Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii Instytut Inynierii Mechanicznej Zakład Maszyn Rolniczych i Automatyzacji Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Przedmiot: Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki Temat wiczenia: BADANIE CHARAKTERYSTYK ELEKTROMECHANICZNYCH NAPDU ASYNCHRONICZNEGO Z FALOWNIKIEM Płock, 2004

2 BADANIE CHARAKTERYSTYK ELEKTROMECHANICZNYCH NAPDU ASYNCHRONICZNEGO Z FALOWNIKIEM. Cel wiczenia Celem wiczenia jest badanie charakterystyk elektromechanicznych napdu asynchronicznego w zakresie rozruchu i regulacji prdkoci obrotowej. W badaniach zastosowano falownik typu 605/022/400/3 firmy Eurotherm z moliwoci sterowania w trybie Local/Remote. Badane s charakterystyki elektromechaniczne silnika indukcyjnego klatkowego SZJe24a o mocy,5 kw i silnika liniowego SL-5-00 o mocy 2, kva. 2. Wprowadzenie Napdy prdu przemiennego z silnikami indukcyjnymi asynchronicznymi umoliwiajce sterowanie prdkoci obrotow powszechnie stosowane s od kilku lat. Sterowanie prdkoci obrotow silników indukcyjnych asynchronicznych wymaga zmiany czstotliwoci napicia zasilajcego. Pierwsze tanie układy regulacji prdkoci obrotowej pojawiły si na pocztku lat 90 ubiegłego wieku. Układy napdowe z silnikami indukcyjnymi asynchronicznymi dzielimy na przemienniki czstotliwoci i napdy wektorowe. Pierwsze z nich s stosunkowo prostymi i tanimi układami sterowania prdkoci obrotow bez sprzenia zwrotnego prdkociowego. Sterowanie prdkoci obrotow odbywa si w nich poprzez zmian czstotliwoci napicia zasilajcego silnik. Z uwagi na zmieniajc si impedancj silnika ze zmian czstotliwoci prdów zasilajcych silnik, aeby nie uszkodzi napdu i zachowa stałe warunki zasilania naley zachowa stały stosunek napicia zasilajcego do czstotliwoci (U/f = const.) W falownikach napicie zasilajce układ jest prostowane i dalej z napicia stałego wykorzystujc metod PWM tworzone s trzy prdy trójfazowe o zadanej czstotliwoci. Prdko synchroniczna pola wirujcego stojana silnika jest okrelana wzorem: n = 2Π p f = k f gdzie: f czstotliwo napicia zasilajcego, p liczba par biegunów. W silnikach indukcyjnych strumie indukcji magnetycznej zaley przede wszystkim od reaktancji X f. Reaktancja ta jest proporcjonalna do czstotliwoci. Aby strumie nie zmieniał si i pozostał stały, napicie zasilajce silnik powinno zmienia si proporcjonalnie z czstotliwoci. Na rys. przedstawiono przebieg charakterystyk silnika indukcyjnego przy rónych czstotliwociach napicia zasilajcego.

3 Rys.. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy rónych czstotliwociach Falowniki. Falownikami nazywane s układy z zaworami sterowanymi, przekształcajce energi prdu stałego na energi prdu zmiennego. Kady prostownik sterowany moe pracowa w charakterze falownika w okrelonych warunkach obcienia i wysterowania. Tego typu falowniki s nazywane falownikami zalenymi lub (sieciowo wzbudnymi); współpracuj one z sieci sztywn. W przypadku zasilania odbiorników prdu przemiennego (np. silników indukcyjnych) ze ródła napicia lub prdu stałego s stosowane falowniki niezalene. Komutacja w tych falownikach ma charakter wymuszony. W przypadku komutacji z pojemnociowym wyłczaniem tyrystorów za pomoc kondensatora przyłczonego do ich anod równolegle wzgldem obcienia falownik nazywamy równoległym. Falowniki szeregowe to układy z wyłczeniem rezonansowym, w których obwód rezonansowy jest połczony szeregowo z obcieniem. Zasada działania omówiona zostanie na przykładzie falownika niezalenego, równoległego przedstawionego na (rys.2). W układzie tym tyrystory s załczane na przemian W czasie przewodzenia prd ze ródła płynie przez lew połówk dzielonego uzwojenia transformatora, jednoczenie lewa elektroda kondensatora dołczona jest do minusa ródła, natomiast prawa do plusa, przez praw połówk uzwojenia; std polaryzacja kondensatora jak na rysunku. Po załczeniu Ty2, napicie na kondensatorze doprowadzone jest do Ty, powodujc jego wyłczenie. Prd ródła płynie teraz przez praw połówk uzwojenia i tyrystor Ty2, natomiast kondensator ładuje si przez lew cz uzwojenia; plus bdzie teraz na lewej elektrodzie, minus na prawej, a zatem po załczeniu Ty, tyrystor Ty2 zostanie wyłczony i cykl si powtarza. Poniewa ze zmian przewodzcego tyrystora, prd ródła zmienia kierunek w uzwojeniu pierwotnym transformatora (uzwojenia obu połówek s nawinite zgodnie), zatem w obcionym uzwojeniu wtórnym przepływa prd przemienny o czstotliwoci równej

4 czstotliwoci przełczania tyrystorów. Dławik Ld słuy do wygładzania prdu ródła. Warto wspomnie o falownikach niezalenych z modulacj szerokoci pulsów. W układach tych przerywacze prdu stałego s zastosowane w zespołach przełczajcych dwukierunkowo. Przy odpowiedniej regulacji iloci impulsów otrzymuje si na wyjciu napicie urednione, bdce napiciem przemiennym bardzo zblionym do sinusoidy. Falowniki napicia słu do przekształcania napicia stałego (jednokierunkowego) w napicie przemienne o stałej bd regulowanej wartoci i czstotliwoci. Falowniki napicia zasila si ze ródła napicia, charakteryzujcego si pomijalnie mał impedancj wewntrzn. Falownik napicia FN umoliwia przekazywanie energii elektrycznej zarówno w kierunku do odbiornika, jak i odwrotnie. Falowniki prdu słu do przekształcania prdu stałego (jednokierunkowego) w prd przemienny jedno- bd wielofazowy, o regulowanej wartoci i czstotliwoci. W wikszoci przypadków przebieg czasowy prdu wyjciowego jest zbliony do prostoktnego, a kształt i warto napicia na zaciskach wyjciowych zaley od parametrów odbiornika. Rys.2. Układ podstawowy falownika równoległego z transformatorem o dzielonym uzwojeniu pierwotnym Rys.3. Przykładowy wygld falowników

5 Zasad pracy falownika o sterowaniu PWM (ang. pulse width modulation) przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Falownik jednofazowy: a) schemat układu, b) napicie wyjciowe prostoktne, c) napicie wyjciowe w postaci impulsów o modulowanej szerokoci Tranzystory IGBT, pracujce jako dwustanowe łczniki mocy, przekazuj do obcienia cigi impulsów o zmiennej szerokoci cyklicznie, na przemian z dodatniego i ujemnego bieguna ródła prdu stałego. Szerokoci impulsów s tak regulowane, aby w napiciu wyjciowym maksymalnie wyeliminowa lub ograniczy zawarto harmonicznych innych ni harmoniczna podstawowa. Zastosowane tranzystory IGBT (ang. insulated gate bipolar transistor), s połczeniem tranzystorów bipolarnych z tranzystorem MOSFET (rys.5). Rys. 5. Tranzystor IGBT: a) symbol graficzny, b) charakterystyka przejciowa I c = f(u GE ), c) charakterystyka wyjciowa I c = f(u CE ) Tranzystor ten jest sterowany napiciowo. Przy braku napicia wejciowego (U GE = 0) tranzystor jest wyłczany. Do jego załczenia jest niezbdne napicie sterujce ok. 5 V. Na wejciu złoonego układu jest wzbogacany tranzystor MOSFET. Tranzystory IGTB pracuj w dwóch stanach: wyłczenia i załczenia. Zmiana stanu odbywa si w krótkim czasie (ok. µs)

6 co gwarantuje efektywn prac w falownikach nawet do czstotliwoci 00 khz. W celu uzyskania prawidłowej pracy tranzystorów IGTB naley dołczy do zacisków kolektoremiter szybkie diody ograniczajce przepicia w kierunku wstecznym. Schemat ideowy falownika przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Schemat ideowy falownika Zastosowany falownik serii 605 firmy Eurotherm realizuje przede wszystkim takie zadania jak: łagodny rozruch, hamowanie oraz zabezpiecza silnik przed przecieniami z sieci zasilajcej. Jest wyposaony we własny sterownik, który mona dowolnie programowa wykorzystujc do tego celu pakiet oprogramowania ConfigEd Lite. Posiada on szeregowe złcze interfejsowe RS-232, dziki któremu przy pomocy specjalnego kabla, dokonywana jest transmisja danych z komputera IBM PC na którym zainstalowany jest pakiet programowy. Moliwe jest równie przekazywanie programu realizowanego przez falownik do komputera. W ten sposób mona dokonywa zmiany parametrów falownika, mamy dostp do wiadomoci diagnostycznych, przesyłania danych jak równie pełnego sterowania programowego. 3. Wykonanie wiczenia 3.. Zapoznanie si z obsług falownika przy sterowaniu lokalnym i sterowaniu zdalnym (Local/Remote Control). Na podstawie MENU falownika narysowa schemat blokowy algorytmu interfejsu uytkownika Pomiar napicia wyjciowego z falownika za pomoc oscyloskopu. Dla dwóch wybranych czstotliwoci napicia zasilania (5 i 30 Hz) zaobserwowa kształt napicia za pomoc oscyloskopu cyfrowego z pamici. Przeanalizowa przebieg napicia (czy jest przebiegiem sinusoidalnym).

7 3.3. Sprawdzenie zachowania warunku f/u = const. przez falownik. Zmieniajc czstotliwo napicia zasilania pomierzy warto skuteczn napicia fazowego na wyjciu falownika. Wyniki zestawi w tabeli. f [Hz] U [V] Warunek ten jest wymagany dla zapewnienia stałej wartoci prdu zasilania silnika elektrycznego przy zmianie czstotliwoci napicia zasilania/ 3.4. Regulacja prdkoci obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego. Zmieniajc czstotliwo napicia zasilania dokona pomiaru prdkoci obrotowej silnika. Prdko obrotowa silnika jest mierzona za pomoc prdniczki tachometrycznej. Pomiaru dokona dla kierunku wirowania silnika w prawo, a nastpnie w lewo. Wyniki zestawi w tabeli. f [Hz] (w prawo) (w lewo) 3.5. Rozruch silnika zasilanego z falownika. Dokona rozruchu silnika przy czstotliwoci napicia zasilania = 50 Hz. Dokona I pomiaru prdu rozruchu i okreli krotno prdu rozruchu r oraz porówna z I n przypadkiem rozruchu bezporedniego. Przy rozruchu bezporednim silnik zasilany jest bezporednio z sieci zasilajcej Regulacja prdkoci obrotowej silnika liniowego. Zmieniajc czstotliwo napicia zasilania dokona pomiaru prdkoci obrotowej. Pomiaru dokona dla kierunku wirowania silnika w prawo, a nastpnie w lewo. Wyniki zestawi w tabeli. f [Hz] (w prawo) (w lewo) 4. Opracowanie sprawozdania Na podstawie wyników pomiarów scharakteryzowa funkcje uytkowe falownika. Przeanalizowa moliwo wykorzystania sterownika w układach automatycznej regulacji (np. do stabilizacji prdkoci obrotowej silnika, stabilizacji parametrów procesu technologicznego, np. cinienia itp.).