Asynchrónny motor riadený frekvenčným meničom - návrh riadeného pohonu

V tomto článku by som chcel napísať niečo o návrhu pohonu s prevodovkou a asynchrónnym motorom riadeným frekvenčným meničom, teda riadeného pohonu. Vzťah medzi momentom, otáčkami a výkonom je vyjadrený vzorcom:

Asynchrónny motor riadený frekvenčným meničom - návrh riadeného pohonu

Riadený pohon zvyčajne pozostáva z motora, prevodovky  a frekvenčného meniča. Bežný pohon bez frekvenčného meniča navrhujeme vždy na frekvenciu 50 Hz.  Základom návrhu je výkon motora a výstupné otáčky prevodovky alebo motora. Pri pohone riadenom frekvenčným meničom je to inak. Pohon zvyčajne  nemá konštantné otáčky, ale pracuje v určitom rozsahu otáčok. Z hore uvedeného vzorca vyplýva, že ak sa nám menia otáčky, bude sa meniť aj výkon.Konštantný zostáva moment, na základe ktorého navrhujeme celý pohon.  Moment je teda základný parameter pre návrh riadeného pohonu. Pri bežných asynchrónnych motoroch riadených frekvenčným meničom je konštantný v rozsahu 5 až 50 Hz.

Ako navrhneme prevodový pomer a výkon motora bez meniča ?

- určíme si otáčky požadované pracovné otáčky

- vypočítame požadovaný výstupný moment potrebný pre našu aplikáciu

- na základe hodnoty výstupného momentu a otáčok si vyberieme z katalógu prevodoviek prevodovku spĺňajúcu požadované parametre (  výstupné otáčky a výstupný moment ). V príslušnom riadku nájdeme výkon motora.

Tabuľka 1Príklad:

vybrali sme si prevodovku ktorá má nasledovné parametre:

výstupný moment:        123 Nm

výstupné otáčky:          45 ot./ min

výkon motora:              0,75 kW

prevodový pomer:        20

prevádzkový faktor:      1,4

Pri výbere prevodovky je veľmi dôležitým parametrom prevádzkový faktor - fs. Je to parameter, ktorý nám umožňuje výpočet maximálneho momentu, ktorý prevodovka prenesie. Fs vlastne určuje preťažiteľnosť prevodovky. Prevodovka je voči motoru poddimenzovaná, ak je Fs nižší ako 

maximálny moment prenesiteľný prevodovkou pri prevodovom pomere 20 teda bude 172,2 Nm

Ako navrhneme pohon riadený frekvenčným meničom?

V princípe je návrh rovnaký. Aj je regulačný rozsah malý a pohon nebudeme prevádzkovať pri frekvencii nižšej ako 30 Hz, môžeme použiť pohon navrhnutý vyššie. Ale ak požadujeme vyšší regulačný rozsah a minimálna frekvencia je nižšia ako 30 Hz, posunieme maximálnu frekvenciu tak, že pohon bude mať maximálne otáčky pri frekvencii 70 Hz.

Čo sme tým dosiahli?

Frekvenciu sme zvýšili 1,4 násobne ( o 40 % ). Maximálne otáčky motora teda budú nasledovné:

nmax = 1,4 * 900 = 1 260 ot./ min

Otáčky sme zvýšili 1,4 násobne. Aby sme dosiahli rovnaké výstupné otáčky musíme zvýšiť 1,4 násobne aj prevodový pomer

 in = i * 1,4 = 20 * 1,4 = 28,

 Zvýšením prevodového pomeru sa zvýšil aj výstupný moment ( pre zjednodušenie zanedbáme zmenu účinnosti prevodovky ). Pôvodných 45 otáčok za minútu dosiahneme až na frekvencii 75 Hz.  

Výstupný moment bude mať hodnotu:  

M = 123 * 1,5 = 184,5 Nm

teda v rozsahu 5 až 50 Hz bude výstupný moment 184,5 Nm ( pri rovnakej účinnosti prevodovky ), čo je o 50 % viac ako pri pohone pracujúcom do 50 Hz.Po započítaní účinnosti, ktorá je pri závitovkovej prevodovke pri prevodovom pomere 30 horšia o 7% ako pri prevodovom pomere 20, budeme mať výstupný moment 167 Nm. Pri čelných, kužeľočelných a planétových prevodovkách sa táto zmena prevodového pomeru vôbec neprejaví, pretože účinnosť je závislá od počtu prevodových stupňov, nie prevodového pomeru. V tomto prípade počet prevodových stupňov zostáva rovnaký

Aký bude krútiaci moment medzi 50 a 75 Hz ?

Od 50 Hz krútiaci moment motora klesá vplyvom odbudzovania motora. Výkon bude konštantný. Na 75 Hz bude moment dosahovať teoretický moment:

po započítaní dynamickej účinnosti prevodovky 70% bude teda pri 75 Hz výstupný moment prevodovky:

M = 159 * 0, 7 =111,3 Nm

Ak porovnáme moment z návrhu pre 50 Hz ( 123 Nm ) a moment pre 75 Hz  (111 Nm) , zistíme, že moment pri 75 Hz je len o 12 Nm menší.

V čom spočíva výhoda návrhu riadeného pohonu na frekvenciu 70 Hz?

- výstupný moment pri návrhu pohonu na 75 Hz je v rozsahu 5 až 50 Hz o 50% , ako pri pohone navrhnutom na 50 Hz.

- výstupný moment pri návrhu pohonu na 75 Hz bude medzi 50 a 68 Hz vyšší ako moment 50 Hz pohonu.

- pri frekvencii 75 Hz bude výstupný moment prevodovky dosahovať ešte stále 90% momentu z návrhu na 50 Hz.

- vyšší prevodový pomer zabezpečí  vyššie otáčky motora a tým lepšie chladenie motora

- vyšší moment zníži zaťaženie motora a tým klesne jeho ohrev a nebude potrebné použiť cudzie chladenie