PL B1. Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki,Kraków,PL BUP 10/06

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02P 1/30 ( ) H02P 1/28 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób rozruchu trójfazowego indukcyjnego silnika klatkowego (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki,Kraków,PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 10/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/09 (72) Twórca(y) wynalazku: Piotr Drozdowski,Kraków,PL Witold Mazgaj,Radziszów,PL Zbigniew Szular,Kocmyrzów,PL (74) Pełnomocnik: Korzeniowski Zbigniew, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, CTT - Sekcja Ochrony Własności Intelektualnej PL B1 (57) Sposób charakteryzuje się tym, że wprowadza się wstępnie do zadajnika (N) układu sterowania (US) pożądaną nastawę częstotliwości granicznej (f gr ), po czym po zainicjowaniu rozruchu prowadzi się go w dwóch etapach, dla których granicą przejścia z jednego etapu w drugi jest moment osiągnięcia przez układ rozruchowy silnika (M) zadanej częstotliwości granicznej (f gr ). Rozruch silnika (M) rozpoczyna się w pierwszym etapie poprzez płynną zmianę częstotliwości i napięcia według znanego algorytmu taktowania tyrystorów cyklokonwertora sterowanego fazowo przez generator rozruchu częstotliwościowo-napięciowego (G1), a w drugim etapie jedynie poprzez płynną zmianę napięcia, według zadanego algorytmu taktowania tyrystorów układu rozruchowego z cyklokonwertorem sterowanym fazowo przez generator rozruchu napięciowego (G2). Algorytm ten wyodrębnia z bazowego układu cyklokonwertora co najmniej jedną strukturę układową typowego trójfazowego sterownika prądu przemiennego.

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób rozruchu trójfazowego indukcyjnego silnika klatkowego zasilanego z tyrystorowego układu rozruchowego, zawierającego przekształtnik energii wejściowej prądu przemiennego na energię wyjściową prądu przemiennego bez przekształcania pośredniego w prąd stały. Szczególnie sposób ten nadaje się do rozruchu silników klatkowych dużej mocy uruchamianych za pomocą znanych tyrystorowych układów bezpośrednich przemienników częstotliwości zwanych cyklokonwertorami zapewniając im łagodne przejście na bezpośrednie zasilanie z sieci trójfazowej trzy lub czteroprzewodowej. Silnik klatkowy cechuje się prostą budową, niezawodnością i niską ceną, co czyni go powszechnie wykorzystywaną w gospodarce maszyną elektryczną o szerokim spektrum zastosowania. Rozruch silnika klatkowego może być realizowany przez jednoczesne zwiększanie częstotliwości i wartości napięcia zasilającego stojan lub zwiększanie samej tylko wartości napięcia zasilającego. Dla uzyskania pożądanego momentu rozruchowego w okresie rozruchu stosuje się różne sposoby i układy dla rozruchu silników klatkowych. Celem ich stosowania jest zapewnienie łagodnego rozruchu silników indukcyjnych poprzez: ograniczenia prądu, który powoduje wydzielanie się ciepła w uzwojeniach odciążenia linii zasilającej zmniejszenia wartości sił dynamicznych w silniku i w układzie napędowym. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr (IntCI 6 H02K 17/02, H02M 5/40, H02P 1/52) sposób amplitudowo-częstotliwościowego sterowania napędu trójfazowych asynchronicznych silników indukcyjnych, który przedstawia dwa alternatywne sposoby sterowania. Sposoby te charakteryzują się występowaniem trzech stref, w których wartość skuteczna napięcia zasilającego silnik zmienia się liniowo względem częstotliwości. W pierwszej strefie, gdy częstotliwość rośnie od wartości minimalnej do wartości pośredniej, wartość skuteczna napięcia zasilającego nie ulega zmianie utrzymując się na stałym poziomie, lub maleje od wartości początkowej do wartości minimalnej, przy czym po osiągnięciu częstotliwości pośredniej napięcie zaczyna rosnąć. Na podstawie opisu i klasyfikacji rozwiązania można przypuszczać, że stosowanym w tym sposobie przekształtnikiem jest układ o pośrednim przekształcaniu energii. Przemawiałaby za tym płynna zmiana częstotliwości w całym zakresie aż do częstotliwości sieciowej. Tego typu rozruch przeprowadzany przy pomocy przekształtników z pośrednim obwodem prądu stałego zw. falownikami zbudowanymi na bazie elementów przełączających w pełni sterowalnych jest bezproblemowy lecz kosztowny, szczególnie dla rozruchu silników dużej mocy. Silnik klatkowy, zwłaszcza dużej mocy, którego rozruch ma być oparty na energoelektronicznych układach przekształtnikowych o bezpośrednim przekształcaniu energii, wymaga zastosowania specjalnych układów rozruchowych. Spośród metod rozruchu tych silników znane są sposoby rozruchu metodą częstotliwościowo-napięciową tzw. rozruch częstotliwościowo-napięciowy lub metodą napięciową tzw. rozruch napięciowy, a wykorzystywane w tych metodach układy rozruchowe zależą od przyjętego sposobu sterowania układem. Rozruch częstotliwościowo-napięciowy. Rozruch częstotliwościowo-napięciowy polega na stopniowym zwiększaniu częstotliwości napięcia zasilającego, od wartości minimalnej do maksymalnej, oraz jednoczesnej zmianie wartości napięcia zasilającego stojan silnika, przy czym wartość napięcia zazwyczaj pozostaje w przybliżeniu proporcjonalna do częstotliwości. Do przekształcania napięcia sinusoidalnego linii zasilającej na napięcie przemienne odkształcone o regulowanej wartości skutecznej i częstotliwości służą bezpośrednie przemienniki częstotliwości bez pośredniczącego obwodu prądu stałego, zwane cyklokonwertorami. Cyklokonwertor jest układem kilku prostowników sterowanych fazowo, gdzie poprzez sterowanie pracą jednokierunkowych elementów przełączających (tyrystorów) wpływa się na kształt i parametry przebiegów czasowych napięć i prądów wyjściowych. Umożliwia on zmianę częstotliwości wyjściowej układu w zakresie 0-30 Hz. Chwile podawania impulsów załączających tyrystory są określone poprzez odpowiedni algorytm dla danego typu cyklokonwertora. Zastosowanie tego typu układu nie pozwala więc osiągnąć częstotliwości sieciowej, a tym samym pełnej prędkości obrotowej silnika. Ze względu na charakterystyczne połączenie tyrystorów i ich pracę w układzie rozróżniamy dwa typy cyklokonwertorów: trójpulsowe oraz sześciopulsowe. Rozwiązania tego typu cyklokonwertorów opisane są szerzej w literaturze technicznej np.: H. Tunia, B. Winiarski Energoelektronika" ss , Warszawa WNT 1994, oraz R. Barlik, M. Nowak Technika tyrystorowa" ss Warszawa WNT 1994.

3 PL B1 3 Z literatury patentowej znany jest polski patent nr (IntCI 5 H02M 5/04) dotyczący sposobu zasilania odbiornika trójfazowego, zwłaszcza silnika asynchronicznego poprzez cyklokonwertor, w którym częstotliwość napięcia zasilającego silnik przyjmuje szereg dokładnie określonych wartości. Amplituda dominującej składowej napięcia zmienia się przez zmianę czasu trwania pulsów napięcia, z których formowany jest przebieg wyjściowy. Z punktu widzenia rozruchu silnika jest to więc metoda skokowa ze względu na częstotliwość. Rozruch napięciowy Z kolei metoda rozruchu poprzez zwiększanie napięcia polegająca na regulacji wartości skutecznej napięcia zasilającego silnik charakteryzuje się bardzo małym momentem rozruchowym w początkowej fazie, co jest podstawową wadą tego sposobu rozruchu. Dlatego też ten sposób rozruchu realizowany przy pomocy energoelektronicznego układu trójfazowego sterownika prądu jest ograniczony praktycznie tylko do silników nieobciążonych lub obciążonych niewielkim momentem. Półprzewodnikowe sterowniki prądu przemiennego służą do przekształcania napięcia sinusoidalnego na napięcie przemienne o wartości średniej równej zeru z możliwością bezstopniowej regulacji wartości skutecznej napięcia i prądu odbiornika. W przypadku odbiorników o niewielkich wymaganiach napięcie wyjściowe sterowników może mieć przebieg asymetryczny. Napięcie sinusoidalne zasilające sterownik jest doprowadzane do odbiornika poprzez tyrystory symetryczne tzw. triaki lub układy złożone z tyrystorów i diod mocy. Sterowanie pracą sterownika polega na zmianie kąta przesunięcia fazowego między impulsami bramkowymi a przebiegiem czasowym napięcia między anodą i katodą. Jest to tak zwane sterowanie fazowe tyrystorów. Trójfazowe sterowniki prądu przemiennego mogą być zasilane z trójfazowej linii czteroprzewodowej (z przewodem neutralnym) lub trójprzewodowej (bez przewodu neutralnego). Stan techniki dotyczący sterowników z przewodem neutralnym zobrazowano na rysunku na którym pos. l przedstawia schemat ideowy układu trójfazowego sterownika prądu zasilającego silnik klatkowy połączony w gwiazdę z przewodem neutralnym, a pos. II - przebiegi wielkości elektrycznych w trójfazowym sterowniku prądu przedstawionym w pos. l. Układ sterownika przedstawiony w pos. l zbudowany jest w taki sposób, że w szereg z każdą fazą linii zasilającej włączony jest układ dwóch tyrystorów połączonych odwrotnie równolegle. W punktach zacisków wyjściowych sterownika U, V, W przyłączone są fazy odbiornika (odbiornikiem tym w naszym rozwiązaniu będzie silnik indukcyjny). Jeżeli odbiornik pracuje przy połączeniu w gwiazdę i dostępny jest punkt neutralny źródła zasilania to układ może funkcjonować z przewodem neutralnym albo bez przewodu neutralnego, w pozostałych zaś przypadkach wyłącznie bez przewodu neutralnego. Na rysunku pos. II zostały zestawione przykładowe przebiegi wielkości elektrycznych w trójfazowym sterowniku pracującym z przewodem neutralnym, gdzie: U A, U B, U c - fazowe napięcia linii zasilającej; U u - fazowe napięcie na odbiorniku; I U - prąd odbiornika; U AB - międzyfazowe napięcie linii zasilającej; U UV - międzyfazowe napięcie na odbiorniku; I G1 I G6 impulsy załączające poszczególne tyrystory Praca sterownika polega na chwilowym przyłączaniu odbiornika do źródła zasilania za pośrednictwem tyrystorów nr 1 do 6. Napięcie na odbiorniku jest kształtowane z wycinków napięcia zasilającego. Przykładowo załączenie tyrystora nr 1 dla dodatniej półfali napięcia zasilającego powoduję przepływ dodatniej półfali prądu w fazie U odbiornika. Natomiast załączenie tyrystora nr 2 dla ujemnej półfali napięcia powoduje przepływ ujemnej półfali prądu we wspomnianej fazie odbiornika. Analogicznie przebiega praca w pozostałych fazach. Wartość skuteczną napięcia wyjściowego sterownika reguluje się poprzez zmianę wartości kąta przesunięcia fazowego między napięciem anoda-katoda danego tyrystora, a załączającym impulsem bramkowym I G. Inaczej przebiega praca sterownika w układzie bez przewodu neutralnego, ze względu na fakt, że w tym przypadku praca zaworów jest wzajemnie zależna co wymaga nieco odmiennego algorytmu sterowania. Szerzej wyjaśniono to w powołanej już książce R. Barlik, M. Nowak, Technika tyrystorowa" ss , Warszawa WNT 1994; Z analizy tych metod rozruchowych wynika, że kształt i parametry przebiegów czasowych napięcia i prądu odbiornika zasilanego przez przekształtnik zależy od typu przekształtnika oraz sposobu jego sterowania. Celem rozwiązania jest rozpoczęcie rozruchu silnika pod dużym obciążeniem metodą częstotliwościowo-napięciową, a po osiągnięciu tym sposobem przez silnik granicznej prędkości

4 4 PL B1 obrotowej dalsze jej zwiększania poprzez rozruch napięciowy, a więc przez zwiększanie częstotliwości przy niezmiennej wartości napięcia zasilającego. Sposób rozruchu według wynalazku polega na zwiększaniu prędkości obrotowej silnika poprzez zmianę częstotliwości i napięcia podawanego na silnik z cyklokonwertora sterowanego fazowo przez generator impulsowy załączający tyrystory cyklokonwertora, trój lub sześciopulsowego, według znanego algorytmu taktowania tyrystorów. Sposób charakteryzuje się tym, że wstępnie wprowadza się do zadajnika układu sterowania pożądaną nastawę częstotliwości granicznej, po czym po zainicjowaniu rozruchu prowadzi się go w dwóch etapach dla których granicą przejścia z jednego etapu w drugi jest moment osiągnięcia przez układ rozruchowy silnika zadanej częstotliwości granicznej. Rozruch silnika w pierwszym etapie odbywa się poprzez płynną zmianę częstotliwości i napięcia według znanego algorytmu taktowania tyrystorów cyklokonwertora sterowanego fazowo przez generator rozruchu częstotliwościowo-napięciowego, a w drugim etapie jedynie poprzez płynną zmianę napięcia według zadanego algorytmu taktowania tyrystorów układu rozruchowego z cyklokonwertorem sterowanym fazowo przez generator rozruchu napięciowego. Algorytm ten wyodrębnia z bazowego z układu cyklokonwertora co najmniej jedną strukturę układową typowego trójfazowego sterownika prądu przemiennego. Korzystnie w pierwszym etapie rozruchu ustala się szybkość narastania częstotliwości i napięcia taką, aby nie przekroczyć nastawy maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu stojana silnika wprowadzonej do zadajnika układu sterującego, a w drugim etapie szybkość narastania napięcia taką, aby również nie przekroczyć wprowadzonej do zadajnika nastawy maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu stojana silnika. Do zadajnika układu sterującego można wprowadzać nastawy częstotliwości granicznej o wartości od 1/2 do 2/3 częstotliwości sieci zasilającej. Algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego może uruchamiać naprzemienną cykliczną pracę poszczególnych struktur trójfazowych sterowników prądu wyodrębnionych z układu cyklokonwertora, przy czym cykl przewodzenia poszczególnych struktur obejmuje co najmniej jeden pełny okres napięcia sieciowego, zaś przesunięcie fazowe sąsiednich napięć w danej strukturze wynosi 120, a kolejność faz jest dla każdej struktury taka sama. W drugim etapie algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego ma trzy takty dla cyklicznej pracy przełączalnych struktur cyklokonwertora trójpulsowego służącego do rozruchu silnika połączonego w gwiazdę z lub bez przewodu neutralnego. Z kolei w etapie tym dla cyklicznej pracy przełączalnych struktur cyklokonwertora sześciopulsowego służącego do rozruchu silnika z dostępnymi początkami i końcami uzwojeń stojana algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego ma sześć taktów. W tym przypadku dla układu zawierającego tyrystorowe dwukierunkowe klucze zwierające początki lub końce uzwojeń silnika, w generatorze rozruchu napięciowego inicjuje się dodatkowe impulsy załączające dwukierunkowe klucze umożliwiające pracę tych kluczy przez okres czasu zapewniający przewodzenie tyrystorów danej struktury cyklokonwertora sześciopulsowego przez cały czas trwania taktu przewodzenia danej struktury. Zaletą przedstawianego sposobu rozruchu jest możliwość kształtowania charakterystyk mechanicznych silnika w pierwszym etapie rozruchu pod kątem występowania dużego początkowego momentu rozruchowego, charakterystycznego dla rozruchu częstotliwościowo-napięciowego, co pozwala na rozruch silników pod obciążeniem. Kontynuowanie w drugiej fazie tylko rozruchu napięciowego powoduje co prawda zmniejszenie momentu, ale jest on i tak większy od momentu początkowego, który by występował przy zastosowaniu od startu wyłącznie rozruchu napięciowego. Dodatkowo zastosowanie elementów półsterowanych np. tyrystorów typu SCR, powoduje, że cena takiego sposobu rozruchu jest kilkakrotnie niższa niż przy zastosowaniu elementów pełnosterowanych takich jak: tranzystor typu IGBT lub tyrystor typu GTO. W przedmiotowym sposobie rozruchu częstotliwość zmienia się płynnie w pierwszym etapie rozruchu i pozostaje stała w drugim etapie. Cykliczne przenoszenie przewodzenia na poszczególne grupy tyrystorów w wyodrębnionych strukturach przekształtnika ma na celu ich odciążenie. Dzięki takiemu rozwiązaniu ilość wydzielanego ciepła w strukturze pojedynczego tyrystora w przekształtniku trójpulsowym jest trzykrotnie mniejsza, a ilość wydzielanego ciepła w strukturze pojedynczego tyrystora w przekształtniku sześciopulsowym jest sześciokrotnie mniejsza, co jest szczególnie korzystnym zjawiskiem w tym sposobie rozruchu. Zastosowanie z kolei cyklokonwertora sześciopulsowego do rozruchu silnika z dostępnymi jedynie początkami uzwojeń stojana pozwala na wykorzystanie jedynie jednej połowy trójpulsowego układu tj górnych lub dolnych grup tyrystorów cyklokonwertora, co może być wykorzystywane jako

5 PL B1 5 zabezpieczenie strukturalne układu rozruchowego. Taki wariant, jakkolwiek droższy, może zapewnić w stanach awaryjnych rezerwowe funkcjonowanie układu po dokonaniu prostego i szybkiego przełączenia pracy z jednej grupy tyrystorów na drugą. Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania zostanie bliżej objaśniony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu sterowania tyrystorowym układem rozruchowym silnika klatkowego z cyklokonwertorem sześciopulsowym zasilającym silnik z dostępnymi początkami i końcami uzwojeń stojana, fig. 2 - schemat blokowy układu sterowania tyrystorowym układem rozruchowym silnika klatkowego z cyklokonwertorem sześciopulsowym zasilającym silnik z dostępnymi jedynie początkami uzwojeń stojana z lub bez przewodu neutralnego, fig. 3 - schemat ideowy układu rozruchowego silnika klatkowego z cyklokonwertorem sześciopulsowym zasilającym silnik z dostępnymi początkami i końcami uzwojeń stojana, fig. 4 - schemat ideowy układu rozruchowego silnika klatkowego z cyklokonwertorem sześciopulsowym zasilającym silnik z dostępnymi początkami uzwojeń stojana z lub bez przewodu neutralnego, fig. 5 - schemat blokowy układu sterowania tyrystorowym układem rozruchowym silnika klatkowego z cyklokonwertorem trójpulsowym zasilającym silnik z dostępnymi jedynie początkami uzwojeń stojana z lub bez przewodu neutralnego, fig. 6 - schemat ideowy układu rozruchowego silnika klatkowego z cyklokonwertorem trójpulsowym zasilającym silnik połączony w gwiazdę z przewodem neutralnym, fig. 7 - przykładowe funkcje sterujące pracą cyklokonwertora trójpulsowego przedstawionego na fig.6, fig. 8 - przebiegi czasowe napięcia i prądu silnika klatkowego zasilanego z cyklokonwertora trójpulsowego przedstawionego na fig.6, fig. 9 - tablicowy algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego do sterowania układu rozruchowego z cyklokonwertorem trój lub sześciopulsowym, fig cykliczne struktury pracy trójfazowego sterownika prądu według algorytmu przedstawionego na fig. 9 dla układu rozruchowego z cyklokonwertorem trójpulsowym jak na fig. 6, fig cykliczne struktury pracy trójfazowego sterownika prądu według algorytmu przedstawionego na fig. 9 dla układu rozruchowego z cyklokonwertorem sześciopulsowym jak na fig. 3, a fig. 12 przedstawia przykładowy przebieg prędkości obrotowej silnika klatkowego uruchamianego według przedmiotowego sposobu dla zadanej częstotliwości granicznej. Układ rozruchowy zbudowany jest na bazie znanych tyrystorowych przekształtników U, zw. cyklokonwertorami, które stanowią typowe układy bezpośrednich przemienników częstotliwości. Przekształtnik tyrystorowy U może stanowić cyklokonwertor sześcio lub opcjonalnie trójpulsowy. Cyklokonwertor sześciopulsowy W przedstawionych schematach blokowych fig. 1 i 2 i ideowych fig. 3 i 4 pokazano układy z cyklokowertorem sześciopulsowym U 6 do rozruchu silników o różnych wariantach dostępności początków i końców uzwojeń stojana silnika M. Źródło zasilania, które stanowi linia zasilająca Lz, doprowadzane jest do układu rozruchowego bezpośrednio lub poprzez transformator Tr. Dodatkowo tyrystorowy przekształtnik U jest zbocznikowany łącznikiem rozruchowym P, co pozwala na bezpośrednie przyłączenie silnika M do źródła zasilania. W wariancie przedstawionym na fig. 1 układ sterujący US steruje pracą cyklokonwertora U 6 oraz pracą łącznika rozruchowego P i dwukierunkowych kluczy K1 do K4 zwierających odpowiednio początki lub końce uzwojeń silnika M. Do układu sterującego US, który może być wykonany w technice mikroprocesorowej, doprowadza się sygnały rzeczywistego prądu I s stojana i prędkości obrotowej ω s silnika M oraz zadaje się, w postaci cyfrowej lub analogowej, podstawowe nastawy częstotliwości granicznej f gr i maksymalnego prądu stojana silnika I smax oraz ewentualnie wprowadza się inne dodatkowe nastawy jak np.: moment rozruchowy. W skład układu sterowania US wchodzi układ przełączający UP, generator rozruchu częstotliwościowo-napięciowego G1 i generator rozruchu napięciowego G2. Generatory te są załączane przez układ przełączający UP, który po porównaniu częstotliwości rzeczywistej f s układu z zadaną częstotliwością graniczną f gr wysyła sygnał przełączenia pracy układu sterującego US z generatora G1 na G2. Inny z kolei sygnał wyjściowy z układu przełączającego UP, będący wynikiem porównania napięcia zasilającego U s z przekształtnik U z napięciem zasilającym U s silnik M, załącza łącznik P, co powoduje bezpośrednie przyłączenie poprzez transformator Tr silnika M do sieci zasilającej Lz. Cyklokonwertor sześciopulsowy U 6, przedstawiony ideowo na fig. 3, umożliwia rozruch trójfazowego silnika M z do-

6 6 PL B1 stępnymi początkami U, V, W i końcami X, Y, Z uzwojeń, do którego zacisków przyłączone są dwukierunkowe klucze K1 do K4 sterowane z generatora rozruchu napięciowego G2. Natomiast w opcji z cyklokonwertorem sześciopulsowym U 6, przedstawionym blokowo na fig. 2 i ideowo na fig. 4, możliwy jest rozruch silnika połączonego w gwiazdę z wyprowadzonymi początkami uzwojeń U, V, W. Zaciski silnika doprowadzone są do przełącznika Pt, który dołącza silnik M do trójpulsowych grup tyrystorów cyklokonwertora U 6, tj.: jego górnych grup indeksowanych lit a lub dolnych indeksowanych lit. b. Do budowy cyklokonwertora sześciopulsowego U 6 są stosowane przekształtniki nawrotne pracujące w układzie odwrotnie równoległym, w którym kąty opóźnienia wysterowania α tyrystorów T prostowników składowych są zmieniane cyklicznie od stanu pracy prostowniczej do falowniczej i odwrotnie. Cyklokonwertor sześciopulsowy U 6 zbudowany jest z trzydziestu sześciu tyrystorów T. Do początku każdej fazy silnika M dołączona jest jedna grupa katodowa i jedna grupa anodowa tyrystorów. Podobnie do końców każdej fazy silnika dołączona jest jedna grupa katodowa i jedna anodowa. Układ ten zbudowany jest następująco: w grupie P1a tyrystory: T1, T2, T3 połączone są wspólnie katodami (zwanej dalej grupą katodową P1a) i dołączone są do skrajnego zacisku dławika L1a, natomiast anoda tyrystora T1 jest dołączona do fazy A źródła zasilania, anoda tyrystora T2 dołączona jest do fazy B i analogicznie anoda tyrystora T3 dołączona jest do fazy C źródła zasilania; w grupie P2a tyrystory: T4, T5, T6 połączone są wspólnie anodami (zwanej dalej grupą anodową P2a) i dołączone są do drugiego skrajnego zacisku dławika L1a, natomiast katoda tyrystora T4 jest dołączona do fazy A źródła zasilania, katoda tyrystora T5 jest dołączona do fazy B źródła zasilania, katoda tyrystora T6 jest dołączona do fazy C źródła zasilania; w grupie P1b tyrystory: T19, T20, T21 połączone są wspólnie anodami (zwanej dalej grupą anodową P1b) i dołączone są do skrajnego zacisku dławika L1b, natomiast katoda tyrystora T19 jest dołączona do fazy A źródła zasilania, katoda tyrystora T20 jest dołączona do fazy B źródła zasilania, katoda tyrystora T21 jest dołączona do fazy C źródła zasilania; w grupie P2b tyrystory: T22, T23, T24 połączone są wspólnie katodami (zwanej dalej grupą katodową P2b) i dołączone są do drugiego skrajnego zacisku dławika L1b, natomiast anoda tyrystora T22 jest dołączona do fazy A źródła zasilania, anoda fazy tyrystora T23 jest dołączona do fazy B źródła zasilania, anoda tyrystora T24 jest dołączona do fazy C źródła zasilania; ze środka dławika L1a jest wyprowadzony zacisk do którego jest dołączony początek uzwojenia U fazy silnika M, podobnie ze środka dławika L1b jest wyprowadzony zacisk do którego jest dołączony koniec uzwojenia X fazy silnika M; w identyczny sposób połączone są pozostałe tyrystory (T7...T18 i T25...T36) oraz dławiki (L2a, L3a i L2b, L3b) do których dołączone są pozostałe dwie fazy silnika M; ponadto do zacisków U i V silnika M dołączony jest tyrystorowy dwukierunkowy klucz K1, który zbudowany jest na bazie diodowego mostka Graetz'a. Mostek ten połączony jest w taki sposób, że do zacisku w którym łączą się katody diod jest dołączona anoda tyrystora T, zaś do zacisku w którym łączą się anody diod dołączona jest katoda tego tyrystora, natomiast do jednego z pozostałych zacisków mostka dołączony jest zacisk U, a do drugiego zacisk V; podobnie do zacisków V i W silnika M dołączony jest analogicznie zbudowany klucz K2 w identyczny sposób połączone są pozostałe dwukierunkowe klucze K3 i K4; Zadaniem kluczy K1, K2 jest okresowe zwieranie początków uzwojeń silnika M, a kluczy K3, K4 okresowe zwieranie końców uzwojeń silnika M. Zamiast kluczy K1 K4, w których występują tyrystory można zastosować tranzystory mocy. Ze względu na specyfikę pracy tranzystorów algorytm ich sterowania będzie wówczas znacznie prostszy. Powyższy opis dotyczy przedstawionej pełnej struktury sześciopulsowej. Jeśli nie będą wykorzystywane następujące elementy: P1a P6a, K1 K4, L1a L3a lub P1b P6b, K1 K4, L1b L6b, to otrzymamy układ trójpulsowy. W takim przypadku uzwojenia silnika M zostają przyłączane za pośrednictwem przełącznika P do aktywnej grupy tyrystorów: górnej T1 T18 lub dolnej T19 T36t, co zobrazowano na fig. 4. Wobec powyższego silnik M może mieć dostępne jedynie trzy zaciski poszczególnych uzwojeń U, V, W, ewentualnie czwarty zacisk dla przewodu neutralnego N. Cyklokonwertor trójpulsowy Uproszczony schemat blokowy opcjonalnego układu z trójpulsową strukturą przekształtnika U 3 i z silnikiem połączonym w gwiazdę z wyprowadzonymi jedynie początkami uzwojeń U, V, W przedstawia fig. 5. Jeżeli źródło zasilania, np. transformator Tr, ma dostępny punkt neutralny i jednocześnie

7 PL B1 7 taki punkt jest dostępny w silniku M, to jest możliwa praca układu z przewodem neutralnym N co zaznaczono linią przerywaną na fig 5 i 6. W cyklokonwertorze trójpulsowym U 3 można wyróżnić grupy trzech tyrystorów, których katody są połączone wspólnie, natomiast ich anody są dołączone do faz A, B, C źródła zasilania. Jest to tzw. grupa katodowa. Analogicznie grupy trzech tyrystorów z połączonymi wspólnie anodami, których katody są dołączone do źródła zasilania są nazywane grupami anodowymi. Na każdą fazę silnika M przypada jedna grupa katodowa P1a, P3a, P5a i jedna anodowa P2a, P4a, P6a jak pokazano na fig. 6. Ze względu na charakterystyczne połączenie tyrystorów T ten typ cyklononwertora bywa nazywany trójpulsowym lub gwiazdowym. Praca cyklokonwertora trójpulsowego (gwiazdowego) polega na formowaniu napięcia wyjściowego z odpowiednich wycinków przebiegów napięć zasilania. Napięcie to jest odkształcone i zawiera wyższe harmoniczne. Odkształcenia napięcia wyjściowego rosną ze wzrostem częstotliwości. Ze względu na konieczność ograniczania zawartości wyższych harmonicznych napięcia wyjściowego, jego częstotliwość maksymalna nie przekracza 2/3 częstotliwości napięcia sieci zasilającej U s z. Dzięki temu dodatnia półfala napięcia na wyjściu jest tworzona gdy przewodzi tyrystor grupy katodowej P1a, P3a, P5a, natomiast ujemna półfala napięcia powstaje gdy przewodzi tyrystor w grupie anodowej P2a, P4a, P6a. Chwile podawania impulsów załączających GT są określone poprzez odpowiedni algorytm. Przykładowe funkcje sterujące pracą takiego przekształtnika zostały przedstawione na rysunku fig. 7. Kształt przebiegu napięcia na wyjściu cyklokonwertora zależy od charakteru okresowych zmian kątów opóźnienia wysterowania α tyrystorów T w grupach katodowych P1a, P3a, P5a i anodowych P2a, P4a, P6a. Przebieg napięcia wyjściowego jest najbardziej zbliżony do sinusoidalnego, gdy zmiany tych kątów wyrażają się zależnościami: U 2m = arccos sin ω t Ud0 α1 2 U = 2m α2 arccos sin ω 2 t Ud0 gdzie: α 1 - kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów grup katodowych α - kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów grup anodowych U 2m - amplituda napięcia wyjściowego; ω 2 - pulsacja napięcia wyjściowego; U d0 - wartość średnia napięcia wyprostowanego w nieobciążonym prostowniku wchodzącego w skład cyklokonwertora przy α = 0. Zmiany kątów opóźnienia wysterowania α 1 i α 2 tyrystorów prostowników składowych cyklokonwertora w funkcji czasu zobrazowano na fig. 7, a przykładowe przebiegi czasowe napięcia i prądu odbiornika zasilanego z ww. bezpośredniego przemiennika częstotliwości zilustrowano na fig. 8. Częstotliwość napięcia zasilającego f z jest równa 50 Hz, natomiast częstotliwość wyjściowa f s wynosi 10 Hz. Odbiornik ma charakter rezystancyjnoindukcyjny. W podobny sposób funkcjonuje wcześniej opisany cyklokonwertor sześciopulsowy z tym, że prostowniki z których jest on zbudowany są mostkami sześciopulsowymi. Działanie układu rozruchowego. Do zadajnika N układu sterowania US wprowadza się nastawy: częstotliwości granicznej f gr, maksymalnej dopuszczalnej podczas rozruchu wartości prądu stojana l smax oraz doprowadza się sygnały: rzeczywistej wartości prędkości obrotowej ω s i prądu stojana I s. Rozruch odbywa się dwuetapowo. W pierwszym etapie, zakładając rozruch od początkowej prędkości obrotowej równej zero, układ przełączający UP uaktywnia pierwszy generator G1 wysyłający impulsy załączające tyrystory T przekształtnika U według typowego algorytmu. Układ rozruchowy pracuje jako bezpośredni przemiennik częstotliwości, którego praca została szczegółowo wyjaśniona wcześniej. Częstotliwość f s i wartość skuteczna napięcia zasilającego silnik M będzie narastać płynnie od wartości minimalnej, np. od zera, do zadanej wartości granicznej f gr. Szybkość narastania tej częstotliwości i napięcia dobiera się tak, aby nie przekroczyć maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu stojana I smax silnika M. Podczas tego etapu rozruchu impulsy bramkowe GT nie są podawane na tyrystory T kluczy K1 K4 pokazane na fig. 3, co oznacza, że z elektrycznego punktu widzenia elementy te stanowią przerwę. Po osiągnięciu przez układ częstotliwości granicznej f gr, układ

8 8 PL B1 przełączający UP dokonuje przełączenia pracy układu sterującego US na drugi generator G2, który zmienia sposób generowania impulsów załączających tyrystory T przekształtnika U. Następuje tym samym przejście do drugiego etapu rozruchu, w którym częstotliwość f s napięcia zasilającego silnik M jest stała, natomiast zmienia się jedynie wartość skuteczna napięcia wyjściowego z przekształtnika U. Przekształtnik U pracuje wówczas jako trójfazowy sterownik prądu. W drugim etapie można wyróżnić kilka taktów cyklicznego sterowania układu rozruchowego, trzy dla trójpulsowej struktury przekształtnika U lub sześć dla jego struktury sześciopulsowej, które realizują założony algorytm taktowania sterujący załączaniem wybranych tyrystorów w danym takcie pracy przekształtnika U. Czas trwania jednego taktu obejmuje od jednego do kilku okresów napięcia sieciowego U s z, po czym algorytm taktowania załącza inne grupy tyrystorów T. Pełny cykl pracy obejmuje jak wcześniej wspomniano trzy lub sześć taktów w zależności od konstrukcji przekształtnika U. Dokładny stan pracy poszczególnych tyrystorów T ilustruje tabelaryczny algorytm przedstawiony na fig. 9, gdzie impulsy załączające poszczególne tyrystory T w przekształtniku U oznaczono GT1 -GT36 a w kluczach K jako GK1 GK4. Symbol zaczernionego kółka na fig. 9 oznacza, że na dany tyrystor T są podawane impulsy GT załączające je w odpowiednich chwilach czasu, puste pola oznaczają brak impulsów załączających GT i GK. Zakreskowane pole tabeli odpowiada stanowi pracy tyrystorów w kluczach K1 K4. Cykliczne struktury pracy trójfazowego sterownika prądu S powstającego według powyższego algorytmu dla układu rozruchowego silnika klatkowego M z cyklokonwertorem trójpulsowym U 3 przedstawia fig. 10. Struktura cyklokonwertora U 3 funkcjonuje w pierwszej fazie rozruchu, jest to układ bezpośredniego przemiennika częstotliwości. W drugiej fazie rozruchu na drodze sterowania zostaje zrealizowana zmiana rodzaju pracy i przekształtnik U funkcjonuje jako trójfazowy sterownik prądu S kontynuując rozruch napięciowy, który może pracować w przedstawionych trzech strukturach S 3, odpowiednio: 1), 2), 3). Natomiast na fig. 11 zostały przedstawione cykliczne struktury pracy trójfazowego sterownika prądu S 6 powstające dla układu rozruchowego silnika klatkowego M z cyklokonwertorem sześciopulsowym U 6. Układ po przełączeniu pracuje w konfiguracji trójfazowego sterownika prądu S, który ma sześć struktur: 1), 2), 3), 4), 5), 6). W tym etapie struktura cyklokonwertora U 6 na drodze zmiany sterowania zostaje przełączona w trójfazowy sterownik prądu S 6. W cyklokonwertorze tym w strukturze 1) sterownika S 6 wysterowywane są tyrystory T w grupie P1a i P2a przyłączonej do fazy A źródła napięcia, w grupie P3a i P4a fazy B oraz w grupie P5a i P6a fazy C, co zostało przedstawione na fig. 11 linią pogrubioną. Pozostałe tyrystory T nie są wysterowywane. Po całkowitej wielokrotności okresu napięcia zasilającego U s z do pracy wchodzą tyrystory T przedstawione w strukturze 2). Po następnej całkowitej wielokrotności okresu napięcia zasilającego U s z do pracy wchodzą odpowiednio wysterowywane tyrystory T wyróżnione w strukturze 3). Impulsy załączające GT wymienione wyżej tyrystory T są także podawane jednocześnie na tyrystory dwukierunkowych kluczy K1 i K2. Zadaniem tych kluczy jest zwieranie zacisków X, Y, Z, co skutkuje połączeniem uzwojenia stojana silnika M w gwiazdę. Następnie w analogiczny sposób wysterowywane są kolejno tyrystory T w grupie P1b, P2b fazy A, w grupie P3b, P4b fazy B oraz w grupie P5b. P6b fazy C. Po całkowitej wielokrotności okresu napięcia zasilającego do pracy wchodzą tyrystory T wyróżnione w strukturze 5). Po następnej całkowitej wielokrotności napięcia zasilającego do pracy wchodzą tyrystory wg struktury 6). Impulsy załączające GT te tyrystory są podawane jednocześnie także na tyrystory dwukierunkowych kluczy K3 i K4, których zadaniem jest zwarcie zacisków U, V, W i w konsekwencji połączenie uzwojeń silnika M w gwiazdę. Przykładowy przebieg prędkości obrotowej według omawianego sposobu rozruchu przedstawiono na fig. 12. Układ sterowania US zgodnie z zadaną nastawą częstotliwości granicznej f gr wynoszącą ok. 2/3 częstotliwości napięcia zasilającego f z dokonał przełączenia pracy układu rozruchowego w struktury sterownika prądu S po osiągnięciu przez układ tej częstotliwości granicznej. Zwiększanie wartości napięcia U s zasilającego silnik M odbywało się poprzez zmianę kąta opóźnienia wysterowania α. Po osiągnięciu przez ten kąt takiej wartości przy, której prąd stojana l s silnika M ma charakter ciągły, układ przełączający UP może dokonać załączenia łącznika rozruchowego P, bocznikującego przekształtnik U. Po dokonanym rozruchu silnik M może zostać bezpiecznie włączony bezpośrednio do sieci zasilającej Lz.

9 PL B1 9 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób rozruchu trójfazowego indukcyjnego silnika klatkowego zasilanego z tyrystorowego układu rozruchowego, zbudowanego na bazie znanego układu bezpośredniego przemiennika częstotliwości - cyklokonwertora trój lub sześciopulsowego, polegający na zwiększaniu prędkości obrotowej silnika poprzez zmianę częstotliwości i napięcia podawanego na silnik z cyklokonwertora sterowanego fazowo przez generator impulsów załączających tyrystory cyklokonwertora według znanego algorytmu taktowania, znamienny tym, że wstępnie wprowadza się do zadajnika (N) układu sterowania (US) pożądaną nastawę częstotliwości granicznej (f gr ), po czym po zainicjowaniu rozruchu prowadzi się go w dwóch etapach dla których granicą przejścia z jednego etapu w drugi jest moment osiągnięcia przez układ rozruchowy silnika (M) zadanej częstotliwości granicznej (f gr ), przy czym w pierwszym etapie rozruch silnika (M) odbywa się poprzez płynną zmianę częstotliwości i napięcia według znanego algorytmu taktowania tyrystorów cyklokonwertora (U) sterowanego fazowo przez generator rozruchu częstotliwościowo-napięciowego (G1), a w drugim etapie jedynie poprzez płynną zmianę napięcia według zadanego algorytmu taktowania układu rozruchowego z cyklokonwertorem (U) sterowanym fazowo przez generator rozruchu napięciowego (G2), przy czym algorytm ten wyodrębnia z bazowego układu cyklokonwertora (U) co najmniej jedną strukturę układową typowego trójfazowego sterownika prądu przemiennego (S). 2. Sposób rozruchu według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie rozruchu szybkość narastania częstotliwości i napięcia jest taka, aby nie przekroczyć wprowadzonej do zadajnika (N) nastawy maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu (l smax ) stojana silnika (M). 3. Sposób rozruchu według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie rozruchu szybkość narastania napięcia jest taka, aby nie przekroczyć wprowadzonej do zadajnika (N) nastawy maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu (I smax ) stojana silnika (M). 4. Sposób rozruchu według zastrz. 1, znamienny tym, że wprowadza się do zadajnika (N) układu sterującego (US) nastawę częstotliwości granicznej (f gr ) o wartości od 1/2 do 2/3 częstotliwości (f z ) sieci zasilającej Lz. 5. Sposób rozruchu według zastrz. 1, znamienny tym, że algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego (G2) uruchamia naprzemienną, cykliczną pracę poszczególnych struktur trójfazowych sterowników prądu (S) wydzielonych z układu cyklokonwertora (U), przy czym cykl przewodzenia poszczególnych struktur (S) obejmuje co najmniej jeden pełny okres napięcia sieciowego (U s z ), zaś przesunięcie fazowe sąsiednich napięć w danej strukturze wynosi 120, a kolejność faz jest dla każdej struktury (S) taka sama. 6. Sposób rozruchu według zastrz. 5, znamienny tym, że w drugim etapie rozruchu dla zasilania silnik (M) połączonego w gwiazdę, z lub bez przewodu neutralnego, algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego (G2) ma trzy takty dla sterowania cykliczną pracą przełączalnych struktur (S 3 ) cyklokonwertora trójpulsowego (U 3 ). 7. Sposób rozruchu według zastrz. 5, znamienny tym, że w drugim etapie rozruchu dla zasilania silnika (M), z dostępnymi początkami i końcami uzwojeń stojana, algorytm taktowania generatora rozruchu napięciowego (G2) ma sześć taktów dla sterowania cykliczną pracą przełączalnych struktur (S 6 ) cyklokonwertora sześciopulsowego (U 6 ). 8. Sposób rozruchu według zastrz. 7, znamienny tym, że dla układu rozruchowego zawierającego tyrystorowe dwukierunkowe klucze (K1 do K4), zwierające początki lub końce uzwojeń silnika (M), inicjuje się w generatorze rozruchu napięciowego (G2) dodatkowe impulsy załączające (GTK1 do GTK4) umożliwiające pracę tych kluczy przez okres czasu zapewniający przewodzenie tyrystorów (T) danej struktury (S 6 ) cyklokonwertora sześciopulsowego (U 6 ) przez cały czas trwania taktu przewodzenia danej struktury (S 6 ).

10 10 PL B1 Rysunki

11 PL B1 11

12 12 PL B1

13 PL B1 13

14 14 PL B1

15 PL B1 15

16 16 PL B1

17 PL B1 17

18 18 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,00 zł.