Rad motora na niskim brzinama

U tekstu o radu motora na niskim brzinama, bavimo se problematikom tipičnih opterećenja, karakteristikama drajvova, kompenzacijom momenta, V/f i vektorskim modom, kao i podešavanjem V/f karakteristike.

Tipična opterećenja

Tipična opterećenja mogu biti kategorisana :

• opterećenja konstantnog momenta (moment konstantan u svim opsezima brzine dok je snaga direktno proporcionalna brzini)

M_optere.=C -> P_optere.=M*ω=C*ω

• opterećenja kvadratnog momenta (moment proporcionalan kvadratu brzine dok je snaga proporcionalna trećem stepenu brzine).

M_optere.=C*ω² -> P_optere.=M*ω=C*ω²*ω=C*ω³

Drajv aplikacije shodno momentu i brzini (toku energije)

Drajv aplikacije se mogu podeliti u tri glavne kategorije shodno brzini i obrtnom momentu. Najčešće AC drajv aplikacije su jedno-kvadrante aplikacije gde su brzina i obrtni moment uvek u istom smeru, tj. snaga (brzina pomnožena sa obrtnim momentom) teče od invertora prema procesu. Ove aplikacije su tipične za pumpe i ventilatore koje imaju kvadratno ponašanje opterećenja i zbog ovoga se zovu aplikacije sa kvadratnim momentom. Neke jedno-kvadrante aplikacije kao što su ekstruderi ili transporteri su sa konstantnim momentom, odnosno, obrtni moment opterećenja se ne menja sa promenom brzine.

Druga kategorija su dvo-kvadrantne aplikacije gde se smer obrtanja ne menja ali se menja smer momenta t.j tok snage može biti od invertera prema motoru i obratno. Jedno-kvadrantni rad može postati dvo-kvadrantni ukoliko na primer želimo da zaustavimo ventilator ili centrifugu brže nego što bi ga zaustavili njegovi mehanički gubici. U mnogim procesima, koji su po prirodi jednokvadrantni, može se pojaviti dvo-kvadrantni rad, recimo u slučaju nužnog zaustavljanja.

Treća kategorija je u potpunosti četvoro-kvadrantni rad gde se smer brzine i momenta može slobodno menjati. Ove aplikacije su obično liftovi, vitla i kranovi ali i procesi kao što su sečenje, savijanje, tkanje… U ovakvim aplikacijama snaga teče od invertera prema procesu i obratno.

Grejanje i hlađenje standardnih motora

Dozvoljeni porast temperature standardnih asinhronih motora zavisi od klase izolacije. Najčešće primenjivana klasa izolacije za standarde, samohlađene, motore je F dok je za motore namenjene za rad sa regulatorima frekvencije klasa izolacije H.

Granična temperatura je najviša dozvoljena temperatura koju izolacija ili deo mašine sme tokom rada da dostigne. Prema IEC standardu proračunska temperatura rashladnog sredstva (ukoliko je vazduh, okoline) je 40°C dok je dozvoljena nadtemperatura koju izolacija mora podneti u najtoplijoj tački, za F klasu izolacije 15°C. Ovo znači da je granična temperatura za F klasu izolacije 155°C.

θ_doz=θ_anom+τ_doz=θ_a+τ

τ – porast temperature (relativna temperatura)
θ_a – temperatura ambijenta
θ_doz – dozvoljena, apsolutna temperatura

Pod pretpostavkom da su gubici stalni i da je mašina homogena u pogledu zagrevanja, rešavanjem diferencijalne jednačine zagrevanja:

Qdt=Cdτ+Aτdt

Gde je:

Q – količina razvijene toplote po jedinici vremena Q=P_υ=(1-η)*P₂/η
C – toplotni kapacitet motora [W_s/°C], C je približno C=c_fe*M gde je M masa motora, a cfe specifični toplotni kapacitet gvožđa
A – Specifična toplotna snaga, karakteristika hlaženja, količina toplote koja se preda okolini [W_s/s°C]

Rešenje diferencijalne jednačine zagrevanja je:

τ=τ_max*(1-e^-t/T)+τ₀*e^-t/T

gde je:

τ_max=Q/A – relativna temperatura stacionarnog stanja
T=C/A – vremenska konstanta zagrevanja
τ₀ – relativna temperatura u t=0

Vremenska konstanta zagrevanja (T) ima stalnu vrednost ako su uslovi hlađenja (A) stalni. Vrednost vremenske konstante zagrevanja se kreće od nekoliko minuta do nekoliko časova. Najčešće od 30 minuta do 1 časa. Standardni, samohlađen, motor je dimenzionisan za trajan rad pri nominalnom broju obrtaja (frekvenciji 50Hz). Ukoliko je opterećenje konstantno a motor radi pri nižim brzinama, količina vazduha za hlađenje pada proporcionalno broju obrtaja. Umanjenje efekata hlađenja (za standardne motore), povećava temperaturu motora i može oštetiti motor pregrevanjem.

U ovakvim slučajevima redukovati moment motora pri niskim brzinama kada je korišćen standardni motor sa rashladnim ventilatorom na vratilu motora. Ako je 100% momenta zahtevano na niskim brzinama i kontinualno, razmotrite korišćenje posebnog drajva ili motora za vektorsku kontrolu. Selektujte motor koji je kompatibilan zahtevanom momentu tereta i opsegu radne brzine.

Opseg brzine za kontinualan rad se razlikuje po metodu podmazivanja i proizvođaču motora.
Motor može zahtevati više momenta ubrzanja sa drajvom nego sa komecijalnim izvorom napajanja. Postaviti pravilno V/f karakteristiku prema karakteristici tereta mašine koja će biti korišćena sa motorom.

Kompenzacija momenta

Kompenzacija momenta kompenzuje nedovoljni moment motora u startu ili u konstantnom radu kada je povećano opterećenje. Način kompenzacije zavisi od moda rada regulatora frekvencije.

V/f mod

Pri malim brzinama moraju se vršiti merenja statorske struje, mora se poznavati i mora se podešavati napon statora (Usta). Pri polasku mora se odstupiti od U/f=const. kako bi se kompenzovao pad napona na statorskoj impedansi ili na napojnim provodnicima motora, ukoliko su dugački.

Primer: Motor od 1,1kW, 3 x 400V, 50Hz ima otpor statora približno 8 oma i povlači 3A pri nominalnom opterećenju. Pad napona na statorskom otporu je 8 x 3 = 24V. Pri frekvenciji od 5Hz, napon na statoru će biti 40V. Na statorskom otporu je izgubljeno 24V pa je samo 16V ostalo za magnetizaciju motora.

Zbog niskog napona motor je nedovoljno namagnetisan te redukuje moment. 

U cilju održavanja fluksa mašine, ovaj pad napona mora biti kompenzovan. Funkcija „kompenzacija momenta“, koristeći izlaznu struju i otpornost, proračunava pad napona i koriguje izlazni napon kako bi kompenzovao nedovoljan moment u startu ili kada je primenjeno opterećenje. Zbog flekibilnosti i adaptibilnosti regulatora frekvencije neki od parametara kompenzacije momenta se mogu podešavati ručno. Na primer, motor je radio sa kratkim napojnim vodovima a zatim je, zbog potreba pogona, izmešten na lokaciju gde su vodovi mnogo duži. Zbog dužine vodova unet je dodatni pad napona koji može uzrokovati nedovoljni moment, pogotovo na niskim brzinama. Parametar koji podešava izlazni napon mora biti povećan. U ovakvim slučajevim se mora voditi računa o veličini ovog parametra. U slučaju prevelikog dizanja izlaznog napona, motor će ući u zasićenje što će prouzrokovati preveliku struju motora. Pri podešavanju parametra (obično se naziva „pojačanje“) izlaznog napona treba ići u što manjim koracima kako bi se obezbedio dovoljan moment a da se pri tome ne prekorači nominalna struja regulatora.

Vektorski mod

U vektorskom modu regulator posebno kontroliše I_d komponentu struje magnećenja, a posebo I_q komponentu struje momenta. Funkcija kompenzacije momenta ima efekta samo na komponentu stuje I_q koja proizvodi moment. Parametar pojačanja, koji je u kontroli izlaznog napona pojačavao izlazni napon, pojačava struju koja stvara moment (I_q).

Podešavanje V/f karakteristike

Kod motora projektovanog za napon 400V i frekvenciju 50Hz ovaj odnos je 400/50=8. Za motore 220V, ovaj odnos je 220/50=4,4

Ukoliko motor napajamo regulatorom frekvencije, i on može da obezbedi struju motora, momentne karakteristike bi izgledale kao na slici desno. Dakle, konstantni moment možemo držati od veoma niskih brzina do nominalne, dok god držimo odnos V/f konstantnim (slika dole). Kada dostignemo vrednost nominalnog napona a izlazna frekvencija raste, momenet opada obrnuto proporcionalno frekvenciji.

Kako je izraz za snagu: P_m=M_mω_m, u području konstantnog momenta (do nominalne frekvencije odnosno napona) snaga se povećava proporcionalno brzini obrtanja. Ovo područje nazivamo područje konstantnog momenta. U području gde moment opada sa rastom frekvencije odnosno ugaone brzine, snaga je konstantna pa ovo područje nazivamo područje konstantne snage. Smanjenje/povećanje odnosa V/f smanjuje/povećava moment motora proporcionalno kvadratu napona.

Napomena: Voditi računa o podešenoj vrednosti napona t.j. V/f karakteristike. Povećanje napona podiže moment sa kvadratom napona, međutim preteranim dizanjem napona fluks motora će ući u zasićenje, ovo ćerezultovati povećanjem struje motora a samim tim i gubitaka u bakru koji zavise od kvadrata struje. Smanjenje napona će rezultovati u nizak momnet motora.

Tekst se prvi put na našem sajtu pojavio 2.3.2012. godine, a u rubrici Revive, zbog svoje trajne vrednosti, je ažuriran i ponovno objavljen 11.3.2026.

Više informacija: ICM electronics d.o.o., Vase Miskina Crnog 4, 21000 Novi Sad, Srbija, Tel: +381 21 518-458, Tel: +381 21 518-777, http://www.icm.rs