ANALIZA PRACY SILNIKA INDUKCYJNEGO W WARUNKACH ZAPADU NAPICIA

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 167 Zygfryd Głowacz, Henryk Krawiec AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków ANALIZA PRACY SILNIKA INDUKCYJNEGO W WARUNKACH ZAPADU NAPICIA ANALYSIS OF OPERATION OF AN INDUCTION MOTOR DURING VOLTAGE SAG Streszczenie: W artykule przedstawiono propozycj modyfikacji wektorowego układu regulacji silnika indukcyjnego w celu zapewnienia wymaganego momentu obrotowego oraz utrzymania zadanych obrotów silnika podczas zapadu napicia. Na podstawie symulacji oraz pomiarów w laboratorium stwierdzono popraw odpornoci regulowanych napdów prdu przemiennego z silnikami indukcyjnymi na zapady napicia. Abstract: This paper presents a proposal to modify the induction motor vector control system in order to provide the required torque and the reference speed of drives during voltage sags. Based on the simulations and laboratory measurements of the induction motor, the immunity improvement of adjustable AC drives with induction motors on voltage sags has been confirmed. Słowa kluczowe: silniki indukcyjne, zapady napicia Keywords: induction motors, voltage sags 1. Wstp Zapady napicia s uwaane za jeden z najwaniejszych problemów w dziedzinie jakoci energii elektrycznej, s zagroeniem dla odbiorców wraliwych na zaburzenia napicia zasilajcego, mog prowadzi do bardzo duych kosztów zwizanych z przestojem w pracy zakładów przemysłowych [1, 4, 6]. Zapady napicia charakteryzuj si krótkotrwałym, nagłym obnieniem wartoci skutecznej napicia w danym punkcie sieci, po którym w krótkim czasie nastpuje wzrost napicia do wartoci przed pojawieniem si zapadu. Dotychczasowe rozwizania zmierzajce do zwikszenia odpornoci napdów na zapady napicia koncentruj si na rozbudowie energoelektroniki przemiennika czstotliwoci [1, 5]. 2. Układ napdowy Przedmiotem analizy jest układ napdowy (rys. 1), który składa si: - z sieci zasilajcej, w której wystpuje zapad napicia (70%, 0,5s), - z przemiennika czstotliwoci VSI (mostek diodowy, obwód poredni LC, falownik), - z układu regulacji przemiennika czstotliwoci sterowanie wektorowe we współrzdnych zwizanych z wektorem strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika [2, 4], - z silnika indukcyjnego - realizujcego wymagania technologii dotyczce prdkoci oraz momentu obcienia. W tekcie i na rysunkach przyjto nastpujce oznaczenia: u s, U s napicie zasilania silnika, U N napicie znamionowe zasilania, i s, I s prd zasilania silnika, I N prd znamionowy silnika, u z napicie zasilania przemiennika, u C napicie na kondensatorze, T e moment elektromagnetyczny silnika, T N moment znamionowy silnika, prdko ktowa silnika, N prdko znamionowa ktowa silnika, r strumie sprzony z uzwojeniem wirnika (warto rzeczywista), r * strumie sprzony z uzwojeniem wirnika (warto zadana), ϑ kt pomidzy wektorem prdu silnika I s oraz wektorem strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika r, f czstotliwo napicia zasilania silnika. Rozpatrywano przypadek zasilania poprzez przemiennik VSI, z podwyszon pojemnoci w obwodzie porednim, tak aby zapewni w przypadku wystpienia zapadu (70% 0,5s) liniowe obnienie napicia u C w czasie 0,1 s.

2 168 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) Rys. 1. Układ napdowy AC/AC z przemiennikiem czstotliwoci VSI Rys. 2. Zmiana amplitudy/czstotliwoci napicia zasilania celem podtrzymania momentu T N oraz prdkoci N w stanie ustalonym Niezbdny moment Te = T N oraz wymagan prdko obrotow silnika = N mona osign zasilajc silnik indukcyjny obnionym napiciem przy wyszej czstotliwoci. W konsekwencji wzrasta prd, za strumie sprzony z uzwojeniem wirnika maleje w porównaniu do wartoci znamionowej przy nominalnych warunkach zasilania. Zalenoci te zostały przedstawione na rys Analiza wyników symulacji Symulacj przeprowadzono w rodowisku MATLAB korzystajc z dostpnej biblioteki SIMULINK oraz równa przestawionych w [3] w oparciu o model układu napdowego z silnikiem indukcyjnym (rys. 3).

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 169 Rys. 3. Model układu napdowego z silnikiem indukcyjnym w rodowisku MATLAB SIMULINK Wyniki symulacji w przypadku zasilania silnika klatkowego poprzez przemiennik czstotliwoci VSI, sterowany wektorowo we współrzdnych zwizanych z wektorem strumienia wirnika [2] przedstawiono na rys. 5. Obliczenia wykonano dla silnika o danych znamionowych: 5,5kW, 380V/220V, 50Hz, 11A/19A, 1450obr/min, cos=0,86. Wielkoci opisujce stan pracy silnika wyraono w jednostkach wzgldnych, odnoszc je do parametrów znamionowych. W przypadku wystpienia zapadu nastpuje obnienie momentu silnika tym samym spadek obrotów, co moe prowadzi do przerwania procesu technologicznego. Aby temu zapobiec zaproponowano prac układu napdowego przy niej amplitudzie napicia, ale przy podwyszonej czstotliwoci. Warunkiem przepływu energii i tym samym moliwoci sterowania i regulacji napdu jest to aby SEM była mniejsza ni napicie zasilania na zaciskach przetwornika czstotliwoci [1, 4]. Proponowana metoda polega - w przypadku wystpienia zapadu napicia - na zmniejszeniu w sposób regulowany strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika, co spowoduje obnienie odpowiedniej SEM tak by zachowa nadal moliwo regulacji prdu. Przykładowe zadawanie wartoci strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika podczas wystpienia zapadu napicia przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Warto zadana i rzeczywista strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika podczas zapadu napicia (70%, 0,5 s) W celu zapewnienia wymaganego momentu obrotowego oraz utrzymania zadanych obrotów silnika konieczne jest, przy obnionym strumieniu sprzonym z uzwojeniem wirnika silnika, zwikszenie prdu stojana. Podczas wystpienia zapadu napicia wystpuj zwikszenie prdu (do 50%), niewielkie wahania momentu - w konsekwencji praktycznie stałe obroty.

4 170 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) W tym przypadku wystpuje inna czstotliwo napicia zasilania oraz bardziej korzystne ustawienie wektora prdu I s i wektora strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika r [4]. 4. Analiza wyników pomiarów Laboratoryjny układ pomiarowy (rys. 6) składa si: - z układu z silnikiem indukcyjnym, zasilanym poprzez falownik VSI, - z układu regulacji i sterowania zrealizowano w dspace, umoliwiajcym symulacje w czasie rzeczywistym, - z obcienia silnika momentem zrealizowanego przy pomocy generatora prdu stałego. Rys. 6. Laboratoryjny układ pomiarowy napdu z silnikiem indukcyjnym Rys. 5. Symulacja układu napdowego z silnikiem indukcyjnym zasilanym poprzez VSI, z regulacj strumienia podczas zapadu napicia (70%, 0,5s) Wielkoci pomiarowe zapisywano przy pomocy karty pomiarowej podłczonej do komputera. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 7. Wystpuj lekkie wahania momentu, ale prdko pozostaje praktycznie stała. Prd stojana wzrasta o około 50%, za zmierzona czstotliwo wynosi około 54,9 Hz jest nieco wiksza ni wynika z oblicze wstpnych przedstawionych na rys. 2. Nieco inny przebieg prdu jest spowodowany zmian parametrów silnika przy obnionym napiciu zasilania. Dla symulacji załoono stało parametrów silnika w całym zakresie.

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 171 zapad napicia oraz dobór parametrów regulatora w aspekcie własnoci cieplnych silnika i dopuszczalnych zmian strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika indukcyjnego [7]. Przewiduje si opracowanie algorytmu sterowania/ regulacji opartego na zasadzie zadawania strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika indukcyjnego, w formie dogodnej do zastosowania praktycznego. Rys. 7. Pomiary laboratoryjne układu napdowego z silnikiem indukcyjnym (u s, i s, T e, ) dla obcienia 75% T N 5. Wnioski Przeprowadzone symulacje oraz pomiary laboratoryjne potwierdziły skuteczno proponowanej metody poprawy odpornoci regulowanych napdów prdu przemiennego z silnikami indukcyjnymi na zapady napicia. W dalszych pracach proponuje si zastosowanie regulatora PID strumienia sprzonego z uzwojeniem wirnika silnika monitorujcego 6. Literatura [1]. Hanzelka Z.: Jako Energii Elektrycznej cz.2: Zapady napicia i krótkie przerwy w zasilaniu wpływ na prac napdów elektrycznych o regulowanej prdkoci, [2]. Böcker J.: Geregelte Drehstromantriebe. Universität Paderborn, [3]. Dybowski P., Lerch T., Milej W., Rams W., Skwarczyski J.: Układy elektromechaniczne i transformatory. Obliczenia i zadania. Wydawnictwa AGH, Kraków [4]. Głowacz Z., Krawiec H.: Poprawa odpornoci regulowanych układów napdowych prdu przemiennego z silnikami indukcyjnymi na zapady napicia. Materiały konferencji WZZE [5]. Petronijevi M., Jefteni B., Mitrovi N., Kosti V.: Voltage Sag Drop in Speed Minimization in Modern Adjustable Speed Drives. Ser. Elec. Energ. Vol.16, Dec. 2006, pp [6]. Radecki A., Chudzik P.: Badania porównawcze wybranych metod odwzbudzania silnika indukcyjnego zasilanego z sieci o duych, chwilowych spadkach napi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 2/2011 s [7]. Dbowski A., Nowak R.: Wygładzanie charakterystyki zadawania strumienia w napdach elektrycznych z osłabianiem pola. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 3/2012, s Autorzy Zygfryd Głowacz, Henryk Krawiec AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inynierii Biomedycznej, Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii, al. A. Mickiewicza 30, Kraków glowacz@agh.edu.pl, hkr@agh.edu.pl, Podzikowania Praca była finansowana czciowo z projektu AGH nr