Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji w obwodzie wirnika

Transkrypt

1 Ćwiczenie 17 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji w obwodzie wirnika Program ćwiczenia 1. Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych silnika w otwartym układzie regulacji prędkości: a) dla rezystancji dodatkowej w obwodzie wirnika R rd = 0, b) dla zadanej wartości rezystancji dodatkowej R rd > Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych silnika w zamkniętym układzie regulacji z ujemnym prędkościowym sprzężeniem zwrotnym dla zadanych wartości prędkości kątowej oraz częstotliwości modulacji f m. 3. Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych silnika w zamkniętym układzie regulacji z ujemnym prędkościowym sprzężeniem zwrotnym dla parametrycznych wartości prędkości, prądu I d oraz f m = const. 4. Określenie współczynników mocy cos oraz współczynników sprawności silnika dla wyznaczonych charakterystyk mechanicznych. 5. Analiza uzyskanych wyników pomiarów i obliczeń Wiadomości teoretyczne Obwody elektryczne wirników silników indukcyjnych pierścieniowych cechuje z reguły większa wartość prądów znamionowych w porównaniu z prądami znamionowymi stojanów. Stosowane zatem powszechnie urządzenia rozruchowo-regulacyjne mają skokową zmianę impedancji, zwłaszcza rezystancji. W klasycznych rozwiąza-

2 242 Ćwiczenie 17 niach bezstopniowa zmiana impedancji (rezystancji) następuje w przypadku stosowania rozruszników cieczowych oraz indukcyjnych (np. wiroprądowych). Ze względów konstrukcyjnych urządzenia te utrudniają jednak realizację układów napędowych zamkniętych o właściwościach regulacyjnych, stabilizacyjnych. Do nowoczesnych układów napędowych z silnikami indukcyjnymi pierścieniowymi, regulowanymi od strony wirnika, należą układy z impulsową regulacją rezystancji za pomocą łącznika energoelektronicznego (tyrystorowego, tranzystorowego). Umożliwiają one płynną regulację prędkości kątowej oraz procesu rozruchu i hamowania elektrycznego. Ma to szczególnie znaczenie w układach większej mocy. Wprowadzenie do tych układów sprzężeń zwrotnych napięciowych, prędkościowych i prądowych pozwala kształtować charakterystyki mechaniczne silnika oraz spełniać warunki związane z dynamiką układu. Energoelektroniczne układy impulsowe mają korzystniejsze właściwości regulacyjne w porównaniu ze stycznikowymi, gdyż łączniki elektromechaniczne mogą pracować z częstością łączeń nie przekraczającą liczby 12 na sekundę. Występują wtedy negatywne zjawiska związane ze skokową zmianą impedancji w obwodzie wirnika, powodującą zmienność momentu dynamicznego, wahania prędkości kątowej, większe straty mocy. Łączniki energoelektroniczne ograniczają te wady z uwagi na razy większą częstość łączeń. Układy energoelektroniczne mają ponadto mniejsze wymiary i ciężar. Regulacja impulsowa realizowana przez zwieranie (bocznikowanie) rezystancji dodatkowej za pomocą łącznika tyrystorowego w obwodzie wirnika może być stosowana tam, gdzie nie jest najistotniejsza wartość sprawności układu napędowego. Jest to bowiem regulacja przez zmianę poślizgu s silnika. Zastosowana do maszyn roboczych o stałym momencie obciążenia powoduje, że sprawność 1 s. Dopuszcza się jej stosowanie np. w układach o pracy przerywanej jak dźwignice, w napędzie maszyn o charakterystyce wentylatorowej. W eksploatacji maszyn przepływowych (wentylatory, pompy wirnikowe) wystarczająca jest płytka regulacja prędkości kątowej. Ze względu na stosunkowo niewielkie zniekształcenia prądów i napięć wnoszone do obwodu stojana, układy impulsowe wykazują przydatność w instalacjach o porównywalnych mocach silników i źródeł zasilania. Warunki takie występują zwłaszcza w sieciach okrętowych, stąd wynika stosowanie tych układów w napędach mechanizmów wciągarek ładunkowych, kotwicznych i cumowniczych. Układy impulsowe można również stosować do napędu niektórych maszyn włókienniczych, jak zwijarek, oraz do koparek, gdzie występują częste rozruchy i zagrożenia przeciążeniem momentem. Podstawowe rozwiązanie układu napędowego z zastosowaniem łącznika tyrystorowego przedstawiono na rysunku W obwód wirnika silnika włączony jest mostek prostowniczy niesterowany MP, rezystancja dodatkowa R rd i równolegle do niej łącznik tyrystorowy. Łącznik ten zapewnia bezstykową i ciągłą zmianę wartości rezystancji R rd. Zwiera on rezystancję

3 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji 243 dodatkową z określoną częstotliwością modulacji f m wyznaczającą okres modulacji T m według zależności w której: t 1 czas przewodzenia tyrystora T g, t 2 czas nieprzewodzenia. T m 1 t 1 t 2, (17.1) f m MP I d L w C k L k L1 L2 L3 M 3~ U d R rd Tg Tk DZ PT R I D I z I D RI z Rys Schemat ideowy tyrystorowego układu impulsowej regulacji prędkości kątowej silnika asynchronicznego pierścieniowego Po zmianie wartości współczynnika wypełnienia impulsu prądowego, określonego stosunkiem t1, (17.2) otrzymuje się zmianę rezystancji modulowanej R rdm w granicach 0 R rdm R rd, jeżeli zmienia się w zakresie 0 1. Według wzoru przybliżonego R rdm T m t 1 1 Rrd 1 Rrd t2 fmrrd. T (17.3) m

4 244 Ćwiczenie 17 Wzór (17.3) jest dokładny, gdy stała czasowa T c = R rd C k, z jaką rozładowuje się kondensator komutacyjny C k przez rezystancję R rd po wyzwoleniu tyrystora komutacyjnego T k, spełnia warunek: T c << T m. Tyrystory łącznika przewodzą na przemian w układzie komutacji kondensatorowej z częstotliwością modulacji, którą dobiera się praktycznie z zakresu 100 f m 1000 Hz. Przyjmuje się zasadę zmiany współczynnika wypełnienia przy stałej, wybranej częstotliwości modulowania. Innym sposobem zmiany współczynnika może być regulacja częstotliwości modulacji przy stałej szerokości impulsu prądowego lub regulacja mieszana szerokościowo-częstotliwościowa (rys. 17.2). i d I d max i d I d śr I d min I d t t1 t2 T m Rys Przebieg prądu komutowanego Działanie układu napędowego przedstawionego na rysunku 17.1 rozpoczyna się z chwilą włączenia silnika do sieci i doprowadzenia impulsu wyzwalającego do bramki tyrystora komutacyjnego T k. Kondensator komutacyjny C k ładuje się wtedy do napięcia na rezystorze U d tak, że jego okładzina od strony tyrystora T g ma potencjał dodatni. Stan ten utrzymuje się do chwili wyzwolenia tyrystora T g. Zwiera on wówczas rezystancję R rd, a kondensator C k rozładowuje się w obwodzie oscylacyjnym przez tyrystor T g, diodę zwrotną DZ i dławik komutacyjny L k oraz ładuje się ponownie do określonego napięcia, lecz o biegunowości przeciwnej, polaryzując tyrystor T k w kierunku zaporowym. Napięcie to utrzymuje na kondensatorze dioda zwrotna. W tym czasie prąd komutowany I d narasta w przybliżeniu wykładniczo z szybkością ograniczoną przez dławik wygładzający L w. Po upływie czasu t 1 następuje wyzwolenie tyrystora T k, w wyniku czego kondensator C k rozładowuje się przez rezystancję R rd. Tyrystor T g, polaryzowany wtedy wstecznie, odzyskuje właściwości zaporowe,

5 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji 245 a prąd I d, płynący przez rezystancję R rd, zanika wykładniczo w funkcji czasu. Okres pracy łącznika powtarza się po doprowadzeniu następnego impulsu wyzwalającego do bramki tyrystora głównego T g. Silnik w tym czasie zwiększa swoją prędkość kątową w wyniku działania momentu obrotowego według charakterystyki rozruchowej odpowiadającej rezystancji R rdm. Uproszczony przebieg prądu komutowanego I d przedstawiono na rysunku Podstawą oceny właściwości regulacyjnych silnika są charakterystyki mechaniczne możliwe do uzyskania w układzie impulsowej regulacji prędkości kątowej. Charakterystyki mechaniczne dla układu otwartego przedstawiono na rysunku 17.3, na którym pokazano charakterystykę naturalną silnika ( jej część bocznikową) oraz sztuczne charakterystyki skrajne: dla R rd = 0 i R rd = 50 R r ( gdzie R r jest rezystancją uzwojeń wirnika). Charakterystyka dla R rd = 0 odpowiada współczynnikowi wypełnienia = 1, natomiast R rd = 50 R r współczynnikowi = ,0 Charakterystyka naturalna R r R rd 0 1 0,8 max 0,6 Obszary niesterowalności 0,4 f m 100 Hz 0,2 R rd 50R min r 0 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 M M n Rys Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego pierścieniowego z tyrystorowym modulatorem rezystancji dla parametrycznej wartości Rrd w układzie otwartym

6 246 Ćwiczenie 17 W obrysie charakterystyk skrajnych mieszczą się charakterystyki dla współczynnika wypełnienia max < 1 oraz min > 0. Pola płaszczyzn między charakterystykami dla = 1 oraz max i = 0 oraz min są obszarami niesterowalności silnika, wynikającej z właściwości łącznika tyrystorowego. Warunkiem komutacji jest to, że czas przewodzenia tyrystorów nie może zmaleć do zera. Muszą więc występować minimalne czasy przewodzenia poszczególnych tyrystorów, umożliwiające rozładowanie oraz ładowanie kondensatora C k do określonego napięcia. Obszary niesterowalności są większe dla większych częstotliwości modulacji f m, ponieważ czasy własne łącznika tyrystorowego mają większy udział w okresie modulacji T m. Przesunięcie charakterystyki mechanicznej dla = 1 względem charakterystyki naturalnej silnika o poślizg równy kilkanaście procent przy obciążeniu znamionowym wynika z istnienia rezystancji mostka prostowniczego, dławika, przewodów łączeniowych w torze prądu I d. W obszarze zawartym pomiędzy charakterystykami mechanicznymi dla min oraz max (rys. 17.3) można otrzymać dowolny punkt pracy układu napędowego. Po zamknięciu układu sterowania prędkościowym sprzężeniem zwrotnym otrzymuje się charakterystyki mechaniczne sztywne, przedstawione na rysunku ,8 0,6 R r Rrd 25R r Rrd 50R r IV III Sprzężenie prądowe powoduje ograniczenie momentu obciążenia na wale silnika dla dowolnej prędkości kątowej, chroniąc silnik i maszynę roboczą przed przeciążeniem (efekt charakterystyki koparkowej ). Przykład sposobu realizacji prędkościowego i prądowego sprzężenia zwrotnego w układzie sterowania przedstawiono na rysunku ,4 Rrd 100R r II 0,2 Rrd 200R r I 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 M M n Rys Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego pierścieniowego z tyrystorowym modulatorem rezystancji dla parametrycznej wartości Rrd w układzie z ujemnym prędkościowym sprzężeniem zwrotnym W układach napędowych o głębokiej regulacji prędkości kątowej stosuje się regulację wielostopniową. Stopniowanie następuje przez zmianę wartości rezystancji dodatkowej R rd. Efekty regulacji wielostopniowej przedstawiono na rysunku 17.4.

7 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji 247 Należy zaznaczyć, że R rd to rezystancja równoważna widziana od strony obwodu prądu stałego. Ma ona wartość dwukrotnie większą od tej, jaką należałoby włączyć do trzech faz wirnika, gdyby nie było mostka prostowniczego. Modulator rezystancji w obwodzie wirnika silnika indukcyjnego pierścieniowego może być stosowany również do rozruchu i hamowania elektrycznego układu napędowego. Zachodząca proporcjonalność pomiędzy prądem I d oraz momentem obrotowym silnika umożliwia zastosowanie sprzężenia prądowego do rozruchu i hamowania elektrycznego przy stałym momencie. Pozostaje problem doboru rezystora R rd stosownie do stanu pracy silnika i wymagań układu napędowego Instrukcja Opis stanowiska pomiarowego Schemat elektryczny badanego układu napędowego wraz z układem pomiarowym przedstawiono na rysunku Ze względu na małą moc silnika laboratoryjny układ napędowy wyposażony jest w modulator tranzystorowy. Umożliwia realizację prędkościowego i prądowego sprzężenia zwrotnego o regulowanych nastawach, jak również badania w układzie otwartym. Częstotliwość modulacji rezystancji regulowana jest w sposób płynny w zakresie od 100 do 800 Hz. Rezystancję R rd zapewnia rezystor zewnętrzny o regulacji skokowej od 0 do 45. Silnik indukcyjny pierścieniowy M sprzężony jest mechanicznie z prądnicą prądu stałego P do hamowania silnika. Wartość momentu hamującego regulowana jest rezystorem R o w obwodzie twornika prądnicy i mierzona z wykorzystaniem przetwornika momentu PM. Prądnica tachometryczna PT zasila obwód sprzężenia prędkościowego oraz służy do pomiaru prędkości kątowej wału. Moc P 1, pobierana przez silnik z sieci zasilającej, mierzona jest w układzie Arona. Mierzone są poza tym: prąd I s stojana, napięcie U s zasilające silnik, prąd I d i napięcie U d wyjściowe prostownika w obwodzie wirnika, prąd I p i napięcie U p twornika prądnicy obciążającej silnik oraz prąd I w wzbudzenia prądnicy Badania laboratoryjne Układ napędowy pokazany na rysunku 17.5 uruchamiany jest stycznikiem SL. Przed włączeniem stycznika należy zabezpieczyć amperomierze i obwody prądowe watomierzy w torze zasilania silnika przed skutkami prądu rozruchowego, rozłączyć W2, wyłączyć zasilanie modulatora, rezystor R o ustawić na maksymalną wartość rezystancji.

8 248 Ćwiczenie 17 L1 L2 L3 SL I s1 I s 2 A A W1 Pw1 P w 2 W W I w A V V R o U s1 U s2 PT M 3~ PM A1 P F1 F2 V U p Nm B2 I p A I d A U V d W2 Rrd MR f m RI R t Rys Schemat elektryczny stanowiska do badań układu napędowego z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji MR w obwodzie wirnika

9 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym pierścieniowym i modulatorem rezystancji 249 Otwarcie układu regulacji uzyskuje się przez wyłączenie zasilania układu sterowania modulatora. Rezystancji R rd = 0 odpowiada zamknięcie wyłącznika W2. Realizacja badań dla zamkniętego układu regulacji odbywa się przy otwartym wyłączniku W2 i odpowiednich nastawach parametrów układu regulacji: f m, I oraz (rys. 17.5). Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić według tabeli Tabela 17.1 Lp. M Pw1 Pw2 P1 Is1 Is2 Is Us1 Us2 Us Up Ip Ud Id cos Uwagi Nm 1/s W W W A A A V V V V A V A Rrd = Do obliczeń należy zastosować następujące zależności: mocy pobieranej: P 1 = P w1 + P w2, średnich wartości napięcia zasilania i prądu stojana: Us1 Us2 Is1 Is2 Us, Is, 2 2 P1 współczynników mocy: cos, 3U s I s M współczynników sprawności:. P 1 Na podstawie wyników zawartych w tabeli 17.1 należy wykonać wykresy następujących zależności: = f (M) dla układu otwartego i badanych przypadków zamkniętego układu regulacji oraz cos, = f (M) dla wyznaczonych charakterystyk mechanicznych Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Wykaz parametrów i danych znamionowych badanego układu napędowego. 2. Spis aparatury pomiarowej. 3. Schematy ideowe układów pomiarowych zastosowanych do badań. 4. Tabele z wynikami pomiarów oraz wielkości obliczanych na podstawie pomiarów. 5. Charakterystyki mechaniczne silnika = f (M) dla przypadków: a) otwartego układu regulacji oraz wartości rezystancji dodatkowej w obwodzie wirnika R rd = 0 i R rd > 0, b) zamkniętego układu regulacji z prędkościowym sprzężeniem zwrotnym dla zadanych wartości prędkości kątowej oraz częstotliwości modulacji f m,

10 250 Ćwiczenie 17 c) zamkniętego układu regulacji z prędkościowym i prądowym sprzężeniem zwrotnym dla zadanych wartości prędkości kątowej, prądu granicznego I d oraz częstotliwości modulacji f m = const. 6. Wykresy zależności sprawności oraz współczynnika mocy cos silnika od momentu obciążenia M dla pracy układu w stanach badanych jak w p Uwagi i wnioski Zagadnienia kontrolne 1. Omówić zasadę i wykazać celowość stosowania modulatora rezystancji w obwodzie wirnika silnika indukcyjnego pierścieniowego. 2. Wyjaśnić działanie łącznika tyrystorowego. 3. Omówić zadanie, sposób realizacji i efekty stosowania sprzężeń zwrotnych w układach z modulatorem rezystancji. 4. Wyjaśnić możliwości wykorzystania modulatora rezystancji w obwodzie wirnika do rozruchu i hamowania silników indukcyjnych pierścieniowych. Literatura [1] Laboratorium napędu elektrycznego, praca zbiorowa pod redakcją W. Kędziora, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [2] Laboratorium napędu elektrycznego, praca zbiorowa pod redakcją W. Bitela, PWN, Warszawa Poznań [3] Tunia H., Kaźmierkowski M., Podstawy automatyki napędu elektrycznego, PWN, Warszawa Poznań 1978.