WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO POWER CONVERTER INFLUENCE ON THE NOMINAL POWER THREE PHASE INDUCTION MOTOR

Transkrypt

1 Adam Rogalski Politechnika Warszawska WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO POWER CONVERTER INFLUENCE ON THE NOMINAL POWER THREE PHASE INDUCTION MOTOR Abstract: Three-phase induction motor with a squirrel-cage rotor is the most often applied in the industry as the driving motor. This motors was characterize low cost production and high reliability. previously smooth change of the rotational speed was difficult. Nowadays, when power converters are relatively cheap we easily can regulate rotational speed. The power converters change the frequency of supply by Pulse With Modulation (PWM) and generate higher harmonics orders in the motor. The power converter influence on the nominal power of three phase induction motor was presented in this paper. Tested motor was supply by three-phase harmonic network and by three-phase power converter for the same temperature motor housing. During tests was taken the oscillograms currents and voltage, and then was calculate the amplitude of higher harmonic and efficiency. When power converter supply motor, non-sinusoidal voltage generate higher harmonic order in the motor and increased temperature above nominal. The external cooling must by apply for better ventilations of the motor or the nominal power must by reduced. Supply from power converter in comparison to sinusoidal, causes the lowering the efficiency of energy conversion.. Wstęp Trójfazowe silniki indukcyjne są powszechnie stosowane jako silniki napędowe. Silniki te charakteryzują się niskimi kosztami wytwarzania i wysoką niezawodnością pracy. Podstawowym do niedawna problemem eksploatacyjnym związanym z tego typu mi była stała i trudna do zmiany prędkość obrotowa. Obecnie przy coraz bardziej powszechniejszych i tańszych przekształtnikach energoelektronicznych, powyższy problem traci na znaczeniu. Jako silniki przyszłości przewidywane są układy złożone z indukcyjnego (niekoniecznie trójfazowego) wraz z nabudowanym przekształtnikiem [, 2]. Przekształtniki energoelektroniczne zbudowane są z kilka połączonych ze sobą bloków: prostownika, filtru pośredniczącego i falownika. Blok falownika jest odpowiedzialny za przetworzenie napięcia stałego, na napięcie sinusoidalne przemienne. Realizuje się to poprzez wykorzystanie modulacji szerokości impulsów (z ang. Pulse Width Modulation) PWM. Uzyskane w ten sposób napięcie nie ma przebiegu sinusoidalnego tylko odkształcony, związany z częstotliwością modulacji. Wprowadza to do wyższe częstotliwości (a co za tym idzie wyższe harmoniczne pola) co powoduje zwiększenie strat w silniku, czyli zwiększenie temperatury przy stałej mocy oddawanej, lub zmniejszenie mocy oddawanej przy stałej temperaturze. W artykule zostały przedstawione wyniki pomiarów przedstawiające wpływ rodzaju źródła zasilania na moc oddawaną przy stałej temperaturze. 2. Stanowisko pomiarowe, parametry elementów Silnikiem badanym był standardowy trójfazowy silnik indukcyjny produkcji Indukty - Sg 2s-2A-M o parametrach znamionowych przedstawionych w tabeli. Na stanowisku badawczym (rysunek ) silnik został sprzężony z hamownicą prądu stałego o parametrach znamionowych przestawionych w tabeli 2. Silnik badany był zasilany z trójfazowej sieci energetycznej i generatora synchronicznego zasilanie sinusoidalne oraz z przekształtnika energoelektronicznego firmy Ansaldo tabela.

2 Tabela. Dane znamionowe Sg 2s- 2A-M P N W I N, A Prąd znamionowy U N 4 V zasilania n N 22 obr/min Znamionowa prędkość obrotowa η 84 - Sprawność przy pracy znamionowej cos φ N,8 - Znamionowy współczynnik mocy Tabela2. Dane znamionowe hamownicy PXOD 64a P N W hamownicy Ia N 6,2 A Znamionowy prąd uzwojenia twornika Ua N 2 V uzwojenia twornika If N,26 A Znamionowy prąd uzwojenia wzbudzenia Uf N 22 V uzwojenia wzbudzenia n N obr/min Znamionowa prędkość obrotowa Sieć trójfazowa jest typowym źródłem napięcia zasilającego dla takiego indukcyjnego. Charakteryzuje się ona stałą częstotliwością, stałą amplitudą i w odróżnieniu od przemiennika częstotliwości małą zawartością wyższych harmonicznych. W celu uzyskania niższej częstotliwości napięcia zasilającego i zachowaniu małej zawartości wyższych harmonicznych, badany silnik był zasilany z generatora synchronicznego. Tabela. Dane znamionowe falownika ANSALDO SVTS22FBBN P N 22 kva przetwornika U N 8/48 V zasilania przetwornika I N 2/2 A Znamionowy prąd przetwornika f Hz Częstotliwość znamionowa f 2,-48 Hz Zakres częstotliwości Tabela 4. Dane wpisane do przekształtnika[] I N, A Prąd znamionowy I N,6 A Prąd jałowy f N Hz Częstotliwość znamionowa RPN N 2 2 obr/min Znamionowa prędkość obrotowa U N 4 V Napięcie znamionowe P N, kw cos φ N,8 - Wartość znamionowa współczynnika mocy η 84 - Sprawność przy pracy znamionowej R S 2 mω Rezystancja stojana P 2 - Liczba biegunów Wyniki pomiarów otrzymane przy zasilaniu sinusoidalnym zostały zestawione z wynikami uzyskanymi z pomiarów przeprowadzonych przy zasilaniu z przekształtnika energoelektronicznego, w którym zostały uwzględnione parametry (tabela 4). Sterowanie silnikiem przez przekształtnik odbywało się przy warunku U/f=constant i częstotliwości nośnej równej khz.

3 Rysunek. Widok stanowiska pomiarowego (od lewej: hamownica prądu stałego, badany silnik, falownik). Silnik badany jest budowy zamkniętej, klasy IP. Przyjęto, że temperatura powietrza wewnątrz korpusu odpowiada temperaturze. Wszystkie pomiary zostały wykonane po wstępnym nagrzaniu do temperatury ustalonej, odpowiadającej temperaturze pracy w warunkach znamionowych. Mierzona była temperatura powietrza wewnątrz za pomocą termopary i miernika Metex M-8D. Termopara została umieszczona wewnątrz obudowy, w pobliżu połączeń czołowych, od strony wału.. Wyniki pomiarów W trakcie badań zostały zmierzone prądy i napięcia zasilające i płynące przez silnik, oraz wielkości mechaniczne: prędkość i średni moment wytwarzane przez silnik dla próby obciążenia przy tej samej temperaturze. Poniżej zostały zaprezentowane przebiegi wybranych napięć i prądów zarejestrowanych w trakcie pomiarów za pomocą oscyloskopu cyfrowego marki Textronic dla obciążonego. Badania przeprowadzono dla dwóch częstotliwości: i 4Hz. Napięcie U[V] ,,,,2 Rysunek 2. Kształt napięcia zasilającego silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości Hz ,,,,2 Rysunek. Kształt prądu pobieranego przez silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości Hz. Napięcie U[V] ,,,,2,2 Rysunek 4. Kształt napięcia zasilającego silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 4Hz ,,,,2,2 Rysunek. Kształt prądu pobieranego przez silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 4Hz.

4 Napięcie U[V] ,,,,2 Rysunek 6. Przebiegi napięć zasilających przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa Hz ,,,,2,2 Rysunek. Przebiegi prądów pobieranych przez przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa 4Hz ,,,,2 Rysunek. Przebiegi prądów pobieranych przez przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa Hz. Amplutuda względna,2,,8,6,4,2, Rysunek. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości Hz.,2 Napięcie U[V] ,,,,2,2 Rysunek 8. Przebiegi napięć zasilających przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa 4Hz. Amplutuda względna,,8,6,4,2, Rysunek. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 4Hz.

5 Amplutuda względna,2,,8,6,4,2, Rysunek 2. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu z przemiennika częstotliwości i częstotliwości zasilającej silnik równej Hz. Amplutuda względna,2,,8,6,4,2, Rysunek. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu z przemiennika częstotliwości i częstotliwości zasilającej silnik równej 4Hz. Tabela. Wybrane wyniki otrzymane przy zasilaniu sinusoidalnym f U I śr n P m P el η Hz V A obr/min W W % 8, , Tabela 6. Wybrane wyniki otrzymane przy zasilaniu przekształtnikowym f U I śr n P m P el U f I f P elf Hz V A obr/min W W V A Pel, , , ,4 8 Sprawność przetwarzania energii z uwzględnieniem przekształtnika: dla Hz=8% dla 4Hz=6%. Indeks f w symbolach tabeli 6 dotyczy wielkości elektrycznych za falownikiem. 4. Omówienie wyników Rysunki 2- przedstawiają oscylogramy napięć i prądów zarejestrowanych w trakcie badań. Na rysunkach 2- możemy zaobserwować sinusoidalne przebiegi napięć i prądów. W trakcie tych badań silnik był zasilany za pośrednictwem regulatora indukcyjnego z sieci energetycznej (częstotliwość Hz) i z bezpośrednio z trójfazowej prądnicy synchronicznej (częstotliwość 4Hz). Na rysunkach 6- zaprezentowane zostały oscylogramy napięć i prądów zasilających falownik (napięcie sieci zasilającej i pobierany przez układ prąd), oraz napięcia i prąd pobierany przez silnik. Napięcia zasilające falownik mają kształt sinusoidalny jest to kształt napięcia sieci trójfazowej, zaś napięcie zasilające silnik ma przebieg odkształcony (rysunek 6 i 8). Prąd pobierany przez przekształtnik energoelektroniczny ma kształt odkształcony (impulsowy), zaś prąd pobierany przez silnik ma kształt sinusoidalny (rysunek i ). Rysunki przedstawiają zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięć i prądów przedstawionych na rysunkach 2. Rysunki - przedstawiają zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięć i prądów przy zasilaniu sinusoidalnym. Możemy zaobserwować niewielką, mniejszą niż % wartość amplitudy napięcia zasilającego i równie małą zawartość, harmoniczną prądu zasilającego (prądu ). Na rysunkach (2 i ) przestawiających zawartość wyższych harmonicznych przy zasilaniu z przekształtnika energoelektronicznego. Możemy zauważyć bardzo duża zawartość wyższych harmonicznych prądu pobieranego przez przekształtnik z sieci energetycznej. Również zawartość wyższych harmonicznych w pozostałych przebiegach jest podwyższona w stosunku do zasilania sinusoidalnego: dla częstotliwości Hz:,, 6 i harmoniczna ma większą wartość, zaś dla zasilania z częstotliwością 4Hz można zaobserwować wzrost harmonicznych napięcia :,,,,. W tabelach i 6 przedstawione zostały wybrane wyniki pomiarów otrzymane przy zasi-

6 laniu odpowiednio: sinusoidalnym i z przekształtnika energoelektronicznego. Zmiana źródła zasilania z sinusoidalnego na przekształtnikowy powoduje spadek sprawności : o 6% dla zasilania z częstotliwością Hz i o 4% dla zasilania z częstotliwością 4Hz.. Podsumowanie Wybierając sposób zasilania układu napędowego () należy wcześniej określić parametry jego pracy. Jeżeli silnik ma pracować niedociążony, przy zmiennej prędkości obrotowej, zakup przekształtnika jest dobrym rozwiązaniem. Należy się jednak liczyć z tym, że zasilanie przekształtnikowe przy pracy z częstotliwością znamionową powoduje zmniejszenie sprawności przetwarzania energii i zwiększenie temperatury przy oddawaniu mocy znamionowej przez silnik. Najwyższą sprawność przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną można uzyskać przy zasilaniu sinusoidalnym trójfazowych silników indukcyjnych [4].. Literatura []. Williamson S., Jackson D.C.: Integrated Drives for Industrial Applications, Thirty-fifth International Conference PCIM, -, [2]. Zapaśnik R.: Silnik indukcyjny z wbudowanym przekształtnikiem, Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki, Ustroń -2 marca, -, []. Dokumentacja przemiennika częstotliwości Silcovert SVTS firmy Ansaldo, [4] Boglietti A., Ferraris P., Lazzari M., Profumo F.: Energetic Behaviour of Induction Motors Fed by Inverter Supply, Industry Applications Society Annual Meeting,., Conference Record of the IEEE 2-8 Oct. Page(s): - vol., Autor mgr inż. Adam Rogalski Zakład Maszyn Elektrycznych Politechnika Warszawska rogalski@zme.ime.pw.edu.pl Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2-2 jako projekt badawczy.