Embed Size (px)
Citation preview
Električna pogonskatehnikaOsnove · Projektiranje · Primjene· Rješenja
Jens Weidauer
2. njemačko dopunjeno izdanje, 2011.1. hrvatsko izdanje, 2013.
Urednik:
doc. dr. sc. Damir Sumina
Prevoditelji:
prof. dr. sc. Zvonko Benčić, prijevod poglavlja 1 – 8 i 12 – 14 doc. dr. sc. Damir Sumina, prijevod poglavlja 9 – 11
Recenzenti:
Dalibor Marković, ing.mr. sc. Dragan Fumić
Lektorica:
dr. sc. Milica Mihaljević
Priprema:
Graphis d.o.o.
Za nakladnika:
Elizabeta Šunde, dipl. ing.
Zahvala:
Ova je knjiga tiskana uz pomoć tvrtke SIEMENS d.d. Hrvatska, Heinzelova 70a, Zagreb te SIEMENS Solution partnera: ATO, Brodarski institut, Duplico, D.V.V., Energocontrol, Montelektro, Nev-el, Novatec.
Autor, prevoditelji i nakladnik veliku su pažnju posvetili tekstu i ilustracijama u ovoj knjizi. Nažalost, pogreške se nikada ne mogu potpuno izbjeći. Nakladnik, autor i prevoditelji u tim slučajevima ne smatraju se pravno odgovornim, bez obzira na pravne temelje. Oznake korištene u ovoj knjizi mogu biti zaštićene oznake čije nedopušteno korištenje krši autorska prava vlasnika.
Nakladnik hrvatskog izdanja: Graphis d.o.o., Zagreb© 2013. Graphis d.o.o., Maksimirska 88, Zagreb, [email protected], www.graphis.hr
CIP zapis dostupan u računalnom katalogu Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu pod brojem 858339
ISBN: 978-953-279-032-0
2. njemačko izdanje, 2011., 1. hrvatsko izdanje, 2013.
Licensed edition ofElektrische Antriebstechnikby Jens Weidauer2nd edition, 2011ISBN 978-3-89578-364-7© 2011 by Publicis Erlangen, Zweigniederlassung der PWW GmbH
with the permission ofPublicis Publishing, Naegelsbachstr. 33, 91052 Erlangen, Germany, www.publicis.de/books, Tel: +49 9131 9192 510
Ova knjiga i svi njezini dijelovi podliježu Zakonu o zaštiti autorskih prava. Svaka uporaba izvan odredbi Zakona o autorskom pravu bez suglasnosti nakladnika strogo je zabranjena i podliježe zakonskim sankcijama. To se posebno odnosi na neovlašteno kopiranje, prevođenje, mikrofilmiranje ili druge obrade i pohrane u elektroničkim sustavima. To se također odnosi na korištenje ilustracija, dijela ilustracija ili izvadaka iz teksta.
Tiskano u Hrvatskoj
5
Predgovor
Električni pogoni u velikoj su mjeri elektromehanički pretvarači energije kojiomogućuju gibanja u proizvodnim strojevima i uređajima, u zgradarstvu i u općojprimjeni. Još od otkrića elektrodinamičkih načela Wernera von Siemensa električnapogonska tehnika izvrsno se razvijala i obuhvatila mnoga područja tehnike. Pritomdo danas nije postignuto stanje "zasićenja" jer razvoj i dalje napreduje s novim po-dručjima primjene električne pogonske tehnike u kojima su se prethodno koristili,primjerice, hidraulični pogoni ili motori s unutarnjim izgaranjem.
Posebna je prednost relativno jednostavna upravljivost pogona kojom mogu bitiispunjeni sve veći zahtjevi za točnošću i fleksibilnošću. Znatan napredak postignut jedostupnošću moćnih i visokointegriranih mikroprocesora koji omogućuju izvođenjemodernih algoritama za regulaciju i nadzor. Današnja snaga poluvodičkih elemenataomogućava primjenu električne pogonske tehnike u gigavatnom području.
Dok su se prije u reguliranim pogonima koristili istosmjerni motori, razvojemučinskih pretvarača nastao je izvrstan uspon asinkronih strojeva, koji omogućuju ci-jenom povoljnu izgradnju i dug životni vijek. Korištenjem novih magnetskih materi-jala i razvoj motora daleko je od gotovoga. Broj primjena linearnih motora i dalje ra-ste, dok se u mnogim primjenama koriste direktni pogoni bez prijenosnika, tzv. mo-mentni motori.
Električna pogonska tehnika kontinuirano je visokorelevantna za istraživanje i ra-zvoj unatoč svojoj velikoj i dugoj povijesti. To je presudno za funkcionalnost i radneznačajke stroja ili postrojenja, za njihovu djelotvornost, a time i za ekonomski učin-kovito korištenje izvora.
Ovom knjigom dr. Weidauer daje pregled električne pogonske tehnike, koji struč-njaku i donositelju odluka omogućava osnovnu orijentaciju u korištenju modernepogonske tehnike pri gradnji strojeva i uređaja. Neka se ova knjiga nađe u što širojprimjeni i na taj način promiče korištenje modernih, ekoloških i visokoučinkovitihmogućnosti tehnike.
Dr. Olaf RathjenSiemens AG, Bereich A&DLeiter Geschäftsgebiet Motion Control Systems
7
Rije� urednika
Uz povijesni pregled razvoja električne pogonske tehnike knjiga daje sažeti pre-gled svih vrsta električnih pogona s naglaskom na opisivanju načela rada. Također, uknjizi su opisane komunikacijske sabirnice za električne pogone, dani su primjeri zajednopogonske i višepogonske sustave te je opisano upravljanje gibanjem s pomoćuelektričnih pogona i pozicioniranje. Kao dodatnu kvalitetu knjige istaknuo bih po-glavlje o elektromagnetskoj kompatibilnosti u električnoj pogonskoj tehnici te po-glavlje o načelima projektiranja električnih pogona. Knjigu svakako preporučujemčitateljima koji tek ulaze u ovo područje, te sam siguran da će knjiga biti koristan pri-ručnik studentima Fakulteta elektrotehnike i računarstva u Zagrebu i ostalih fakulte-ta u Hrvatskoj koji se bave pogonskom tehnikom. Nadam se da će knjiga pomoćistručnjacima iz prakse s područja pogonske tehnike i riješiti im mnoge nedoumice.
Kao prevoditelj radio sam na poglavljima Komunikacijske sabirnice za elektri�ne
pogone, Regulacija procesa s pomo�u elektri�nih pogona i Upravljanje gibanjem s po-
mo�u elektri�nih pogona. Istaknuo bih ulogu iskusnog prevoditelja prof. dr. sc. Zvon-ka Benčića koji je preveo preostali dio knjige, a ujedno mi svojim savjetima pomagaoriješiti dvojbe. Radom na ovoj knjizi shvatio sam koliko je uloga prevoditelja i ured-nika zahtjevna i odgovorna. Pri prevođenju je često trebalo uzeti u obzir nazive pri-hvaćene u praksi, koji su često anglizmi, i pronaći dobar hrvatski naziv. To je učinje-no zbog čitatelja koji ulaze u svijet pogonske tehnike. Savjet prof. dr. sc. Zvonka Ben-čića, kojemu se ujedno zahvaljujem na pomoći, bio mi je ključan za ovaj odabir: "Či-tatelj koji ulazi u novo tehničko područje može dobro razumjeti knjigu jedino ako jenapisana na hrvatskom jeziku". U knjizi su prihvaćeni anglizmi koji nemaju kvalitet-nu zamjenu ili su uobičajeni u stručnoj komunikaciji, pa su zadržani zbog jasnoćeknjige.
Svakako bih naglasio da se u knjizi pazilo na nazive "osovina" i "vratilo". Katkad seu inženjerskoj komunikaciji miješaju pojmovi osovina i vratilo. Razlika je ipak velikajer osovina ne prenosi okretni moment ni snagu, a vratilo prenosi i okretni moment isnagu. Stoga se u knjizi govori o vratilu motora.
Veliku zahvalu upućujem prof. dr. sc. Gorislavu Ercegu uz kojeg je bilo zanimljivoučiti inženjerska znanja posljednjih desetak godina. Prenesenim znanjima iz pod-ručja pogonske tehnike i industrijske automatizacije omogućio mi je da pojedine pri-mjene pogonske tehnike kvalitetno opišem sa stajališta inženjera koji je određenovrijeme proveo u industrijskim postrojenjima pri radu s električnim pogonima.
Pored svega želio bih zahvaliti kolegi mr. sc. Draganu Fumiću iz tvrtke Siemensd.d., koji je svoje stručno iskustvo na području pogonske tehnike ugradio u recenzi-ranje knjige. Zahvaljujem i kolegi Daliboru Markoviću, ing. iz tvrtke Siemens d.d.,koji je također sudjelovao u kvalitetnim raspravama.
Riječ urednika
8
Zahvaljujem kolegici Martini Kutiji, dipl. ing., i kolegama prof. dr. sc. IvanuGašparcu, doc. dr. sc. Igoru Ercegu i Šandoru Ilešu, dipl. ing., koji su svojim savjeti-ma doprinijeli kvaliteti knjige. Zahvaljujem lektorici dr. sc. Milici Mihaljević na jezič-nim savjetima. Zahvaljujem nakladniku tvrtki Graphis d.o.o. i tvrtki Siemens d.d. Hr-vatska koja je omogućila prevođenje i novčano poduprla objavljivanje knjige.
Zagreb, listopada 2013.
Damir Sumina
9
Sadr�aj
1. Ukratko o elektri�nim pogonima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1. Povijesni pregled električnih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2. Struktura modernih električnih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3. Razredba električnih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1. Mogućnost podešavanja brzine vrtnje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3.2. Tip motora i vrsta izvršnog uređaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3.3. Tehnički podaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2. Mehani�ke osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. Elektrotehni�ke osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1. Električko i magnetsko polje u elektrotehnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2. Nastajanje okretnog momenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1. Lorentzova sila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.2. Petlja vodiča u magnetskom polju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.3. Induciranje napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.4. Veličine i jednadžbe u elektrotehnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.5. Komponente u elektrotehnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4. Pogoni konstantne i podesive brzine vrtnje s
istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1. Istosmjerni pogoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2. Istosmjerni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1. Načelo rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2.2. Konstrukcija i električni priključci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.2.3. Održavanje istosmjernih motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2.4. Matematički opis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2.5. Mogućnosti regulacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3. Pogoni konstantne brzine vrtnje s istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.2. Motori s nezavisnom i paralelnom uzbudom te uzbudom
stalnim magnetima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.3. Motor sa serijskom uzbudom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4. Pogoni podesive brzine vrtnje s istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.4.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.4.2. Usmjerivač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.4.3. Davač brzine vrtnje za istosmjerne pogone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.4.4. Regulacijska struktura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Sadržaj
10
5. Pogoni konstantne i podesive brzine vrtnje s
asinkronim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1. Pogoni s asinkronim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.2. Asinkroni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.1. Načelo rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.2.2. Konstrukcija i električni priključci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.2.3. Matematički opis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.2.4. Regulacijske mogućnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3. Pogoni konstantne brzine vrtnje s asinkronim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3.2. Pokretanje asinkronog motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.3.3. Kočenje asinkronog motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4. Pogoni podesive brzine vrtnje s asinkronim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.4.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.4.2. Upravljanje brzinom vrtnje s pomoću sklopnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.4.3. Mijenjanje brzine vrtnje s pomoću frekvencijskih pretvarača . . . . . . . . . . . 945.4.4. Pogon s U/f upravljanjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.4.5. Pogoni s vektorskom regulacijom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.4.6. Davač brzine vrtnje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.5. Funkcije modernih frekvencijskih pretvarača . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.5.1. Općenito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.5.2. Opcijske učinske komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.5.3. Opcije elektroničkih sklopova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.5.4. Procesno sučelje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.5.5. Korisničko sučelje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.5.6. Regulacijske i upravljačke funkcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6. Servopogoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.2. Razredba servopogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.1. Regulacijske funkcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.2.2. Tip motora, vrsta izvršnog uređaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.2.3. Tehnički podaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3. Davači brzine vrtnje i položaja za servopogone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.3.1. Razredba i karakteristični podaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.3.2. Komutacijski davač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.3.3. Rezolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.3.4. Sin-cos davač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.3.5. Davač apsolutne vrijednosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4. Servopogoni s istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.4.1. Struktura i područje rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.4.2. Istosmjerni motori za servopogone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.4.3. Čoper za servopogone s istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.4.4. Struktura regulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5. Servopogoni s beskolektorskim istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . 1526.5.1. Struktura i područje rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1526.5.2. Beskolektorski istosmjerni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Sadržaj
11
6.5.3. Pretvarači frekvencije za servopogone s beskolektorskim istosmjernim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5.4. Struktura regulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1586.6. Servopogoni sa sinkronim motorima (motori sa sinusnom komutacijom) . . 159
6.6.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.6.2. Sinkroni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1606.6.3. Frekvencijski pretvarači za servopogone sa sinkronim motorima . . . . . . 1626.6.4. Struktura regulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.7. Servopogoni s asinkronim motorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.8. Izravni pogoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.8.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.8.2. Linearni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1676.8.3. Momentni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.9. Reguliranje i optimiranje servopogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1706.9.1. Opći kriteriji kvalitete za prosuđivanje regulacijskog kruga . . . . . . . . . . . 1706.9.2. Regulacijski krug servopogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1756.9.3. Optimiranje regulacijskog kruga struje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.9.4. Optimiranje regulacijskog kruga brzine vrtnje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.9.5. Optimiranje regulacijskog kruga položaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.10. Funkcije modernih servopretvarača . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.10.1. Općenito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.10.2. Opcije u učinskom dijelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.10.3. Opcije u elektroničkom dijelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.10.4. Procesno sučelje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.10.5. Korisničko sučelje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.10.6. Regulacijske i upravljačke funkcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7. Kora�ni pogoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.1. Struktura i područje primjene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1907.2. Razredba koračnih pogona prema vrsti motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1917.3. Tehnički podaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927.4. Koračni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4.1. Općenito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1937.4.2. Koračni motor sa stalnim magnetima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1947.4.3. Koračni hibridni motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.5. Uređaji za upravljanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.6. Regulacijsko ponašanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8. Kratak pregled elektri�nih pogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.1. Od pogona do pogonskog sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2038.2. Razredba električnih pogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.2.1. Komponente pogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2058.2.2. Funkcionalnost pogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2078.2.3. Informacijski tokovi u pogonskim sustavima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108.2.4. Tok energije između pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2128.2.5. Elektromagnetski utjecaji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.3. Projektiranje električnih pogona – sustavnosna zadaća . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Sadržaj
12
9. Komunikacijske sabirnice za elektri�ne pogone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.1. Svrha i načelo rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2149.2. Pregled komunikacijskih sabirnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2199.3. AS sučelje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.3.1. Pregled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2199.3.2. Topologija, ožičenje, fizička izvedba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2209.3.3. Način pristupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.4. CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2249.4.1. Pregled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2249.4.2. Topologija, ožičenje, fizička izvedba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2259.4.3. Način pristupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2269.4.4. Projektiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.5. PROFIBUS DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.5.1. Pregled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.5.2. Topologija, ožičenje, fizička izvedba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2309.5.3. Način pristupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2329.5.4. PROFIBUS DP-V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2349.5.5. Projektiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.6. PROFINET I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.6.1. Pregled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.6.2. Topologija, ožičenje, fizička izvedba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2419.6.3. Način pristupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2439.6.4. Opis uređaja za projektiranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10. Regulacija procesa s pomoću elektri�nih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.1. Definicija pojmova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.2. Regulacija procesa s pomoću jednopogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . 24910.2.1. Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24910.2.2. Primjer: regulacija razine pogonom konstantne brzine vrtnje . . . . . . . . 25110.2.3. Primjer: regulacija tlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25210.2.4. Primjer: pogon dizala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.3. Regulacija procesa s pomoću višepogonskih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25610.3.1. Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25610.3.2. Primjer: pogon pokretnog postolja s mehanički
povezanim pogonima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25910.3.3. Primjer: postrojenja za izvlačenje s vlačnim pogonima i
pogonima za namatanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.4. Pogoni s integriranim tehnološkim funkcijama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11. Upravljanje gibanjem s pomoću elektri�nih pogona . . . . . . . . . . . . . . 276
11.1. Definicije pojmova i funkcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.2. Prikaz i obrada informacija o položaju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.3. Pozicioniranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28211.3.1. Primjena i osnove pozicioniranja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28211.3.2. Upravljanje pozicijom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Sadržaj
13
11.3.3. Podaci stroja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28711.3.4. Određivanje položaja, obrada položaja i referenciranje . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4. Sinkroniziranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29311.4.1. Primjene i osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29311.4.2. Upravljanje sinkroniziranjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29411.4.3. Podaci stroja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.5. Upravljanje gibanjem s PLCopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.6. Sigurnosne funkcije u električnim pogonima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31011.6.1. Primjene i osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31011.6.2. Funkcija "sigurnosna blokada impulsa" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31311.6.3. Sigurnosne funkcije gibanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31411.6.4. Sigurnosne komunikacijske sabirnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
12. EMC u elektri�noj pogonskoj tehnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.1. Osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31812.1.1. Uzroci i definicije pojmova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31812.1.2. EMC model djelovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31912.1.3. Sprežni mehanizam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32012.1.4. Matematički opis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
12.2. Elektromotorni pogon kao izvor smetnji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33012.2.1. Galvanske smetnje kod istosmjernih pogona s
usmjerivačima, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33012.2.2. Galvanske smetnje kod izvršnih uređaja s
istosmjernim međukrugom, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33212.2.3. Galvanske smetnje kod izmjenjivača, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33512.2.4. Smetajuće polje izmjenjivača . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34112.2.5. Smetajuće polje digitalnih pogona, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
12.3. Električni pogoni kao smetani uređaji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34412.3.1. Općenito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34412.3.2. Galvanske smetnje, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34512.3.3. Kapacitivne smetnje, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34612.3.4. Induktivne smetnje, protumjere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.4. EMC pravila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13. Projektiranje elektri�nih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.1. Postupak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.2. Izbor vrste pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
13.3. Izbor motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35513.3.1. Postupak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35513.3.2. Prijenosnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35513.3.3. Izbor motora prema mehaničkim karakteristikama . . . . . . . . . . . . . . . . . 36213.3.4. Toplinski izbor motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36813.3.5. Izbor konstrukcije motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37413.3.6. Izbor davača . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Sadržaj
14
13.4. Izbor izvršnog uređaja za pogone podesive brzine vrtnje i servopogone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
13.4.1. Električki izbor izvršnog uređaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38113.4.2. Toplinski izbor izvršnog uređaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38113.4.3. Toplinski izbor mrežnog napajanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38713.4.4. Izbor mrežnog dijela glede kapaciteta međukruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39113.4.5. Izbor kočnog čopera i kočnog otpornika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39213.4.6. Izbor opcija učinskih komponenata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39413.4.7. Opcije elektroničkih sklopova, pribor i pribor za spajanje . . . . . . . . . . . . 395
13.5. Primjer izbora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39513.5.1. Podaci o primjeni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39513.5.2. Izbor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14. Uklanjanje kvarova, smetnji i pogre�aka kod elektri�nih pogona . . 401
14.1. Izbjegavanje i uklanjanje kvarova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
14.2. Mogući kvarovi kod električnih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40114.2.1. Kvar motora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40314.2.2. Kvar davača . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40414.2.3. Kvar izvršnog uređaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40514.2.4. Kvar napojne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40614.2.5. Komunikacijski kvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40714.2.6. EMC problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40814.2.7. Projektne pogreške . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40914.2.8. Pogreške parametriranja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
14.3. Dojava kvarova kod električnih pogona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Kazalo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .413
15
1. Ukratko o elektri�nim pogonima
1.1. Povijesni pregled elektri�nih pogona
Električni pogoni pretvaraju električnu energiju u mehaničku iposreduju između električne mreže kao izvora energije i radnog strojakao trošila energije.
Zbog svojega središnjeg položaja u protoku energije, električnipogoni su postali ključne komponente u industrijskim primjenama, alii u transportu i širokoj potrošnji. Oni su potaknuli tehnički razvoj umnogim područjima, ali su i sami bili objekt brojnih razvojnih koraka.
Ključna je komponenta svakoga električnog pogona električni mo-tor. Temelji se na prirodnim zakonima koji su otkriveni početkom XIX.stoljeća.
temeljna otkrića na kojima se zasnivaju električni strojevi: 1820. − 1875.
Tako je 1820. godine Hans Christian Oerstedt otkrio da magnetskaigla skreće u blizini žice kroz koju teče struja. Iste godine André Ma-rie Ampère otkriva osnovni zakon o međudjelovanju između električ-ne struje i magnetskog polja. Ta otkrića dovela su do razvoja velikogbroja "elektromagnetskih strojeva", no bila su male praktične važnostijer tada još nisu bili dostupni energetski električni izvori. Struja sedobivala jedino iz galvanskih ćelija, što je sprječavalo široku primje-nu tih "strojeva". Oni nisu mogli zamijeniti tadašnji parni stroj i razli-čite vrste plinskih i benzinskih motora.
Sl. 1.1. Električni pogon kao posrednik između električne mreže i radnog stroja
tok energije u motornom radu
električnamreža
električni pogon
radnistroj
tok energije u generatorskom radu
1. Ukratko o električnim pogonima
16
Znatan napredak dogodio se 1831. godine kada je Michael Faradayotkrio elektromagnetsku indukciju. Taj učinak odmah je iskorišten zaizgradnju generatora. Godine 1866. Werner von Siemens izumio je di-namo stroj1. Dinamo je istosmjerni generator; on se koristi zaostalimmagnetskim tokom u polovima za induciranje u armaturi niskog napo-na dovoljnog za početni porast struje uzbude. Struja uzbude raste ku-mulativno tako da generator "zanjiše" do pune snage. Ti su generatoripreteče suvremenih elektromotora.
prijenos električne energije: 1875.−1891.
Glavni tehnički problem krajem XIX. stoljeća bio je kako dovesti ma-le količine energije do radnih strojeva u obrtničkim i profesionalnimpogonima. Uporaba parnih strojeva bila je skupa i nije svuda iz sigur-nosnih razloga bila moguća. Stoga su se proširili plinski motori. No,počeli su im konkurirati dinamo strojevi svojim daljnjim razvojem istalnim poboljšanjima. Koristila su se dva električki spojena dinamostroja. Prvi je stroj radio kao generator, a drugi kao motor. Na taj načinmogla se električna energija proizvesti na jednom mjestu, zatim pre-nijeti na veću udaljenost te na mjestu na kojem je to bilo potrebno po-novno pretvoriti u mehaničku energiju. Takav spoj dvaju strojeva zami-jenjivao je mehanički prijenos energije. Težište primjene bile su elek-trične lokomotive i tramvaji, ali i prvi pogoni radnih strojeva (npr. tka-lački stan).
Godine 1887. prvi se put pojavio naziv 'elektromotor' u jednom pro-dajnom katalogu. Godine 1891. opisane su prednosti elektromotora uusporedbi s parnim strojevima i plinskim motorima na sljedeći način:
1 Zastarjeli naziv koji se još rabi samo za istosmjerne generatore u cestovnim i pružnim vozilima. (prim. prev.)
Sl. 1.2. Elektromotor po Moritz Hermann Jacobiju, 1818.Foto: Deutsches Museum München
29
2. Mehani�ke osnove
Električni pogoni daju radnom stroju mehaničku energiju. Za opisi-vanje toka mehaničke energije i s njom povezanog gibanja služe fizi-kalne veličine i zakonitosti translacije i rotacije. U sljedećim tablicamasažet je pregled tih fizikalnih veličina i zakonitosti.
Tablica 2.1. Veličine i jednadžbe translacije
Veličina Oznaka Jednadžba Znak Objašnjenje
��� � m
���� � m/sBrzina � dobiva se iz promjene puta d� u vremenu d�.
����� � � m/s2 Ubrzanje � dobiva se iz promjene brzine d� u vremenu d�.
���� � kg
��� F F = ���N
(kg·m/s2, njutn)
�������
����P P = F��
W (vat)
Trenutačna snaga P dobiva se iz umnoška trenutačne sile F i trenutačne brzine �.
� ���������� η
Djelotvornost η dobiva se iz omjera predane (P2) i dovedene snage (P1).
Tablica 2.2. Veličine i jednadžbe rotacije
Veličina Oznaka Jednadžba Znak Objašnjenje
��� φ
Zadaje se u kutnoj mjeri. Kut od 2π odgo-vara 360°.
���� ���� ω 1/sKutna brzina ω dobiva se iz promjene kuta dφ u vremenu d�.
���� ����� � α 1/s2 Kutno ubrzanje α dobiva se iz promjene kutne brzine dω u vremenu d�.
����� ����� M M = F�� NmOkretni moment M opisuje djelovanje sile na kraju poluge duljine �.
�d�
d�
------
=
�d�
d�
------=
η
P2
P1-----
=
ω
dφd�
------=
α
dωd�
-------=
2. Mehaničke osnove
30
����� ������� J kg m2Okretni moment M potreban za kutno ubrzanje dω /d� dobiva se množenjem momenta tromosti J i kutnog ubrzanja.
�������
����P P = M�ω W (vat)
Trenutačna vrijednost P umnožak je tre-nutačne vrijednosti okretnog momenta M i trenutačne vrijednosti kutne brzine ω.
� ���������� η
Djelotvornost η omjer je predane P2 i dovedene P1 snage.
������� � � Hz (Herc)Frekvencija � daje broj titraja u jedinici vremena.
��� � � ������ � sTrajanje periode � recipročna je vrijed-nost frekvencije �.
���� ��� � = � · 60
(u Hz)okr/min
�� ��� �� ��,
������ �� �����
Tablica 2.2. Veličine i jednadžbe rotacije (nastavak)
Veličina Oznaka Jednadžba Znak Objašnjenje
M J
dωd�
-------⋅=
η
P2
P1-----
=
�ω
2π-------
=
�1�
---=
1
2------
=
31
3. Elektrotehni�ke osnove
3.1. Elektri�ko i magnetsko polje u elektrotehnici
Kod električnih pogona koriste se svojstva električnog i magnetskogpolja. Polje je prostor čija je značajka djelovanje sila na tijela i čestice.Za kvalitativno opisivanje djelovanja sile koristi se slikovni prikaz po-lja. Sila djeluje tangencijalno na tzv. silnice. Sila je to veća, što su silnicebliže jedna drugoj.
U elektrotehnici je od iznimne važnosti električno i magnetsko polje(druga su polja npr. gravitacijsko polje i zvučno polje). Oba polja kori-ste se kod električnih pogona.
električno poljeElektričko polje opisuje prostor u kojem djeluje sila na električne no-sioce naboja (sl. 3.1.). Ta sila prouzročena je samim nosiocima naboja.Nosioci naboja mogu biti ili pozitivni ili negativni. Vrijedi:
– istoimeni naboji se odbijaju
– raznoimeni naboji se privlače.
Ako se nosioci naboja unesu u električno polje, oni se počinju gibatii stvaraju električnu struju. Elektri�nu struju čini broj nosilaca nabojakoji u određenom vremenskom intervalu prijeđu put od točke a do toč-ke b. Pri kretanju, ovisno o smjeru kretanja, naboji dobivaju ili dajuenergiju.
Sl. 3.1. Električno polje
sila na pozitivni naboj je tangencijalna na silnice
a
b
Uab
pozitivninaboj
negativninaboj
silnice
3. Elektrotehničke osnove
32
Elektri�ni napon opisuje električno polje na skalarni način. Može seinterpretirati kao mjera za energiju nosilaca naboja na različitim mje-stima električnog polja. Energija nekog nosioca naboja dobije se dijelje-njem električnog napona s električnim nabojem tog nosioca.
magnetsko polje Magnetsko polje opisuje prostor u kojem djeluje sila na magnetičnatijela (slika 3.2.). Tako se, primjerice, magnetska igla usmjeruje u mag-netskom polju.
Magnetsko polje može se stvoriti na dva različita načina:
– Kod prirodnog magnetizma magnetsko je polje svojstvo tvari. Odre-đeni materijali, kao primjerice tvrdi magnetski materijali (tvrdo-magnetsko željezo), okruženi su magnetskim poljem.
– Umjetno magnetsko polje nastaje gibanjem električnih nosilaca na-boja (tok električne struje), primjerice u nekom električkom vodi-ču. Svi vodiči protjecani strujom su okruženi takvim magnetskimpoljem.
Obje varijante stvaranja magnetskog polja koriste se kod elektromo-tora.
Kod motora magnetsko polje vodi se kroz magnetske krugove sa-stavljene od željeza. Zračni putovi i zračni razmaci projektiraju se što jemoguće kraćima jer oslabljuju magnetsko polje. Naprotiv, željezo poja-čava magnetsko polje. Načelno razlikujemo mekomagnetsko i tvrdo-magnetsko željezo (slika 3.3.):
– Mekomagnetsko �eljezo tako je dugo magnetizirano dok se nalazi uvanjskom magnetskom polju. Ako nestane vanjsko magnetsko po-lje (npr. isključenjem struje koja ga je stvorila), željezo nije više
Sl. 3.2. Magnetsko polje
magnetska igla
magnetsko polje Zemljemagnetsko polje svitka
protjecanog strujom
i
silnice idu od geografskoga južnog pola do geografskoga sjevernog pola
39
4. Pogoni konstantne i podesive brzine
vrtnje s istosmjernim
motorima
4.1. Istosmjerni pogoni
struktura istosmjernih pogona
Središnji je dio istosmjernog pogona istosmjerni motor (sl. 4.1.).Motor se napaja istosmjernom strujom, pa je posljedično tome nastaonaziv istosmjerni pogoni za tu skupinu pogona. I u slučaju da je isto-smjerna struja valovita, govori se o istosmjernom pogonu.
Istosmjerni pogoni i danas se uvelike primjenjuju u industriji, ali ihsve više potiskuju izmjenični pogoni.
U području manjih snaga (< 500 W) općenito je na raspolaganju isto-smjerni napon od 24 V. Korištenjem tog napona profitiraju gotovo svimali strojevi i pogoni. S motorima sa stalnim magnetima i vrlo jedno-stavnim izvršnim uređajima mogu se ostvariti cijenom vrlo povoljnimali pogoni.
Sl. 4.1. Struktura istosmjernog pogona
M M G
usmjerivačupuštač
motorcjelina: motor – prijenosnik kočnicadavač na motoru
mreža24 VDC
signalna elektronika s regulatorom i sklopovima
za nadzor
signalna elektronika za upuštanje i nadzor
nadređeno upravljanjenadređeno upravljanje
stvarna struja
izvršni uređaj izvršni uređaj
istosmjerni pogonmali istosmjerni pogon
stvarna brzina vrtnje
temperatura motora
sklopni i zaštitni uređaji
4. Pogoni konstantne i podesive brzine vrtnje s istosmjernim motorima
40
U području većih snaga (> 100 kW) regulirani istosmjerni pogoni jošuvijek su nadmoćni glede cijene i izvedbene veličine izvršnog uređajadanašnjim trofaznim pogonima. Stoga se istosmjerni pogoni i danasprimjenjuju u valjačkim prugama, kranskim pogonima i dizalima. Tipogoni imaju sofisticirane regulacijske i nadzorne funkcije. Na većimsnagama primjenjuju se istosmjerni motori s nezavisnom uzbudom.
Ne manje važna je i primjena istosmjernih pogona u mnogim dru-gim strojevima i pogonima. Budući da se ti strojevi i pogoni morajuodržavati, tehničari u industriji još uvijek nužno moraju poznavatiistosmjerne pogone.
Regulacija istosmjernih pogona općenito je dobro i lako razumljiva.Zato su dobro polazište u svijet reguliranih elektromotornih pogona.
4.2. Istosmjerni motor
4.2.1. Na�elo rada
petlja vodiča pro-tjecana strujom
Načelo rada istosmjernih motora najbolje je rastumačiti s pomoćustrujom protjecane petlje vodiča koju smo već susreli u trećem poglav-lju.
Okretno uležištena petlja vodiča nalazi se u magnetskom polju. Na-rine li se na krajeve petlje vodiča istosmjerni napon, kroz nju potečestruja. Pri tome je smjer struje u oba uzdužna vodiča suprotan (sl. 4.3.).Dakle, na oba duža vodiča djeluju dvije jedna prema drugoj suprotnekomponente Lorentzove sile. Te dvije komponente prouzročuju rotacij-sko gibanje petlje vodiča.
Sl. 4.2. Istosmjerni motor
68
5. Pogoni konstantne i podesive brzine
vrtnje s asinkronim motorima
5.1. Pogoni s asinkronim motorima
struktura pogona s asinkronim motorom
Asinkroni motor, već prema izvedbi, napaja se izmjeničnim napo-nom iz jednofazne ili trofazne mreže. Može se izravno priključiti naenergetsku razdjelnu mrežu. Jednostavno se instalira. Osim toga cijenamu je vrlo prihvatljiva i ne traži održavanje. Pogoni s asinkronim moto-rima stoga su vrlo rasprostranjeni, a u industrijskoj primjeni najčešćasu vrsta pogona.
Razvojem mikroprocesorske tehnike postalo je moguće jeftino ostva-riti složene regulacijske algoritme nužne za pogone s asinkronim mo-torima. Danas su na raspolaganju regulirani pogoni s asinkronim mo-torima koji glede točnosti i dinamike ne zaostaju za istosmjernim pogo-nima. Pogoni s asinkronim motorima potpuno pokrivaju područje odpogona konstantne brzine vrtnje do pogona podesive brzine vrtnje i tou vrlo finoj gradaciji regulacijskih svojstava.
Slika 5.1. prikazuje strukturu pogona s asinkronim motorima.
Sl. 5.1. Struktura pogona s asinkronim motorima
izvršni uređaj
G
pretvaračupuštač
motormotormotor kočnicadavač
na motoru
mrežamrežamreža
signalna elektronika s regulatorom i sklopovima
za nadzor
signalna elektronika za upravljanje
zaletom i sklopovima za nadzor
nadređeno upravljanje
nadređeno upravljanje
stvarna struja
izvršni uređaj
pogon konstantne brzine vrtnje
pogon konstantne brzine vrtnje s upuštačem
pogon podesive brzine vrtnje
stvarna brzina vrtnje
temperatura motora
sklopni i zaštitni uređaji
sklopni i zaštitni uređaji
sklopni i zaštitni uređaji
M 3~
M 3~
M 3~
5.2. Asinkroni motor
69
Područje snaga pogona s asinkronim motorima počinje otprilike kod100 W i doseže u megavatno područje. U području malih snaga jedvada su i zastupljeni.
područje uporabeU području manjih snaga (< 500 W) i za jednostavne primjene asin-kroni motori spajaju se izravno na jednofaznu ili trofaznu mrežu; to supogoni konstantne brzine vrtnje. U području većih snaga najmanje štotreba je uređaj za upuštanje (tzv. upuštač) koji ograničuje struju zaleta.Ta je struja zaleta velika u usporedbi s nazivnom strujom motora.Ograničenjem struje zaleta izbjegava se naponski propad u energet-skoj razdjelnoj mreži.
Pogoni podesive brzine vrtnje s asinkronim motorima upotrebljava-ju se za sve snage. Već prema zahtjevima na točnost i stabilnost dolazeu obzir frekvencijski pretvarači s različitim regulacijskim algoritmima.Pogoni s asinkronim motorima upotrebljavaju se i kao servopogoni.
5.2. Asinkroni motor
5.2.1. Na�elo rada
razredbaAsinkroni motori dolaze u različitim izvedbama. Prema broju fazanapona napajanja razlikuju se jednofazni i trofazni motori. Trofaznimotori dijele se na motore s kratko spojenim rotorom i na motore s kli-znokolutnim rotorom10 (sl. 5.3.). Motori s kliznokolutnim rotorom po-trebni su u području velikih snaga za posebne primjene (npr. za vjetro-elektrane) te se ovoj knjizi neće više spominjati. Najrašireniji tip moto-ra asinkroni je motor s kratko spojenim rotorom (kaveznim rotorom).Sva daljnja razmatranja odnose se na taj motor.
trofazni asinkroni motor s kratko spo-jenim rotorom
Sustav namota asinkronog motora raspoređen je na statoru. Asin-kroni motor s kratko spojenim rotorom ne treba za prijenos energije narotor mehaničke kontakte kao što treba istosmjerni motor. Tako prak-tički ne treba održavanje.
Sl. 5.2. Trofazni asinkroni motor
10 Rotor ima klizne kolute odnosno klizne prstenove.
129
6. Servopogoni
6.1. Struktura i podru�je primjene
značenje dinamikeServopogoni su posebna izvedenica pogona podesive brzine vrtnje.Njihova glavna karakteristika nije samo u podesivosti brzine vrtnje ne-go i u dinamici mijenjanja brzine vrtnje.
Promotrimo opću jednadžbu rotacijskog gibanja:
i preoblikujmo je tako da je na lijevoj strani kutno ubrzanje dω /dt:
Kutno ubrzanje je to veće što je:
– manji moment tromosti J
– veći i dinamičniji narinuti okretni moment motora Mm
– veća preopteretivost motora i izvršnog uređaja te
– mehanički kruća konstrukcija motora (kratko i jako vratilo).
struktura servopogona
Servomotori su stoga projektirani s malim momentom tromosti i ve-likim udarnim okretnim momentom. Izvršni uređaj servopogona dina-mički utiskuje u namote motora zahtijevanu struju za stvaranje okret-nog momenta. Stoga se uvijek sastoje od jednog servomotora i od jed-noga izvršnog uređaja. Servomotori imaju davač položaja odnosno brzi-ne vrtnje, potreban za postizanje zahtijevane točnosti gibanja. Kod veli-kih udaraca opterećenja, kakvi nastaju pri ubrzanju i kočenju, dolazi dojakog zagrijavanja motora. Visokovrijedni motori stoga imaju ugrađe-nu jednu ili više temperaturnih sondi. Podaci temperaturnih sondiobrađuju se u izvršnom uređaju. Ako je potrebno, izvršni uređaj sma-njuje opterećenje. Za primjene s visećim teretima (npr. roboti) neizo-stavno je potrebna sigurnosna kočnica.
Sve komponente pogona treba međusobno pažljivo uskladiti (sl.6.1.). Zbog toga se servopogoni većinom naručuju u kompletu od jed-nog proizvođača.
Mm J
dωd�-------
⋅ Mt+=
dωd�-------
Mm Mt–( )
J
---------------------------=
6. Servopogoni
130
radno područje Servopogoni su u osnovi četverokvadrantni pogoni. U oba smjeravrtnje mogu se ubrzavati u motornom radu, a kočiti u generatorskomradu. Glede okretnog momenta kratkotrajno su preopteretivi 2 do 3 pu-ta.
primjene Servopogoni se koriste u primjenama u kojima se traži složen i dina-mičan tijek gibanja, kakve prije svega dolaze kod strojeva za obradu ipreradu. Tipična su područja primjene:
– alatni strojevi za obradu drva i metala
– roboti
– pakirni strojevi
– tiskarski strojevi
– strojevi za injekcijsko lijevanje (injekcijske ljevalice)
– tkalački strojevi.
Glavni raspon snaga servopogona je od ~50 W do ~20 kW. Prodiru i upodručje većih snaga, u primjene koje su dosada zauzimali klasični po-goni podesive brzine vrtnje s asinkronim motorima.
Predaja snage kod servopogona neuobičajena je. Bitna je karakteri-stika okretni moment. Kod većine primjena okretni je moment od 0,15Nm do 50 Nm. No, nude se i servomotori od nekoliko kilonjutna.
Sl. 6.1. Struktura servopogona
M 3~ G
pretvarač
servomotorkočnica
mreža
signalna elektronika s regulatorom i nadzorom
nadređeno upravljanje gibanjem
stvarna struja
servouređaj
servopogon s trofaznim motorom
stvarna brzina vrtnje
temperatura motora
sklopni i zaštitni uređaji
M G
čoper
servomotorkočnicadavač na motoru
mreža
signalna elektronika s regulatorom i nadzorom
nadređeno upravljanje gibanjem
stvarna struja
servouređaj
servopogon s istosmjernim motorom
stvarna brzina vrtnje
temperatura motora
sklopni i zaštitni uređaji
davač na motoru
190
7. Kora�ni pogoni
7.1. Struktura i podru�je primjene
Koračni su pogoni posebna izvedenica servopogona. Upravljani su ikoriste se za vođenje gibanja. To znači da koračni pogoni nemaju zatvo-reni regulacijski krug struje, brzine vrtnje i položaja. Time su dodušeslabije dinamike i robustnosti na poremećajne veličine, ali zato povolj-nije cijene i jednostavnijeg rukovanja.
struktura Koračni pogoni sastavljeni su od koračnog motora i izvršnog uređaja(sl. 7.1.). Koračnim motorom upravlja se slijedom impulsa struje; jed-nofazno ili višefazno. Svaki impuls zakrene motor za određeni kutnikorak. Impulsi struje generiraju se u izlaznom stupnju izvršnog uređa-ja. Potrebne kutne korake zadaje nadređeni uređaj za upravljanje giba-njem. Postavna vrijednost pozicije prenosi se inkrementalno slijedomimpulsa u izvršni uređaj iz nadređenog uređaja za upravljanje giba-njem.
Sl. 7.1. Struktura koračnog pogona
M
izlazni stupanj
ispravljač
koračni motor
mreža
signalna elektronika
impulsni niz
nadređeno upravljanje gibanjem
izvršni uređaj
sklopni i zaštitni uređaji
7.2. Razredba koračnih pogona prema vrsti motora
191
Koračni motori mogu pozicionirati bez povratne veze davača na toč-nost duljine koraka. U tom slučaju pozicioniranje je u biti upravljanje.Zbog toga se pogon ne smije preopteretiti ili pretjerano ubrzati. U pro-tivnom nastaje tzv. gubitak koraka ili se motor jednostavno ne poma-kne. Zato se u nekim primjenama postignuta pozicija dodatno nadziredavačem položaja – to umanjuje prednosti koračnih pogona.
Koračni su pogoni 4-kvadrantni pogoni. U oba smjera vrtnje moguse motorno ubrzavati i generatorski kočiti. Međutim, praktički nisupreopteretivi. To ih razlikuje od konvencionalnih servopogona.
primjeneKoračni motori ugrađuju se u raznolike troškovno osjetljive primje-ne pozicioniranja u nižem području snaga. Koračni pogoni prije svegaobavljaju doturna gibanja u strojevima za obradu i preradu te u stroje-vima za ispis podataka (ploteri, pisači). Koračni su pogoni osim togauvelike rašireni u gradnji uređaja i aparata za jednostavne primjenepozicioniranja. Treba primijetiti da sve više i više servopogona sa sin-kronim motorima prodire u domenu koračnih motora i u području ma-njih snaga. Međutim, ne treba očekivati da će izvorni servopogoni uve-like zamijeniti koračne pogone.
Koračni motori daju okretni moment do 5 Nm.
7.2. Razredba kora�nih pogona prema
vrsti motora
Razredbu koračnih motora najlakše je izvršiti prema vrsti primije-njenog motora (sl. 7.2.).
Koračni motori zasnivaju se na tri načela:
– Kora�ni motor sa stalnim magnetima je pravi sinkroni motor. Imarelativno grub korak.
– Reluktantni kora�ni motor ima rotor od mekog željeza i manje zubaod statora. Može se postići vrlo sitan korak. Međutim, danas su re-luktantni koračni motori vrlo rijetki.
Sl. 7.2. Razredba koračnih motora prema vrsti motora
koračni motor sastalnim magnetima hibridni koračni motor
koračni motori
reluktantni koračni motor
203
8. Kratak pregled elektri�nih
pogonskih sustava
8.1. Od pogona do pogonskog sustava
Što je sustav?Sustav je tvorevina čije su komponente u međusobnoj interakciji te ucjelini čine funkcionalnu jedinicu. Komponente sustava imaju određe-nu funkciju i međudjeluju putem svojih sučelja. Tim međudjelovanjempostiže se nova, viša funkcionalnost. Sustav se može bitno razgraničitiod okoline (od drugih sustava) definiranjem prikladnih granica. Takose može modelirati i odvojeno analizirati. Sustav se može promatrati ilina makrorazini ili na mikrorazini; na makrorazini promatra se kao cje-lina, a na mikrorazini promatraju se pojedine komponente.
sustavi kod električnih pogona
Električni pogoni sastavljeni su od tipičnih sustavnih komponenti –od elektromotora i od izvršnog uređaja. Ovisno o složenosti, sustav jeproširen drugim komponentama kao što su davač, kočnica, prijenosniki sl. Te komponente sustava u uskoj su međusobnoj vezi i utječu jednana drugu. Stoga je, u skladu s definicijom sustava, svaki električni po-gon već jedan sustav. Kod odvojenog promatranja komponenti pogona,ističu se njihove karakteristike glede sustava. I elektromotor i izvršniuređaj sami su po sebi već sustavi. Pretpostavka analize pogonskih su-stava stoga daje jasnu definiciju njegovih sastavnih komponenti.
izmjena energije i informacija na sučeljima pogon-skog sustava
U okviru ove knjige električni pogonski sustav sustav je koji ima je-dan električni pogon i povezan je s drugim komponentama sustava.Druge komponente sustava mogu biti ostali pogoni, uređaji za automa-tizaciju, komunikacijske mreže, radni strojevi, energetske razdjelnemreže itd.
Pogonski sustav služi za obavljanje određene funkcije. Pri projekti-ranju te funkcije utvrđuju se sudjelujuće komponente sustava i njihovemeđusobne veze. Između pogona i drugih komponenata sustava odvijase izmjena energije i informacija (sl. 8.1.). Izmjena materijala koja po-stoji u mnogim drugim sustavima ne postoji kod električnih pogonskihsustava. Izmjena materijala, ovisno o primjeni, odvija se u radnomstroju, pa je ne treba analizirati u okviru pogonskog sustava.
8. Kratak pregled električnih pogonskih sustava
204
Razmatranje električnih pogonskih sustava treba provesti s dvijetočke gledišta:
– razmatranjem funkcionalnosti i
– odvojenim razmatranjem sučelja između komponenti sustava.
funkcionalno gledi-šte na sustav
Pri razmatranju s funkcionalnog gledišta ustanovljuje se koje sukomponente potrebne za tipične zadaće automatizacije i koje zadaćeobavljaju pojedine komponente. Razmatranje započinje od činjenice daje električni pogon središnja komponenta sustava. Ona u najmanju ru-ku preuzima funkciju jednostavnog podešivača brzine vrtnje.
odnosi između komponenti sustava
U pogonskim sustavima mnogostruko se isprepliću energetski i in-formacijski tokovi. Stoga se pri razmatranju sučelja u nekom pogon-skom sustavu pobliže razmatraju odabrani odnosi među komponenta-ma sustava. Ti odabrani odnosi željeni su odnosi. Njih treba probitačnoiskoristiti. Pored željenih odnosa postoje i neželjeni odnosi (npr. EMC)koje treba što je moguće više potisnuti.
Sl. 8.1. Interna sučelja energetskih i informacijskih tokova pogona
G
G
učinskidio
radni stroj
motor prijenosnikkočnicadavač na motoru
davač na radnom stroju
signalna elektronika s regulatorom i sklopovima za nadzor
nadređeno upravljanje
izvršni uređaj
električni pogon
električni pogon
stvarni položaj
sklopni i zaštitni uređaji
M
mreža
energija
informacije
informacije
energija
energija
214
9. Komunikacijske sabirnice za
elektri�ne pogone
9.1. Svrha i na�elo rada
svrha uvođenja komunikacijskih sabirnica
U modernim strojevima i sustavima rješenja automatizacije imajusljedeće značajke:
– povećani broj senzora i aktuatora
– decentralizacija komponenata i
– povećana "inteligencija" komponenata.
U klasičnim rješenjima automatizacije postoji središnje upravljanjepojedine "inteligentne" komponente na koje se dovode svi statusi signa-la i stvarne vrijednosti te iz kojeg se odvode svi upravljački signali i po-stavne vrijednosti. U današnjim je rješenjima "inteligencija" raspodije-ljena te je često smještena na lokalnoj razini unutar stroja izvan središ-njeg ormara, npr. u decentraliziranim pogonima (sl. 9.1.). S tim je raz-vojem povezano kvantitativno i kvalitativno povećanje razmijenjenih sig-nala. To posebno dolazi do izražaja kada se uzme u obzir velik broj dijag-nostičkih informacija koje su potrebne za praćenje takvoga rješenja au-tomatizacije.
Da bi se trošak instalacija i ožičenja unutar potrebnog prostora zadr-žao u razumnim granicama, razmjena podataka mora se odvijati prekokomunikacijske sabirnice. Ožičenje pojedinih signala, zbog njihove ko-
Sl. 9.1. Od pojedinačnog ožičenja do komunikacijske sabirnice
M M
S S
M M
S S
M M
S S
M M
S S
konvencionalno ožičenje komunikacijska sabirnica
pogoni, aktuatori, senzori
pogoni, aktuatori, senzori
komunikacijska sabirnica
pojedinačno ožičenje
PLC, regulator procesa, kontroler gibanja
PLC, regulator procesa, kontroler gibanja
korisnički uređaji,vizualizacijski sustavi
korisnički uređaji,vizualizacijski sustavi
9.1. Svrha i načelo rada
215
ličine, u praksi nije moguće ostvariti. Razlog pojave komunikacijskihsabirnica upravo je stalno povećanje količine razmijenjenih signala ipodataka.
mnoge različite komunikacijske sabirnice
Na komunikacijske sabirnice postavljaju se posebni zahtjevi:
– propusnost podataka
– sposobnost rada u stvarnom vremenu
– robustnost i
– cijena.
Ti se zahtjevi razlikuju ovisno o vrsti umreženih komponenata auto-matizacije. Komunikacijske sabirnice, aktuatori i senzori na razini po-vezivanja moraju biti jednostavni za rad i vrlo jeftini. Komunikacijskesabirnice za komunikaciju između upravljanja gibanjem (Motion-Con-
trol) i servopogona moraju ispunjavati visoke zahtjeve zbog rada ustvarnom vremenu. Dakle, za različite razine piramide automatizacijepostoje različite komunikacijske sabirnice. Nastojanje je proizvođača ikorisničkih organizacija da kupci koriste njihove vlastite sabirnice i nji-hovim vlastitim asortimanom proizvoda, što je u industrijskoj praksidovelo do pojave raznih komunikacijskih sabirnica. Da bi se omogućilopovezivanje komponenata automatizacije različitih proizvođača, naj-važnije komunikacijske sabirnice temelje se na propisanim međunarod-nim standardima.
osnovni elementi komunikacijskih sabirnica
Komunikacijska je sabirnica kao komunikacijska mreža jedinstvenodefinirana sljedećim elementima ili pravilima:
– Između svih povezanih komponenti postoji zajednička fizička mrežna veza.
– Postoji protokol i određen broj fiksnih pravila da bi se između komponenti mogla odvijati razmjena podataka.
– Komunikacijski partner odabire se preko jedinstvene adrese (npr. identifikator kod CAN sabirnice).
– Postoji mehanizam da bi se izbjegao konflikt pristupa pri istovre-menom pristupanju većeg broja komponenti.
serijski prijenos podataka
Kod umrežavanja komponenata automatizacije na većim udaljeno-stima koristi se serijski prijenos podataka. To se ostvaruje optičkim vlak-nima ili električnim paricama. Podaci se kroz medij za prijenos prenosebitovima (slanje), a prikupljaju se od svih sudionika (primanje). Slatimože uvijek samo jedan sudionik, a svi sudionici primaju istodobno.Na temelju adrese odnosno na temelju posebnih identifikatora u tele-gramu identificira se svaki prijamnik te se određuje je li poruka nami-jenjena njemu. Telegram se definira kao niz bitova koji se prenose ubloku. Kako bi se otkrio početak novog telegrama, između telegrama semora nalaziti pauza. Sl. 9.2. prikazuje načelnu strukturu telegrama.
249
10. Regulacija procesa s pomoću
elektri�nih pogona
10.1. Definicija pojmova
Industrijske proizvodne procese karakterizira kontinuirano ili ispre-kidano gibanje. U ovom poglavlju razmotreni su proizvodni procesi spretežno kontinuiranim gibanjem.
Potrebna gibanja izvode se preko električnih pogona. Oni omoguću-ju brzine i okretne momente koji se reguliraju i održavaju konstantnimili promjenjivim u vremenu te služe kao regulirane veličine za ostvari-vanje stvarnih procesnih varijabli. Procesne varijable vrlo su raznolike ivariraju ovisno o primjeni. Primjeri su procesnih varijabli:
– protok, protok zraka
– tlak tekućina i plinova
– ubrzanje linije ili materijala na liniji
– transportna brzina.
Zbog velike svestranosti teško je moguće općenito razmatranje apli-kacija jer su procesne varijable pod utjecajem električnih pogona. Sto-ga su prikazane sljedeće tipične aplikacije sa svojstvima sustava. Modi-fikacijom i kombinacijom korištenih načela mogu se iz tih aplikacijaizvesti slične aplikacije.
10.2. Regulacija procesa s pomoću
jednopogonskih sustava
10.2.1. Komponente
Jednostavni proizvodni procesi zahtijevaju često samo jedan elek-trični pogon. Jednopogonski sustav tada sadržava:
– motor, davač, prijenosnik, kočnicu
– izvršni uređaj (npr. frekvencijski pretvarač, kočni otpornik, dodat-ne komponente sa strane mreže i motora)
– pomoćna napajanja
– tehnološki regulator i slobodne funkcijske blokove
10. Regulacija procesa s pomoću električnih pogona
250
– senzore za mjerenje relevantnih procesnih varijabli
– sučelja prema procesu, razdjelnoj mreži i eventualno postojećem nadređenom automatizacijskom uređaju (npr. PLC).
Tehnološki kontroler može biti samostalan uređaj. Ekonomski jeprihvatljivije da se integrira u pogon i da se prošire regulacijske funk-cije izvršnog uređaja. Taj je trend jako izražen, pogotovo kod pogona sfrekvencijskim pretvaračima. Mnogi frekvencijski pretvarači imaju od-govarajuće podesive softverske funkcije i mogućnost njihova prošire-nja s pomoću dodatnih ugradbenih cjelina spojenih na binarne i ana-logne ulaze i izlaze.
Za tehnološke funkcije s različitim brzinama i okretnim momentimakoriste se pogoni s podesivom brzinom vrtnje. Za jednostavne primje-ne, kod kojih je potrebno pokretanje i zaustavljanje, mogu se koristitipogoni konstantne brzine vrtnje.
Sl. 10.1. Jednopogonski sustav u regulaciji procesa
G
učinskidio
motor
prijenosnik
kočnicadavač
proširenja sučelja
signalna elektronika s regulacijom i nadzorom
nadređeno upravljanje
frekvencijski pretvarač
binarni i analogni signalisignali brzine vrtnje i položaja
sklopni i zaštitni uređaji
M 3~
mreža
radni stroj
podesive regulacijske i logičke funkcije
276
11. Upravljanje gibanjem s pomoću
elektri�nih pogona
11.1. Definicije pojmova i funkcije
Kod mnogih proizvodnih procesa cilj je pogona određeni elementstroja postaviti u određenom trenutku u određenu poziciju te njego-vom pozicijom upravljati kao funkcijom vremena. Pozicija je vodećaveličina, dok su brzina vrtnje i okretni moment podređene procesneveličine. Potrebne zadaće pogona karakterizirane su diskontinuiranimtijekom brzine vrtnje. Tipična je kontinuirana izmjena brzine vrtnje.Dakle, kod tih primjena poželjni su servopogoni.
podjela pogona i elektroničko vođe-nje pogona
Do prije nekoliko godina strojevi za obradu bili su opremljeni središ-njim pogonom s podesivom brzinom vrtnje. Središnji je pogon preda-vao mehaničku energiju za cijeli stroj. Energija je potom raspodijeljenasustavom vratila i prijenosa. Nepravilna gibanja dobivena su s pomoćuposebnog prijenosa iz ravnomjernog gibanja središnjeg pogona. Zbogkrute mehaničke veze sva su gibanja bila automatski međusobno sin-kronizirana.
Taj mehanički koncept ograničava fleksibilnost i produktivnost stro-ja jer je izmjena formata proizvoda za obrađivanje vezana za zahtjevnemehaničke izmjene te usto ograničena krutost nekih mehaničkih ele-menata ne dopušta povećanje taktnih ciklusa.
Problem se rješava izmjenom središnjeg pogona i mehaničkih ele-menata elektronički koordiniranim pojedinačnim pogonima (sl. 11.1.).Pojedinačni pogon usmjerava energiju tamo gdje je i potrebna. Koordi-naciju gibanja preuzima elektroničko upravljanje. Ono evidentira pozi-cije dijelova stroja, uspoređuje ih s vrijednostima postavljenim u pro-gramu te potom upravlja pojedinačnim pogonima. Ako su potrebne iz-mjene formata, dolazi do izmjene samo nekoliko parametara u progra-mu, što je mnogo brže i jednostavnije nego izmjena elemenata prijeno-sa.
Kod alatnih strojeva već godinama pod standardnu opremu spadaelektronička koordinacija gibanja servopogona s nadređenim numerič-kim upravljanjem. Razlog je za to da alatni strojevi moraju biti iznimnofleksibilni s obzirom na najrazličitije izratke koji se obrađuju.
11.1. Definicije pojmova i funkcije
277
upravljanje giba-njem (engl. Motion
Control)
Motion Control moderan je naziv za upravljanje gibanjem i sadržavasve funkcije i komponente za prostornu i vremensku koordinaciju ele-menata stroja kod strojeva za obradu.
Ugrubo, moguće je govoriti o podjeli rješenja za upravljanje giba-njem u:
– stvarno upravljanje gibanjem i
– podređeni pogon.
Granica između upravljanja i pogona sve je promjenjivija. Klasičnarješenja svrstavaju npr. regulator položaja i interpolator u upravljanjegibanjem. No, u mnogim današnjim rješenjima regulator položaja i in-terpolator često su već sadržani u pogonu.
Općenito se rješenja za upravljanje gibanjem sa servopogonima sa-stoje od sljedećih funkcijskih jedinica (sl. 11.2.):
– pogon s regulacijom struje i brzine vrtnje
– regulacija položaja
– određivanje stvarne vrijednosti položaja (procjena, odstupanje)
– interpolator
– pozicioniranje i sinkronizirano upravljanje.
Kod primjena s koračnim pogonima ne koriste se regulacijski krugo-vi te određivanje stvarne vrijednosti položaja.
funkcije za uprav-ljanje gibanjem
Ovisno o vrsti rješenja zadatka gibanja razvijeni su različiti tipovifunkcija za upravljanje gibanjem:
– Pozicioniranje je prilaz odredišnoj poziciji iz početne pozicije. Napočetku i na kraju postupka pozicioniranja brzina je jednaka nuli.Pozicioniranje je funkcija koja se zajedno odnosi i na ôs i na po-gon.
Sl. 11.1. Zamjena središnjeg pogona elektronički koordiniranim pojedinačnim pogonima
središnji pogon
M
M M M
prijenosnik
elektroničko upravljanje gibanjem
prijelazi prema procesu prijelazi prema procesu
pojedinačnipogoni
318
12. EMC u elektri�noj pogonskoj
tehnici
12.1. Osnove
12.1.1. Uzroci i definicije pojmova
Opasnost od povremenih ispada elektroničkih sustava zbog štetnogelektromagnetskog djelovanja dosta se povećala u nedavnoj prošlosti.Za to postoje dva razloga:
1. Broj i jakost potencijalnih izvora smetnji raste jer se:
– povećava broj elektroničkih uređaja, a time i izvora smetnji
– povećava broj elektroničkih uređaja sa sklopovima učinske elek-tronike, a time i energetska razina izvora smetnji i
– povećava brzina sklapanja učinskih poluvodičkih ventila.
2. Broj i osjetljivost potencijalno smetanih uređaja raste jer se:
– smanjuje potrošak snage elektroničkih sklopova za obradu signala, a time povećava njihova osjetljivost na smetnje i
– povećava broj mikroprocesorski upravljanih digitalnih sustava, pa već jednokratna smetnja može dovesti do poremećaja.
EMC kao stručno područje
Da bi se taj trend ublažio i tehnički kontrolirao, nastalo je stručno pod-ručje nazvano elektromagnetska kompatibilnost (EMC). Elektromagnet-ska kompatibilnost:
– bavi se slučajnim djelovanjem smetnji električkih i elektroničkihuređaja i komponenti (sl. 12.1.)
– objašnjava mehanizam djelovanja smetnji i
– definira mjere za minimiziranje slučajnog djelovanja smetnji takoda ne izazivaju poremećaje.
Sl. 12.1. Elektromagnetsko djelovanje
uređaj 1
uređaj 2
12.1. Osnove
319
EMC svojstvoObilježje elektromagnetske kompatibilnosti (EMC) sposobnost jeelektričnih uređaja da dovoljno dobro funkcioniraju u svojoj elektro-magnetskoj okolini i da odašilju elektromagnetske smetnje u takvojmjeri da bitnije ne pogoršavaju funkcioniranje okolnih električnih ure-đaja.
Ta definicija već ukazuje na moguće mjere postizanja kompatibilno-sti:
– smanjenje emisije smetnji izvora smetnji
– smanjenje osjetljivosti na smetnje smetanih uređaja
– prekidanje sprežnog mehanizma širenja smetnji.
12.1.2. EMC model djelovanja
Sva razmatranja EMC-a polaze od modela djelovanja smetnji. Modeldefinira:
– električne uređaje koji stvaraju smetnje (izvore smetnji) i električ-ne uređaje kojima te smetnje smetaju (smetane uređaje, tzv. žrtvesmetnji) te
– vrstu i način djelovanja smetnji putem sprežnog mehanizma.
Izvor smetnji odašilje elektromagnetske smetnje. Te smetnje preno-se se putem sprežnog mehanizma do smetanog uređaja i tu elektro-magnetski štetno djeluju. Elektromagnetsko štetno djelovanje nije na-mjerno djelovanje. Djelovanje smetnji unutar uređaja naziva se vlastito
djelovanje smetnji, a između dvaju uređaja strano djelovanje smetnji.
električni pogoni – izvori i "žrtve" smetnji
Vlastito djelovanje smetnji rješava proizvođač tako da ih održava is-pod kritičnog praga. Zato se vlastito djelovanje smetnji neće više raz-matrati. Strano djelovanje smetnji nastaje zajedničkim djelovanjemelektričkih uređaja, pa se očituje tek tijekom puštanja u pogon ili tije-kom pogona strojeva i postrojenja. Odgovarajućim mjerama treba osi-
Sl. 12.2. Model djelovanja smetnji
izvor smetnji
Q
Q
S
S
smetani uređaj
sprežni mehanizam
model djelovanja smetnji
vlastito djelovanje smetnji
strano djelovanje smetnji
351
13. Projektiranje elektri�nih pogona
13.1. Postupak
Električni pogoni imaju mnoštvo tehničkih karakteristika, a usto ihnude brojni proizvođači. Projektant ima veliku slobodu pri izboru kon-cepcije pogona i njegovu dimenzioniranju. Projektiranje električnihpogona stoga nužno ne vodi prema jednoznačnom rješenju, nego seponderiranjem zahtjeva dolazi do različitih rješenja. Zato je potrebnoda bi se došlo do ekonomski optimalnog projekta pogona više puta po-noviti projektne korake. Preporučljivo je usporediti različita rješenja.
Projektiranje električnog pogona polazi od mehaničke konstrukcijemotora i radnog stroja, tj. zasniva se na njihovim podacima. Već malepromjene u mehaničkoj konstrukciji mogu uvelike promijeniti rješenjepogona. Stoga je projektiranje električnog pogona zajednički zadatakstručnjaka za mehaniku i elektriku.
Projektiranje električnog pogona obavlja se u više uzastopnih koraka(sl. 13.1.). Ti će se koraci odmah detaljno opisati.
Sl. 13.1. Postupak projektiranja pogona
koraci projektiranja
izbor vrste pogona (linearni, rotacijski, konstantne brzine vrtnje, promjenjive brzine vrtnje, servopogon, tip motora, prijenosnik)
izbor motora
provjera toplinske opteretivosti izabranog motora
izbor konstrukcijskih opcija motora
izbor davača na motoru
izbor upravljačkog uređaja motora
provjera ekonomičnosti ponavljanjem koraka od 1 do 7 za neku drugu vrstu pogona
1
2
3
4
5
6
7
13. Projektiranje električnih pogona
352
13.2. Izbor vrste pogona
Izbor vrste pogona odlučujuće ovisi o energetskim sučeljima pogo-na. Ta sučelja obuhvaćaju:
– mehaničko sučelje prema radnom stroju i
– električko sučelje prema energetskoj mreži.
Zahtjevi na ta sučelja mogu se opisati s nekoliko parametara. Tako seza svaku primjenu dobiva grubi profil primjene na temelju kojeg semože izvršiti predizbor koncepcija pogona.
Tablica 13.1. Kriteriji izbora optimalne vrste pogona
Mehanička sučelja
����� ����� linearno rotacijsko
linearni motor
rotacijski motor s prijenosnikom
rotacijski motor
��� ���� �����
������� �����
konstantan promjenjiv vrlo dinamičan
asinkroni motor s– izravnim zaletom– zvijezda – trokut zaletom– usporenim zaletom– promjenom broja polova
istosmjerni motor s– izravnim zaletom – usporenim zaletom
sinkroni motor ili reluktantni motor s frekvencijskim pretvaračem
asinkroni motor s frekvencij-skim pretvaračem
sinkroni motor s frekvencij-skim pretvaračem
reluktantni motor s frekven-cijskim pretvaračem
istosmjerni motor s usmjeri-vačem
koračni motor s odgovaraju-ćim izvršnim uređajem
servopogon s– istosmjernim motorom– beskolektorskim
istosmjernim motorom– sinkronim motorom– asinkronim motorom
i odgovarajućim izvršnim uređajem
izravni pogon
������ ���������
������� � ���
��. ����
mala srednja velika
mali motor
istosmjerni motor
beskolektorski istosmjerni motor
sinkroni motor
koračni motor
asinkroni motor
istosmjerni motor
beskolektorski istosmjerni motor
sinkroni motor
asinkroni motor
momentni motormotor s prijenosnikom
���� ���������
������� � ���
mala sporadična preopterećenja velika česta preopterećenja
standardni motor servomotor
401
14. Uklanjanje kvarova, smetnji i
pogre�aka kod elektri�nih pogona
14.1. Izbjegavanje i uklanjanje kvarova
U električnim pogonima pojavljuju se kvarovi. Budući da su pogonisredišnji sastavni dio radnoga stroja ili postrojenja, smetnje u električ-nom pogonu većinom prouzročuju ispad i zaustavljanje cijelog sustava.Vrijeme stajanja izravno utječe na raspoloživost te se vrijeme stajanjamora što je moguće više skratiti. To se postiže dvama pristupima:
– Izbjegavanje kvarova
Električni pogoni, kakve ih proizvode proizvođači, robustni su iindustrijski prikladni, a za korisnika nisu poddimenzionirani. Prisastavljanju i montaži pogona te kasnije pri njegovu održavanjatreba se točno pridržavati proizvođačevih uputa. Tako se izbjegavapreopterećenje komponenata u pogonu. Mnogi korisnici prijeugradnje strojeva i postrojenja podvrgavaju električne pogoneobilnim ispitivanjima.
Mnogi proizvođači pogona daju na upit za svoje pogone vrijed-nosti MTBF (engl. mean time between failure). Vrijednost MTBFiskaz je o teorijskoj raspoloživosti pogona. Ona omogućuje uspo-redbu različitih uređaja.
– Brzo uklanjanje kvarova
Dođe li do kvara u pogonu, kvar se mora što je moguće brže ot-kloniti. Otklanjanje kvara obuhvaća lokalizaciju kvara i zatim za-mjenu neispravne komponente. Srednje vrijeme otklanjanja smet-nje označuje se s MTTR (engl. mean time to repair). Također ga kat-kad daju proizvođači pogona. Međutim, pri tome treba primijetitida se srednje vrijeme otklanjanja smetnje odnosi samo na popra-vak, a ne na traženje kvara. Često traženje kvara oduzima najviševremena.
14.2. Mogući kvarovi kod elektri�nih pogona
uobičajeni izvori kvarova
Električni pogoni sastoje se od priličnog broja komponenata, a nekeod njih su vrlo složene. Sve te komponente zajedno ispunjavaju zadanufunkciju pogona. Između tih komponenata različita su sučelja. Stoga sumogući izvori kvarova veoma brojni i različiti. Kvarovi mogu biti (sl.14.1.)
14. Uklanjanje kvarova, smetnji i pogrešaka kod električnih pogona
402
– u samim komponentama
– na mjestima sučelja komponenata (tj. u električnom ožičenju) i
– u međusobnom neprilagođenju komponenata.
lokalizacija kvara Unutar električnog pogona zadatak je izvršnog uređaja da prepoznakvarove u sustavu, da na njih odgovrajuće djeluje i da korisniku dadešto je moguće jasniju dijagnozu uzroka kvara. Nažalost izvršni uređajne može jednoznačno prepoznati sve kvarove te dati korisniku jedno-značne smjernice glede uzroka kvara. Stoga je u praksi još uvijek nor-malno da se kvarovi traže ručno, osciloskopom i mjernim instrumenti-ma. Prema tome, za učinkovito traženje kvarova potrebno je dobro ra-zumijevanje strukture i funkcije električnog pogona te mnogo isku-stva.
U sljedećim odsječcima usustavljeni su tipični slučajevi traženja kva-rova i njihove posljedice. Pobrojavanje mogućih kvarova ni u kojemslučaju nije potpuno, nego je ograničeno na probrane slučajeve.
Sl. 14.1. Pregled mogućih kvarova električnog pogona
M 3~ G
G
učinskidio
radni stroj
motor prijenosnikkočnicadavač na motoru
davač na radnom stroju
mreža
signalna elektronika s regulatorom i sklopovima za nadzor
nadređeno upravljanje
stvarna struja
izvršni uređaj
električni pogon
stvarna brzina vrtnjestvarni položajdodatni podaci
stvarni položaj
temperatura motora
sklopni i zaštitni uređaji
kvar uređaja
EMC problemi
pogreška u spajanju
kvar motora
projektna pogreška
pogreška parametriranja
komunikacijski kvar
kvar davača
programska pogreška
kvar mreže
