Dobór silnika jezdnego wózka unoszącego z napędem elektrycznym

Transkrypt

1 MATCZAK Kamil 1 Dobór silnika jezdnego wózka unoszącego z napędem elektrycznym WSTĘP Wózki jezdne, widłoweznajdują szerokie zastosowanie w operacjach składowania, czynnościach przeładunkowych oraz kompletacyjnych. W obrębie magazynów zamkniętych wykorzystywane są wózki z napędem elektrycznym. Pojazdy te używane są zarówno w magazynach o wymagającej architekturze, obiektach z wąskimi korytarzami roboczymi, jak również w pracy ze standardowymi regałami paletowymi, oraz regałami o bardziej skomplikowanej konstrukcji.do kategorii wózków widłowych z napędem elektrycznym należą: wózki paletowe, podnośnikowe, unoszące. Wykorzystywane są zarówno trójkołowe, kompaktowe wózki, jak i czterokołowe, zdolne do przewożenia ładunków o znacznej wadze i gabarytach. Napęd wózków elektrycznych stanowiązwykle dwa silniki, z których pierwszy służy do napędu wózka (napęd jezdny),drugi silnik steruje układem odpowiedzialnym za podnoszenie i opuszczanie ładunku zamontowanego na widłach (napęd urządzeń) [9, 10]. Rys. 1. Przykład wózka unoszącego [14] Z uwagi na różnorodność zastosowania wózków widłowych z napędem elektrycznym różnią się one parametrami silnika. W wózkach paletowych przeznaczonych do transportu niewielkich ładunków moc silnika służącego do napędu jezdnego wynosi ok. 0,65 [kw], W wózkach kompletacyjnych ok. 2,5 [kw]. Moc stosowanych do układu podnoszenia silników waha się w granicach od 0,8 do 14,5 [kw]. Zasilanie wózka stanowi pakiet dwóch akumulatorów o napięciu od 24 [V] do 80 [V]. Udźwig wynosi od 1000 do 3000 [kg], a wysokość składowanymi nawet do 12 m [2,6, 11]. 1 Doktorant w Katedrze Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej 3110

2 1. SILNIKI ELEKTRYCZNE Starsze konstrukcje w wózków jezdnych napędzane były silnikami asynchronicznymi bądź klatkowymi. Napęd nowoczesnych konstrukcji stanowią silniki z magnesami trwałymi. Silniki typu PM (Permanent Magnet) w stosunku do indukcyjnych charakteryzują się: wyższą sprawnością w całym zakresie prędkości obrotowej, możliwością dużej przeciążalności momentem, szerokim zakresem prędkości obrotowej, mniejszymi wymiarami gabarytowymi, efektywniejszą regulacją prędkości obrotowej, większą niezawodnością ruchową [8]. Przykładowe charakterystyki obciążenia silnika indukcyjnego i z magnesami trwałymi przedstawiono na rysunku 2. Rys.2.Charakterystyki obciążenia silnika indukcyjnego i z magnesami trwałymi[15] W silnikach PMSM magnesy trwałe umieszczone są na wirniku, funkcja komutatora przejmowana jest przez sterownik silnika. Uzwojenia stojana są umieszczane w żłobkach, zaś stojan wykonany jest z pakietu blach elektromagnetycznych walcowanych na zimno, oddzielonych izolatorem. Na wirnik nakleja się magnesy stałe. Silniki z magnesami trwałymi spełniają wszystkie wymagania stawiane jednostkom napędowym wózków widłowych. Projektowane są do pracy w dwóch zakresach prędkości obrotowych. 3111

3 Rys 3. Charakterystyka elektromechaniczna silnika z dwustrefową regulacją prędkości obrotowej[4] W pierwszej strefie regulacja prędkości (rysunek 3), w zakresie od zera do prędkości znamionowej n b, silnik pracuje przy stałym stosunku napięcia zasilania do częstotliwości U 1 /f.w tej strefie regulacji prędkości moment T na wale silnika jest liniowo zależny od prądu zasilania. Jest to obszar pracy ze stałym momentem. Przy prędkości n b napięcie na zaciskach silnika U 1 osiąga wartość maksymalną U 1max. W celudalszego zwiększenia prędkości obrotowej, powyżej prędkości znamionowej n b, konieczne jest zastosowanie tzw. osłabienia strumienia magnetycznego. Osłabienie strumienia ma na celu utrzymanie stałej wartości U 1max w całym zakresie regulacji prędkości powyżej prędkości bazowej. Jest to druga strefa regulacji prędkości obrotowych zwaną strefa stałej mocy. Moc silnika P jest w tym zakresie w przybliżeniu stała, pod warunkiem zasilania go prądem I 1 o stałej wartości [4] Istnieją dwa typy maszyn bezszczotkowych: BLDC- Bruschless DC motor- sinusoidalne silniki prądu stałego dla trapezoidalnego przebiegu siły elektromotorycznej, PMSM- sinusoidalne silniki synchroniczne z magnesami trwałymi Sterowanie silnikiem synchronicznym PMSM Sterowanie w układach silników synchronicznych PMSM z magnesami trwałymi odbywa się w analogiczny sposób do maszyn indukcyjnych AC z falowników prądu lub napięcia. Na rysunku 4 przedstawiono wzorcowy przebieg SEM oraz prądów stojana [5]. Prąd w uzwojeniu każdej fazy płynie przez 1/3 okresu napięcia (120 o ) w kierunku dodatnim (zgodnym ze znakiem SEM) i przez 1/3 okresu w kierunku ujemnym. Między impulsami prądu występują przerwy po 60 o. Prostokątne sygnały prądowe pokrywają się z płaskimi odcinkami trapezoidalnej SEM. Stąd sygnały załączania odpowiednich tranzystorów powinny być związane z położeniem wirnika. Z wykresu wynika też, że w danej chwili prąd płynie jedynie przez uzwojenia dwóch faz. Zgodnie z zasadą sterowania komutacją, napięcie stałe z obwodu pośredniczącego jest podawane na kolejne fazy silnika za pomocą odpowiedniego sekwencyjnego przełączania kluczy tranzystorowych przekształtnika. Do poprawnego sterowania wykorzystuje się sygnały z czujników położenia wirnika, którymi są zazwyczaj czujniki Halla, rozmieszczone na stojanie w szczelinie magnetycznej. Układ sterowania falownikiem wybiera odpowiednie do położenia wirnika pary tranzystorów. Zasada wytwarzania momentu silnika wymaga generowania prostokątnych impulsów prądowych, przy czym zmiana wartości momentu możliwa jest dzięki regulacji amplitudy tych impulsów z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsów napięcia, tzw. MSI. Stosuje się w tym celu modulację unipolarną i bipolarną. Przebieg sił elektromotorycznych, prądów i mocy w uzwojeniach silnika PMSM przedstawiono na rysunku

4 Rys. 4. Wzorcowy przebieg sił elektromotorycznych, prądów i mocyw uzwojeniach silnika [5] 1.2. Układ sterowania silnika BLDC Rys. 5.Schemat sterowania silnika BLDC [1] System sterowania silnikiem BLDC przedstawia rysunek 5. Układ składa się z dwóch części tj. energoelektronicznego przekształtnika z modulacją szerokości impulsów oraz silnika synchronicznego o magnesach trwałych i trapezowym przebiegu siły elektromotorycznej[1]. Sterowanie realizowane jest zazwyczaj w postaci końcówki mocy, która jest oparta na tranzystorach przełączających, których ilość uzależniona jestod liczby uzwojeń stojana. Realizuje on podstawowe funkcje takie jak: zmianaprędkości obrotowej, regulacja przyspieszenia, czy też analizowanie informacji opołożeniu wirnika pochodzące ze sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne realizowane jest przy pomocy czujników pola magnetycznego (hallotronów). 3113

5 2. DOBÓR SILNIKA JEZDNEGO WÓZKA UNOSZĄCEGO 2.1. Parametry wózka unoszącego Do dalszych rozważań przyjęto wózek unoszący o długości 4,32 [m] i szerokości 0,79 [m], posiadający 2 silniki elektryczne, z których pierwszy służy do napędu wózka, zaś drugi steruje przekładnią łańcuchową odpowiedzialną za podnoszenie i opuszczanie ładunku umieszczanego na widłach. Przeznaczony jest do prac kompletacyjnych w magazynach, halach produkcyjnych i placach składowych, w środowisku o umiarkowanym działaniu korozyjnym oraz obiektach o skomplikowanej architekturze (wąskie korytarze, wysokie regały) [2, 10]. Podstawowe dane techniczne wózka zamieszczono w tabeli 1. Tab. 1.Dane techniczne wózka unoszącego poddanego symulacji obliczeniowej [3] L.p. Parametr Wartość 1 Masa całkowita wózka (z baterią) - m [kg] 2 Masa wózka bez baterii 897 [kg] 3 Masa baterii 365[kg] 4 Masa ładunku udźwig- m [kg] 5 Wysokość podnoszenia wideł 225 [mm] 6 Maksymalna prędkość jazdy z 12 [km/h]= 3,33 [m/s obciążeniem V 7 Moc sinika napędowego 2,5 [kw] 8 Moc silnika podnoszącego 1,2 [kw] 9 Napięcie baterii 24 [V] 10 Pojemność baterii 465[Ah] 11 Czas podnoszenia wideł bez 3,4 [s] obciążenia 12 Czas podnoszenia wideł z obciążeniem 5,2 [s] 2.2. Założenia Do wykonania niezbędnych podczas doboru silnika jezdnego obliczeń przyjęto następujące założenia: wysokość pojazdu h=0.98 [m], szerokość pojazdu w=0.79 [m], współczynnik oporu aerodynamicznego Cx=0.31, sprawność przekładni (silnik napędza koła przez przekładnię główną) η p =0.9, współczynnik tarcia drogi przy prędkości 0km/h przyjęto ft 0 =0.013 (pośrednia wartość między gładkim asfaltem a gładkim betonem, zakładając że ciśnienie w ogumieniu jest takie jak zaleca producenta) gęstość powietrza ρ p =1.205 [kg/m3], sprawność silnika η s =0.78, temperatura powietrza t =20 0 [C], pojazd porusza się po płaskiej drodze(kąt nachylenia drogi α=0[deg]), pominięto tzw. opór wzniesienia, pominięto straty energii w przekształtniku zasilającym silnik (straty te są pomijalne przy dobrej jakości przekształtnika w porównaniu ze stratami w silniku), nie dopuszcza się utraty stateczności tj. zablokowania kół podczas hamowania (uniemożliwia to odzysk energii) Opory ruchu[12, 13] Opór toczenia Siła oporu toczenia: 3114

6 F n =(m 1 +m 2 ) * g * ft 0 * (1+A*V 2 )=300 [N] (1) gdzie: g = 9,81 [m/s 2 ]- przyspieszenie ziemskie, A=5 * współczynnik dodatkowego oporu toczenia dla gładkiej powierzchni asfaltowej. Opór powietrza Współczynnik powierzchni czołowej: Siła oporu powietrza: A t =0.9*h*w=0.7[m 2 ] (2) F p = * ρ p * Cx* A t * V 2 = 1.45 [N] (3) Moc na kołach potrzebna do poruszania pojazdu P k =(F n +F p )*V=1004 [W] (4) Moc na wale silnika Moc pobierana przez silnik z akumulatorów P s = =1116 [W] (5) P ak = =1413 [W] (6) Pobór prądu z akumulatorów I ak = =59 [A] (7) Czas ciągłej jazdy wózka elektrycznego przy stałej prędkości V=12 [km/h] t= =7.9 [h] (8) Ilość energii niezbędna do ciągłej pracy wózka w czasie t=8 [h] (9) Czas ciągłej pracy wózka (ruchu ciągłego z prędkością 12 [km/h]) obliczono dla przyjętej w założeniach pojemności akumulatora 465 [Ah]. Niezbędna moc silnika napędu jezdnego wynosi 1413 [W]. 3. REKUPERACJA ENERGII Nowoczesne konstrukcje pojazdów z napędem elektrycznym wyposażane są w układ rekuperacji energii. Odzyskana podczas hamowania energia kinetyczna przekształcana jest w elektryczną i służy doładowywaniu akumulatorów. Oznacza to, że silnik w czasie hamowania pracuje jako prądnica. Odzysk energii następuje w bardzo krótkim czasie. Konsekwencją takiego stanu jest konieczność przyjęcia relatywnie dużego ładunku przez akumulatory. Ładowanie akumulatorów dużym prądem jest zjawiskiem wysoce niepożądanym, mającym wpływ na ich trwałość. Przełączanie silnika w tryb pracy prądnicy oraz ograniczanie prądu ładowania akumulatorów jest zadaniem odpowiednio zaprojektowanego układu sterowania silnika. Odzyskana energia może w znaczący sposób wpływać na zasięg (czas pracy) pojazdu, bez konieczności doładowywania akumulatorów. Ilość energii odzyskiwanej podczas hamowania określono wyrażeniem [7]: E o = (10) gdzie: e= p * s * f * z (11) e sumaryczne straty wywołane oporami ruchu i ograniczoną sprawnością, 3115

7 p=~0,96 straty energii wywołane ograniczoną sprawnością w przekładni, s=~ straty energii wywołane ograniczoną sprawnością w silniku, f=~0,98 - straty energii wywołane ograniczoną sprawnością w falowniku, z=~0,96 - straty energii wywołane ograniczoną sprawnością w przekształtniku zasobnika, m p -masa pojazdu, α = 1,2 - współczynnik mas wirujących. WNIOSKI E o =0.849 =13274 [J] = [kwh] (12) Wózki jezdne zwykle poruszają się po poziomych powierzchniach. Z tego powodu obliczenia wstępne mocy silnika jezdnego wykonano jedynie z uwzględnieniem oporów toczenia oraz oporów powietrza, z pominięciem tzw. oporu wzniesienia. Nie można jednak wykluczyć konieczności pokonywania przez wózek progów np. w bramach magazynów. Nie uwzględniono również przypadków, kiedy niezbędne może okazać się okresowe przeciążenie silnika. W konsekwencji wstępnie dobrany silnik nie będzie posiadał rezerwy mocy. Celowe zatem wydaje się przyjęcie większej w stosunku do obliczeniowej mocy silnika. Ostatecznie ustalono moc silnika rzędu 2,5 [kw]. Przyjęta wartość odpowiadamocy silników jezdnych w istniejących konstrukcjach. Obliczona ilość odzyskiwanej energii ma niewielką wartość. Należy jednak zauważyć, że taka ilość energii jest odzyskiwana podczas każdego hamowania. Przyjmując, że wózek wykonuje średnio 75 cykli na godzinę (cyklem nazwano dojazd wózka po załadunek, jazdę z ładunkiem do miejsca docelowego, powrót pustego wózka) oraz podczas każdego cyklu następuje kilkakrotne hamowanie, ilość odzyskanej energii jest znacząca. Streszczenie W artykule omówiono rodzaje wózków jezdnych z napędem elektrycznym. Przedstawiono nowoczesne silniki elektryczne z magnesami trwałymi. Omówiono ich budowę oraz wskazano zalety. Porównano charakterystyki obciążenia silnika indukcyjnego i z magnesami trwałymi.opisano charakterystykę elektromechaniczną silnika PM z dwustrefową regulacją prędkości obrotowej. Przedstawiono sposoby regulacji silników elektrycznych typu PMSM oraz BLDC. W oparciu o przyjęte założenia i obliczone opory ruchu dobrano wstępnie moc silnika jezdnego wózka. Oceniono krytycznie wstępnie dobrany silnik w aspekcie jego mocy. Omówiono zagadnienie odzysku energii. Określono ilość energii odzyskiwanej podczas hamowania pojazdu. Słowa kluczowe: wózki widłowe z napędem elektrycznym, silnik PMSM, silnik BLDC,odzysk energii,rekuperacja energii Motor selection of lifting trolleywith electric drive Abstract The article discussed the types of trolleys with electric drive. Modern electric motors with permanent magnets has been presented. Discussed their structure and pointed the advantages. Was compared the characteristics of an induction and permanent magnets electric motors. The characteristics of the PM electric motor with dual-zone speed control has been describes. Method of adjusting electric motors PMSM and BLDC type has been showed. Based on the assumptions and calculated rolling resistance initially the power of trolleys electric motor was selected. Preselected electric motor in terms of its power has been critical assessed. The issue of energy recovery has been discussed. Quantity of energy recovered during braking of the vehicle has been fixed. Keywords: trolleys with electric drive, PMSM electric motor, BLDC electric motor, energy recovery, energy recuperation 3116

8 BIBLIOGRAFIA 1. Domoracki A., Krykowski K., Silniki BLDC klasyczne metody sterowania. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/2005. Gliwice, Ganiec M. (praca zbiorowa), Uniwersalne i ekologiczne wózki czołowe z napędem elektrycznym. TSL Biznes 12/2010. Warszawa, Jasica G., Heinrich M., Kształtowanie jakości eksploatacyjnej wózków widłowych. Problemy Eksploatacji nr 1/2009. Radom, Kobos W., Ciącka M., Chudzik P., Trolejbusowy napęd trakcyjny z zasobnikiem superkondensatorowym. Zeszyty Problemowe- Maszyny Elektryczne Nr 2/2012. Katowice, Król E., Silniki z magnesami trwałymi oraz silniki indukcyjne czynniki obniżające sprawność. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/2008. Katowice, Stachowski R., Bochiński M., Ziętek Ł., Bielak Ł., Wielofazowy silnik bezszczotkowy do pojazdów elektrycznych. Postępy nauki i techniki nr 7, Lublin, Tarkowski P., Siemionek E., Badania parametrów ruchu wybranych wózków widłowych. Postęp Nauki i Techniki nr. 5/2012. Lublin, Wojciechowski A., Terminologia a praktyka dnia codziennego (cz. 6). Magazynowanie i transport wewnętrzny. Poznań, Zawilak T., Antal L., Porównanie silnika indukcyjnego oraz synchronicznego z magnesami trwałymi i rozruchem bezpośrednim - badania eksperymentalne. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/2007. Wrocław,