyny napędzanej dr inż. Michał Michna 9

10 Charakterystyki mechaniczne 1. moment oporowy niezależny od prędkości wirowania (suwnice, maszyny wyciągowe, przenośniki taśmowe); 2. moment oporowy zmienny liniowo (prądnice obcowzbudne prądu stałego obciążone rezystancyjnie); 3. moment oporowy zmienny parabolicznie (pompy odśrodkowe, wentylatory, turbosprężarki, śruby okrętowe); 4. moment oporowy zmienny hiperbolicznie (urządzenia do nawijania i rozwijania taśm i wstęg, napędy trakcyjne)

11 Charakterystyki mechaniczne 1. silniki synchroniczne; 2. silniki bocznikowe prądu stałego, asynchroniczne, bocznikowe komutatorowe prądu przemiennego; 3. silniki szeregowe prądu stałego, komutatorowe prądu przemiennego

12 Silnik obcowzbudny prądu stałego.rmi iu.an I.fn R.a R d =0.rm0.rmi iu.an I.fn 3 R.a.rm0.rmi iu.an I.fn 6 R.a R d =2R a.rm i R d =5R a 2 I.an a rm G U af a I f G af R I a af 2 T L rm G U af a I f G R af a I af I

13 Silnik obcowzbudny prądu stałego 1.25.rmi iu.an I.fn R.a.rm0.rmi iu.an 1.2I.fn R.a.rm0.rmi iu.an 0.8 I.fn R.a.rm I f =1.2I fn I f =I fn I f =0.8I fn i 2 I.an

14 Silnik obcowzbudny prądu stałego 1.2.rmi iu.an I.fn R.a.rm0.rmi i1.2u.an I.fn R.a.rm0.rmi i0.8u.an I.fn R.a.rm U a =0.8U an U a =U an U a =1.2U an i 2 I.an

15 Silnik obcowzbudny prądu stałego 1 1.rmi iu.an I.fn R.a 0.9.rm0 0.8.rmi iu.an I.fn R.d1.rm2.rm0 0.7.rm0.rmi iu.an I.fn R.d2 0.6.rm0 0.5.rm3.rm0.rmi iu.an I.fn R.d3.rm rm4.rm I n I min I max i 2 I.an

16 Silnik asynchroniczny Metody sterowania prędkością silnika asynchronicznego Klasyczne Skalarne Wektorowe Zmiana rezystancji sterowanie U/f z zadawaniem napięcia orientacja względem wektora pola n 60 f 1 p s Zmiana par biegunów sterowanie U/f z zadawaniem prądu bezpośrednie sterowanie momentem sterowanie nieliniowe dr inż. Michał Michna 19

17 Silnik asynchroniczny klatkowy T.em U.sn 0 f.n T.em 0.75U.sn 0 f.n T.em 0.5 U.sn 0 f.n T.em 0.25U.sn 0 f.n I.m1 U.sn 0 f.n I.n I.m1 0.75U.sn 0 f.n I.n I.m1 0.5 U.sn 0 f.n I.n I.m1 0.25U.sn 0 f.n I.n sn zmiana napięcia U s

18 Silnik asynchroniczny pierścieniowy T.em U.sn 0 f.n 3 6 I.m1 U.sn 0 f.n I.n T.em U.sn R.r f.n I.m1 U.sn R.r f.n T.em U.sn 2R.r f.n T.em U.sn 4R.r f.n 2 4 I.n I.m1 U.sn 2R.r f.n I.n I.m1 U.sn 4R.r f.n 1 2 I.n sn zmiana rezystancji R d

19 Silnik asynchroniczny klatkowy U.sn T.em slip 0 3 T.em slipu.sn U.sn I.m1 slip 0 3 I.n I.m1 slipu.sn 0 I.n slip rozruch gwiazda-trójkąt 0.999

20 Silnik asynchroniczny klatkowy T.em U.sn 0 f.n T.em U.sn 0 0.9f.n T.em U.sn 0 0.8f.n T.em U.sn 0 0.7f.n I.m1 U.sn 0 f.n I.n I.m1 U.sn 0 0.9f.n I.n I.m1 U.sn 0 0.8f.n I.n I.m1 U.sn 0 0.7f.n I.n sn zmiana częstotliwości f s

21 Silnik asynchroniczny klatkowy Zmiana czêstotliw oœci i napiêcia zasilnia przy zachow aniu U/f=const T.em U.sn 0 f.n 3 6 I.m1 U.sn 0 f.n T.em U.sn f.n I.n I.m1 0.9U.sn 0 0.9f.n T.em U.sn f.n T.em U.sn f.n 2 4 I.n I.m1 0.8U.sn 0 0.8f.n I.n I.m1 0.5U.sn 0 0.5f.n I.n sn zmiana częstotliwości U s /f s =const

22 Silnik asynchroniczny klatkowy Regulacja prêdkoœæi silnika indukcyjnego T.em 0.25U.sn f.n T.em 0.5U.sn 0 0.5f.n T.em 0.75U.sn f.n T.em U.sn 0 f.n 3 T.em U.sn f.n T.em U.sn 0 1.5f.n 2 T.em U.sn f.n T.em U.sn 0 2f.n sn dr inż. Michał Michna 25

23 Silnik asynchroniczny klatkowy dr inż. Michał Michna 27

24 Silnik asynchroniczny klatkowy dr inż. Michał Michna 28

25 Projektowanie systemów EM dr inż. Michał Michna

26 ROZWÓJ MASZYN ELEKTRYCZNYCH dr inż. Michał Michna 30

27 Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. - Techn., Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002 Gieras J.F: Advancements in Electric Machines. Springer-Verlag Gmbh 2008 Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of Rotating Electrical Machines, Wiley dr inż. Michał Michna 31

28 Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Inżynieria materiałowa Nowe zastosowania Energoelektroniki i metody sterowania dr inż. Michał Michna 32

29 Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Wymagania środowiskowe/polityczne ochrona środowiska, oszczędzanie energii Duże projekty naukowe MEA, HEV/EV, ogniwa paliwowe, budynki inteligentne, bioinżynieria dr inż. Michał Michna 33

30 Maszyny wysokoobrotowe Rozwój maszyn elektrycznych dr inż. Michał Michna 34

31 Napięcie stałe (DC) Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego Napięcie stałe (DC) Silnik synchroniczny Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik asynchroniczny/indukcyjny 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie prostokątne Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik synchroniczny reluktancyjny Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik bezszczotkowy prądu stałego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik bezszczotkowy prądu przemiennego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik o przełączanej reluktancji z komutatorem elektronicznym dr inż. Michał Michna 35

32 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy dr inż. Michał Michna 36

33 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy dr inż. Michał Michna 37

34 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Wady Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania dr inż. Michał Michna 38

35 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Wady Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania dr inż. Michał Michna 39

36 Silnik bezszczotkowy z MT Silniki z magnesami trwałymi Komutatorowe silniki prądu stałego Silniki bezszczotkowe Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki prądu stałego Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego dr inż. Michał Michna 40

37 Silnik bezszczotkowy z MT dr inż. Michał Michna 41

38 Silnik bezszczotkowy z MT R 40 R 40 R dr inż. Michał Michna 42

39 Silnik bezszczotkowy z MT mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja remanencji prosta konstrukcja silnika mała moc obwodów twornika magnesy nie są zabezpieczone przed odmagnesowaniem indukcja w szczelinie może być większa od indukcji remanencji konstrukcja stosunkowo złożona duża moc obwodów twornika, droższy przekształtnik magnesy są zabezpieczone przed odmagnesowaniem dr inż. Michał Michna 43

40 Silnik bezszczotkowy z MT mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT mała odporność na działanie sił odśrodkowych prądy wirowe w magnesach trwałych ograniczone możliwości pracy w stanie odwzbudzenia odporność na działanie sił odśrodkowych brak prądów wirowych w magnesach trwałych możliwość pracy przy osłabionym polu wzbudzenia stosunkowo prosta możliwość kształtowania rozkładu pola w szczelinie roboczej dr inż. Michał Michna 44

41 Silnik bezszczotkowy z MT IM SBMT Sprawność Średnia (70-96%) Wysoka (93-95%) wsp. mocy 0,7-0,86 >0,94 straty mocy stojan i wirnik stojan szczelina powietrzna mała, harmoniczne żłobkowe, hałas duża wsp. moc/masa średni (75W/kg) duży (160W/kg) konstrukcja wirnika prosta, wytrzymała cena niska wysoka prosta lub złożona, podatność MT na siły odśrodkowe dr inż. Michał Michna 45

42 Silnik bezszczotkowy z MT Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC dr inż. Michał Michna 46

43 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Kolejne pasma silnika SRM zasilane są ze źródła napięcia stałego w funkcji położenia wirnika Wymaga zastosowania bardzo szybkich kluczy energoelektronicznych (MOSFET, IGBT) Moment jest wytwarzany przez magnetyczne przyciąganie wirnika do elektromagnesów stojana C C B A B D A A A B D B C C dr inż. Michał Michna 47

44 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Zalety duża niezawodność niski koszt produkcji prosta budowa brak magnesów, brak uzwojeń mały moment bezwładności wirnika wyższa sprawność w porównaniu np. z silnikami indukcyjnymi dokładna regulacja prędkości obrotowej, uzyskiwana tanim kosztem przez zastosowanie układów bezczujnikowych Wady hałas akustyczny tętnienia momentu obrotowego dr inż. Michał Michna 48

45 Maszyny elektryczne dr inż. Michał Michna 49