Navrhovani El Pohonu

5/21/2018 Navrhovani El Pohonu

1/84

Navrhovn#elektrick%ch pohon'

Prof. Ing. Ji*#Skalick%, CSc.

-STAV V/KONOV1ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY


2/84


3/84

Teorie *#zen#

Prof. Ing. Ji*#Skalick%, CSc.

-STAV V/KONOV1ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY


4/84

Ji!$Skalick', 2002

ISBN


5/84

Autor Prof. Ing. Ji!$Skalick', CS.

Nzev NAVRHOV)N+ELEKTRICK-CH POHON/

Vydavatel Vysok2u4en$technick2v Brn6Fakulta elektrotechniky a komunika4n$ch technologi$7stav v'konov2elektrotechniky a elektronikyTechnick88, 616 00 Brno

Vydn# druh2

Rok vydn# 2002

Nklad

Tisk

ISBN

Tato publikace nepro:la redak4n$ani jazykovou


6/84

Obsah

1 vod do navrhov#n%pohon' 5. . . . . .

1.1 Elektrickpohon jako syst#m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. . . . . . .

1.2 Metodika navrhov%n'elektrickch pohon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. . . . . . .1.3 Oce,ov%n'variantn'ch /e1en'projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. . . . . . .

1.4 Interakce servopohonu a pracovn'ho stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. . . . . .

1.5 Interakce elektrick#ho pohonu a nap%jec's't3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. . . . . .

1.6 Interakce pohonu a 4rovn3/'zen' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. . . . . .

1.7 Ru1iv#a vedlej1'45inky elektrickch pohon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16. . . . . .

2 Volba koncepce a dimenzov#n%pohon' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. . . . .

2.1 Koncepce vkonov#5%sti elektrick#ho pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. . . . . .

2.2 Koncepce /'zen'a regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. . . . . .2.3 Koncepce ji1t3n'a ochran elektrickch pohon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. . . . . .

3 Spolehlivost v elektrick*ch pohonech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. . . . .

3.1 Z%kladn'pojmy spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. . . . . .

3.2 Ukazatel#spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. . . . . .

3.3 Charakteristickpr)b3h intenzity poruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. . . . . .

3.4 Ukazatel#spolehlivosti obnovovanch objekt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38. . . . . .

3.5 Navrhov%n'syst#m)s po7adovanou spolehlivost' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. . . . . .

3.6 Ov3/ov%n'spolehlivosti zkou1kami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. . . . . .3.7 Prost/edky zvy1ov%n'spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45. . . . . .

3.8 Diagnostika p/i zaji19ov%n'spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. . . . . .

4 Tvorba projek,n%dokumentace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48. . . . .

4.1 Elektrotechnick#vkresy a sch#mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48. . . . . .

4.2 Prvky elektrotechnickch sch#mat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49. . . . . .

5 Poruchov#odolnost /%dic%elektroniky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55. . . . .

5.1 Vznik ru1ivch sign%l) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55. . . . . .

5.2 Doporu5en'pro projektov%n'za/'zen'odolnch proti ru1en' . . . . . . . . . . . . . . . . 58. . . . . .6 P/%klady n#vrhu elektrick*ch pohon' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61. . . . .

6.1 N%vrh pohon)posuv)obr%b3c'ch stroj) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61. . . . . .

6.2 N%vrh pohonu elektromobilu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68. . . . . .

6.3 Pohon cukrovarnick#odst/edivky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72. . . . . .

6.4 Pohon t37n'ho stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76. . . . . .

6.5 N%vrh regul%toru ot%5ek elektrick#ho pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. . . . . .

1


7/84

2


8/84

P/edmluva

Toto skriptum je ur5eno jako z%kladn'u5ebn'text pro stejnojmennp/edm3t Navrhov%n'elektrickch pohon), vyu5ovanjako volitelnoborovp/edm3t pro studenty oborusilnoproud%elektrotechnika a elektroenergetika bakal%/sk#ho studia na Fakult3elektrotechniky a komunika5n'ch technologi'VUT v Brn3. Je v1ak pou7iteln%jako dopl,kovu5ebn'text i pro studenty fakulty strojn'ho in7enrstv', oboru aplikovan%mechanika amechatronika. Obsah skript odpov'd%rozsahu p/edn%1ek.

Skripta byla naps%na zejm#na proto, aby student)m uleh5ila sledov%n'p/edn%1ek ap/edn%1ej'c'm), aby mohl doplnit p/edn%1ky svmi zku1enostmi z projektov%n'elektrickchpohon)kterm se zabval po mnoho let v pr)myslu.

Studium p/edlo7ench skript p/edpokl%d%znalost z%klad)elektrotechniky, teorie /'zen',elektrickch pohon)a vkonov#elektroniky, jak jsou p/edn%1eny jako povinn#v bakal%/sk#mstudiu na fakult3elektrotechniky a komunika5n'ch technologi'.

P/i psan't3chto skript jsem se zam3/il na takov#metody a poznatky, o nich7p/edpokl%d%m,7e jsou podstatn#pro budouc'ho elektrotechnick#ho bakal%/e, tj. bakal%/e, kterbude

projektovat, konstruovat a pou7'vat v pr)myslov#praxi nejen elektrick#pohony, ale obecn3jak#koli elektrotechnick%za/'zen', jejich7ned'lnou 5%st'je /'dic'elektronika, /'dic'po5'ta5e avkonov#ak5n'5leny, nap/. servopohony.

Skripta jsou rozd3lena do 1esti kapitol. :vodn'kapitola pojedn%v%o elektrick#m pohonu zesyst#mov#ho pohledu a zabv%se u7ite5nmi iru1ivmi vazbami pohonu s okol'm. Druh%

kapitola je v3nov%na volb3koncepce vkonov#5%sti elektrick#ho pohonu, v5etn3dimenzov%n'a ji1t3n'a volb3koncepce /'zen'a regulace t3chto pohon). Tato kapitola p/edpokl%d%znalostz%klad)elektrickch pohon)a vkonov#elektroniky. T/et'kapitola je v3nov%na spolehlivostielektrickch pohon), je v n'uvedena metoda navrhov%n'syst#m)s po7adovanou spolehlivost',

prost/edky zvy1ov%n'spolehlivosti a metodika ov3/ov%n'spolehlivosti s vyu7it'm statistickchmetod.


9/84

1 vod do navrhov#n%pohon'

1.1 Elektrick*pohon jako syst1m

Elektrickpohon je regula5n'pohon, sest%vaj'c'z jednoho nebo v'ce elektrickch motor),nap%jec'ch vkonovch m3ni5)a /'dic'ch a regula5n'ch obvod). Zat'mco b37nelektrick

pohon m)7e pracovat v /ad3p/'pad)i v otev/en#regula5n'smy5ce, t.j. bez zp3tn#vazby,servopohon je zapojen v7dy v uzav/en#regula5n'smy5ce, se zp3tnou vazbou rychlostn'av3t1inou i polohovou. Dominantn'mi po7adavky na servopohony jsou jejich regula5n'

parametry, t.j. p/esnost a rychlost regulace a d%le i jejich spolehlivost, nebo9bvaj'sou5%st'rozs%hlch automatizovanch soustav.

Syst#m elektrickch pohon)je pops%n, podobn3jako ka7dsyst#m, svou strukturou avnit/n'mi a vn3j1'mi vazbami. Schematicky je tento syst#m zn%zorn3n na obr. 1.1. Pro na1idefinici posta5'pohon rozd3lit d%le na dva subsyst#my, t.j. vkonovsubsyst#m a subsyst#minforma

5n'. Do okol

'servopohon

)pat

/': elektrick

%nap

%jec

's'9

, poh%n3n#pracovn

'za

/'zen

'(mechanicksubsyst#m), pracovn'prost/ed'a subsyst#m /'zen'.

V*konov*subsyst1msest%v%z elektrickch motor), nap%jec'ch vkonovch m3ni5)ap/'slu1enstv'(transform%tor), tlumivek, jistic'ch a sp'nac'ch p/'stroj)). Informa5n'subsyst#mpak poz)st%v%z /'dic'elektroniky a regula5n'ch obvod). Okoln%mi syst1myjsou elektrick%nap%jec's'9nebo nez%vislzdroj elektrick#energie (akumul%tory), mechanicksubsyst#m -

pracovn'stroj, syst#m nad/azen#ho /'zen'a komunikace, co7m)7e bt na jedn#stran3ru5n'ovl%dac'panel a na stran3druh#/'dic'po5'ta5, zapojendo po5'ta5ov#s't3. Pracovn'prost/ed'

je charakterizov%no nap/. teplotou okol', vlhkost', agresivn'mi plyny 5i parami a pod.

Vnit/n'a vn3j1'vazby (t.j. vazby s okol'm) mohou bt u7ite5n#a ru1iv#:

U3ite,n1vazby: r1, r2 jsou /'dic'sign%ly a 7%dan#hodnoty regulovanch veli5in, na p/.momentu, rychlosti 5i polohy, y1, y2 jsou zp3tnovazebn'sign%ly z 5idel a sn'ma5)(proudu,ot%5ek, polohy, s'ly, momentu a pod.) a zp3tn%hl%1en'(o provozn'ch nebo poruchovchstavech).

Ru5iv1vazby vnit/n%, zp)soben#servopohonem, jsou: x1, x2 ru1iv%vf. nap3t'a ru1iv%elektromagnetick%pole, zp)soben%sp'n%n'm vkonovch polovodi5ovch prvk), x3, x5 jechv3n', hluk, odv%d3n#tepeln#ztr%ty a dal1'nep/'zniv#vlivy pohonu na pracovn'prost/ed'ana pracovn'stroj, x4 jsou zp3tn#ru1iv#vlivy na nap%jec's'9, jako je zkreslen'vy11'miharmonickmi a radiov#ru1en'.

Ru5iv1vazby vn7j5%,p)sob'c'z okol'negativn3na servopohony, jsou: z3 teplota okol',vlhkost, voda, agresivn'plyny a p%ry, z4 jsou ru1iv#vlivy ze s't3, jako pokles nap3t', zkreslen'vy11'mi harmonickmi a p/ep39ovmi 1pi5kami, z5 je pak ru1ivvliv zm3n zat37ovac'homomentu, moment)setrva5nosti a rezonan5n'ch kmito5t)mechanick#pohonov#soustavy.

Syst#mov#pojet'elektrickch pohon)poskytuje obecnpohled na jejich problematiku,souvisej'c's 4sp31nm n%vrhem, realizac'a provozov%n'm ve slo7itch mechanickchsoustav%ch a technologickch celc'ch.

5


10/84

1.2 Metodika navrhov#n%elektrick*ch pohon'

Postup in7enrsk#ho n%vrhu pohonu lze rozlo7it do t/'po sob3n%sleduj'c'ch etap:

Prvn'etapou je zad#n%pohonu. Tato etapaje velmi d)le7it%, nebo9za chyby anep/esnosti, p/'padn3i za ne4pln#4daje, sezpravidla plat'dodate5nmi rekonstrukcemia technickmi zm3nami a7p/i uv%d3n'do

provozu, co7je velmi drah#. Druhou etapouje n#vrh pohon', ve kter#m projektant vol'koncepci pohonu, prov%d'dimenzov%n'motor)a dal1'ch vkonovch 5%st', navrhuje

regula5n'struktury a optimalizuje jakvkonovou, tak regula5n'5%st. Ve t/et'etap3zpracov%v%kompletn'projek,n%akonstruk,n%dokumentaci, podle n'7se

pak pohon realizuje. T/eba7e n%vrhservopohonu nelze zcela algoritmizovat,

5asto z%le7'i na zku1enostech a na intuiciprojektanta, je 45eln#postup n%vrhuzn%zornit vvojovm diagramem (obr.1.2).

:pln#zad%n'm%obsahovat: technickou

charakteristiku pracovn'ho stroje,po7adavky na regulaci, po7adavky na

6

Elektricks#%

x4 z4 el. energie

zen#

r

y1

x1

1

Informa)n#

subsyst+m

r2

y2

x2

V-konov-

subsyst+m

mech. prce

x3

z3

Pracovn#

prost/ed#

x5 z5

Pracovn#stroj

Obr. 1.1 Elektrick-pohon jako syst+m

zadn#

z

1pln+ne

koncepce

dimenzovn#

kontrola

reg.struktury

optimalizace

proj.podklady

K

ne

tech.

podkladymetodika

Obr.1.2 Postup n8vrhu pohonu


11/84

diagnostiku a zp3tn%hl%1en', 4daje o pracovn'm prost/ed', speci%ln'po7adavky na konstruk5n'uspo/%d%n'a po7adovan#spolehlivostn'parametry.

Do technick#charakteristiky pracovn'ho stroje pat/'statick#charakteristiky (na p/. z%vislostmomentu na rychlosti), momenty setrva5nosti a setrva5n#hmoty, zat37ovac'diagram

(technologickcyklus) a p/evody.Z po3adavk'na regulacije t/eba nejprve zjistit, kter#veli5iny je t/eba regulovat (momentnebo s'lu, rychlost, polohu, p/'padn3i n3kterou veli5inu technologick#ho procesu, jako je na

p/. konstantn'/ezn%rychlost p/i soustru7en's nar)staj'c'm polom3rem nebo konstantn'tah p/inav'jen'svitk)), d%le po7adovanou statickou a dynamickou p/esnost regulace, a to absolutn'irelativn'a p/i jakch zm3n%ch poruchovch veli5in, ktermi jsou zpravidla zat37ovac'moment,zm3na teploty okol'a zm3na nap3t's't3je tato p/esnost po7adov%na. Statick%p/esnost sevztahuje k ust%len#mu stavu, dynamick%p/esnost p/edstavuje maxim%ln'odchylku v pr)b3huvyregulov%v%n'p/echodn#ho d3je p/i zadan#zm3n3poruchov#veli5iny (na p/. p/i skokov#zm3n3zat37ovac'ho momentu z 10% na 100%.

P/i po7adavku na regulaci polohy je nutn#v3d3t, po7aduje-li se t.zv. nastavov%n'polohy (nap/. pro polohov%n'u tv%/ec'ch stroj)a pro manipula5n'roboty) nebo jde o t.zv. sledov%n'(souvisl#polohov#/'zen'technologickch robot), posuv)obr%b3c'ch stroj), polohov%n'ant#nradiolok%tor)a pod.)

Modern'servopohony bvaj'5asto pou7'v%ny pro automatizovan#bezobslu7n#pracovn'strojea technologick#linky, /'zen#nad/azenm po5'ta5em, kterpro bezchybn#rozhodov%n'a /'zen'

pot/ebuje informace o stavu a p/'padnch poruch%ch servopohon). Z t3chto d)vod)jed)le7iou informac'zad%n'i souhrn po7adavk)na diagnostiku servopohon'. Diagnostika jezpravidla dvoj'ho typu, t.zv. testovac', kter%zji19uje bezporuchovost servopohon)p/ed

spu1t3n'm cel#ho za/'zen'a diagnostika provozn', kter%hl'd%nejd)le7it3j1'hodnoty trvale zachodu. :5elem diagnostiky je identifikace a hl%1en'poruch a d%le i hl%1en'n3kterch dal1'chprovozn'ch stav)(na p/. klidov#ho stavu, p/et'7en', nesouhlas 7%danch a skute5nch hodnota pod.).

D)le7itou zad%vac'informac'jsou 4daje o nap#jec%s%ti, jako jsou po5et f%z', jmenovit#nap3t'a kmito5et a dovolen#tolerance t3chto hodnot, u v3t1'ch vkon)pak i proudov%zati7itelnosta reaktance, p/'padn3jde-li o jin#nap%jen', na p/. z akumul%torovch bateri'nebo z autonomn'(palubn') s't3.

Konstruk5n'proveden'servopohon)mus'odpov'dat p/edpokl%dan#mu pracovn'mu prost/ed',charakterizovan#mu teplotou okol', vlhkost'vzduchu, chv3n'm a vibracemi (p/i um'st3n'na

pohyblivch za/'zen'ch), p/'padn3i prost/ed'm s nebezpe5'm po7%ru nebo vbuchu.Nezanedbatelnm po7adavkem je stupe,odru1en', zejm#na pro nepr)myslov%za/'zen'vobytnch budov%ch, v nemocnic'ch, na leti1t'ch a pod.

Ke zbvaj'c'm po7adavk)m mohou pat/it speci%ln'po7adavky na konstruk5n'proveden'zejm#na motor)(patkov#, p/'rubov#, zp)sob chlazen') a nap%jec'ch vkonovch m3ni5)(stupe,kryt'a konstruk5n'proveden'rozv%d35)), a d%le i spolehlivostn'parametry, jako jsouna p/. st/edn'doba do poruchy, doba technick#ho 7ivota atd.

N#vrh servophon'sest%v%z n%vrhu koncepce pohonu, t.j. volby typu pohonu, jehodimenzov%n', n%vrhu koncepce a struktury regula5n'ch obvod)a z volby ji1t3n'a ochran. Provolbu typu servopohonu je v sou5asn#dob3k dispozici cel%/ada pohon): pohon sestejnosm3rnm motorem, zejm#na s buzen'm permanentn'mi magnety, pohon s elektronicky

7


12/84

komutovanm motorem (bezkart%5ovm stejnosm3rnm motorem), pohon se synchronn'mmotorem s permanentn'mi magnety na rotoru, pohon s asynchronn'm motorem a pohonys krokovmi motory r)zn#ho konstruk5n'ho proveden'. V1echny tyto vyjmenovan#motory

jsou v servopohonech nap%jeny z vkonovch tranzistorovch m3ni5), pouze stejnosm3rn#motory bvaj'nap%jeny i z m3ni5)tyristorovch.

Dimenzov%n'servopohon)vych%z'z vpo5tu statickch a dynamickch zat37ovac'chmoment)a jeho c'lem je ur5en'typov#velikosti motor)a p/i/adit k nim p/'slu1n#m3ni5e,zpravidla podle po7adavku proudov#p/eti7itelnosti.

N%vrh koncepce a struktury regula5n'ch obvod)obsahuje volbu sn'ma5)a 5idel (polohy,rychlosti, p/'padn3i dal1'ch technologickch veli5in), rozhodnut'o tom bude-li regulaceanalogov%, digit%ln', p/'padn3hybridn', d%le n%vrh regula5n'ch smy5ek a jejich synt#zu, t.j.n%vrh p/enosovch funkc'jednotlivch regul%tor).

Volba ji1t3n'a ochran je d)le7it%z hlediska bezpe5nosti, mus'zahrnovat ji1t3n'proti zkratu aji1t3n'proti nadproudu, n3kdy i ochranu proti p/ep3t', p/'padn3podp3t'. Proti p/et'7en'sepou7'vaj'teplotn'ochrany, co7jsou termistory nebo bimetalov%rel#, zabudovan%p/'mo dovinut'elektromotor)a do chladi5)vkonovch polovodi5ovch prvk).

Projekt elektrick1ho pohonusest%v%z t3chto sou5%st':

schema zapojen'pohonu (vkonov%5%st a ovl%dac'obvody)

kusovn'k (konstruk5n'rozpiska)

vrobn'dokumentace: schema vnit/n'ch spoj)(mont%7n'schema)vkres sestavy rozv%d35ov#sk/'n3

z%kaznick%(pr)vodn') dokumentace:

technickpopis a n%vod k obsluze a 4dr7b3svorkovnicov#schemadimenzov%n'vodi5)a kabel)

Projektant p/i n%vrhu elektrick#ho pohonu vyu7'v%cel#/ady technickch a obchodn3technickch podklad): norem, katalog)vrobc)komponent)(elektromotor), za/'zen'vkonov#elektroniky, p/'stroj)) a cen'k)t3chto komponent), d%le odbornch publikac'kni7n'ch i 5asopiseckch a typovch projekt). Dal1'mi podklady mohou bt patentov#re1er1ea re1er1e ochrannch zn%mek.

P/i zpracov%n'projektu vyu7'v%projektant znalosti metodiky dimenzov%n'elektrickchpohon), metodiky navrhov%n'a optimalizace regula5n'ch smy5ek pro regulaci momentu,zrychlen', rychlosti a polohy elektrickch pohon)pro r)zn#technologick#aplikace. P/irozhodov%n'o nejvhodn3j1'variant3projektu pak pou7'v%metodiku oce,ov%n'variantn'ch/e1en'.

Ka7dsamostatnprojektant je povinen periodicky prokazovat zkou1kou z)sobilosti podlevyhl%1ky 5. 50 jednou za 3 roky svou zp)sobilost k projektov%n'elektrickch za/'zen', a to

podle paragrafu 10. Obsahem t#to zkou1ky jsou: hledisko bezpe5nosti elektrickch za/'zen',ochrana p/ed nebezpe5nm dotykem, elektrick%za/'zen've zvl%1tn'ch a nebezpe5nch

prostorech, ji1t3n'veden'a za/'zen'a ozna5ov%n'svorek, vodi5), v5. barevn#ho zna5en'.

8


13/84

1.3 Oce8ov#n%variantn%ch /e5en%projektu

P/i projektov%n'elektrick#ho pohonu pro nov#technologick#za/'zen'nebo novvrobn'strojprojektant zpravidla navrhne v'ce variant /e1en'(nap/. stejnosm3rnpohon, st/'davpohons asynchronn'm motorem, pohon se synchronn'm motorem s permanentn'mi magnety na rotoru

apod.). Pro rozhodov%n', kter%z t3chto variant je optim%ln', tj. kter%jednak spl,ujepo7adovan#technick#parametry, jednak vykazuje nejlep1'relaci mezi technickou 4rovn'acenou, pou7'v%projektant metodu oce,ov%n'variantn'ch /e1en', kter%p/esto, 7e je op3tsubjektivn'sna7'se objektivizovat n3kter%hodnot'c'kriteria.

Pro oce,ov%n'variantn'ch /e1en'zavedeme:

kvantifikaci syst#movch parametr)stupn3m jejich 4pln3n': Qi=N, N= 1,2,..5(i-tparametr m%stupe,pln3n' , p/i 5em7 p/edstavuje nejhor1'pln3n'aQi = 1

nejlep1'pln3n')= 5v%hovfaktor , kterzd)raz,uje d)le7itost (v%hu) dan#hoGi=M, M= 1,2,..5

parametru pro danou aplikaci; plat'op

3t,7e m

%parametr s nejmen

1'v%hou,

=1

pak parametr s nejv3t1'v%hou.= 5

S vyu7it'm uvedench parametr)je mo7no zav#st tyto metody oce,ov%n':

sou5et pln3n'parametr) S=n

1Qi

v%7ensou5et pln3n'parametr) SG=n

1GiQi

5initel technick#4rovn3 je max. hodntacQ=

n

1GiQi

[Qi]maxn

1Gi

[Qi]ma Qi

podd'l ceny a technick#4rovn3 k=cenacQ

P/'klad oce,ov%n'variantn'ch /e1en't/'typ)elektrickch pohon)je v tab. 1.1

Gi Qi

Parametr I II III

hmotnost 2 1 2 5

spolehlivost 4 2 4 3

technick#parametry 5 2 4 3

45innost 1 2 3 5

poruchov%odolnost 2 1 4 3

cena 3 5 2 1

S= Qi

13 19 20

SG= G

iQ

i39 57 51

cQ

0,46 0,67 0,6

k 108 44,8 41,7

9


14/84

Pod jednotlivmi variantami si m)7eme p/edstavit nap/. pohon se stejnosm3rnm motorem (I),pohon s asynchronn'm motorem (II) a pohon se synchronn'm motorem s permanentn'mimagnety na rotoru (III). Podle kriteria v%7en#ho sou5tu pln3n'parametr)a 5initele technick#4rovn3je nejvhodn3j1'varianta II, podle kriteria sou5tu pln3n'parametr)a podle pod'luceny a technick#4rovn3vych%z'nejvhodn3j1'varianta III.

1.4 Interakce servopohonu a pracovn%ho stroje

Mechanick#p/ipojen'servomotoru k pracovn'mu stroji je nej5ast3ji realizov%no pevnouspojkou 5epu motoru se vstupn'm h/'delem pracovn'ho stroje, m#n35ast#je spojen'pomoc'/emenice a ozuben#ho /emene. V obou p/'padech je d)le7it#, aby spojen'bylo dostate5n3tuh#a bez v)le.

Statickzat37ovac'moment na h/'deli motoru sest%v%z pasivn'ho t/ec'ho momentu, kterm)7e bt z%vislna rychlosti a z momentu z%t37e, t.j. momentu, kterkon%pr%ci. Mezimotorem a poh%n3nm za/'zen'm bv%5asto mechanickp/evod, p/i 5em7vslednpohybm)7e bt bu>rota5n'nebo posuvn; z toho vzplv%nutnost p/epo5'tat zat37ovac's'ly amomenty, v5etn3t/ec'ch, na h/'del motoru.

P/i p/epo5tu se vych%z'z rovnov%hy vkon)na stran3motoru i na stran3z%t37e, p/irespektov%n'ztr%t v p/evodech:

1. moment motoru (Nm) ot%5iv%rychlost motoru (s-1)m m2. moment z%t37e (Nm) t/ec'moment (Nm)z t

3. ot%5iv%rychlost na z%t37i zat37ovac's'la p/i posuvn#mz Fzpohybu (N)

4. t/ec's'la p/i posuvn#m pohybu (N) posuvn%rychlost (m/s)Ft vz5. 45innosti p/evod)1,26.

Dynamickmoment je moment, pot/ebnk urychlov%n'a brzd3n'servopohonu. Pro jehovpo5et mus'me zn%t p/epo5'tanmoment setrva5nosti na h/'del motoru a pot/ebn#zrychlen'nebo dobu rozb3hu. P/i p/epo5u vych%z'me z rovnov%hy kinetick#energie pohybuj'c'ch sehmot:

1. p/epo5'tanp/'davnmoment setrva5nosti (kgm2)Jzm2. moment setrva5nosti z%t37e (kgm

2)Jz

3. setrva5n#hmoty z%t37e u posuvn#ho pohybu (kg)mzK takto vypo5'tan#mu momentu setrva5nosti z%t37e je nutno p/ipo5'tat vlastn'momentsetrva5nosti rotoru navr7en#ho motoru. P/i vpo5tu dynamick#ho momentu se vych%z'z rovnice rovnov%hy moment)

je-li d%no po7adovan#4hlov#zrychlen'dm/dt.

mm=(Mt+Mz)

1 z+(Ft+Fz)

2 vz (1.1)

1

2Jzmm2

=

1

2Jzz2

+

1

2mzvz

2

(1.2

d=(Jzm+Jm)dm

dt +Mm (1.3)

10


15/84

Vypo5'tandynamickmoment nesm'bt v3t1', ne7maxim%ln'dovolenmomentdzvolen#ho motoru, p/'padn3maxim%ln'moment, vyplvaj'c'z nastaven#ho proudov#hoomezen'nap%jec'ho m3ni5e.

1.5 Interakce elektrick1ho pohonu a nap#jec%s%t7Elektrickpohon je ve v3t1in3p/'pad)nap%jen z rozvodn#elektrick#s't3. Vazba mezi

pohonem a s't'umo7,uje tok energie ze s't3do pohonu a naopak v p/'pad3, je-li umo7n3narekuperace (tj. vracen'energie zp3t do s't3p/i gener%torick#m chodu pohonu).

Vedle t#to hlavn'u7ite5n#vazby m)7e elektrickpohon s polovodi5ovm m3ni5em p)sobitdal1'mi ru1ivmi vlivy na s'9, jako nap/. zkreslen'm s'9ov#ho nap3t'vy11'mi harmonickmi,vznikaj'c'mi jako 4bytky nap3t'na s'9ovch impedanc'ch p/i odb3ru nesinusov#ho prouduvkonovmi usm3r,ova5i a generov%n'm ru1iv#ho vf nap3t'v d)sledku rychl#ho sp'n%n'

polovodi5ovch prvk).

Zp3tnm negativn'm vlivem s't3na pohon, zejm#na na informa5n'podsyst#m (na /'dic'obvodya regul%tory), jsou poruchy s'9ov#ho nap3t', jako jsou tzv. flikry (pokles nap3t'po n3kolikperiod), harmonick#(zkreslen'sinusovky nap3t'), a vysokofrekven5n'ru1en'.

Zkreslen's'9ov#ho nap3t', zp)soben#komutacemi tyristotov#ho usm3r,ova5e, je nakreslenona obr. 1.3, na n3m7je rovn37zakresleno p/ipojen'kompenza5n'ho filtru.

Xt

Xn

GEN

M

AM

Rk

Xk

Ck

dt

du

t

Fu=du*dt


16/84

Zkreslen's'9ov#ho nap3t'je pak

(1.5) =

=3 U

U1

je amplituda prvn'harmonick#nap3t'.U1

Zp'soby potla,en%vy55%ch harmonick*ch

pou7it'm v'cepulsn'ch tyristorovch usm3r,ova5)(nap/. dvan%ctipulsn'zapojen', kter#lze z'skat paraleln'm spojen'm dvou 1estipulsn'ch usm3r,ova5), z nich7ka7dje nap%jensamostatnm transform%torem s odli1nmi hodinovmi 4hly)

m'sto tyristorovch usm3r,ova5)pou7't tranzistorov#usm3r,ova5e s pulsn'1'/kovoumodulac', umo7,uj'c'odb3r sinusov#ho proudu p/i cos = 1

pasivn'mi rezonan5n'mi filtry lad3nmi na 5., 7., 11., ... harmonickou (obr. 1.4a)

pasivn'm 1irokop%smovm filtrem (obr. 1.4b)

aktivn'mi filtry na principu nap39ovch nebo proudovch m3ni5)(obr. 1.5)

=5 =7 .... =17 =5 13

Obr. 1.4a Pasivn#lad3n+filtry Obr. 1.4b 6irokopsmov-filtr

Obr. 1.5 S+rioparaleln#aktivn#filtr

1.

12


17/84

Paraleln'aktivn'filtr je /'zen na odb3r vy11'ch harmonickch proudu ze s't3, ktermikompenzuje vy11'harmonick#proudu z%t37e, s#riovaktivn'filtr je p/ipojen do s#ries veden'm pomoc'p/izp)sobovac'ho transform%toru, p/es ktervst/ikuje do veden'vy11'harmonick#nap3t', ktermi kompenzuje vy11'harmonick#s'9ov#ho proudu.

Elektromagnetick#kompatibilita (EMC)Elektromagnetick%kompatibilita zkoum%podm'nky slu5itelnosti provozu jednotlivchelektrotechnickch a elektronickch syst#m)a cesty vedouc'k jej'optimalizaci. Syst#m s%mosob3m)7e bt dokonale spolehliv, bude v1ak prakticky bezcennv provozu, pokudsou5asn3nebude elektromagneticky kompatibiln'.

Elektromagnetick#kompatibilitaje schopnost za/'zen'nebo syst#mu fungovat vyhovuj'c'mzp)sobem ve sv#m elektromagnetick#m prost/ed'bez vytv%/en'nep/'pustn#hoelektromagnetick#ho ru1en'pro cokoliv v tomto prost/ed'.

Elektromagnetick#interference (EMI)je elektromagnetick#ru1en', kter#zhor1uje provoz

za/'zen', p/enosov#ho kan%lu nebo syst#mu.

R#diov1ru5en%je elektromagnetick#ru1en', jejich7spektr%ln'slo7ky se nach%zej'v p%smur%diovch kmito5t)(p/ibli7n3od 100 kHz). Je generov%no strmmi hranami proudovch puls)

p/i sp'n%n'tyristor)a vkonovch tranzistor), p/i 5em7vodi5e p)sob'jako ant#ny. ?'/'sejednak bezdr%tov3vyza/ov%n'm, jednak po veden'do rozvodn#s't3.

Sn'7en'emise r%diov#ho ru1en'lze dos%hnout

za/azen'm komuta5n'ch RC ochran

vhodnm konstruk5n'm proveden'm (co nejkrat1'a p/'m#silov#vodi5e,elektromagnetick#st'n3n'krytem m3ni5e)

za/azen'm odru1ovac'ho filtru na vstupu ze s't3(obr. 1.6)

C1 L

C2

Obr. 1.6 Odru4ovac#filtr pro vf odru4en#

Norma


18/84

1.6 Interakce pohonu a :rovn7/%zen%

Elektrickpohon je 5asto sou5%st'automatizovan#ho syst#mu /'zen'technologick#ho procesu,zpravidla na hierarchicky nejni71'4rovni /'zen', jako ak5n'5len se zp3tnovazebn'mregul%torem. Jednotliv#4rovn3/'zen'mohou bt nap/:

Nejni71'4rove, elektrickpohon rychlostn'nebo polohov%regulace

St/edn'4rove, NC (numeric control) /'zen'technologick#ho procesuCNC (computer numeric (robot, obr%b3c'stroj..)control)

Nad/azen%4rove, /'dic'po5'ta5 /'zen'linky, provozu(v lok%ln's'ti)

zen#linkyoperativn#

plnovn#

NC

program

obrb3n#

pohonpohon pohon pohonpohon

NC

program

obrb3n#

3. 1rove8

2. 1rove:

1. 1rove:

Obr. 1.7 Syst+m hierarchick+ho /#zen#v-robn#linky

Informaticksubsyst#m elektrick#ho pohonu, tj. /'dic'obvody, regul%tor a diagnostick#obvody komunikuj's nad/azenou 4rovn'. V nejjednodu11'ch p/'padech ru5n'ho /'zen'je touto4rovn'ovl%dac'panel stroje.

Informacemi mezi pohonem a 4rovn'/'zen'jsou /'dic'sign%ly a zp3tn%hl%1en'.

/'dic'sign%ly: logick # povely: start/stopregula5n' 7%dan#hodnoty rychlosti, momentu, polohy...

zp3tn%hl%1en' hl%1en'provozn'ch stav) n= 0,n=na"dane"hl%1en'varovn% I=Imax,nnmaxhl%1en'poruch

14


19/84

Sou5%st'modern'ch pohon)je subsyst#m diagnostiky. Rozezn%v%me tzv. testovac'diagnostikua diagnostiku provozn'. Testovac'diagnostika ov3/uje bezporuchovost pohonu je1t3p/ed jehospu1t3n'm. Testovac'giagnostika generuje vstupn'sign%ly regul%toru a testuje odezvy, kter#

porovn%v%s referen5n'mi odezvami v pam3ti mikropo5'ta5e. Testovac'diagnostika jezpravidla realizov%na jako samostatndiagnostickp/'stroj, nen'trvalou sou5%st'regul%toru.

Provozn'diagnostika pak je vestav3na do regul%toru a hl'd%provozn'stavy n3kterchd)le7itch veli5in, zda nep/ekra5uj'dovolen#hodnoty, nap/. toleranci nap%jec'ho nap3t', dobutrv%n'nadproudu, p/ekro5en'maxim%ln'rychlosti, regula5n'odchylku atd.

Vedle hv3zdicov#topologie komunikace pohon)a nad/azen#4rovn3/'zen', jak je nazna5enona obr. 1.7, se pro /'zen'robot)pou7'v%struktura se spole5nou sb3rnic', obr. 1.8

dic#po)#ta)

&e4en#kinematiky

Reg.pohonu

&e4en#dynamiky

osa q2 . . . . . . . .

Reg.pohonu

&e4en#dynamiky

osa q6

Reg.pohonu

&e4en#dynamiky

osa q1

. . . . . . . . .

Obr. 1.8 zen#4estios+ho robotu, topologie se spole)nou sb3rnic#

Jin%topologie, pou7'van%pro /'zen'obr%b3c'ch stroj), je tzv. kruhov%s'9. Jde o seriovp/enos, elektricknebo optick. Vhodou je mo7nost p/enosu na v3t1'vzd%lenosti (obr. 1.9).

dic#po)#ta)

CNC

master

slave slave slave slave

pohonv/etene

pohonposuvu X

pohonposuvu Y

pohonposuvu Z

Obr. 1.9 Komunikace kruhovou s#t#

15


20/84

1.7 Ru5iv1a vedlej5%:,inky elektrick*ch pohon'

Ru1iv#a vedlej1'45inky elektrickch pohon)lze rozd3lit na mechanick#, tepeln#a elektrick#45inky.

K nep/'znivm mechanickm 45ink)m pat/'chv3n'rotor), pokud nejsou pe5liv3dynamickyvyv%7eny, d%le chv3n'a magnetickhluk koster elektrickch stroj)a jader transform%tor)atlumivek. Chv3n'pohonu v/etene zp)sobuje zhor1en'kvality povrchu obr%b3n#sou5%stky.

Nejv3t1'm zdrojem hluku elektrickch pohon)je ventilace motor), p/i 5em7odst/edivventil%tor je zpravidla hlu5n3j1'ne7ventil%tor axi%ln'. Nejm#n3hlu5n#jsou zav/en#servomotory bez ventilace, pou7'van#pro pohony robot)a posuv)obr%b3c'ch stroj).

Odv%d3n'ztr%t motor)a vkonovch m3ni5)ovliv,ue pracovn'prost/ed'. U motor)s ciz'ventilac'je nutno db%t na volnp/'vod a odvod chladic'ho vzduchu, motory bez ventilace seochlazuj'v3t1inou veden'm tepla p/es p/'rubu, je nutno dodr7et kvalitn'tepelnp/echod.Teplo se odv%d'rovn37p/es h/'del a spojku; pokud je motor p/'mo spojen s kuli5kovm1roubem posuvu obr%b3c'ho stroje, m)7e oteplen'kuli5kov#ho 1toubu zp)sobit jeho dilataci av d)sledku chybu odm3/ov%n'polohy, pokud je sn'ma5polohy na motoru.

K nep/'znivm elektrickm 45ink)m pohon)pat/'mo7nost 4razu elektrickm proudem,zkreslen's'9ov#ho nap3t'vy11'mi harmonickmi p/i odb3ru nesinusov#ho proudu

polovodi5ovmi m3ni5i, vf. r%diov#ru1en'do nap%jec's't3a vyza/ov%n'm do okol'a nebezpe5'po7%ru nebo vbuchu v nebezpe5nch prost/ed'ch, jako jsou doly, uheln#mlny, chemick#provozy a pod. Pro tato prost/ed'je nutn#pou7'vat elektrick%za/'zen'se speci%ln'm kryt'm(tzv. nevbu1n#proveden').

Z%sady projektov%n'elektrickch pohon)(a plat'to i pro jin%elektrick%za/'zen') spo5'vaj'v omezen'vedlej1'ch a ru1ivch 45ink)bezpodm'ne5n3tam, kde je to p/edeps%no normou,v ostatn'ch p/'padech dle technickch a cenovch mo7nost'po dohod3se z%kazn'kem.

P/i po7adavku na n'zk#chv3n'je t/eba pou7't motor s vy11'geometrickou p/esnost'vroby,kterje v1ak vrazn3dra71', p/i po7adavku na sn'7enhluk pak pou7't motor bez ventilace(kterje v3t1'a t371'pro danmoment), nebo l#pe motor s ventilac'axi%ln'.

16


21/84

2 Volba koncepce a dimenzov#n%pohon'

2.1 Koncepce v*konov1,#sti elektrick1ho pohonu

P/i n%vrhu koncepce vkonov#5%sti elektrick#ho pohonu vych%z'projektant z t3chtopo7adovanch 4daj):

Strojn7technologick1:daje

druh zat'7en': trval#(S1), kr%tkodob#, na p/. 10 min (S2-10 min), p/eru1ovan#(S3-40 %) s ud%n'm pom3ru doby zat'7en'k dob3cyklu v %, p/eru1ovanchods uva7ov%n'm rozb3hu (S4) atd; nejd)le7it3j1'm 4dajem pro projektanta je ekvivalenttrval#ho zat'7en', po5'tanze st/edn'hodnoty ztr%t, p/'p. efektivn'hodnoty zat37ovac'homomentu poh%n3n#ho za/'zen'

sm3r ot%5en', elektrick#brzd3n', reverzace ot%5ek, 5etnost reverzac'; tyto hodnotyslou7'jednak k dimenzov%n', jednak pro volbu struktury nap%jec'ho m3ni5e a regul%toru

statick%zat37ovac'charakteristika (z%vislost momentu na ot%5k%ch ) a 5asov()zat37ovac'diagram ; ze zat37ovac'ho diagramu lze kontrolovat dimenzov%n'(t)motoru

mechanick#p/evody, momenty setrva5nosti a setrva5n#hmoty pohybuj'c'ch se 5%st';tyto hodnoty slou7'k vpo5tu dynamickch momen)pro urychlov%n'a brzd3n'pohonu

po7adavky na regulaci: momentu, rychlosti, polohy, soub3hu rychlosti nebo vz%lemn3v%zan#ho /'zen'polohy, pro n%vrh koncepce a struktury regula5n'ch smy5ek

b) Parametry nap#jec%s%t7

jmenovit# nap3t', tolerance nap3t'(v na1ich podm'nk%ch je n'zk#nap3t'3x400 V, )

5%jmenovit%frekvence a jej'tolerance(50 Hz, , v mnoha zem'ch 60 Hz)25%reaktance s't3, zkratov%odolnost

c) Pracovn%prost/ed%

oby5ejn#: -100C a7+400C, do 1000 m nad mo/em, vlhkost do 80 %

zvl%1tn': s nebezpe5'm vbuchu, vlhk#, mokr#, such#tropick#, vlhk#tropick#

Projek5n'n%vrh mus'respektovat pracovn'prost/ed', zejm#na konstruk5n'm proveden'melektrickch p/edm3t), povrchovou 4pravou, izola5n'mi materi%ly atd.

P/edpisy pro elektrick#za/%zen%s ohledem na prost/ed%


22/84

Prvn'5'slice ud%v%stupe,ochrany p/ed vniknut'm ciz'ch t3les, druh%5'slice pak stupe,ochrany p/ed vniknut'm vody, vznam 5'slic je uveden v n%sleduj'c'tabulce, kter%je pouzeorienta5n', norma pak p/edepisuje i podrobnosti, nap/. rozm3ry prachovch zrn atd.:

1. 5'slice 2. 5'slice

0 bez ochrany 0 bez ochrany

1 p/ed vniknut'm ruky 1 proti kapaj'c'vod3

2 p/ed vniknut'm prstu 2 proti kapaj'c'vod3

3 p/ed vniknut'm n%stroje 3 proti 1ikmo kapaj'c'vod3

4 p/ed vniknut'm n%stroje men1'ho 4 proti st/'kaj'c'vod3

5 p/ed vniknut'm prachu 5 proti tryskaj'c'vod3

6 p/ed vniknut'm prachu jemn#ho 6 proti zaplaven'

7 proti pono/en'

Tak nap/. kryt'IP 55, pou7'van#pro servomotory posuv)obr%b3c'ch stroj)a pro robotick#servomechanismy, jsou pln3zav/en#, bez ventilace, motory v kryt'IP 23 mohou bt chlazeny

proch%zej'c'm vzduchem okoln'ho prost/ed'.

Pou3it%jednotliv*ch typ'motor'pro elektrick1pohony

1. Asynchronn%motory nakr#tko

Asynchronn'motory nakr%tko se vyr%b3j'jako motory pro n'zk#nap3t'(nn, do 500 V) do

vkon)ca 500 kW, jmenovit#ot%5ky p/i nap%jen'ze s't3podle po5tu pAl)do 3000 ot/min, p/inap%jen'z m3ni5)kmito5tu standardn'motory podle velikosti 4000 a78000 ot/min, speci%ln'motory a7do 50 000 ot/min (s magnetickmi lo7isky).

Vysokonap39ov#asynchronn'motory se vyr%b3j'pro nap3t'3 a710 kV, do vkon)10 MW.P/i p/ipojov%n'vn motor)zejm#na dlouhmi kabely je nutno o1et/it p/ep3t'na svork%chmotor), aby nedo1lo k pr)razu izolace.

P/i projektov%n'neregulovanch pohon)s asynchronn'mi motory nakr%tko je nutn#uva7ovat:

z#b7rov*moment a proud; na z%b3rovproud mus'bt dimenzov%na p/'vodn's'9anadproudov#ji1t3n'; sn'7en'z%b3rov#ho proudu lze dos%hnout pou7it'm asynchronn'ch

motor)se zvl%1tn'konstrukc'rotorov#ho vinut'(tzv. v'rov%kotva nebo dvouklecov#Boucherotovo vinut')

maxim#ln%zat73ovac%moment, kternesm'bt v3t1'ne7moment zvratu motoru(pozor na jeho sn'7en'p/i poklesu s'9ov#ho nap3t'!)

Po7adavky na regulaci ot#,ek asynchronn%ch motor'nakr#tkolze v omezen#m'/e splnitu7it'm motor)s p/ep'n%n'm po5tu pAl)(pouze skokov%zm3na, nap/. pohony pra5ek - pomal#ot%5ky pro pran', vysok#ot%5ky pro odst/e>ov%n', pohony vtah)- mikrodojezd apod.),

p/'padn3skluzovou regulac'sn'7en'm statorov#ho nap3t'nap/. f%zov3/'zenm tyristorovmm3ni5em. Z d)vodu poklesu momentu zvratu p/i sni7ov%n'statorov#ho nap3t'(moment kles%se 5tvercem nap3t'!) je vyu7itelnrozsah regulace zm3nou skluzu mal, nav'c je energetickynevhodn, nebo9rostou skluzov#ztr%ty.

18


23/84

Nejvhodn3j1'zp)sob regulace ot%5ek asynchronn'ch motor)nakr%tko je regulace zm3nounap%jec'ho kmito5tu. P/i tomto zp)sobu regulace jsou asynchronn'motory nap%jeny z m3ni5)frekvence, dosa7itelnregula5n'rozsah je od nulov#frekvence a7do frekvence 100 Hz a7400 Hz, p/i 5em7v rozsahu od nuly do 50 Hz se s rostouc'frekvenc'zvy1uje i statorov#nap3t'a7do jmenovit#hodnoty nap3t'(regulace na konstantn'moment), p/i dal1'm zvy1ov%n'

frekvence se statorov#nap3t'ji7nem3n', co7m%za n%sledek odbuzov%n'motoru (regulace nakonstantn'vkon).

Rozb7h asynchronn%ch motor'

Mal#asynchronn'motory n'zk#ho nap3t'do vkonu n3kolika kW lze spou1t3t p/'mmp/ipojen'm k s'ti. Velk#motory na vysok#nap3t'lze spou1t3t p/'mm p/ipojen'm jen tehdy,je-li zkratovvkon s't3v m'st3p/ipojendostate5n, p/i 5em7opakovan#spou1t3n'a t37k#rozb3hy velkch setrva5nch hmot nejsou dovoleny.

Sn'7en'z%b3rov#ho proudu a z%b3rov#ho momentu lze dos%hnout sn'7en'm statorov#ho nap3t'v okam7iku p/ipojen':

p/ep'n%n'm spojen'statorov#ho vinut'hv3zda - troj4heln'k (Y/D) u motor), jeho7vinut'je navr7eno na trvalprovoz v zapojen'D

zapojen'm seriov#t/'f%zov#tlumivky do p/'vodu k motoru po dobu rozb3hu

pou7it'm st/'dav#ho m3ni5e nap3t's f%zovm /'zen'm (tzv. rozb3hovregul%tor, m3ni5pro "m3kk" start, "softstarter")

Brzd7n%asynchronn%ch motor'nakr#tko

Nejvhodn3j1'brzd3n'je brzd7n%gener#torick1(rotor se ot%5'rychleji ne7magnetick#pole,

ve stejn#m smyslu). Gener%torick#ho brzd3n'se doc'l'p/i urychlen'rotoru vn3j1'm momentem,nap/. u je/%b)p/i spou1t3n'b/emene, p/i p/ep'n%n'po5tu pAl)z v'cepAlov#ho spojen'naspojen's men1'm po5tem pAl)a p/i rychl#m sni7ov%n'frekvence p/i nap%jen'z frekven5n'chm3ni5).

Dynamick1brzd7n%je brzd3n'stejnosm3rnm proudem: odpojen#statorov#vinut'od s't3senap%j'do dvou f%z'stejnosm3rnm proudem, ktervytvo/'ve vzduchov#meze/e stacion%rn'

pole; rotorovm vinut'm pak prot#k%proud, jeho7velikost a t'm i brzdnmoment klesaj's klesaj'c'mi ot%5kami.

Protism7rn1brzd7n%je nejm#n3vhodn#z energetick#ho hlediska. P/i tomto brzd3n'se

magneick#pole ot%5'opa5nm sm3rem, ne7rotor; pokud stator neodpoj'me v okam7iku

M

U V WU

t

Obr. 2.2 Princip rozb3hu asynchronn#ho motoru p/i sn#


24/84

dosa7en'nulov#rychlosti, otor se rozbv3hne na opa5nou stranu. K odpojen'm)7e slou7itnap/. odst/edivsp'na5na h/'deli motoru

Pou3it%asynchronn%ch motor'nakr#tko

Asynchronn'motory nakr%tko jsou nejroz1'/en3j1'm typem neregulovanch pohon). P/ipojujese k s'ti b37nmi sp'nac'mi a jistic'mi p/'stroji (vyp'na5nebo styka5s tla5'tkovm ovl%d%n'm,

jisti5, nadproudov#rel#, pojistky s motorovou charakteristikou). Sp'n%n'asynchronn'chmotor)je zdrojem p/ep39ovch 1pi5ek v s'ti, kter#je v n3kterch p/'padech nutno o1et/ittlumic'mi RC-5leny.

2. Asynchronn%motory krou3kov1

Asynchronn'motory krou7kov#n'zkonap39ov#se vyr%b3j'do vkon)ca 250 kW,vysokonap39ov#pak a7do vkon)10 MW.

Krou7kov#asynchronn'motory umo7,uji skluzovou regulaci ot%5ek zm3nou rotorov#ho

odporu, tj. p/ipojen'm vn3j1'ch odpor)do rotorov#ho obvodu. Vzhledem k energetickmztr%t%m (ztr%ty v rotorov#m obvodu jsou 4m3rn#skluzu!) je pou7itelnrozsah regulaceasi 1:10. Nevhodou je obt'7nost za/azen'takto /'zen#ho motoru do regula5n'ho obvodu:

rotorovodpor se m3n'bu>stup,ovit3sp'n%n'm jednotlivch sekc'styka5i, nebo posuvnmiodpory, ovl%danmi servomotorky. Vhodn3j1'zp)sob /'zen'je na obr. 2.3, na n3m7jeskluzov#nap3t'nejprve usm3rn3no, zat37ovac'odpor ve stejnosm3rn#m obvod3je /'zensp'nac'm tranzistorem s pulsn'1'/kovou modulac'(PWM).

L

RAM

3x400 V

Obr. 2.3 Skluzovregulace zm3nou rotorov+ho odporu pomoc#PWM sp#nn#

Sn'7en'ztr%t p/i skluzov#regulaci se dos%hne tzv. kask%dn'm zapojen'm: skluzov%energie se

vrac'zp3t do s't3. Kask%dn'zapojen'se pou7'v%pro velk#vkony a7do 10 MW, nap/. proregulovan%5erpadla, ventil%tory, v posledn'dob3jako gener%tory/motory na h/'deli turbiny

20

400V

Obr.2.1 Spojen#statorov+ho vinut#vinut#Y/D

400V

230V


25/84

p/e5erp%vac'vodn'elektr%rny. Podsynchronn'kask%da umo7,uje regulaci zhruba od 50 % do100 % jmenovit#rychlosti, nadsynchronn'kask%da pak od 50 % do 150 % jmenovit#rychlosti. Blokov#schema obou typ)kask%d je na obr. 2.4. V podsynchronn'm re7imu jeskluzov%energie vracena do s't3, v nadsychronn'm re7imu je motor nap%jen sou5asn3dostatoru i do rotoru.

En

f1

f2

En

f1

f2f1 f1

a) b)

Obr. 2.4 Podsynchronn#kaskda a), nadsynchronn#kaskda b)

Pou3it%asynchronn%ch motor'krou3kov*ch

Skluzovou regulaci ot%5ek p/'davnm odporem v rotorov#m obvodu lze pou7't v p/'padech,kde nevad'n'zk%45innost, tj.pro pohony men1'ch vkon)a p/i kr%tkodob#regulaci, nap/. pro

pohony je/%b), ventil%tor)a 5erpadel. Podsynchronn'a nadsynchronn'kask%dy jsou vhodn#pro velk#vkony s rozsahem regulace ot%5ek 1:2 a71:3 (s rostouc'm rozsahem regulace rostetypovvkon polovodi5ovch m3ni5)v rotorov#m obvod3- roste skluzovvkon).

3. Stejnosm7rn1motory

Stejnosm3rn#motory jsou typicky regula5n'mi motory a pro jin#45ely se praktickynepou7'vaj'. I kdy7v sou5asn#dob3jsou stejnosm3rn#regula5n'pohony nahrazov%ny pohonyst/'davmi, v /ad3aplikac'maj'sv#m'sto zejm#na pro jednoduchost /'zen'a relativn3men1'n%roky na polovodi5ov#nap%jec'm3ni5e, v5etn3cenovch relac'.

Stejnosm3rn#motory, pou7'van#v elektrickch pohonech, se d3l'podle konstrukce na:

motory s ciz%m buzen%m; vyr%b3j'se jednak seriov3ve standardn'm normovan#mproveden'(tj. s normalizovanmi rozm3ry) v /ad%ch od zlomk)kW do ca 400 kW,nap3t'kotvy do 440 V. Motory s ciz'm buzen'm umo7,uj'regulaci ot%5ek jak zm3nounap3t'kotvy, tak zm3nou budic'ho proudu a pou7'vaj'se pro regulovan#pohonyvrobn'ch stroj)s prakticky neomezenm rozsahem regulace od nuly do maxim%ln'ch

ot%5ek. Vedle standardn'ch /ad stejnosm3rnch motor)se vyr%b3j'speci%ln'motoryv%lcovensk#, ur5en#pro t37kprovoz v prost/ed'v%lcoven. Pro velk#vkony do ca 6MW a nap3t'6 kV se vyr%b3j'stejnosm3rn#motory jako kusov#zak%zky pro danouaplikaci (nap/. pohon t37n'ho stroje)

seriov1stejnosm7rn1motoryjsoupou7'v%ny zejm#na jako motory trak5n', vzhledemke sv#momentov#charakteristice, jej'7vliv se v1ak u regulovanch pohon)projev'a7

p/i 4pln#m otev/en'nap%jec'ho m3ni5e; pou7'vaj'se v lokomotiv%ch, tramvaj'ch,elektromobilech, v sou5asn#dob3je op3t snaha tyto motory nahradit motoryasynchronn'mi, zejm#na z d)vodu spolehlivosti

stejnosm7rn1motory buzen1permanentn%mi magnety se pou7'vaj'jakoservopohony numericky /'zench vrobn'ch stroj), robot)a manipul%tor); vyr%b3j'sedo vkon)ca 10 kW, obvykle maj'vestav3n#tachodynamo a elektromagnetickou

21


26/84

klidovou brzdu (zabrzd'rotor v p/'pad3vpadku nap3t'). Stejnosm3rn#motorys permanentn'mi magnety se vyr%b3j'i v jinch konstruk5n'ch proveden'ch, nap/.s diskovm rotorem, s hrn'5kovm rotorem bez 7eleza apod.

Nevhodou stejnosm3rnch motor)je sb3rac'4stroj', tvo/en#komut%torem na rotoru akart%5i v kart%5ovch dr7%c'ch na statoru. P/i v3t1'm proudu a vy11'm nap3t'(p/i vysokchot%5k%ch) vznikaj'p/i komutaci na hran3kart%/)nejprve jiskry, kter#mohou p/ej't p/i dal1'mzv1en'proudu a7v elektrickoblouk mezi sousedn'mi kart%5i. Z toho d)vodu je zpravidlaomezeno proudov#p/et'7en'u standardn'ch motor)na dvojn%sobek jmenovit#hodnoty,motory s permanentn'mi magnety na statoru, kter#nemaj'komuta5n'pAly ani kompenza5n'vinut', umo7,uj'proudov#p/et'7en'od trojn%sobku p/i nulov#rychlost po m#n3ne7

jmenovitou hodnotu p/i maxim%ln'rychlosti.

Stejnosm3rnmotor s regulac'nap3t'm kotvy p/i konstantn'm magnetick#m toku je p/ibli7n3line%rn'dynamickou soustavou, k n%vrhu regula5n'ch smy5ek je mo7no pou7't metodyline%rn'ho /'zen', p/i regulaci buzen'm jde o neline%rn'soustavu, n%vrh regul%toru je vhodn#

prov%d3t simulac'na po5'ta5i (nap/. programem MATLAB/SIMULINK)4. Synchronn%motory

Synchronn'motory se pou7'vaj'bu>jako neregulovan#pohony nejv3t1'ch vkon)(a7des'tkyMW), nebo jako regulovan#pohony, nap%jen#z m3ni5)kmito5tu: pro frekvence od nuly doca 20 Hz z cyklokonvertor)(viz obr. 2.5), pro vy11'frekvence nej5ast3ji z proudovch m3ni5)kmito5tu.

Neregulovan#synchronn'motory se spou1t3j'asynchronn'm rozb3hem, regulovan#pohony serozb'haj'postupnm zvy1ov%n'm nap%jec'ho kmito5tu.

Mal#synchronn'motory s buzen'm prmanentn'mi magnety na rotoru se pou7'vaj'proservopohony s tzv. vektorovm /'zen'm, kter#/'d'statorov#proudy v z%vislosti na polozerotoru (vektor proudu je st%le kolmk vektoru magnetick#ho toku).

SM

Obr. 2.5 Synchronn#motor napjen-z cyklokonvertoru

22


27/84

Pou3it%polovodi,ov*ch m7ni,'v elektrick*ch pohonech

1. M7ni,e pro nap#jen%stejnosm7rn*ch pohon'

Stejnosm3rn#motory jsou nap%jeny do kotvy bu>z tyristorovch usm3r,ova5)s f%zovm/'zen'm, nebo stejnosm3rnmi pulsn'mi m3ni5i.

Tyristorov1usm7r8ova,ejsou jednof%zov#dvoupulsn'pro vkony do 2 kW p/i nap%jen'zes't3230 V, 50 Hz,nebo do 5 kW p/i nap%jen'400 V, 50 Hz.Pro vkony do 10 kW lze pou7'tt/'f%zov#t/'pulsn'zuapojen', u n3ho7je nutns'9ovtransform%tor. Nejroz1'/en1j1'mzapojen'm tyristorovch usm3r,ova5)je t/'f%zov#1estipulsn'zapojen', kter#se pou7'v%pro

pohony a7don3kolika set kW. Nejv3t1'vkony se realizuj's usm3r,ova5i ve dvan%ctipulsn'mzapojen'.

Podle po5tu pracovn'ch kvadrant)statick#zat37ovac'charakteristiky (tj. z%vislosti vstupn'honap3t'na proudu ) rozli1ujeme zapojen'jednokvadrantov#(polo/'zenm)stek se 3U=f(I)tyristory, 3 diodami a nulovou diodou), dvoukvadrantov#zapojen'(pln3/'zenusm3r,ova5,osazenpouze tyristory) a 5ty/kvadrantov#spojen'(zapojen'dvou m3ni5), ka7dpro jedensm3r veden'proudu).


28/84

j'zd3s kopce, dvoukvadrantov#m3ni5e se zm3nou sm3ru proudu pak umo7,uj'rekuperaci p/ij'zd3s kopce. Pro tranzistorov#m3ni5e se pou7'vaj'unipol%rn'tranzistory MOSFET provkony do 50 kW, tranzistory s izolovanou b%z'typu IGBT pro vkony do 400 kW, pronejv3t1'vkony pak vyp'nateln#tyristory GTO.

2. M7ni,e pro st/%dav1pohony

Pro rozb3h asynchronn'ch motor)do vkonu n3kolika set kW se pou7'v%f%zov3/'zenchm3ni5)nap3t's tyristory (viz obr. 2.2).

Podsynchronn'kask%dy (obr. 2.4) sest%vaj'z diodov#ho usm3r,ova5e a tyristorov#ho st/'da5e(usm3r,ova5e v invertorov#m re7imu) komutovan#ho s'9ovm nap3t'm. Nadsynchronn'kask%dy se skl%daj'ze dvou m3ni5)kmito5tu, znich7prvn', p/ipojenk rotoru, pracuje se

skluzovm kmito5tem a druh, p/ipojenk s'ti, s kmito5tem s'9ovm, p/'padn3oba m3ni5e lzenahradit cyklokonvertorem.

Frekven5n'm3ni5e pro regulovan#st/'dav#pohony se d3l'na nap39ov#m3ni5e (obr. 2.8a) aproudov#m3ni5e (obr. 2.8b)

Nap39ov#m3ni5e do vkon)ca 50 kW se osazuj'unipol%rn'mi tranzistory MOSFET,nap39ov#m3ni5e do 400 kW tranzistory typu IGBT a nap39ov#m3ni5e od 100 kW don3kolika MW pak vyp'natelnmi tyristory GTO.

3x400V

50 Hz

RbC

M

Obr. 2.7 Schema stejnosm3rn+ho pohonu s tranzistorov-m pulsn#m m3ni)em

T1

T2 T3

T4

f1 SS

I

U

f2I

U SS

f1

f2

Nap3%ov-m3ni)

U=konst.

Proudov-m3ni)

sign(I)=konst

Obr. 2.8 Principy nep/#m-ch m3ni)>frekvence se stejnosm3rn-m meziobvodem

a) b)

24


29/84

Proudov#m3ni5e se v sou5asnosti vyr%b3j'pro m3ni5e nejv3t1'ch vkon)a osazuj'se navstupn's'9ov#stran3tyristory a na sttran3motoru rovn37tyristory, nebo vyp'natelnmityristory GTO.

Srovn%n'nap39ovch a proudovch m3ni5)je v n%sleduj'c'tabulce:

Proudov*m7ni, Nap7;ov*m7ni,

Jednoduch%rekuperace do s't3(tyristorovusm3r,ova5v invertorov#m re7imu)

Pro rekuperaci nutntranzistorovusm3r,ova5s PWM

Neharmonickvstupn'proud Sinusovvstupn'proud (PWM vstupn'honap3t')

Jednodu11'/'zen'a regulace Slo7it3j1'/'zen'

Vhodnjen pro jednomotorov#pohony Vhodni pro v'cemotorov#pohony

Jen v uzav/en#smy5ce V uzav/en#i v otev/en#smy5ce

Hor1'dynamick#vlastnosti Lep1'dynamick#vlastnostiProbl#my p/i I0 Bez probl#m)p/i malch proudech

Vkonov#prvky mus'sn#st i z%porn#nap3t'(nelze 4pou7't tranzistory, jen v seriis diodou)

Vkonov#prvky nap39ov3nam%h%ny jen vptopustn#m sm3ru

2.2 Koncepce /%zen%a regulace

V /'dic'ch a regula5n'ch soustav%ch elektrickch pohon)se pou7'v%t3chto sign%l):analogovsign%l (spojit) amplitudov nap39ov(nap/. )10 V

proudov(nap/. )

5 mAf%zov selsyn, resolver

diskr#tn'sign%l (nespojit) frekven5n' inkrement%ln'sn'ma5plohyPWM sign%l

5'slicovsign%l bin%rn' povely (nap/. 0 V/15 V)seriov

paraleln'

Spojit(analogov) sign%l nese informaci bu>ve velikosti sv#amplitudy, nebo ve f%zov#mposunu dvou nap3t'. U spojit#ho sign%lu nejsou probl#my s 5asovm zpo7d3n'm p/ivyhodnocov%n'tohoto sign%lu, naproti tomu u diskr#tn'ch sign%l)je t/eba zejm#na p/irelativn3n'zk#frekvenci uva7ovat dopravn'zpo7d3n'dan#dobou vzorkov%n'.

Seriovp/enos 5'slicovch sign%l)je vhodnpro v3t1'vzd%lenosti, topologie s't3m)7e bthv3zdicov%nebo kruhov%. Pro seriovp/enos je d)le7itkomunika5n'protokol. (Mezinejzn%m3j1'pat/'RS 232, RS 422, CAN-bus, Profi-bus, Sercos a jin#.)

Paraleln'p/enos po sb3rnici se vyu7'v%pro rychl#p/enosy dat na kr%tk#vzd%lenosti.

V elektrickch pohonech se 5asto vyskytuj'sou5asn3r)zn#typy sign%l); z toho d)vodu je

5asto pro vz%jemnou komunikaci pou7'vat r)znch p/evodn'k): analogov35'slicovch (A/D),

25


30/84

digit%ln3analogovch (D/A), p/evodn'k)frekvence na analogovsign%l a naopak (F/A, A/F) ap/evodn'k)f%ze na analogovnebo 5'slicovsign%l, tzv. f%zovch diskrimin%tor).

Projektant pohonu mus'p/i n%vrhu respektovat kompatibilitu jednotlivch subsyst#m)z hlediska vz%jemn#ho propojen'a komunikace, tj. typy a 4rovn3jednotlivch sign%l)v5etn3

komunika5n'ch protokol), zejm#na mezi nad/azenm /'dic'm po5'ta5em (CNC syst#mem) avlastn'm regul%torem pohonu a mezi regul%torem a zp3tnovazebn'mi sn'ma5i na pohonu,p/'padn3i na technologick#m za/'zen', jeho7je pohon sou5%st'.

Z hlediska /'zen'a regulace pohonu se pou7'v%/ady regula5n'ch struktur:

Pro nejjednodu11'aplikace se 5asto pou7'v%/'zen'v otev/en#smy5ce, tj. bez zp3tn#vazby; jako p/'klad lze uv#st pohon s asynchronnm motorem a m3ni5em frekvencese skal%rn'm /'zen'm. Toto /'zen'je nejlevn3j1', nezaru5uje v1ak p/esnost regulace p/izm3n3zat'7en'a vyzna5uje se 1patnou dynamikou

Regulace v uzav/en#smy5ce zaru5uje dostate5nou p/esnost a dobr#dynamick#vlastnosti (odezvu na /'zen'i rychl#vykompenzov%n'poruchy- zat37ovac'ho momentu).Pro /'zen'v uzav/en#smy5ce se nej5ast3j'pou7'v%line%rn'ch spojitch (analogovch)nebo line%rn'ch diskr#tn'ch (5'slicovch) regul%tor), v n3kterch p/'padech i regul%tor)neline%rn'ch, zejm#na rel#ov#ho typu (nap/. dvoupolohovregul%tor proudutranzistorovch pulsn'ch m3ni5)).

Regulace elektrickch pohon)zpravidla vy7aduje spolupr%ci v'ce regula5n'ch smy5ek:proudu, n3kdy momentu, rychlosti, n3kdy zrychlen', polohy, 5asto i technologickchregulac', nap/. tahu nav'jen#ho materi%lu u nav'je5ek. Pro vz%jemnou spolupr%ci

jednotlivch regul%tor)jsou nejroz1'/en3j1'tyto regula5n'struktury:

Regula5n'struktura s pod/'zenmi smy5kami(obr. 2.9); proudov%smy5ka je

pod/'zenou (vnit/n') smy5kou nad/azen#smy5ce ot%5kov#, kter%m)7e bt op3tpod/'zenou smy5kou regul%toru polohy; omezen'proudu se pak nastavuje omezen'mvstupu nad/azen#ho ot%5kov#ho regul%toru.

Paraleln'/azen'regul%tor)(obr. 2.10); p/i tomto /azen'je v 5innosti v7dy pouze jednasmy5ka, p/ep'n%n'je /'zeno podle stavu regulovanch veli5in, nap/. paraleln'proudov%smy5ka je v 5innosti jen p/i nadproudu - reguluje na proudov#m omezen', jinak je v5innosti pouze ot%5kov%smy5ka. Tato koncepce je vhodn3j1'v p/'padech, v nich7byodezva pod/'zen#proudov#smy5ky prodlu7ovala odezvu regulace ot%5ek.

R 1 S 1 S 2+

-

R 2+

-

Obr. 2.9 Regula)n#struktura s pod/#zenou smy)kou

26


31/84

Pro soustavy vy11'ho /%du, nap/. v'cehmotovou pru7n3v%zanou soustavu (pohonyv%lcovac'ch stolic), je vhodn3j1'pou7't stavovzp3tnovazebn'regul%tor, dopln3no pozorovatele stavovch prom3nnch (Na obr. 2.11 jeyvstupn'm3/en%stavov%

prom3nn%, nap/. ot%5ky na motoru, pozorovatel rekonstruuje v1echny ostatn'stavov#prom3nn# , aby nemusely bt m3/eny). Stavovregul%tor Rp/edstavuje /%dkovou

x

matici koeficient), ktermi jsou n%sobeny jednotliv#stavov#prom3nn#.

Nevhodou stavov#ho regul%toru je zejm#na obt'7n#nastavov%n'jeho parametr)p/i uv%d3n'do provozu.


32/84

Podle slo7itosti aplikace, s ohledem na cenu, projektanti vol'z 1irok#nab'dky mikropo5'ta5)od jednoduchch osmibitovch a7po 32 bitov#a sign%lov#procesory. Architektura bv%obvykle jednoprocesorov%, pro n%ro5n3j1'aplikace, zejm#n av3t1'ch vkon), je volenaarchitektura multiprocesorov%, 5asto typu "master-slave", v n3m7rychl#regula5n'algoritmy/e1'sign%lovprocesor, komunikace, diagnostiku a obslu7n#funkce pak standardn'

mikroprocesor.

U levnch aplikac', nap/. m3ni5)kmito5tu pro /'zen'asynchronn'ch motor)typu V/f(nap3t'-frekvence), je 5asto mikropo5'ta5dopln3n z%kaznickm obvodem velk#integrace(ASIC), realizuj'c'm sinusovou PWM. Struktura takov#ho pohonu je patrn%z obr. 2.12.

Panel P

V/V

ASIC

PWMM3ni)kmito)tu

AM

)idloproudu

Obr. 2.12 St/#dav-pohon /#zen-mikropo)#ta)em

Algoritmy regulace analogovch regul%tor)se navrhuj'metodami spojit#line%rn'regulace,jako nap/. pou7it'm frekven5n'ch charakteristik, metodou geometrick#ho m'sta ko/en),

u elektrickch pohon)pak nej5ast3ji pou7it'm standardn'ch tvar)p/enosovch funkc'metodouoptim%ln'ho modulu nebo metodou symetrick#ho optima.

Pro pohony s prom3nnmi parametry (nap/. stejnosm3rn#tyristorov#pohony v re7imechp/eru1ovan#ho a nep/eru1ovan#ho proudu kotvy, pohony s prom3nnm momentemsetrva5nosti apod.) je zpravidla nutnadaptivn'regul%tor, realizovatelnv analogovchregul%torech pouze slo7it3j1'm obvodovm zapojen'm.

Zvl%1tn'm p/'padem analogovch regul%tor)v elektrickch pohonech je nespojit%regulaceproudu dvoupolohovm regul%torem s hysteres', pou7'van%vedle klasickch spojitchPI-regul%tor)u tranzistorovch m3ni5)s PWM. Blokov#schema a funkce dvoupolohov#ho

regul%toru proudu je patrn%z obr. 2.13.

F(p)i*

-i

i

t

i*

+h/2

-h/2

Obr. 2.13 Dvoupolohov-regultor proudu s hysterez#(h)

28


33/84

Algoritmy ,%slicov*ch regul#tor'se navrhuj'bu>to diskretizac'spojitch algoritm)utakovch soustav (tj. pohon)), u nich7je nejmen1'5asov%konstanta, co7je zpravidla dobaregulace proudov#smy5ky, mnohon%sobn3v3t1', ne7perioda vzorkov%n'5'slicov#horegul%toru. V3t1inou vyhov'diskr#tn'tvary PI, resp. PID regul%tor).

Jinou mo7nost'je n%vrh algoritmu regulace n3kterou z metod n%vrhu diskr#tn'ch regul%tor),kter#umo7,uj'n%vrh na kone5npo5et krok)regulace, nulovou ust%lenou chybu, p/'padn3algoritmus stavov#ho zp3tnovazebn'ho regul%toru s pozorovatelem metodou rozm'st3n'pAl).

to dokon5it technologickou operaci, nebo standardn'odstaven'pohonu

prvky, kter#bezprost/edn3nebo s 5asovou prodlevou odstav'pohon, jako jsou pojistky,jisti5e a nadproudov%rel#

Projektant pohonu navrhuje ji1t3n'a ochrany tak, aby vylou5il mo7nost n%slednch 1kodv p/'pad3poruchy nebo havarie. P/i n%vrhu respektuje p/'slu1n#normy a doporu5en'. Ji1t3n'aochrany nesm'na jedn#stran3sni7ovat parametry pohonu, na druh#stran3mus'ochr%nit

pohon p/ed havari'p/i p/et'7en'.

Jedn'm z nejd)le7it3j1'ch typ)ji1t3n'je ji1t3n'vkonovch polovodi5ovch m3ni5)protizkratu. Zat'mco tranzistorov#m3ni5e m'vaj'tzv. elektronickou pojistku, tj. vyp'naj'zablokov%n'm budic'ho proudu, diody a tyristory je nutno jistit proti zkratu rychhlmi

pojistkami.

V tyristorov#m /iditeln#m usm3r,ova5i se mohou vyskytnout jednak zkraty usm3r,ova5ov#,tj. zkraty na stejnosm3rn#stran3m3ni5e, nebo a7na kotv3stejnosm3rn#ho motoru, je-li m3ni5

29


34/84

v usm3r,ova5ov#m re7imu (tj. zapalovac'4hel ), jednak invertorov#zkraty,

0< < 900

nazvan#t#7proho/en'm invertoru. K invertorov#mu zkratu m)7e doj't bu>to ztr%touzapalovac'ho impulsu v invertorov#m re7imu ( ), kter odpov'd%brzd3n'900 < < 1800 motoru, nebo jeho posunut'm a7za bezpe5nostn'4hel , kde je 4hel komutace1800 tyristoru. Dal1'mo7nost'vzniku invertorov#ho zkratu je vpadek s'9ov#ho nap3t'v re7imu

invertoru. Zkraty v tyristorov#m usm3r,ova5i nelze vyp'nat zablokov%n'm zapalovac'chimpuls)(k zablokov%n'dojde a7v n%sleduj'c'm pulsu, tj. a7za n3kolik ms, b3hem nich7byzkratovproud vzrostl na hodnotu, kter%by zp)sobila zni5en'tyristor), je nutno je jistitrychlmi pojistkami nebo ryclmi vyp'na5i.

Dimenzov%n'rychlch pojistek vych%z'z po7adavku, aby pojistka vypnula zkrat d/'ve, ne7sepo1kod'tyristor. Na druh#stran3p/'li1rychl#vyp'n%n'zp)sobuje vysok%p/ep3t'( ),

uLdidt

kter%mohou zp)sobit nap39ovpr)raz tyristoru.

P/i vzniku zkratu zkratovproud nar)st%v z%vislosti na nap3t'a impedanci obvodu. P/iIzkrdosa7en'hodnoty vyp'n%pojistka s dobou vyp'n%n' (odpov'd%dob3ho/en'obloukuIom tvuvnit/pojistky). Grafick#zn%zorn3n'v z%vislosti na 5ase je na obr. 2.14a). Z%vislostomezovac'ho proudu na zkratov#m proudu pro n3kolik typ)pojistek s uvedenmiIom Izkr

jmenovitmi proudy je na obr. 2.14b).

Iom

zkrII

t (s)t va)

I om

zkrI

In=50

In=100

In=350

b)

Obr. 2.14 a) Doba vypnut#a princip omezen#zkratov+ho proudu

b) Omezovac#charakteristiky rychl-ch pojistek

Postup n%vrhu rychlch pojistek:

pro 5as kontrolujeme, zdat 10ms

; tyto hodnoty,I2

tpoj


35/84

Jako p/'klad je uveden n%vrh koncepce ji1t3n'a ochran stejnosm3rn#ho pohonu s tyristorovmm3ni5em (obr. 2.16)

I

Hl#dn#chodu ventiltoru(vzduchovklapka)

Hl#dn#teploty motoru

bI

Hl#dn#buzen#

Regultor

napjec#zdroje

aHl#dn#: rozpojen#tachovazby

p/ekro)en#n maxnapjec#nap3t#regultoruv-padku fze s#t3provozn#diagnostika

Obr. 2.16 Koncepce ji4t3n#a ochran stejnosm3rn+ho pohonu

31


36/84

3 Spolehlivost v elektrick*ch pohonech

3.1 Z#kladn%pojmy spolehlivosti

S rostouc'slo7itost'a velikost'technickch syst#m), jako jsou pln3automatizovan#vrobn'linky, jadern#elektr%rny, komunika5n'a dopravn'syst#my a kosmick#projekty vzrostly

po7adavky na definovanou a zaru5enou (ve statistick#m smyslu) spolehlivost jednotlivchsubsyst#m)a komponent), k nim7pat/'v r)znch aplikac'ch i elektrick#pohony.

Na rozd'l od obecn#ho ch%p%n'smyslu pojmu "spolehlivost" je v technickch syst#mechspolehlivost vrobku definov%na jako schopnost vrobku plnit po7adovan#funkce za

p/edepsanch podm'nek a po p/edepsanou dobu. Je t/eba si uv3domit, 7e zv1en%spolehlivostje drah%, a proto ji nen'vhodn#zvy1ovat nad po7adovanou mez, nebo9vrobky by bylyneprodejn#.

Spolehlivost je pouze jednou 5%st'podstatn31ir1'problematiky, zabvaj'c'se jakost'(kvalitou)

vrobk)a vrobn'ch technologi'. Jakost zahrnuje tyto dal1'kategorie:

technick#parametry a funk5n'vlastnosti

spolehlivost

materi%lovou a energetickou n%ro5nost

technologi5nost vroby

estetick#vlastnosti

ergonomick#vlastnosti

ekologick#vlastnosti

Spolehlivost pak zahrnuje d%lebezporuchovost

opravitelnost

udr7ovatelnost

skladovatelnost

7ivotnost (doba technick#ho 7ivota)

Bezporuchovost a opravitelnost dohromady tvo/'tzv. pohotovost)

Ce1en'spolehlivosti nen'jednor%zovm procesem, vy7aduje tzv. syst#movp/'stup.Syst#movp/'stup /e1en'spolehlivosti je 5asov3rozlo7en do t/'po sob3n%sleduj'c'ch etap,mezi nimi7v1ak existuj'zp3tn#vazby. Jednotliv#etapy jsou:

1. etapa je obdob'n%vrhu; v t#to etap3se vhodnm projek5n'm, konstruk5n'm atechnologickm /e1en'm vytv%/'"p/edpoklady" pro dosa7en'po7adovan#spolehlivosti. Vsledkem 1. etapy je tzv. "projektovan%spolehlivost".

2. etapa je obdob'm realizace, tj. vroby a uv%d3n'do provozu. V t#to etap3jenejd)le7it3j1'dodr7ovat technologickou k%ze,, zejm#na pak t3ch technologickchoperac', kter#realizuj'spolehlivost (vb3r sou5%stek, um3l#st%rnut'polovodi5ovch

prvk), zaho/ov%n'po p/edepsanou dobu atd.).

3. etapou, kter%je nejdel1', je obdob'provozu; v tomto obdob'se vy7aduje sledov%n'

poruchovosti, sledov%n'p/edepsanch pracovn'ch podm'nek, spr%vnost obsluhy a4dr7by.

32


37/84

:daje z etapy 2 a z etapy 3 se statisticky vyhodnocuj'a zpravidla pak vedou ke zm3n3konstruk5n'ho /e1en', p/'padn3ke zm3n3technologie vroby.

Syst#movp/'stup zahrnuje nejen technick#hledisko ale i hledisko ekonomick#(nespolehlivvrobek se prodra7'garan5n'mi opravami, nehled3na ztr%tu kreditu vrobce, p/'li1spolehliv

vrobek je draha neprodejn) a organiza5n', nebo9je t/eba vybudovat informa5n'syst#msledov%n'spolehlivosti (sledov%n'poruch) na velk#m po5tu vrobk), v relativn3dlouh#m 5asea na zna5n3rozlehlch geografickch oblastech. P/itom mus'existovat zp3tn#vazby od etapy3 k etap%m 1 a 2 a od etapy 2 op3t k etap31.

3.2 Ukazatel1spolehlivosti

Vlastnosti, ur5uj'c'spolehlivost, jsou ur5ov%ny nebo ovliv,ov%ny n#hodn*mi jevy. Kekvantitativn'mu hodnocen'spolehlivosti se pou7'v%tzv. ukazatel'spolehlivosti, kter#maj'pravd7podobn*charakter. K jejich odhadu se pou7'v%statistick*ch metod.

Pravd7podobnostn%definice ukazatel'spolehlivosti:M3jme n%hodnou veli5inu , ud%vaj'c'dobu do poruchy. Pak jsou charakteristiky n%hodn#veli5iny

Pravd3podobnost poruchy v intervalu (0, t) (3.1)F(t)=P( t)

je d%na distribu5n'funkc'n%hodn#veli5iny Pravd3podobnost bezporuchov#ho provozu (tj. opa5njev k pravd3podobnosti

poruchy)

(3.2)R(t)=P( >t)= 1 F(t)

Hustota pravd3podobnosti poruch v intervalu ; lze ji pou7'vat m'sto(0, 1) F(t) (3.3)(t)=dF

(t)dt

Intenzita poruch

(3.4)(t)= f(t)R(t)

= f(t)1 F(t)

Z charakteristik n%hodn#veli5iny se jako ukazatele spolehlivosti pou7'vaj'

St/edn'hodnota n%hodn#veli5iny (1. obecnmoment), tj. st/edn%doba do poruchy

(3.5)Ts=E()=0t.f(t)dt=

0R(t)dt

Pozn%mka: St/edn'doba do poruchy se ozna5uje i , tj. "mean time to failure"Ts TTF

Rozptyln%hodn#veli5iny (2. centr%ln'moment)

(3.6)D()=E(( Ts)2) =

0(t Ts)2f(t)dt

nebo sm7rodatn#odchylka (3.7)= + D()

kde je kvantilov%charakteristika n%hodn#veli5iny . Zaru,en#doba bezporuchov1ho provozu . Plat', 7eT

(3.8) =R(T)Vznam , kde vol'me a jeho srovn%n's , jsou patrny na obr. 3.1.T

T

s

33


38/84

Pozn%mka: Srovn%n'rozd'lu mezi st/edn'dobou do poruchy a zaru5enou dobouTsbezporuchov#ho provozu :T

0R(t)dt=Ts.1

Vraz na lev#stran3rovnice p/edstavuje plochu pod k/ivkou , kter%je shodn%s plochouR(t)obd#ln'ku o stran%ch a 1.Ts

Statistick*odhad ukazatel'spolehlivosti:

Pravd3podobnostn'definice ukazatel)spolehlivosti jsou definov%ny pro nekone5n3velksoubor objekt). V technick#praxi ov3/ujeme spolehlivost na kone5n3velik#m souboru

objekt). Ukazatele spolehlivosti pak z'sk%me statistickm odhadem, nazvanm t#7bodovodhad.


39/84

(3.13)(t)=B t

(T)N(t).T

Pro statistickbodovodhad by m3loN bt dostate5n3velk#a dostate5n3mal#, av1ak neTtak mal#, p/i n3m7by bylo p/'li1mal#.B t(T)

3.3 Charakteristick*pr'b7h intenzity poruch (t)

Pro elektronick%za/'zen'je charakteristick%tzv. "vanov%k/ivka" z%vislosti intenzity poruch na5ase (obr. 3.2).

Vanov%k/ivka intenzity poruch elektronickch za/'zen'm%t/i vzna5n#oblasti:

Oblast I od zhotoven'za/'zen'do doby se nazv%obdob'm 5asnch poruch; vyzna5ujet1se vy11'intenzitou poruch v d)sledku materi%lovch vad a technologickch nedostatk).

V tomto obdob'by nem3l vrobek opustit vrobn'z%vod.


40/84

Pravd3podobnost poruchy

(3.15)F(t)= 1 et

Hustota pravd3podobnosti poruch

(3.16)(t)=dF(t)dt = et

Intenzita poruch (3.17)(t)=

St/edn'doba do poruchy (3.18)Ts= 1

Zaru5en%doba bezporuchov#ho provozu

(3.19)T= 1 ln1

je kvantilov%charakteristika, ur5uj'c'v3rohodnost.

P/%klad (3.1)

P/i sledov%n'100 ks tranzistorovch m3ni5)v pohonech po dobu 1000 hod do1lo k 10poruch%m.

Ur5ete alternativn3pro dobu provozu .,Ts,T0,95,R(t) t= 24hod, 120hod, 1500hod

Bodovodhad intenzity poruch

F(1000)=

B(1000)

N

= 10

100

= 0.1

Za p/edpokladu exponenci%ln'ho rozd3len'plat'

F(t) 1 et

= 1tln1

F(t)=

1

1000ln(1 0.1)= 1,05.104 hod1

St/edn'doba do poruchy je

Ts= 1=1

1,05.104= 9520hod

Zaru5en%doba bezporuchov#ho provozu s v3rohodnost'95 % je

T0,95=1 ln

1=

1

1,05.104ln

1

0,95= 465hod

Pravd3podobnosti bezporuchov#ho provozu

R(t)=et t= 24 R(24)= 0,997t= 120 R(120)= 0,987t= 1500 R(1500)= 0,85

Porovn%n' a :Ts T0,95 R(Ts)=eTs =e1 = 0,37

!R(T)=eT = 0,95=

36


41/84

Z%v3r: Do doby bude pracovat bez poruchy pouze 37 % pohon), tj. u 63 % dojdeTsk poru1e, do doby bude pracovat bez poruchy pohon), tj. pro z)stane bezT = 0, 95

poruchy 95 % pohon).

Pro p/ehlednost jsou v n%sleduj'c'tabulce uvedeny ukazatel#spolehlivosti

z pravd3podobnostn'definice, ze statistick#ho odhadu (kterse pou7'v%pro vyhodnocov%n'experiment%ln'ho zji19ov%n'spolehlivosti) a p/i exponenci%ln'm rozd3len'.

Ukazatel Pravd3pod. definice Statistickodhad Exponenc. rozlo7.

R(t) P( >t) N(t)N

et

F(t) P( t) B(t)N

1 et

(t) dF(t)dt

BNT

et

(t) f(t)R(t)

BN(t)T

Ts

0R(t)dt T

N

n

1N(t) 1

T - 1 ln

1

Grafick#zn%zorn3n'pravd3podobnosti bezporuchov#ho provozu pro exponenci%ln'rozd3len':

R(t)

1

0.37

T T st

e t

Obr. 3.3 Graf pravd3podobnosti bezporuchov+ho provozu

37


42/84

3.4 Ukazatel1spolehlivosti obnovovan*ch objekt'

A7dosud jsme p/edpokl%dali, 7e porouchan#objekty nebyly opravov%ny. V technick#praxi sezpravidla porouchan#objekty opravuj'(obnovuj').

Proces obnovy m)7eme rozd3lit do t3chto etap:

detekce poruchy

lokalizace poruchy

oprava (zpravidla vm3nou vadn#5%sti)

testov%n'

obnoven'funkce

Zn%zorn'me-li 5asovpr)b3h jednotlivch dob bezporuchov#ho provozu a dob obnov (viz obr.3.4), dostaneme n%hodnou funkci , pro kterou plat'(t)

p/i bezporuchov#m provozu(t)= 1p/i obnov3(t)= 0

..... n%hodn%doba bezporuchov#ho iprovozu

..... n%hodn%doba obnovy po i-t#iporu1e

Nelze-li zanedbat vzhledem ke , mluv'me o obecn1m procesu obnovy.i i

Je-li mo7no zanedbat vzhledem ke , jde ojednoduch*proces obnovy.i i

Jednoduch*proces obnovy

P/i jednoduch#m procesu obnovy je spolehlivost charakterizov%na n%hodnou veli5inou ,r

dobou do r-t#poruchy:

(3.20)r=r

1i

nebo po5tem poruch v 5asov#m intervalu . Plat'vz%jemnvztahi (0, t)

(3.21)P(r>t)=P(t


43/84

Hustota obnovje parametrem proudu poruch

(3.23)h(t)=dH(t)

dt

Pro exponenci%ln'rozd3len'pravd3podobnosti vzniku poruch plat'

(3.24)h(t)= , H(t)= t

Jednoduchproces obnovy prose nazv%stacion%rn'h(t)= =konst.

(Poisson)v). Pro pravd3podobnostn'funkci, ur5uj'c'rozd3len'pravd3podobnostiP(r)

n%hodn#diskr#tn'veli5iny plat'Poisson)v z%kon rozd3len's parametrem :i (t)

(3.25)P(r)=(t)r

r! et

(Pozn%mka: funkce je tabelov%na ve tvaru ).P(r)=r

r!e

P/%klad (3.2)

Ur5ete nejmen1'po5et n%hradn'ch objekt), kter#s pravd3podobnost' vysta5'na (1 )dobu provozu . ( je pravd3podobnost rizika, 7e obnovu ji7nebude mo7no prov#st, proto7etp nebude k dispozici n%hradn'objekt.)

Za dobu m)7e doj't k poruch%m s pravd3podobnost' , pro opravy je pot/eb'tp r (1 )n%hradn'ch objekt):(N 1)

P(tr)=P(tN 1)= 1

z Poissonova rozd3len'

P(tN 1)=N1

r=0 (tp)

r

r! etp

Pro = 1.103 h1, tp= 6000 h, (tp= 6)

r 0 ... 5 ... 9 12

0.0025 0.160 0.069 0.011P(r)

0.0025 0.446 0.917 0.992r

1P(i

0.9975 0.55 0.08 0.01 = 1 P(i)

0 4 8 11

Pro pot/ebujeme 8 n%hradn'ch objekt), pro pot/ebujeme 11 n%hradn'ch < 0.1 < 0.01objekt). Po5et n%hradn'ch objekt)zaji19ujeme podle zvolen#ho rizika .

39

t

t

h(t)

H(t)

Obr. 3.5 Funkce obnovy pro

exponenciln#rozd3len#


44/84

Obecn*proces obnovy

Pokud doby oprav nelze zanedbat, jedn%se o obecnproces obnovy, kterlze rozd3lit naityto etapy:

detekce a lokalizace poruchy

doba 5ek%n'na opravu

aktivn'oprava

testov%n'po oprav3

obnoven'funkce

Doba 5ek%n'na opravu je d%na organiza5n'mi prostoji a z%vis'na organizaci servisu (m%-liorganizace sv#ho vy1kolen#ho servisn'ho technika nebo je servis zaji19ov%n extern'slu7bou,dostupnost n%hradn'ch d'l)apod.)


45/84

Sou5initel obnovy je definov%n jako

(3.32) ==ToTs

Sou5initel pohotovosti (ust%len, pro v3t1't)

(3.33)Kp= 11 +

= + =

TsTs+ To

Sou5initel prostoje je dopln3k k sou5initeli pohotovosti

(3.34)1 Kp= ToTs+ To

P/%klad (3.3)

Ur5ete st/edn'dobu obnovy , je-li d%no a je-li po7adov%n sou5initelTo Ts= 1000hodpohotovosti . Ur5ete sou5initel obnovy a sou5initel prostoje.Kp= 0.99

ToTs1

Kp 1

= 10.1 (hod)

=ToTs

= 10.11000

= 0.01

(1 Kp)= 1 0.99= 0.01

3.5 Navrhov#n%syst1m's po3adovanou spolehlivost%Pro n%vrh syst#mu (nap/. elektrick#ho pohonu) s po7adovanou spolehlivost'je nejd)le7it3j1'etapou projekt, v n3m7predikujeme spolehlivost vpo5tem. Vych%z'me z p/edpokladu, 7esyst#m je tvo/en souborem prvk), jejich7spolehlivost je zn%ma.

Vslednou spolehlivost v1ak ovliv,uje velikost zat'7en'jednotlivch prvk)(nap39ov#ho,proudov#ho, vkonov#ho), okoln'pracovn'prost/ed'(teplota, ot/esy, vlhkost...) av neposledn'm'/e dodr7ov%n'technologie p/i vrob3(zp)sob p%jen', mont%7e, atd.).

Vypo5tenou spolehlivost je nutno ov3/it zkou1kami, co7mohou bt bu>zkr%cen#zkou1kyspolehlivosti na mal#m souboru (p/i jmenovit#m zat'7en'a max. dovolen#teplot3okol') a

statistickm vyhodnocen'm vsledk), nebo statistickm vyhodnocen'm velk#ho souborudlouhodob3sledovan#ho (nap/. v r%mci garan5n'ch a servisn'ch slu7eb).

Metody v*po,tu spolehlivostn%ch ukazatel'

Na z%klad3technick#struktury a znalosti funkce syst#mu, krit#ri'poruch a mezn'ch stav),odpov'daj'c'ch jednotlivm funkc'm, se vytvo/'tzv. spolehlivostn'model syst#mu.

Spolehlivostn'model je matematickm popisem, ev. grafickm zn%zorn3n'm technick#struktury syst#mu, vyjad/uj'c'm vztah t#to struktury ke spolehlivostn'm vlastnostem.

41


46/84

Spolehlivostn'ch model)je cel%/ada:

s#riov#/azen'prvk)syst#mu

paraleln'/azen'prvk)syst#mu

metoda seznamu

metoda rozkladu

Markovovy spolehlivostn'modely

strom poruch

statistick#modelov%n'

V elektrickch pohonech, podobn3jako i v dal1'ch elektronickch syst#mech pro b37n#pr)myslov#aplikace je nejroz1'/en3j1's#riovporuchovmodel.

S1riov*poruchov*model

S#riovporuchovmodel nen'toto7ns elektrickm zapojen'm (s#riovm). Je definov%n jako

s#riov#/azen'jednotlivch prvk)z hlediska poruchy, tj. porucha libovoln#ho prvku m%zan%sledek poruchu cel#ho syst#mu.

Pravd3podobnost bezporuchov#ho provozu syst#mu p/i s#riov#modelu je

(3.35)R(t)=n

i=1R i(t)

Intenzita poruch pro s#riovmodel je

(3.36)(t)=n

i=1 i(t)

Pro exponenci%ln'rozd3len'jsou vztahy (3.35) a (3.36)

(3.37)R(t)=et, =n

i=1 i

St/edn'doba bezporuchov#ho provozu

(3.38)Ts= 1n

i=1 1

Tsi

S r)stem po5tu prvk)rychle kles%pravd3podobnost bezporuchov#ho provozu, viz obr. 3.6.

R(t)

1

t

n=1

n2=2

n=5

1/2 1/

Obr. 3.6 Zvislost R(t) na po)tu prvk>

42


47/84

P/%klad (3.4)

Regul%tor elektrick#ho pohonu obsahuje 30 integrovanch obvod)s , a 1001= 106 h1

rezistor)s .2= 107 h1

Vypo5'tejte intenzitu poruch regul%toru, st/edn'dobu bezporuchov#ho provozu,pravd3podobnost bezporuchov#ho provozu b3hem 1000 h a pravd3podobnost poruchy b3hem1000 h.

=n11+ n22= 30.106 + 100.107 = 4.105 h1

Ts= 1= 25000h

R(1000)=e.1000 = 0,96

F(1000)= 1 R(1000)= 0,04

Paraleln%poruchov*modelje definov%n jako syst#m mprvk), u n3ho7nastane poruchateprve tehdy, a7jsou v poru1e v1echny prvky.

Paraleln'syst#m je nadbyte5n(redundantn'): jeden prvek je z%kladn', ostatn'jsou z%lo7n'.Paraleln'model je modelem struktur%ln'ho z%lohov%n'.

Pravd3podobnost poruchy syst#mu s paraleln'm modelem je

(3.39)F(t)=m

j=1Fj(t

Pravd3podobnost bezporuchov#ho provozu je

(3.40)R(t)= 1 F(t)= 1m

j=1Fj(t)

3.6 Ov7/ov#n%spolehlivosti zkou5kami

Spolehlivost m%pravd3podobnostn'charakter (doba do poruchy je n%hodn%prom3nn%!),ov3/en'parametr)spolehlivosti je mo7n#s vyu7it'm statistickch metod:

na velk#m po5tu objekt)(vrobk)), sledovan#m dlouhodob3; tento zp)sob je n%ro5nzejm#na na organiza5n'zabezpe5en', nebo9vy7aduje zji19ov%n'a evidenci vskytu

poruch a oprav na vrobc'ch, provozovanch u z%kazn'k)na n%hodn3vybran#m men1'm souboru vrobk), testovanm kr%tkodob3u vrobce;tolerance p/esnosti zji1t3nch hodnot spolehlivosti pak z%vis'na po5tu testovanchobjekt)a dob3testov%n'(tzv. zkr%cen%7ivotnostn'zkou1ka)

Vsledek sledov%n'poruchovosti, p/'padn3vsledek zkr%cen#7ivotnostn'zkou1ky, ud%v%tytospolehlivostn'parametry:

bodovodhad spolehlivostn'ch parametr), ozna5ovanst/'1kou: ... ,

Ts

konfiden5n'interval, tj. horn'mez a spodn'mez v3rohodnosti s p/edem stanovenmrizikem odhadu, danm hodnotou vznamnosti . Pak je konfiden5n'4rove, (1 )intervalu, vyjad/uj'c'pravd3podobnost, 7e tento interval obsahuje skute5nou hodnotusledovan#ho parametru

43


48/84

Pro stanoven'konfiden5n'ch mez'odhadu parametr)z%kladn'ho souboru se pou7'v%- rozd3len'. Rozd3len' je funkc'dvou prom3nnch :2 2

2

2 ()

je po5et stup,)volnosti (po5et pozorov%n') jsou konfiden5n'intervaly

2, 1

2, 1

Na p/. pro konfiden5n'interval jsou hladiny vznamnosti1 = 90%

, tj. 0.951 2= 95%

, tj. 0.052= 5%

Pro exponenci%ln'rozd3len'pravd3podobnosti plat'tyto vzorce pro bodova intervalovodhad n%hodn#ho vb3ru:

Bodovodhad intenzity poruch

(3.41)=r

Tr ....... po5et poruch za dobu sledov%n'T ...... celkov%doba zkou1ky (sledov%n', dan%n%sobkem po5tu sledovanch objekt)a

dobou sledov%n')

Doln'mez intenzity poruch

(3.42)D=

2

2 (2r)

2r

Horn'mez intenzity poruch

(3.43)H=1

2

2 (2r+ 2)

2r

Hodnotu funkce najdeme ve statistickch tabulk%ch.2 ()

St/edn'doba do poruchy je:

Bodovodhad (3.44)Ts= 1

Doln'mez (3.45)TsD=1

D

Horn'mez (3.46)TsH=1

H

44


49/84

P/%klad (3.5) Zkou1ka bezporuchovosti 20 ks tranzistorovch m3ni5)trvala 1000 hod.B3hem t#to doby do1lo ke 4 poruch%m, kter#byly opravov%ny.

Ur5ete bodovodhad a intervalov#odhady s konfiden5n'pravd3podobnost' .Ts 1 = 90%

T=N.t= 20.1000= 20000hod=r

T= 4

20000= 0.0002hod1

Ts= 1

= 5000hod

, potom1 = 0.9 2= 0.05, 1

2= 0.95

Z tabulky najdeme:2

2

2 (2r)= 0.052 (8) = 2.73

1

2

2 (2r+ 2)= 0.952 (10)= 18.31

Pak je

D=

2

2 (2r)

2r

= 2.73

80.0002= 6,8.105 h1

H=1

2

2 (2r+ 2)

2r

= 18.31

80.0002= 4,6.104 h1

TsD=1

D= 14700h

TsH=1

H= 2170h

Z%v3r: Pravd3podobnost st/edn'doby do poruchy je 5000 hod. s t'm, 7e skute5n%hodnota le7'v intervalu od 2170 hod. do 14700 hod s v3rohodnost'(pravd3podobnost') 90 %.

Pozn%mka: Se zv3t1ov%n'm po5tu sledovanch kus)a se zvy1ov%n'm doby sledov%n'se horn'a doln'mez p/ibli7uj'k bodov#mu odhadu. Z toho vyplv%nutnost p/i zkr%cen#zkou1ce

spolehlivosti volit dostate5npo5et n%hodn3vybranch vrobk)a zkou1ka mus'trvatdostate5n3dlouho.

3.7 Prost/edky zvy5ov#n%spolehlivosti

Chceme-li zvy1ovat spolehlivost projektovanch, vyr%b3nch a pou7'vanch vrobk), mus'medodr7ovat syst#movp/'stup, kterzahrnuje projek5n'a konstruk5n'n%vrh spolehlivosti,dolo7envpo5tem projektovan#spolehlivosti, organizaci vvojovch prac', technologickou

p/'pravu vroby, dodr7ov%n'p/edepsan#technologie p/i vrob3v5etn3technologickchpostup)zaji19ov%n'spolehlivosti (testov%n'prvk), komponent), um3l#st%rnut', zaho/ov%n'elektronickch vrobk), zkr%cen#zkou1ky spolehlivosti a pod.) a7po dlouhodob#sledov%n'

poruchovosti u z%kazn'k).

45


50/84

Prost/edky pro zv*5en%spolehlivosti elektronick*ch prvk':

pou7it'prvk)se zaru5ovanou vy11'spolehlivost'(nap/. prvky pro vojensk#pou7it', propou7it'v leteck#technice), kter#jsou vrazn3dra71'ne7prvky pro b37n#pr)myslov#aplikace

p/edimenzov%n'prvk)(nap39ov#, proudov#, vkonov#) vrazn3zv1'spolehlivost,ov1em op3t za vy11'cenu, v n3kterch p/'padech i za cenu zv1en'hmotnosti a rozm3r)

spolehlivost lze zv1it vhodnm chlazen'm, ev. klimatizac'

Pro intenzitu poruch prvku v dan#m za/'zen'plat'vztah

(3.47) = skEkZ

je tabulkov%(katalogov%) hodnota intenzity poruchs je koeficient vlivu prost/ed'(v pr)myslov#hale, na lokomotiv3,kE= 1 20

v letadle)

je vliv zat'7en'kZ= 0.5 50Z#lohov#n%je pou7it'nadbyte5nch (redundantn'ch) prost/edk), kter#nejsou nutn#z hlediskafunkce syst#mu, pouze zvy1uj'spolehlivost.

Zp)soby z%lohov%n':

konfigura5n'z%lohov%n': z%lo7n'prvek je shodnse z%kladn'm prvkem, zaji19uj'c'mfunkci syst#mu

funk5n'z%lohov%n': z%lo7n'prvek je odli1n, av1ak se stejnou funkc'(nap/. elektromotor- spalovac'motor)

st%l#(statick#) z%lohov%n': z%lo7n'prvek pln'sou5asn3stejnou funkci

substitu5n'(dynamick#) z%lohov%n': substitu5n'z%loha p/evezme funkci po poru1e

3.8 Diagnostika p/i zaji5;ov#n%spolehlivosti

Technick%diagnostika je obor, zabvaj'c'se prost/edky a metodami zji19ov%n'technick#hostavu objekt)bezdemont%7n'mi a nedestruktivn'mi prost/edky.

Informace o zkouman#m objektu se z'sk%vaj'vlu5n3vyhodnocov%n'm jeho vn3j1'ch projev),resp. chov%n'.

Rozd3len'diagnostiky:

vnit/n%diagnostika (provozn%)monitoruje a hl'd%syst#m za provozu, pomoc'vestav3nch diagnostickch obvod), resp. diagnostickch program), je-li syst#mvybaven mikropo5'ta5ovm /'zen'm; u elektrickch pohon)jsou vnit/n'diagnostikouzpravidla hl'd%ny nadproud, p/ekro5en'maxim%ln'rychlosti, porucha zapalovac'chobvod)tyristor)a budic'ch obvod)vkonovch tranzistor), rozpojen'tachovazby,vpadek f%ze s'9ov#ho nap3t'a pod.

vn7j5%diagnostika (testovac%)testuje za/'zen'(nap/. pohon) p/ed uveden'm doprovozu, pomoc'speci%ln'ho testeru, p/'padn3testovac'm programem, vn3m7simulujed)le7it#funkce (generuje testovac'vstupn'sign%ly a vyhodnocuje odezvy, kter#

porovn%v%s referen5n'mi)

46


51/84

Aplikace expertn%ch syst1m' v diagnostice

Expertn'syst#m je aplikac'v3dn'discipliny "um3l%inteligence". Expertn'syst#m je po5'ta5ovprogram, ktersimuluje 5innost experta - specialisty s c'lem dos%hnout ve zvolen#probl#mov#oblasti kvality rozhodov%n'na srovnateln#4rovni s 4rovn'experta.

Diagnostickexpertn'syst#m m%obvykle strukturu dle obr. 3. 7

Vysv3tlovac#syst+m

Bzeznalost#

Znalosti

experta

dic#(odvozovac#)

mechanismus

Sou)asn-

model

U


52/84

4 Tvorba projek,n%dokumentace

4.1 Elektrotechnick1v*kresy a sch1mata

Elektrotechnick#vkresy se d3l'na

elektrotechnick%sch#mata

konstruk5n'vkresy

kusovn'ky, rozpisky, specifikace

diagramy, nomogramy a pod.

Elektrotechnick1sch1maje grafickm zobrazen'm spojen'elektrickch p/edm3t)a za/'zen'.Elektrotechnick%sch#mata lze rozd3lit podle zp)sobu kreslen'na

jednopAlov%nebo v'cepAlov%: u jednopAlovch nahrazujeme v'cef%zov%spojen'jedn'mvodi5em. JednopAlov#kreslen'se pou7'v% v p/ehledovch sch#matech.

s rozlo7enmi nebo s nerozlo7enmi prvky: u kreslen's rozlo7enmi prvky m)7e btnap/. c'vka styka5e kreslena na jin#m m'st3vkresu, ne7jeho kontakty. Kreslen'srozlo7enmi prvky je vhodn#pro sledov%n'funkce za/'zen'.

/%dkov%nebo smy5kov%: pou7it'pro ovl%dac'obvody

Z#sady kreslen%elektrotechnickch sch#mat:

pro kreslen'vkres)pou7'v%me normalizovan#form%ty; vhodnje prodlou7enform%tA4, kterlze skl%dat do pr)vodn'dokumentace. P/i pou7it'v'ce vkres)pro kreslen'

jednoho za/'zen'je nutno db%t na n%vaznost mezi jednotlivmi listy.

p/i kreslen'se pou7'v%normalizovanch zna5ek elektrickch p/edm3t), velikost nen'

p/edeps%na.pro rozli1en'obvod)lze u7't r)znch tlou1t3k 5ar a r)znch velikost'zna5ek

v1echny prvky na sch#matu mus'bt ozna5eny p'smenovm a 5'selnm ozna5en'm,u rozlo7en#ho kreslen'je zna5en'v1ech prvk)t#ho7p/edm3tu shodn#.

elektrick#p/'stroje se kresl'v z%kladn'm stavu, tj. bez nap3t'(styka5e, rel#) a bezp)soben'vn3j1's'ly (tla5'tka, koncov#sp'na5e), tj. zap'nac'kontakty rozpojen#a klidov#kontakty spojen#.

T/%d7n%elektrick*ch sch1mat podle :,elu

Podle 45elu d3l'me elektrick%sch#mata na sch#mata vysv3tluj'c', k nim7m)7eme p/i/adit ivysv3tluj'c'diagramy a tabulky, sch#mata prov%d3c'a sch#mata situa5n'.

Vysv3tluj'c'mi sch#maty jsou

p/ehledov1sch1ma: obsahuje v1echny komponenty za/'zen', pro p/ehlednost se kresl'zpravidla jednopAlov3

funk,n%sch1ma; jde zpravidla o blokov#sch#ma, vyjad/uj'c'funkci dan#ho za/'zen'(v elektrickch pohonech jde nap/. o blokov#sch#ma regula5n'ch smy5ek)

obvodov1sch1ma; toto sch#ma je nejd)le7it3j1'jak pro sledov%n'funkce, tak i prozapojov%n'jednotlivch prvk)dan#ho za/'zen'. Obvykle m%obvodov#sch#ma 5%st sezapojen'm vkonovch obvod)a 5%st se zapojen'm ovl%dac'ch obvod). Z obvodov#hosch#ma se odvozuj'prov%d3c'sch#mata pro vrobu a mont%7.

48


53/84

Prov#d7c%sch1matuslou7'k vrob3a mont%7i elektrick#ho za/'zen'(nap/. vkonovchm3ni5)pro pohony, rozv%d35)elektrovzbroje pracovn'ch stroj)apod.)

Prov%d3c'sch#mata se d3l'na

zapojovac'sch#ma vnit/n'ch spoj), kter#m)7e bt nahrazeno tabulkou spoj), zejm#na

v p/'pad3po5'ta5ov#tvorby dokumentace; slou7'k zapojov%n'u vrobce za/'zen'zapojovac'sch#ma vn3j1'ch spoj)a svorkovnicov#sch#ma; slou7'k zapojov%n'uodb3ratele, jeho sou5%st'je i tabulka doporu5ench pr)/ez)vodi5)a kabel)

Situa,n%sch1maud%v%rozm'st3n'5%st'za/'zen'(nap/. elektrick#ho pohonu), v5. spoj)akabel)a kresl'se do rematrice strojn'ch a stavebn'ch vkres).

4.2 Prvky elektrotechnick*ch sch1mat

Z%kladn'm prvkem sch#ma je kreslen'spojen'- 5%ra. Pro zv1en'p/ehlednosti slo7itchzapojen'se pou7'v%n3kterch zjednodu1en', jako je nap/.

grafick#seskupen'

jedno5%rov#kreslen'

p/eru1ov%n'spoj)

U v1ech t3chto zjednodu1en'mus'bt jednozna5n3nazna5eno zapojen'v1ech vodi5).

4

8

9

17

9

17

4

8

A

B

C

D

A

B

C

D

AA

49


54/84

Ozna,ov#n%spoj'm)7e bt potenci%ln'nebo c'lov#, v jednodu11'ch p/'padech obvodovchsch#mat se spoje neozna5uj'. P/'klady jsou na n%sleduj'c'm obr. 4.1

L1

1

2

SB1 SB2

KM1.1

KM1

N

1 2 3

Potenciln#zna)en#spoj>

12

SB1

KM1:A

ASB1:1 KM1B

C#lov+zna)en#spoj>

Obr. 4.1 Ozna)ovn#spoj>ve schematech

P%smenov1ozna,ov#n%prvk've sch1matechje p/edeps%no normou


55/84

P'smenov#ozna5ov%n'prvk)ve sch#matech (pokra5ov%n')

R odpory

S sp'na5e v pomocnch obvodech

SA sp'na5, p/ep'na5

SB tla5'tka

SD tla5'tka bezkontaktn'

SQ koncov#sp'na5e

T transform%tory

TM vkonov#transform%tory

TC transform%tory pro pomocn#obvody

U p/evodn'ky el/el veli5iny

V polovodi5ov#sou5%stky

VD diody

VS tyristory

VT tranzistory

X konektory, svorkovnice

Y el. ovl%dan%mechanick%za/'zen'

YB brzda

V*b7r z grafick*ch zna,ek pro elektrotechnick#schematadle normy

st#n3n-vodi), st#n3n#ukost/eno

tla)#tkov-ovlada)(zap#nac#- vyp#nac#)

zap#nac#- vyp#nac#kontakt

zap#nac#- vyp#nac#kontakt styka)e

zap#nac#- vyp#nac#kontakt koncov+ho sp#na)e

kontakt jisti)e

51


56/84

ovldac#c#vka rel+, styka)e

pojistka

A

elektrick-m3/ic#p/#stroj zapisovac#A

elektrick-m3/ic#p/#stroj ukazovac#


57/84

P/%klady elektrotechnick*ch schemat

Trojp@lov-styka)

s ovldac#c#vkou,

s pomocn-mi kontakty,

s tepeln-m rel+ve dvou fz#ch,

s ru)n3vracen-m vyp#nac#m kontaktem

Obr. 4.2 Schema trojp@lov+ho styka)e

Obr. 4.3 P/#klad p/ehledov+ho jednop@lov+ho sch+ma

Na obr. 4.3 je p/'klad p/ehledov#ho sch#ma rozv%d35pro p/ipojen'dvou asynchronn'chmotor)a dvou pomocnch stejnosm3rnch motork)na nap3t'24 V.

53


58/84

Obr. 4.4 P/#klad funk)n#ho blokov+ho sch+ma

Obr. 4.5 P/#klad obvodov+ho sch+ma

Na obr. 4.4 je funk5n'schema stejnosm3rn#ho tyristorov#ho pohonu v reverza5n'm zapojen'bez okruhov#ho proudu, s rozb3hovou rampou, s adaptivn'm regul%torem proudu as regul%torem ot%5ek.

Na obr. 4.5 je obvodov#schema p/ipojen't/'f%zov#ho asynchronn'ho motoru, s mo7nost'reverzace ot%5ek; v lev#5%sti je zapojen'vkonov#ho obvodu, v prav#5%sti je pak sch#ma

ovl%d%n'.

54


59/84

5 Poruchov#odolnost /%dic%elektroniky

5.1 Vznik ru5iv*ch sign#l'

V elektrickch pohonech jsou /'dic'a regula5n'obvody 5asto um'st3ny v bl'zkosti vkonovchobvod)(nap/. tranzistorov#m3ni5e malch vkon)maj'desku plo1nch spoj)p/i1roubov%nuke chladi5i vkonovch prvk)). P/i tomto uspo/%d%n'je zna5n#nebezpe5'ru1en'/'dic'elektroniky od vkonovch 5%st', zejm#na vkonovch vodi5).

Zdroje ru1en'mohou bt vnit/n'nebo vn3j1'.

Ke vnit/n'm zdroj)m ru1en'pat/'

sp'n%n'styka5), rel#, motork)ventil%tor)apod.

odskakov%n'kontakt)rel#a ovl%dac'ch tla5'tek

nevyhlazen#nap%jec'nap3t'mikroelektronickch obvod), nap/. i z d)vodu 1pi5kovch

odb3r)logickch obvod)p/i sp'n%n'(nap%jen'logickch obvod)je nedostate5n3filtrov%no p/'davnmi kondenz%tory)

tzv. "p/eslechy", tj. vz%jemn#ovliv,ov%n'sign%lovch vodi5), vedench bl'zko sebe

Vn3j1'zdroje ru1en'jsou

ciz'elektrostatick%a elektromagnetick%pole

zaru1en/'dic'sign%l (5astp/'pad ru1en's'9ovou frekvenc'50 Hz, nevyfiltrovan%PWMp/i p/evodu na stejnosm3rnsign%l, komuta5n'1pi5ky z vkonovch obvod), zvln3n#nap3t'tachodynama, atd.)

s'9ov#poruchy, kter#projdou p/es nap%jec'zdroj (nap/. kapacitn'mi vazbami mezi

prim%rn'm a sekund%rn'm vinut'nap%jec'ho transform%toru)Jednou z 5astch p/'5in ru1en'jsou zdroje ru1en', zp)soben#nevhodnm konstruk5n'muspo/%d%n'm. P/i takov#m uspo/%d%n'mohou vzniknout ru1iv#vazby galvanick#, kapacitn'ainduktivn'.

Galvanick#ru5iv#vazba

Galvanick%vazba vznik%nej5ast3ji na tzv. nulovch nap%jec'ch vodi5'ch nebo vodivchcest%ch na plo1n#m spoji, pokud tento spoj pou7ijeme sou5asn3pro p/ipojen'/'dic'ch sign%l).

Nap%jec'proud prvku (nap/. opera5n'ho zesilova5e) zp)sobuje 4bytky nap3t'na nulov#mvodi5i, tento 4bytek se pak p/i5't%k nap3t'sign%lov#ho vodi5e. V analogovch obvodech,

v nich7bv%/'dic'sign%l 5asto na 4rovni mV, pak toto ru1en'(/%dov3srovnateln#) vrazn3zhor1'p/esnost regulace. P/'klad nevhodn#ho p/ipojen'/'dic'ho sign%lu k opera5n'muzesilova5i je na obr. 5.1a, doporu5en#zapojen'pak na obr. 5.1b, v n3m7je /'dic'sign%l vedensamostatnm vodi5

Documents

Navrhovani El Pohonu