Podstawowe zależności w napędzie elektrycznym

Transkrypt

1 Podstawowe zależności w napędzie elektrycznym 1

2 Elektryczny Układ Napędowy EUN - Wprowadzenie i uproszczenia Podstawowe zależności w napędzie elektrycznym Silnik napędowy SN rozwija moment napędowy elektromagnetyczny T d (t) Obciążenie całkowite (wraz z elementami pośrednimi) wytwarza moment oporowy T l (t) Maszyna robocza MR wytwarza moment oporowy T r (t) Energia jest dostarczana ze źródła do układu napędowego zawierającego zasobniki energii, przekształtniki, rezystory, oraz do silnika Przykłady zasobników energii: cewki indukcyjne, kondensatory, akumulatory elektrochemiczne, masa, koła zamachowe i inne elementy wirujące 2

3 Napęd elektryczny - konstrukcja klasyczna (wstęp) Silnik napędowy Moment napędowy T d (t) -T l (t) sprzęgło Moment oporowy przeciwny Maszyna robocza Driving torque - GB, US Drehmoment - D Couple F Moment napędowy Pl dω(t)/dt = [T d (t) T l (t)] / J to = 0?? minus ustalono dla szczególnego przypadku dω(t)/dt = [T d (t) +T l (t)] / J to równanie ogólne Podaj równanie prędkości i przedyskutuj znak kierunku momentu oporowego 3

4 Jeżeli jest to napęd pojazdu poruszającego się w dół ze wzniesienia i ma przyspieszać to znaki momentów są zgodne (Założenie stosowane przez WK) Moment napędowy T d (t) Silnik napędowy sprzęgło +T l (t) Moment maszyny roboczej zgodny Maszyna robocza dω(t)/dt = [T d (t) +T l (t)] / J to równanie ogólne znak plus momentu oporowego - zapis uniwersalny - ułatwia obliczenia komputerowe gdy moment maszyny roboczej jest przeciwny do momentu silnika to moment oporowy ma znak ujemny 4

5 Regulowany moment napędowy - wartość i kierunek T d (t) Energia elektryczna I d (t) Prąd regulowany stan przejściowy Silnik napędowy sprzęgło T l (t) Maszyna robocza Moment oporowy (uproszczenie położenia) Najważniejsze osiągnięcie napędu elektrycznego 20/21 wieku napęd indywidualny z bardzo dokładną regulacją chwilowego prądu i momentu napędowego T d (t) w czasie milisekund w odniesieniu do wartości i kierunku dla wszystkich znanych silników elektrycznych oraz przy wysokiej sprawności energetycznej. Osiągnięcie to wpływa w sposób rewolucyjny na większość konstrukcji związanych z ruchem pełna kontrolą stanów przejściowych i ustalonych Przytocz najważniejsze osiągnięcie napędu 20/21 wieku? 5

6 Praca w stanie ustalonym charakterystyka mechaniczna ω m = f(t d ) Ruch wirowy równanie równowagi momenty T d t + T l t = 0 Ruch liniowy równanie równowagi siły F d t + F l t = 0 Opis pracy silnika (maszyny roboczej) poprzez charakterystykę mechaniczną napędu (silnika) Prędkość jako funkcja momentu m = f(t d ) ω mx ω m prędkość ω m = f(t d ) Moc wirującej maszyny P = ω mx T dx [W] ω m rad/sec, T d [N m] T dx Praca silnikowa? Moment napędowy T d Przykład charakterystyki mechanicznej W popularnych zwrotach stosuje się w dalszym ciągu n=f(t d ) przy czym n [obr/min] 6

7 Praca silnika napędowego opis w czterech ćwiartkach (kwadrantach) układu współrzędnych prędkość moment ω m = f(t d ), ( Umowa ) P d = ω m (-T d ) < 0 P d = ω m T d > 0 P d = (-ω m ) (-T d ) > 0 P d = -ω m T d < 0 7

8 ω m = f(t d ), U d napięcie indukowane w silniku prądu stałego U z > U d U z U I d d U z I d U d g1? U d =f(i d ) U z > U d U z I d U d U z I d U d U z I d U d 8

9 U z I d U d ω m U d < U z g1? ω m = f(t d ) U d > U z T d g1 to oznacza że tylko jeden kierunek prądu jest możliwy to osiąga się poprzez umieszczenie, w obwodzie głównym, diody Przekształtniki półprzewodnikowe w zasadniczy sposób wpływają na pracę silnika (napędu) 9

10 Turbina wodna Koło wodne hamowanie generatorowe silnika indukcyjnego klatkowej - pozyskiwanie energii praca ze zmienną prędkością 10

11 BOKS 1 BOKS 2 Converter Settings Alarms Menu Co się stanie jeśli prędkości przesuwu papieru pakowego nie będą właściwe jak dobierać napędy? 11

12 ω m Charakterystyka mechaniczna ω m = f(t d ) ω m0 ω mp ω mk Δω m Definicja uchybu bezwzględnego i względnego prędkości? Moment obciążenia = Moment napędowy (T d = -T l ) T d 0 T dk T dp Uchyb bezwzględny prędkości Δω m = ω mk ω mp Uchyb względny ω w = Δω m ω mw 100% = ω mk ω mp ω mw 100% ω mw wybrana prędkość odniesienia najczęściej znamionowa ω mk 12

13 Współczynnik nierównomierności prędkości ω m ω mmax ω mmin 0 t dk t dp δ n = 2(ω mmax ω mmin ) (ω mmax +ω mmin ) t Współczynnik nierównomierności prędkości? 13

14 Napędy o regulowanej prędkości zakres regulacji prędkości Z rp Precyzyjne napędy wymagają szerokiego zakresu regulacji prędkości. ω m0 ω m ω max ω min 0 T dn T d z rp = ω min ω max Przy określonym momencie T dn i współczynniku nierównomierności prędkości δ n Przykłady: 1 : 10, 1 : 100, 1:500 14

15 Napędy o regulowanej prędkości zakres regulacji prędkości Z rp Precyzyjne napędy wymagają szerokiego zakresu regulacji prędkości. ω m0 ω m ω max Duży uchyb bezwzględny niewielki zakres regulacji prędkości ω min 0 T dn T d z rp = ω min ω max Przy określonym współczynniku nierównomierności prędkości δ n Przykłady: 1 : 10, 1 : 100, 1:500 15

16 Obliczanie mocy w ruchu wirowym P d = ω m T d.w ω m rad/s T d N m n obr/min ω = 2π n/60 P = (2π n/60) T d W ω m0 ω mp ω m ω mk ω m P d = ω m T d HP km Δω m 0 T dk T dp T d T d 16

17 RODZAJE PRACY MASZYN NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM W doborze silnika napędowego należy zwrócić uwagę na rodzaj obciążenia czyli zmienność obciążenia w funkcji czasu. Jednym z kryteriów doboru silnika jest dopuszczalny przyrost temperatury. Przekroczenie dopuszczalnego przyrostu temperatury, w wyniku zbyt dużego obciążenia, zmienia parametry pracy silnika wpływając niekorzystnie na żywotność silnika. Wzrost temperatury uzwojeń, ponad projektowaną wartość, powoduje w silniku wzrost rezystancji wywołując dodatkowy przyrost spadków napięcia oraz strat cieplnych. Rysunek podaje przykład przebiegu przyrostu temperatury silnika Δ m f(t) w czasie pracy silnika ze stałą mocą. Co1 Co2 Δ m Δ mu A 1 A 2 U i u1 LFu M 0 T cm t dm t Przebieg czasowy przyrostu temperatury silnika obciążonego stałą mocą; T cm cieplna stała czasowa 17 F

18 Temperatura silnika zmienia się wzrastając wg zależności θ m = θ mu (1 e t (2.35) T cm) w której θ mu oznacza ustalony przyrost temperatury w określonych warunkach temperatury otoczenia a T cm cieplną stałą czasową Po odłączeniu obciążenia temperatura silnika maleje θ m = θ mu e t T cm (2.36) Podczas zmian mocy obciążenia przebiegi temperatury silnika są bardziej złożone. Rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje pracy silnika: pracę ciągłą, pracę dorywczą oraz pracę przerywaną. Rodzaje pracy odnoszą się do silnika jak i do aparatury układu napędowego. We współczesnym napędzie silnik jest zasilany z przekształtnika energoelektronicznego, który może stanowić odrębną konstrukcję ale też może być zintegrowany z maszyną elektryczną. Zatem zagadnienia termiczne powinny być odniesione do układu silnik elektryczny przekształtnik energoelektroniczny. Rodzaje pracy maszyn elektrycznych zapoznać się z podręcznika 18

19 Rodzaje pracy maszyn (materiał obowiązkowy) Symbole poszczególnych rodzajów pracy maszyny elektrycznej zawierają oznaczenie od S1 do S8 uzupełnione wybranymi parametrami charakteryzującymi bliżej dany rodzaj pracy. Praca ciągła S1 Praca dorywcza S2 Praca przerywana S3 S8 Praca ciągła S1 jest stanem pracy z obciążeniem o wartości stałej, trwającym co najmniej do osiągnięcia przez maszynę ustalonego przyrostu temperatury, którego zmiany temperatury nie przekraczają 2 o C w ciągu godziny. Praca dorywcza S2 odbywa się z obciążeniem o wartości stałej trwającym przez czas t dd krótszy jednak niż to jest potrzebne do osiągnięcia przez maszynę ustalonego, dopuszczalnego przyrostu temperatury. Po osiągnięciu określonego przyrostu temperatury następuje odłączenie silnika i postój trwający tak długo, aż jej temperatura nie będzie się różniła od temperatury czynnika chłodzącego więcej niż 2 o C. Symbol pracy dorywczej zawiera oznaczenie S2 oraz czas pracy wyrażony w minutach np. S2 60 min. Typowe czasy trwania pracy dorywczej to 10, 30, 60, 90 min. Praca przerywana rozróżnia się sześć odrębnych stanów pracy przerywanej oznaczonych S3,, S8. 19

20 Praca przerywana S3 jest złożona z czasu obciążenia t o oraz z czasu postoju t p, przy czym czas pracy i czas postoju nie są wystarczające do osiągnięcia ustalonych przyrostów temperatury. Wielkością charakterystyczną dla pracy S3 jest względny czas pracy wyrażony w procentach ε = t p t p + t o 100% (2.37) Spotykane względne czasy pracy to = 15, 25, 40, 60%. Przyjmuje się że okres t p + t o = 10min Praca przerywana S4 odnosi się do dużej liczby łączeń (rozruchów) oraz hamowania mechanicznego. W tym przypadku uwzględnia się dodatkowo współczynnik bezwładności FI (ang. Factor of Inertia) wyznaczony przez stosunek sumarycznego momentu bezwładności na wale silnika do momentu bezwładności silnika. Przykładowy opis tego stanu: S4 15% 120 c/h FI 1,6 przy czym: - 15% - oznacza względny czas pracy (znormalizowane czasy 15, 25, 40, 60%), c/h - liczba łączeń (startów) na godzinę (znormalizowane liczby to 30, 60, 120, 180, 240) - FI 1,6 - współczynnik bezwładności (znormalizowane wartości 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4). 20

21 Praca przerywana S5 jest to praca okresowa o dużej liczbie łączeń (startów) i o hamowaniu elektrycznym. Obciążenie powtarza się okresowo o czasie t ok, który zawiera: czas rozruchu t r, czas pracy ze stałym obciążeniem t ls, czas hamowania elektrycznego t be, oraz czas postoju t st. Czas pracy jak i czas postoju nie są wystarczające do osiągnięcia ustalonych przyrostów temperatury maszyny. Przykład opisu tego stanu: S5 40%, 120 c/h FI 2,5 przy czym - względny czas pracy: ε = t r + t ls + t be t r + t ls + t be + t st 100% (2.38) Jest przyjęte, że okres wynosi 10 min. 21

22 Praca przerywana z przerwami jałowymi S6 jest pracą okresową o okresie t okj, charakteryzującą się tym, że każdym okresie występuje czas pracy t ls przy stałym obciążeniu i czas t j biegu jałowego. Praca trwa co najmniej do osiągnięcia, przez maszynę, stanu równowagi cieplnej. Symbol pracy przerywanej składa się z oznaczenia S6 i wartości względnego czasu pracy np. S6 40%. Względny czas pracy ε = t ls t ls + t j 100% (2.39) Jest przyjęte, że okres wynosi 10 min. 22

23 Praca długotrwała S7 z dużą liczbą łączeń jest to praca okresowa, podczas której każdy okres t ok obejmuje czas rozruchu t r, pracy t ls z obciążeniem o stałej wartości i hamowania elektrycznego t be. Czasy pracy w jednym okresie nie są wystarczające do osiągnięcia ustalonych przyrostów temperatury. Praca jest kontynuowana co najmniej do czasu osiągnięcia stanu równowagi cieplnej. Przykład zapisu pracy S7 120 c/h, FI 1.6. Wielkości charakterystyczne pracy S7: liczba łączeń na godzinę 30, 60, 120, 240; współczynnik bezwładności FI 1,2; 1,6; 2; 2,5; 4 Należy zauważyć, że w zasadzie względny czas pracy = 100%, zatem ten stan pracy był kiedyś uważany za odmianę pracy ciągłej o dużej liczbie łączeń i o hamowaniu elektrycznym. 23

24 Praca długotrwała z okresową zmianą prędkości wirowania S8 jest pracą wielookresową podczas której każdy okres obejmuje pracę przy stałym obciążeniu odpowiadającym określonej prędkości wirowania, występują odpowiednie czasy rozruchów i hamowań elektrycznych. Czasy pracy, przy określonej prędkości, są zbyt krótkie dla osiągnięcia ustalonych przyrostów temperatury. Praca trwa aż do osiągnięcia równowagi cieplnej w maszynie, przy czym nie występują okresy postoju. W symbolu opisującym ten rodzaj pracy podaje się: liczbę łączeń na godzinę, symbol współczynnika bezwładności FI, obciążenie w kilowatach i prędkość wirowania maszyny oraz względny czas pracy dla każdej części cyklu z daną prędkością. Rodzaje pracy maszyn elektrycznych zostały sformułowane gdy sterowanie ich pracą odbywało się głównie poprzez styczniki. Obecnie gdy coraz większy udział w napędzie mają przekształtnikowe układy o regulowanej prędkości w sposób ciągły, powstaje potrzeba oceny rzeczywistej oceny pracy silnika. Pomocne w tym przypadku są metody komputerowe zapewniające obliczenia cieplne maszyny przy danym przebiegu momentu obciążenia i prędkości. 24

25 Rodzaje pracy maszyn? Przegrzanie jednego napędu zatrzymuje pracę nożyc. 25

26 Przykład napędu trójfazowego małej mocy zasilanie jednofazowe PN PN znamionowy maksymalny wejściowy Kod typu Rozmiar H1 H2 W D Masa kw KM A A A obudowy mm mm mm mm kg Wbudowany filtr EMC, 1-fazowe napięcie zasilania 200/240 V, +10/-15%, 3-fazowe napięcie wyjściowe 200/240 V 0.18kW In=1.4A Imax=2.1A Iwe=4.4A Typ ACS55-01E-01A4-2 A H1=170mm, H2=146.5mm, W=45mm, D=128mm M=0.65kg 26

27 NAPĘD ELEKTRYCZNY napęd rewersyjny Electrical Drive - Power Electronic Drive - Motion Control, Intelligent Control Układy regulacji w napędzie - schemat sterowania silnika indukcyjnego (materiał dodatkowy - ilustracja) AC 400V Prostownik- Falownik Obwód pośredni DC Falownik - Prostownik AC M Zadany moment elektromagnetyczny Komparator Momentu Komparator strumienia Sterowanie tranzystorami OPTIMUM PULSE SELECTOR DSP & ALTERA FPGA Prędkość zadana Regulator Momentu Prędkość rzeczywist a Moment rzeczywi sty Strumień zadany Zadajnik strumienia Włączenie zadajnika strumienia Położenie wektora napięcia Napięcie DC Strumień rzeczywisty Model matematyczny silnika 27

28 Dodatek Our philosophy is captured by our core values: ambition, commitment, quality, community Ambition Not being afraid to be first Commitment Going the extra mile Quality Quality must be non-negotiable Community Working together as a team 28