DOBÓR MASZYN ELEKTRYCZNYCH 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 2
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 3
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. 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 4
Dobór maszyn Warunki występujące w pomieszczeniu wilgoć, pył, gazy wybuchowe, wyziewy żrące. Dane określające urządzenia napędzane rodzaj przemysłu, charakterystyki procesu technologicznego i maszyny napędzanej. 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 5
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. 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 6
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. 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 7
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 8
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. 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 9
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)
Charakterystyki mechaniczne 1. silniki synchroniczne; 2. silniki bocznikowe prądu stałego, asynchroniczne, bocznikowe komutatorowe prądu przemiennego; 3. silniki szeregowe prądu stałego, komutatorowe prądu przemiennego
Silnik obcowzbudny prądu stałego.rmi iu.an I.fn R.a 1 0.8 R d =0.rm0.rmi iu.an I.fn 3 R.a.rm0.rmi iu.an I.fn 6 R.a 0.6 0.4 R d =2R a.rm0 0.2 0 0 0 0.5 1 1.5 2 0 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
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.rm0 1 0.5 I f =1.2I fn I f =I fn I f =0.8I fn 0 0 0 0.5 1 1.5 2 0 i 2 I.an
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.rm0 1 0.5 U a =0.8U an U a =U an U a =1.2U an 0 0 0 0.5 1 1.5 2 0 i 2 I.an
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.rm0 0.4 0.3.rm4.rm0 0.2 0.1 I n I min I max 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 i 2 I.an
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 19
Silnik asynchroniczny klatkowy 4 3.581 8 7.234 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 3 2 1 6 4 2 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 2.948 10 3 0.138 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1.sn zmiana napięcia U s
Silnik asynchroniczny pierścieniowy 4 3.581 8 7.234 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 2.359 10 3 0.275 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1.sn zmiana rezystancji R d
Silnik asynchroniczny klatkowy 4 3.581 8 7.234 3 6 U.sn T.em slip 0 3 T.em slipu.sn 0 2 4 U.sn I.m1 slip 0 3 I.n I.m1 slipu.sn 0 I.n 1 2 0.021 0.162 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1slip rozruch gwiazda-trójkąt 0.999
Silnik asynchroniczny klatkowy 7.027 12 10.16 10 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 6 4 8 6 4 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 2 2 0 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 0.276.sn zmiana częstotliwości f s
Silnik asynchroniczny klatkowy 3.581 Zmiana czêstotliw oœci i napiêcia zasilnia przy zachow aniu U/f=const 8 7.379 T.em U.sn 0 f.n 3 6 I.m1 U.sn 0 f.n T.em U.sn 0.9 0 0.9f.n I.n I.m1 0.9U.sn 0 0.9f.n T.em U.sn 0.8 0 0.8f.n T.em U.sn 0.5 0 0.5f.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 1 2 0 0.275 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1.sn zmiana częstotliwości U s /f s =const
Silnik asynchroniczny klatkowy Regulacja prêdkoœæi silnika indukcyjnego 3.581 T.em 0.25U.sn 0 0.25f.n T.em 0.5U.sn 0 0.5f.n T.em 0.75U.sn 0 0.75f.n T.em U.sn 0 f.n 3 T.em U.sn 0 1.25f.n T.em U.sn 0 1.5f.n 2 T.em U.sn 0 1.75f.n T.em U.sn 0 2f.n 1 0 0 0 0.5 1 1.5 2 0.sn 2 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 25
Silnik asynchroniczny klatkowy 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 27
Silnik asynchroniczny klatkowy 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 28
Projektowanie systemów EM dr inż. Michał Michna
ROZWÓJ MASZYN ELEKTRYCZNYCH 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 30
Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. - Techn., 1988. 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, 1994. Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of Rotating Electrical Machines, Wiley 2008 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 31
Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Inżynieria materiałowa Nowe zastosowania Energoelektroniki i metody sterowania 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 32
Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Wymagania środowiskowe/polityczne ochrona środowiska, oszczędzanie energii Duże projekty naukowe MEA, HEV/EV, ogniwa paliwowe, budynki inteligentne, bioinżynieria 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 33
Maszyny wysokoobrotowe Rozwój maszyn elektrycznych 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 34
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 35
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 36
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 37
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 38
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 39
Silnik bezszczotkowy z MT Silniki z magnesami trwałymi Komutatorowe silniki prądu stałego Silniki bezszczotkowe Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki prądu stałego Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 40
Silnik bezszczotkowy z MT 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 41
120 120 120 57 57 57 Silnik bezszczotkowy z MT 7 4 3 45 17 37 17 30 17 4 1 5 5 5 3 6 2 6 5 R 40 R 40 R 40 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 42
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 43
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 44
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 45
Silnik bezszczotkowy z MT Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 46
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 47
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 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 48
Maszyny elektryczne 2014-03-10 dr inż. Michał Michna 49