Określenie podstawowych parametrów energetycznych układu napędowego z silnikiem indukcyjnym pracującym w stanach ekstremalnych przeciążeń dynamicznych

Transkrypt

1 r nż. LEZEK AWLACZYK olechnka Wrocławska Insyu aszyn, Napęów omarów Elekrycznych Określene posawowych paramerów energeycznych ukłau napęowego z slnkem nukcyjnym pracującym w sanach eksremalnych przecążeń ynamcznych rzeprowazono analzę paramerów energeycznych ukłau napęowego prąu przemennego z slnkem nukcyjnym klakowym pracującym w rybe eksremalnych przecążeń momenem elekromagneycznym. lnk zaslany jes z zespołu przekszałnków AC DC AC skłaającego sę z wejścowego akywnego prosownka z moulacją szerokośc mpulsów, obwou prąu sałego wyjścowego falownka zaslającego slnk nukcyjny. Tranzysorowe przekszałnk wejścowy wyjścowy wykonane są w posac rójpozomowego ukłau falownka napęca z oam pozomującym połączonym z punkem neuralnym NC). Wyznaczono posawowe sray sayczne ynamczne w falownku rójpozomowym slnku nukcyjnym pracujących w rybe eksremalnych przecążeń ynamcznych.. WTĘ kłay napęowe z slnkam nukcyjnym klakowym sanową posawę sosowanych obecne elekrycznych ukłaów napęowych we wszyskch zeznach echnk. Oprócz klasycznych, neregulowanych ukłaów zaslanych bezpośreno z sec, masowo sosowane są ukłay serowana częsolwoścowego zaslane z przekszałnków. aszyna nukcyjna asynchronczna) zaslana z przekszałnka częsolwośc, posaającego najczęścej obwó pośrenczący prąu sałego, wykazuje wele oakowych zale w porównanu z napęem zaslanym bezpośreno z sec przemysłowej. ojawa sę przee wszyskm możlwość płynnej regulacj prękośc kąowej, ogranczena warośc poślzgów o warośc mnejszych o kryycznych s<s kr, możlwość regulacj ogranczena momenu wele nnych, czasam barzo zaawansowanych funkcj. osawowe naomas neogonośc slnka nukcyjnego zwązane są z użym waroścam prąów rozruchowych, małą waroścą momenu rozruchowego sosunkowo nskm, zmennym w funkcj obcążena, współczynnkem mocy cos, są sosunkowo ławe o wyelmnowana lub nezauważalne la użykownka. rowazone o welu la nensywne baana prace konsrukcyjne ukłaów napęowych z slnkam nukcyjnym zaslanym z przekszałnków częsolwośc skupają sę główne na nowych opologach obwoów mocy przekszałnków [,, 3] nowych ypach ukłaów serowana, w ym główne ukłaów serowana wekorowego bezpośrenego serowana momenem elekromagneycznym slnka [4]. Koncenruje sę równeż uwagę na bezczujnkowych ukłaach serowana napęem, w kórych ne sosuje sę mechancznych czujnków prękośc kąowej położena wrnka slnka. Wększość sosowanych w ych ukłaach klakowych slnków nukcyjnych posaa konsrukcję ypową la slnków ogólnego sosowana. Wprowazane są czasam moyfkacje, la slnków zaslanych z falownków z moulacją szerokośc mpulsów I), polegające przee wszyskm na wzmocnenu zolacj elekrycznej uzwojeń sojana oraz konsrukcje ogranczające przepływ prąów łożyskowych. Doawana jes akże obca wenylacja zapewnająca opowene chłozene slnka la prękośc kąowych mnejszych o znamonowej.

2 gałąź fazy V gałąź fazy W 6 ECHANIZACJA I ATOATYZACJA GÓNICTWA o wzglęem jenak paramerów elekromagneycznych charakerysyk elekromechancznych slnk nukcyjne naal posaają swoje sone zaley. Zwązane są one z ch zasaą załana warunkam normalnej eksploaacj. A manowce poczas zaslana bezpośreno z sec charakeryzuje je uża oporność na krókorwałe w sosunku o znamonowego) prąy uarowe, opowaające m momeny uarowe, kóre powsają w sanach przejścowych. W czase, na przykła, hamowana przecwwłączenem nesłumonym polu slnka la prękośc blskej synchroncznej prąy momeny uarowe mogą osągać barzo uże warośc smax) / s,n 5 ) m max /m n ) [5]. Wykorzysane ych właścwośc slnków nukcyjnych, w przypaku zaslana z przekszałnka częsolwośc uzyskane w pełn serowanego konrolowanego) użego przecążena momenem, pozwala na baze seryjnych lub neznaczne zmoyfkowanych maszyn asynchroncznych) zbuować ukłay napęowe małej śrenej mocy o własnoścach ynamcznych zblżonych o nowoczesnych ukłaów serwomechanzmowych, wyposażonych w specjalne slnk prąu przemennego. W arykule wyznaczono posawowe sray sayczne ynamczne w ukłaze napęowym z slnkem nukcyjnym serowanym częsolwoścowo z eksremalnym momenam elekromagneycznym.. OBWÓD OCY KŁAD NAĘDOWEGO rzemoem analzy jes ukła napęowy z slnkem nukcyjnym klakowym regulowany poprzez zmanę częsolwośc napęca sojana pracujący w rybe eksremalnego serowana momenem elekromagneycznym. W skła ukłau wchoz ranzysorowy przekszałnk częsolwośc w posac rójpozomowego falownka napęca z moulacją szerokośc mpulsów W) slnk nukcyjny klakowy rys.. Zasosowane rójpozomowego przekszałnka pozwala orzymać opowene, wymagane poczas serowana eksremalnego warośc chwlowe napęca prąu sojana [5, 7]. W rozparywanym ukłaze sosuje sę serowane chwlowym waroścam prąów fazowych za pomocą hserezowego nelnowego) regulaora prąu. kła regulacj prąów fazowych zapewna urzymywane warośc ampluy kąa obrou przesrzennego wekora prąu sojana I wewnąrz srefy hserezy I położonej wokół końca wekora prąu zaanego I Z. kła pracuje ze zmenną częsolwoścą moulacj określoną parameram sanem pracy slnka, oraz waroścą napęca zaslana. olepszene jakośc owarzana prąu sojana można uzyskać, w pewnym zakrese, poprzez zasosowane algorymu serowana ranzysoram falownka, mnmalzującego częsolwość moulacj, jenakże zakres akej opymalzacj jes ogranczony. osawowym sposobem orzymana opowenej jakośc prąu jes zmnejszane srefy hserezy, co prowaz o powększana częsolwośc moulacj zwększena sra zwązanych z komuacją ranzysorów. C C D. D. T. T. T 3. T 4. V I W V W V W, a, b, c ys.. chema obwou mocy napęu I Z I egulaor hserezowy prąu określa, za pomocą wekorowego moulaora, opowene sany wekora przesrzennego napęca falownka. Funkcja komuacyjna, opsująca położene wekora przesrzennego falownka = [,V,W ], może przyjmować 9 różnych, nezależnych warośc, w zależnośc o funkcj komuacyjnych poszczególnych faz. Funkcja komuacyjna pojeynczej fazy, rys. a) rójpozomowego falownka ma rzy sany sablne w zależnośc o sanu łącznków energoelekroncznych ranzysorów o zwronych, oraz kerunku przepływu chwlowej warośc prąu fazy wynos opoweno: W [ ;; ]. Opowaa o połączenu zacsku wyjścowego fazy o napęca szyny oanej, neuralnej ujemnej rys. a). Warośc wekora zaanego prąu jego położene wyznacza narzęny regulaor momenu elekromagneycznego slnka ne pokazany na rys. ). W rakce przecążena eksremalnego mouł prąu sojana może osągnąć krókorwale uże warośc sanowące welokroność prąu znamonowego I I N. W rakce akego przecążena rosną sray sayczne ynamczne w przyrząach półprzewonkowych falownka, a akże sray w uzwojenach sojana wrnka oraz obwoze magneycznym slnka napęowego.

3 Nr 3457) AZEC 9 7 a) T. T. T.,5,5,5 D. T. D. T. D. T. D. T 3. D. T 3. D. T 3.,5,5,5 T 4. T 4. T 4. b) T. T. T.,5,5,5 D. T. D. T. D. T. D. T 3. D. T 3. D. T 3.,5,5,5 T 4. T 4. T 4. W W W c) V CE TO) r T V TO ) r CE r CE V TO ) r T V CE TO) V TO) V CE TO) W r r T CE T CE V r r TO) V CE TO) ys.. any przewozena elemenów falownka ray energ w przyrząach półprzewonkowych wynkają ze sra w czase przewozena, E, sra ynamcznych powsających w czase załączena E wyłączena przyrząu E. oc sra serowana ranzysoram IGBT), zasosowanym w falownku, jes znkoma w oblczenach zosała pomnęa [8, 9]. Całkowa energa sra E w pracujących mpulsowo przyrząach wynos: E E E E ) ayczne sray mocy w czase przewozena określone są z mocy raconej w akualne przewozących ranzysorach oach mogą być wyznaczone w sane usalonym pracy) z zależnośc: ) u ) ) śrena warość saycznych sra mocy czynnej w przyrząach półprzewonkowych w okrese posawowej harmoncznej prąu wyjścowego falownka; ) prą wyjścowy fazy falownka; u ) chwlowa warość spaku napęca na przewozących akualne zaworach falownka; akualna warość kąa.

4 8 ECHANIZACJA I ATOATYZACJA GÓNICTWA Obwó przepływu prąu przez poszczególne zawory falownka, la przypaku oanej warośc prąu wyjścowego, zależy o funkcj komuacyjnej W, przesawony jes na rys.a pogruboną lną. Analogczne przebegają zjawska la rys. b). paek napęca u ) wysępujący na przewozących zaworach falownka zależy o funkcj komuacyjnej W oraz kerunku warośc przepływającego prąu. rzebeg ego napęca [3] można aproksymować ocnkowo lnową zależnoścą rys..c). Warośc napęć, przy kórych nasępuje zmana kąa nachylena charakerysyk ) zależą o paramerów akualne przewozących o ranzysorów. Na rysunku c oznaczono opoweno: V progowa warość napęca nasycena CETO) pojeynczego ranzysora IGBT w sane saycznym), V TO progowa warość napęca przewozena oy zwronej, r CE rezysancja w kerunku przewozena ranzysora, r T rezysancja w kerunku przewozena oy zwronej. W zasosowanym rójpozomowym falownku napęca wysępuje jenobegunowa moulacja napęca wyjścowego wzglęem punku neuralnego zaslana. Na rysunku 3 przesawono przykłaowe, posawowe przebeg w ukłaze serowana fazą falownka la ukłau ślezącego chwlową warość prąu w faze za pomocą nelnowego regulaora hserezowego: funkcję komuacyjną W ) oraz sygnały serujące opowenm ranzysoram falownka, a akże napęce wyjścowe u ) prą wyjścowy ) ch, posawowe harmonczne u ) sn ) I sn.,),) Warość napęca posawowej harmoncznej można określć la usalonego sanu pracy ukłau napęowego) na posawe zależnośc: sn u ) I Z sn 3),) Z zasępcza mpeancja slnka; ką przesunęca fazowego posawowych harmoncznych napęca prąu; I, warość maksymalna posawowej harmoncznej prąu napęca. Śrena warość napęca wyjścowego falownka za okres moulacj określona jes współczynnkem moulacj ampluy. Dla jenobegunowej moulacj wynos ona:, ) ma ), 5 4) m u współczynnk moulacj ampluy. A,),), W przypaku, gy współczynnk moulacj częsolwośc określający sosunek częsolwośc moulacj o posawowej harmoncznej osąga uże warośc m F f f ), śrena warość napęca w okrese moulacj zblża sę o napęca posawowej harmoncznej u ) ). Na posawe 3) 4) orzymuje sę wówczas zależność określającą współczynnk moulacj w posac: m A ) sn sn 5) T. T. T 3. T 4. W sgn,5,5 u, u,) ) ys. 3. rzebeg w ukłaze falownka rójpozomowego współczynnk moulacj warośc maksymalnej napęca. Dla zapewnena poprawnej pracy falownka w rybe naążana ślezena) za prąem zaanym w sanach usalonych pownen być spełnony warunek, 5. Borąc po uwagę fak, że w ukłaze wysępuje symera serowana oane oraz ujemne półokresy prąów napęć wyjścowych falownka spełnają jej warunk, o na posawe równana ) można orzymać zależność określająca warość śreną sra mocy czynnej w zaworach la ):, - ) m ) ) ma ) ) A W ) 6)

5 Nr 3457) AZEC 9 9 o posawenu o powyższego zależnośc 3), 4) 5) po opowench przekszałcenach orzymuje sę osaeczne wyrażene: Warość śrenej częsolwośc moulacj falownka rójpozomowego f la rybu ślezena chwlowej warośc prąu wyznaczono w []., I r I V,5 cos CE CET) 3 7) 4 [mj] E o E E o on E of, 5,65 W W analogczny sposób można wyznaczyć sray w zaworach falownka la funkcj komuacyjnej : W,,5 cos 3 I r r I V V CE T CET) T 8) Całkowe sayczne sray mocy czynnej w zaworach rzech faz falownka rójpozomowego wynoszą wówczas: C, Σ 3 C, C, C, Σ 9) ray ynamczne w złączach ranzysorów mocy falownka powsają w procese załączana wyłączana prąu obcążena. Warość śrena ych sra w czase moulacj snusoalnej z częsolwoścą f określona jes zależnoścą: f sn E f ) E ) f E ) E ) E ) O ) E O ) sumaryczna energa sra generowana w czase pojeynczego załączena wyłączena ranzysora. Zależność ych sra o chwlowej warośc prąu efnowana jes przez proucena []. Na rysunku 4 przesawono la przykłau kaalogową zależność sra E O ) ch analyczną aproksymację wykonaną w celu przeprowazena opowench oblczeń numerycznych. Charakerysyka a la wykorzysywanych w falownku ranzysorów mocy K GB 3 D jes aproksymowana funkcją: O ),5 k,65[vsa ]. EO EO, 5 E k ) 3 W [A] ys. 4. Energa sra ynamcznych w ranzysorze K GB 3D 3. TATY OCY CZYNNEJ W ILNIK INDKCYJNY ACJĄCY W TYBIE EKTEALNEGO OENT lnk nukcyjny pracujący w rybe eksremalnego momenu elekromagneycznego poany jes znacznym przecążenom prąowym zarówno w obwoze sojana jak wrnka. Jenocześne srumeń główny osąga warośc przekraczające san la ealnego begu jałowego. W akch warunkach pracy wszyske obwoy elekromagneyczne slnka znajują sę prakyczne w sane slnego nasycena paramery schemau zasępczego slnka ulegają użym zmanom. chema zasępczy slnka opsany za pomocą wekorów przesrzennych, pracujący w sane saycznym la zmennych paramerów elekromagneycznych przesawono na rysunku 5. τ X I ) X σ I ) σ τ I I I I X I ) τ ys. 5. chema zasępczy slnka j

6 3 ECHANIZACJA I ATOATYZACJA GÓNICTWA ray mocy czynnej w obwoach slnka, ze wzglęu na znaczną zmenność paramerów określone są złożonym zależnoścam. Z ego powou zmenność paramerów baanego slnka wyznaczono eksperymenalne [], a nasępne przeprowazono ch aproksymację analyczną [3]. ównana slnka opsane są w ogólne sosowanych jenoskach wzglęnych. aramery znamonowe rozparywanego, la przykłau, slnka wynoszą opoweno: 5,5 N kw; n 5 obr/mn; N 3 V. W rybe serowana eksremalnego slnk pownen pracować ze sałą waroścą srumena skojarzonego z wrnkem cons. Opymalna warość srumena, zapewnająca maksymalny momen eksremalny, jes mnejsza o warośc znamonowej la baanego slnka wynos,85. rzymywane srumena skojarzonego ze sojanem na pozome, wymaga wzrosu srumena głównego prowaz o slnego nasycena obwou głównego oraz slnego wzrosu warośc zaanej prąu magnesującego I jak sra mocy czynnej w żelaze slnka rys. 6) ; I ; [ p. u], I,. Na rysunku 8 naomas przesawono zależność sra w slnku Σ, mocy wórnej na wale slnka) sprawnośc slnka la obcążeń eksremalnych. Wynk baań symulacyjnych la ukłau napęowego ze serowanem eksremalnym porównano z wynkam paramerów la bezpośrenego rozruchu z sec przemysłowej. rzykłaowe przebeg przesawono opoweno na rysunkach ; I ; ; EX I, EX I, erowane eksremalne erowane z EX EX I [j.w.] ys. 7. Charakerysyk robocze w zakrese znamonowych obcążeń slnka.3 [ p. u.] I ; ; Σ; ys. 6. Zależnośc wymaganych srumen prąu magnesującego slnka 8 7 I osawowe charakerysyk robocze w funkcj sprowazonego moułu wekora prąu wrnka I ): momen elekromagneyczny, mouł prąu sojana I, sprawność slna sray w slnku la sanu pracy ze sablzacją srumena głównego na pozome,85, EX pozome, przesawono na rysunku 7. Jak wać w ym przypaku serowane eksremalne w zakrese zman prąu wrnka o pozomu znamonowego) obywa sę z neznaczne mnejszym sraam powększoną o klka procen waroścą prąu sojana, w porównanu ze sablzacją Σ ys. 8. Charakerysyk robocze w zakrese serowana eksremalnego I

7 Nr 3457) AZEC 9 3 [j.w.] A;, ΔCu ;, ;,6,,8,4,,8,4. cu,,3s EX EXT 3,3 3 A A EXT 35 [J Ws)] 7, K n 53Nm, ys. 9. rzebeg analzowanych welkośc fzycznych slnka w ukłaze ze serowanem eksremalnym [j.w.] A;, ΔCu;, ; A 6,8, EX,s A 33 [J Ws)]. cu, ys.. rzebeg poczas bezpośrenego rozruchu slnka 4. WNIOKI [j.w.] [j.w.] rzeprowazone oblczena analyczne baana symulacyjne pozwalają wycągnąć nasępujące wnosk: ray mocy w ukłaze falownka rójpozomowego w warunkach przecążene eksremalnego wynoszą, kw, naomas sray sayczne w slnku 47 Σ kw. ray w slnku Σ moc na wale w rybe przecążena eksremalnego są zblżone sprawność slnka wynos w ym rybe ok. 5%. Tak san pracy opowaa warunkom opasowana źróła obornka przy maksymalnym przekazywanu mocy, co pośreno powerza prawłowy obór paramerów serowana eksremalnego momenem elekromagneycznym. ray energ w slnku A w czase rozruchu eksremalnego bezpośrenego rozruchu z sec są zblżone. ozwala o wykonać prakyczne analogczną lczbę opuszczalnych przecążeń na goznę slnka serowanego eksremalne w porównanu z zaslanem bezpośrenm z sec bez ceplnego przecążena slnka. Dopuszczalna lczba przecążeń momenem eksremalnym baanego slnka w czase rozruchu hamowana samego slnka FI ), bez obcążena saycznego opuszczalna lczba przecążeń na goznę) wynos h 5. Czas rozruchu w rybe serowana eksremalnego jes ok. 7 razy mnejszy o czasu rozruchu przy bezpośrenm włączenu o sec. Taka ynamka serowana prękoścą zapewna przyspeszena wału slnka na pozome 4 ra/s, co opowaa wysokej jakośc slnkom serwomechanzmowym []. raca fnansowana ze śroków na naukę w laach 7-8 jako projek baawczy N5 3/34. Leraura. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б.: Теория электропривода:. Мн.: ЗАО Техноперспектива, 4. 57с.. Arrllaga J., Wason N..: ower sysem harmoncs. Chcheser: John Wley & ons, L., róg.: Energoelekronka. kłay o komuacj secowej o komuacj warej: czelnane Wyawncwa Naukowo Dyakyczne AGH, Kraków Vas.: ensorless vecor an rec orque conrol, Oxfor nversy ress Kovảcs.., acz I.: Transene Vorgange n Wechselsrommaschnen, Verlag er ngarschen Akaeme er Wssenschafen, Buapes Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. М.: Энергоиздат, Harman.: Welopozomowe falownk napęca, Funacja rozwoju Akaem orskej w Gyn, Gyna Januszewsk., Śwąek H., Zymmer K.: ółprzewonkowe przyrząy mocy. Właścwośc zasosowana, przyrząów półprzewonkowych mocy ukłaów energoelekroncznych pracujących WKŁ, Warszawa Buczek K.: oele mpulsowo, AN, Kome Elekroechnk, era: osępy Napęu Elekrycznego Energoelekronk. Ofcyna Wyawncza olechnk zeszowskej, zeszów.. emkron Innovaon + servce. ower Elecroncs, Kaalog frmy EIKO, Nümberg 4.. Kosmol J.: erwonapęy obrabarek serowanych numeryczne, WNT, Warszawa awlaczyk L.: Opymalzacja sayczna ukłau napęowego z maszyną nukcyjną la grancznych warośc serowana momenem, XLII Inernaonal ymposum on Elecrcal achnes Cracow, olan, 6 s Kuła J.: oele maemayczne maszyn elekrycznych prąu przemennego uwzglęnające nasycene magneyczne rzen, Wyawncwo olechnk Śląskej, Glwce 5. ecenzen: prof. r hab. nż. Bogan ezńsk