Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Jednoduchá uspořádání asynchronních motorů pro dvouúrovňovou regulaci

Automa 9/2000

Ing. Emil Pázral, CSc.,
Výzkumný ústav zemědělské techniky, Praha 6

Jednoduchá uspořádání asynchronních motorů pro dvouúrovňovou regulaci

1. Úvod
Při dopravě a překládce volně ložených sypkých materiálů v zemědělství i jiných oborech bývá nerovnoměrně rozložena hmota na složištích a v důsledku toho jsou nerovnoměrně zatěžovány dopravní a zpracovatelské stroje. Vyskytuje se riziko přetížení strojů, vedoucí až k jejich ucpání, nebo naopak chod při velkém odlehčení, který zbytečně prodlužuje pracovní proces a snižuje jeho energetickou účinnost.

Řešením je automatická regulace hmotnostního průtoku materiálu linkou. Způsobů uspořádání regulačního zařízení je několik. Vedle provozně-technických vlastností je třeba sledovat i stránku ekonomickou, protože úplné náklady na regulaci jsou závislé také na využití zařízení v průběhu roku.

Obr. 1.

2. Princip regulace
Na obr. 1 je schematicky znázorněn vstupní článek stacionární dopravní linky, navazující na vnější přísun materiálu, zpravidla traktorovou nebo automobilovou dopravou. Stolový dopravník 1 bývá dimenzován tak, aby obsáhl veškerý materiál odpovídající jednomu příjezdu dopravního prostředku. Při překládce se materiál rozloží značně nerovnoměrně a při konstantní rychlosti dopravníku 1 by se tato nerovnoměrnost přenášela do celé linky. Proto je třeba otáčky pohonu 11 dopravníku 1 regulovat v obráceném poměru tak, aby tok materiálu počínaje příčným šnekovým dopravníkem 3 byl konstantní. Pro tento způsob regulace je rozhodující, jaké jsou poměry na přepadové hraně mezi regulovaným dopravníkem 1 a příčným odebíracím dopravníkem (ten může být doplněn odmetacím válcem 5 na urovnávání vrstvy). Je zřejmé, že přímo do místa přepadu lze jen obtížně umístit jakýkoliv snímač, který by zaznamenával objem (vrstvu) nebo hmotnost materiálu. Umístění snímače před tuto hranu nebo za ni by se vzhledem k dopravnímu zpoždění nutně promítlo do zhoršení kvality regulace.

Proto se jako optimální řešení jeví využití závislosti mezi hmotnostním průtokem (výkonností) W (t·hod–1) pracovního orgánu – šnekového dopravníku 3 a příkonem P (kW) jeho hnacího elektromotoru 13, snímaného čidlem 14, které ovlivňuje otáčky motoru 11. V jednoduchých aplikacích postačí pro zaznamenávání zmíněných hodnot instalovat snímač proudu 14 a motor 11 lze regulovat zapínáním a vypínáním stykače nebo bezkontaktního spínače 12.

Obr. 2.

Pro sypké materiály se nejčastěji používá šnekový dopravník, který zároveň reaguje dostatečně citlivě na změny v zatížení. Pro těžko zpracovatelné a rozpojitelné materiály, v zemědělství např. nepořezané pícniny, slámu či seno, se jako pracovní orgán používají různé typy rozpojovacích (odmetacích) válců (obdoba 5 v obr. 1). Válců bývá několik nad sebou a reagují velmi citlivě na zatížení. Navazující příčný dopravník 3 bývá pásový nebo hrabičkový. Příklad pracovních charakteristik, tj. závislostí příkonu a měrné spotřeby energie na výkonnosti pro rozpojovací válce dávkovacího dopravníku, jsou na obr. 2. Příkon a měrná spotřeba jsou definovány pro určitý druh a kvalitu (vlhkost) materiálu. Snímač výkonu (proudu) musí být vždy nastaven na správný tok materiálu s ohledem na propustnost navazujících strojů v lince. Je žádoucí provozovat linku s co největší možnou výkonností, neboť tak se zkracuje pracovní proces (to je vítané zejména u nárazových sezónních prací) a snižuje se spotřeba energie posunutím pracovního bodu do oblasti poklesu měrných spotřeb (více vpravo). Automatická regulace rovněž účinně zabraňuje nahodilému nadměrnému zvýšení výkonnosti, které by mohlo vést k ucpání některého stroje.

Jsou možná dvě zásadní uspořádání příjmových dopravníků. Buď se materiál pohybuje proti pracovnímu orgánu, nebo se tento orgán pohybuje proti materiálu. První uspořádání (obr. 1) má nevýhodu v dosti malé příjmové kapacitě, čemuž lze čelit instalací dvou dopravníků vedle sebe. Zatímco jeden postupně zpracovává materiál, u druhého je vyprazdňován dopravní prostředek. Toto uspořádání se však většinou nepoužívá, protože znamená zdvojení investice do dopravníku. Příkladem druhé alternativy je tzv. šnekový přihrnovač (obr. 3), na jehož kruhové složiště lze najednou vyprázdnit obsah dvou i více vozů. Nad příčným dopravníkem 6 v kanálu 7 je umístěna točna 5, na níž rotuje kolem osy O masivní rám 4, na němž je umístěna šnekovnice 2, poháněná převodovým motorem 12 se snímačem zatížení 22, a pojezdové ústrojí 3, poháněné převodovým motorem 13 se stykačem či spínačem 23. Stroj popojíždí proti materiálu v závislosti na zatížení šnekovnice. Vzhledem k použitému pracovnímu orgánu – šneku – je uspořádání vhodné jen pro sypké, resp. pořezané materiály.

Obr. 3.

3. Efekt dosahovaný regulací
Podobných regulací a uspořádání bylo na našem pracovišti navrženo, vyzkoušeno a změřeno velké množství, zpravidla ve spolupráci s výrobcem a dalšími institucemi. Uveďme alespoň jeden příklad porovnání registračního záznamu dvou jinak totožných strojů, ale s regulací a bez regulace (obr. 4).

Pokus byl uskutečněn v přípravně velkokapacitní neprůjezdné stáje skotu. Na dávkovací dopravníky navazovaly žlabové dopravníky krmiv. Na neregulovaném dopravníku (záznam 1) byl před spuštěním ručně urovnán materiál do rovnoměrné vrstvy, na regulovaném (záznam 3) nikoliv. Oba stroje pracovaly se stejným množstvím téhož materiálu současně. Průběh záznamu odpovídá okamžitému příkonu, resp. výkonnosti rozpojovacích válců. Příkon 0,6 kW odpovídá chodu stroje nezatíženého materiálem. Vyšrafovaná plocha odpovídá hmotnosti dopraveného materiálu.

Záznam 1, zejména v části A, dokládá, že urovnat vrstvu nestačí. Vlivem přepravy a překládky je totiž materiál různě zhuštěn či načechrán (nehomogenní měrná hmotnost). Protože navazující žlabové dopravníky mají konstantní rychlost, kopírují původní rozložení hmoty na dávkovacím dopravníku. To znamená, že jednotlivé kusy dobytka dostanou velmi rozdílnou dávku krmiva.

Při automatické regulaci – záznam 3 – je hmotnostní tok materiálu velmi vyrovnaný. Na záznamu 2 je průběh příkonu dvoupoloúrovňově regulovaného motoru stolového dopravníku. Po rozběhu (záznam se čte zprava doleva) následuje jedna až několik sekund ustáleného chodu a obdobně proměnlivá je doba vypnutí motoru. Při jiném pokusu – záznamy 2B, 3B – byl regulátor seřízen na velmi malou spínací diferenci. To se projevilo zlepšením rovnoměrnosti toku materiálu, ovšem za cenu velkého zvýšení četnosti spínání motoru.

Většina zemědělských aplikací se týká sezónních linek, kde jde především o rychlost a spolehlivost dopravy a zpracování pícnin, obilovin, popř. slámy, zrna, okopanin atd. Zvýšení výkonnosti jednotlivých zařízení činilo 40 až 100 % a odpovídající snížení spotřeby energie 6 až 21 %.

Obr. 4.

4. Volba a uspořádání pohonu s ohledem na oteplení
Výchozím hlediskem je regulační rozsah rychlosti stolového dopravníku 1 (obr. 1) nebo pojezdového ústrojí 3 (obr. 3). Ten bývá 1 : 5 až 1 : 10, aby byla dostatečná rezerva pro rychlé zaplnění prázdného zařízení na začátku provozu a pro dosahování vysoké výkonnosti i při najíždění a dojíždění materiálu. Zároveň je však třeba počítat se stálým doplňováním materiálu za chodu zařízení, což z hlediska pohonu může znamenat trvalý chod v blízkosti spodní hranice regulačního rozsahu. K tomuto stavu jsou vztaženy následující úvahy.

Jsou možné dva případy (porovnejme záznamy 2 na obr. 4):

  • motor se rozběhne, pracuje ve jmenovitých otáčkách a následuje pracovní přestávka (2A),
  • spínání je tak časté, že chod je přerušován ještě během rozběhu motoru (2B).

Poměry jsou znázorněny na obr. 5. Ustálený proud I2 je dán pracovními odpory stolového dopravníku či pojezdového ústrojí. Naproti tomu ekvivalentní rozběhový proud I1 je možné ovlivňovat volbou jmenovitého výkonu motoru. Jeho zvětšením vzroste rozběhový proud I11 > I1, zkrátí se doba rozběhu t11 < t1 (a úměrně se prodlouží t12 > t2). Současně se zvýší jmenovitý proud In11 > In1, takže relativně poklesne I2 » I12. Je proto vždy možné splnit podmínku, aby střední kvadratický (oteplovací) proud byl menší, maximálně roven jmenovitému proudu podle známého vztahu:

Vzorec. 1.

Ve druhém případě, kdy motor nikdy nedosahuje ustálených otáček (obr. 5B), lze postupovat podle stejných zásad – volba většího motoru zkrátí dobu zapnutí a zvýší jmenovitý proud tak, aby byly splněny podmínky uvedené rovnice s tím, že I2 = t2 = 0. Vzhledem k setrvačnosti soustavy nemusejí otáčky motoru klesat až zcela na nulu (čemuž lze napomoci vhodným přídavným setrvačníkem), takže motor pracuje s počátečním rozběhovým proudem I21 menším než záběrovým (Iz > I21 > In).

Poměry lze ovlivnit též volbou charakteristiky motoru (výtahový, reverzační).

Obr. 5.

Pro snížení proudu je možné motor napájet sníženým napětím (s odpovídajícím snížením výkonu a momentu). V experimentech VÚZT byl použit mj. výtahový motor s jmenovitým napětím 500 V a připojen na běžné napětí 3 × 400/230 V. V současné době lze obdobně použít motor v zapojení na 660 V. Posléze je možné dva asynchronní motory zapojit do série a napájet je běžným napětím, což se nabízí zvláště u šnekových přihrnovačů, které zpravidla spočívají na dvou pojezdových kolech, z nichž jedno (3 v obr. 3) je hnací a druhé volnoběžné. Úpravou na obě kola hnací by se zlepšily i funkční vlastnosti, protože při obvyklém provedení kolo často prokluzuje.

Všechny zmíněné úpravy jsou dobře možné, protože potřebný výkon (menší při posunu pracovního orgánu proti materiálu a větší u stolových dopravníků) se pohybuje od 0,6 do 2,2 kW, výjimečně do 3 kW.

5. Porovnání nákladů na regulaci
Z předchozího textu je zřejmé, že v obou základních provozních režimech podle obr. 6 se proud značně odlišuje od jmenovitého, a to nahoru i dolů. Z toho plyne, že dvouúrovňově regulovaný motor bude pracovat s dosti nízkou energetickou účinností a čára proměnlivých nákladů, na nichž se výrazně podílí spotřeba energie, poroste strměji. Naproti tomu jednoduchost a nenáročnost technického řešení má za následek nízké investiční a tím i nízké pevné roční náklady – přímka A.

Obr. 6.

U srovnávacího řešení – přímka B – je vše naopak. Technicky perfektní a funkčně dokonalé zařízení je drahé – pevné náklady jsou vysoké, ale je energeticky úsporné – přímka stoupá pozvolna. V průsečíku obou přímek nastává rovnost nákladů. Je zřejmé, že při nízkém ročním využití je výhodnější jednoduché zařízení a naopak. Obdobně je tomu s charakteristikami měrných nákladů – a pro jednoduché a b pro dokonalé zařízení (zejména křivka b prudce stoupá v oblasti malých využití).

Uvedená řešení vznikla v souvislosti se zemědělstvím, kde se u sezónních prací počítá s ročním využitím zařízení 200 hodin pro slámu, 400 hodin pro pícniny, 600 hodin pro technologie určené pro slámu i pícniny. U celoročních prací – v živočišné výrobě – však zase jde o využití jen několik hodin denně, takže celkové roční využití zpravidla nepřekračuje 1 000 hodin. Použití jednoduchých zařízení je tedy opodstatněné. Náročná zařízení mají své oprávnění u vysokého ročního využití v průmyslu, kde se projeví jejich energetická úspornost.

6. Závěr
Příspěvek upozorňuje na možnost použít jednoduché technické prostředky při regulaci hmotnostního průtoku materiálu kontinuálními linkami. Snímačem průtoku hmoty může být přímo pracovní orgán, nacházející se blízko začátku linky, a regulačním orgánem běžný asynchronní motor nakrátko. Aplikace jsou výhodné u zařízení s nižším ročním využitím, např. v zemědělství, stavebnictví apod.

Literatura:

[1] PÁZRAL, E.: Možnosti využití elektrické energie v zemědělství. Zemědělská technika, 1991, č. 1, s. 61-64.

[2] PÁZRAL, E.: Využití statistických metod při rozborech průběhů zatížení a dimenzování elektrických strojů. In: Sborník XXIV. konference o elektrických pohonech. Plzeň 1995, s. 206-215.

[3] Kolektiv: [Soubor výzkumných zpráv s elektrotechnickým zaměřením.] Praha, Výzkumný ústav zemědělské techniky 1969 – 1991.