Charakteristiky systému motorů pro napájení z měničů

Každá z těchto součástí existuje v četných technických variantách.

Přestože kroky při specifikování charakteristických rysů motoru a měniče jsou podobné pro jakoukoliv aplikaci, konečná volba je do značné míry ovlivněna typem aplikace.
Nejlepším způsobem pro dosažení požadovaných vlastností celého systému je poskytnutí úplných informací o aplikaci, v nichž se bere v úvahu poháněná zátěž, motor, měnič a napájení ze sítě. Obecně mají tyto informace zahrnovat:

• požadavky na výkon nebo moment při různých otáčkách;
• požadovaný rozsah otáček zátěže a motoru;
• požadavky na rozběh včetně četnosti spouštění a popisu zátěže (setrvačnost působící na motor, zatěžovací moment během spouštění);
• obecný popis typu aplikace včetně prostředí, v němž budou součásti výkonového systému pohonu (PDS) pracovat;
• požadavky na velikost zrychlování a zpomalování řízeného procesu;
• pracovní cyklus aplikace (plynulý proces nebo kombinace spouštění, zastavování a změn otáček;
• popis přídavných funkcí, které nemusí být plněny pouze motorem a měničem (např. monitorování teploty motoru, schopnost přemostit měnič, je-li to nutné, speciální sekvenční obvody nebo referenční signály otáček pro řízení PDS);
• popis dostupného elektrického napájecího výkonu a zapojení. Konečná konfigurace může být ovlivněna požadavky vyplývajícími ze zvoleného systému.

Úvahy týkající se momentu a otáček

Typické momentové charakteristiky motorů napájených z měničů, významné ovlivňující faktory a jejich důsledky jsou znázorněny na obr. 1, obr. 2 a obr. 3. V závislosti na požadavcích na vlastnosti PDS jsou pro přizpůsobení jednotlivých mezních hodnot možné různé návrhy motoru.

Závislost momentu na otáčkách
Na obr. 1 je znázorněna závislost momentu na otáčkách motorů napájených z měničů. Maximálně dosažitelný moment je omezen jmenovitými hodnotami motoru a proudovým omezením měniče. Nad kmitočtem odbuzení f₀ a otáčkami n₀ může motor pracovat s konstantním výkonem s momentem úměrným 1/n. Pro asynchronní motory platí, že je-li dosaženo minimálního momentu zvratu (který je úměrný 1/n²), musí být dále snížen výkon úměrně k 1/n, což má za následek moment úměrný 1/n² (rozšířený rozsah). Pro synchronní motory rozšířený rozsah neplatí. Maximální použitelné otáčky n_max jsou omezeny nejen snížením momentu v důsledku odbuzení při otáčkách vyšších než n₀, ale také mechanickou pevností a stabilitou rotoru, přípustnými otáčkami systému ložisek a jinými mechanickými parametry.
Dosažitelný moment u motorů s vlastním chlazením může být při nízkém kmitočtu snížen, aby se zabránilo možnému nadměrnému oteplení.
V některých aplikacích může být možné při rozběhu moment krátkodobě zvýšit.
Na obr. 2 je znázorněna odpovídající velikost výstupního proudu (I) měniče.

Faktory omezující závislost momentu na otáčkách
Významné faktory, které ovlivňují závislost momentu na otáčkách, jsou uvedeny v tabulce 1.

Zvýšené otáčky
Jak je uvedeno v normě ČSN EN 60034-1 ed. 2, hodnota zvýšených otáček střídavých strojů je stanovena na 1,2násobek maximálních jmenovitých otáček, ale zkouška zvýšenými otáčkami není obvykle považována za nutnou. Účelem zkoušky, je-li to stanoveno a dohodnuto, je kontrola integrity konstrukčního provedení rotoru se zřetelem na odstředivé síly. Přestože u motoru s pevnými otáčkami je prakticky nemožné dosáhnout pracovních otáček vyšších než jeho synchronní otáčky, elektrické generátory mohou být urychleny nad svoje synchronní otáčky turbínou, například v případě náhlého vypnutí zátěže.
U elektrických motorů napájených z měničů urychlení na otáčky vyšší, než maximální pracovní otáčky dané řízením měniče, není možné. Zejména u velkých „super synchronních" strojů je často výhodné, aby při konstrukci byla zkušební hodnota zvýšených otáček omezena na 1,05násobek maximálních pracovních otáček. Proti takové dohodě neexistuje žádný technicky opodstatněný argument.

Uspořádání chlazení
Jak je zřejmé z obr. 1, typ chlazení ovlivňuje závislost maximální hodnoty momentu na otáčkách PDS. Elektrické stroje se jmenovitým výkonem v rozsahu megawattů mají často chlazení sestávající z primárního chladicího okruhu (obvykle se vzduchem jako primárním chladivem) a ze sekundárního chladicího okruhu (se vzduchem nebo vodou jako sekundárním chladivem). Ztráty jsou přenášeny přes výměník tepla z primárního do sekundárního okruhu.

• Tam, kde k pohybu jak primárního, tak sekundárního chladiva slouží samostatné zařízení a jejich tok je tedy nezávislý na otáčkách rotoru stroje (například IC656 podle ČSN EN 60034-6), platí křivka pro cizí chlazení na obr. 1.
• Tam, kde k pohybu sekundárního chladiva slouží samostatné zařízení a primární chladivo se pohybuje pomocí zařízení poháněného hřídelem (například IC81W nebo IC616), platí křivka pro vlastní chlazení na obr. 1.
• Tam, kde k pohybu jak primárního, tak sekundárního chladiva slouží zařízení poháněné hřídelem, výstupní moment nemá překročit křivku T/T_N= n²/n₀² a doporučuje se, aby minimální pracovní otáčky byly ≥70 % jmenovitých otáček.

Charakteristiky závislosti napětí na kmitočtu
Vztah mezi výstupním napětím měniče (U) a kmitočtem může mít několik charakteristik, jak je znázorněno na obr. 3.

Pásma rezonančních otáček
Rozsah otáček motoru napájeného z měniče může zahrnovat otáčky, které mohou v částech statoru motoru, v systému hřídele spojujícího motor a zátěž nebo v poháněném zařízení vybudit rezonance. V závislosti na měniči může být možné rezonanční kmitočty přeskočit. I když se však rezonanční kmitočty přeskočí, zátěž bude urychlována prostřednictvím těchto otáček, je-li motor nastaven pro chod při jakýchkoliv otáčkách nad těmito rezonančními otáčkami. Zkrácení doby urychlování může pomoci omezit dobu rezonance na minimum.

Pracovní cykly
Pracovní cykly aplikací jsou takové, v nichž jsou běžné přechody mezi otáčkami nebo zátěžemi. Motor a měnič jsou ovlivňovány několika aspekty tohoto typu aplikace.

• Rozptyl tepla z motoru je proměnný v závislosti na otáčkách a způsobu chlazení.
• Může být požadován moment, který je vyšší než moment motoru při plném zatížení. Provoz při vyšším, než plném zatížení motoru, může být požadován pro urychlování, zvládání špičkových zatížení, a dokonce pro zpomalování zátěže. Provoz při vyšším než jmenovitém proudu motoru zvýší oteplování motoru. To může vyžadovat vyšší tepelnou třídu izolace, motor dimenzovaný na přetížení, nebo posouzení pracovního cyklu pro stanovení, zda má motor pro danou aplikaci dostatečné chlazení.
• Pro snížení otáček motoru může být požadováno brzdění injektovaným stejnosměrným proudem, dynamické nebo rekuperační brzdění. Bez ohledu na to, zda motor vytváří moment pro pohon aplikace, provádí rekuperaci energie do měniče v důsledku toho, že je motor poháněn zátěží, nebo vytváří brzdný moment při zpomalování přiváděním stejnosměrného proudu do vinutí, k oteplování motorů dochází přibližně úměrně se čtvercem proudu po dobu, kdy je přiváděn. Toto oteplování má být zahrnuto do analýzy pracovního cyklu. Navíc mají být přechodné momenty působící při brzdění na hřídel regulovány na takovou úroveň, aby nezpůsobily poškození.

Vysoká rázová zatížení jsou speciálním případem průběhu zatížení a vyskytují se u určitých aplikací s přerušovaným momentem. U těchto aplikací je zatížení připojováno k motoru nebo odpojováno od motoru velmi rychle. Tento zatěžovací moment může být kladný (proti smyslu točení motoru), nebo záporný (ve stejném smyslu jako točení motoru).
Rázové zatížení má za následek rychlé zvýšení nebo snížení požadovaného proudu (z měniče). Je-li moment záporný, motor může rekuperovat proud zpět do měniče. Tyto přechodné proudy způsobují namáhání statorového vinutí. Hodnota těchto přechodných proudů závisí na velikosti měniče a motoru.

Požadavky na motor

V tabulce 2 jsou uvedena některá hlavní hlediska a kritéria návrhu zejména asynchronních motorů, některé požadavky mohou však platit pro jiné typy motorů.
U některých aplikací mohou být pro sladění měniče s motorem požadovány od projektanta motoru elektrické parametry náhradního obvodu motoru.
Pro zlepšení modelování teploty nebo v aplikacích, kde je požadován při nízkých otáčkách vysoký moment s přesným řízením, může být také užitečné, aby projektant motoru předložil údaje o vnitřních tepelných kapacitách a odporech částí motoru. Tyto parametry mohou být závislé jak na kmitočtu otáčení, tak na spínacím kmitočtu.