ROZRUCH I REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY WYKORZYSTANIU STATYCZNEGO UKŁADU UPS

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr Ryszard BOROWSKI* silnik elektryczny, indukcyjny rozruch przemiennik częstotliwości ROZRUCH I REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY WYKORZYSTANIU STATYCZNEGO UKŁADU UPS Rozważano możliwość zastosowania statycznego trójfazowego układu UPS jako przemiennika częstotliwości służącego do rozruchu i regulacji prędkości silnika indukcyjnego klatkowego dla przypadków: rozruch napędu elektrycznego dźwignicy z ograniczeniem udarów momentu obrotowego oraz z regulacją czasu rozruchu; regulacja częstotliwości zasilania do uzyskania odpowiednich prędkości obrotowych dla dźwignicy. Zaproponowano specjalny adaptacyjny układ sterowania dla systemu UPS, który umożliwia odpowiednią nastawę prądu rozruchu i prądu dla pracy ustalonej napędu. Przedstawiono uzyskane z symulacji komputerowej przebiegi: momentu obrotowego, prędkości kątowej i prądu dla analizowanego napędu elektrycznego. 1. WPROWADZENIE Zajęto się zastosowaniem statycznego trójfazowego układu UPS jako przemiennika częstotliwości (układ PCz), który służy do przeprowadzania rozruchu oraz umożliwia regulację prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego (SIK) napędzającego dźwignicę. Przez zastosowanie zmodyfikowanego układu UPS do rozruchu SIK można wpływać na: zmniejszenie udarów momentu; zmniejszenie udarów prądu; zmniejszenie lub skracanie czasu rozruchu napędu. Oznacza to, że układ UPS może zastępować klasyczne układy SOFT-STARTu, a jednocześnie wypełniać swoją zasadniczą funkcję, jaką jest rezerwowanie zasilania w energię elektryczną. Drugą funkcję, którą może wypełniać zmodyfikowany statyczny układ UPS jest regulacja prędkości napędu elektrycznego dźwignicy z silnikiem indukcyjnym, W tym przypadku przewiduje się tylko uzyskiwanie tzw. prędkości dostawczej dla dźwignicy (ok. 20% prędkości znamionowej silnika). Jest to więc praca układu UPS na krótkich odcinkach * Instytut Elektrotechniki, Akademia Techniczno-Rolnicza, ul. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz.

2 czasu przy podnoszeniu lub opuszczaniu ciężaru. Przez większość czasu pracy podczas podnoszenia i opuszczania silnik indukcyjny klatkowy (SIK) jest zasilany bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej (sieć EE). Podstawą do napisania tego artykułu były badania i publikacje Autora dotyczące problematyki: określenia niezawodności silników elektrycznych jako obiektów wielostanowych [2]; analizy przyczyn i skutków uszkodzeń silników elektrycznych na przykładzie uszkodzeń silników asynchronicznych [3]; wpływu zasilania silnika indukcyjnego z układów energoelektronicznych na jego niezawodność działania [4]. Jednocześnie należy podkreślić, że Autor został zainspirowany przez publikacje innych autorów [1, 7, 8, 9, 10, 11], które dotyczyły problemów: przepięć i prób udarowych maszyn elektrycznych [1, 9]; zasilania silnika indukcyjnego klatkowego niesinusoidalnym napięciem z falowników PWM [6, 8, 11]. W publikacji przedstawiono nieukończone jeszcze badania Autora dotyczące statystyki uszkodzeń silników indukcyjnych klatkowych (SIK) zasilanych z przemienników częstotliwości (PCz). Dla porównania przedstawiono też statystyki uszkodzeń SIK przy zasilaniu z sieci elektroenergetycznej (sieć EE), która zapewnia praktycznie sinusoidalne napięcie i prąd dla zasilania silników (zob. tab. 1). Większość obecnie stosowanych układów przemienników częstotliwości pracuje z modulacją szerokości impulsów (PWM), co umożliwia na kształtowanie prawie sinusoidalnego prądu ze stosunkowo małą zawartością harmonicznych wysokich rzędów. W zasadzie w prądzie silnika nie występują harmoniczne niskich rzędów (5, 7, 11), które mogą wytwarzać pasożytnicze momenty napędowe (moment jest jednak oscylujący około stałej wartości). Należy podkreślić, że napięcie na wyjściu układu PCz jest silnie odkształcone. Właśnie taki przebieg napięcia w czasie zasilania silnika z układu PCz powoduje zasadniczą zmianę w mechanizmach odpowiedzialnych za uszkodzenia SIK. Należy podkreślić, że zaczynają dominować uszkodzenia związane z przepięciami, które są znacznie większe od napięcia znamionowego silnika. Jednocześnie należy się liczyć z dużą stromością narastania tego napięcia (duże du/dt). Powyższe czynniki (duże U m i duże du/dt) powodują znaczne przyspieszenie degradacji izolacji uzwojenia SIK [1, 4, 5, 6, 8, 10]. Na podstawie badań własnych Autora oraz symulacji komputerowej dla SIK podczas zasilania z PCz wyciągnięto wnioski dotyczące możliwych rodzajów uszkodzeń. A. Termiczna degradacja izolacji (TID) nie powinna praktycznie wystąpić, ponieważ wszystkie stany przejściowe mogą się odbywać łagodnie ze skutecznie działającym ograniczeniem prądowym. B. W przypadku zwarcia zwojowego (WF) liczba uszkodzeń może się znacznie zwiększyć, co jest związane z: bardzo dużymi przepięciami generowanymi przez PCz pracujący z PWM; zwiększonymi stratami mocy spowodowanymi wyższymi harmonicznymi napięcia i prądu, co wpływa na wzrost temperatury uzwojeń silnika. C. W przypadku zwarcia do korpusu (FtH) zwiększy się liczba uszkodzeń z uzasadnieniem jak dla WF. 67

3 68 D. W przypadku zwarcia międzyfazowego (PtPF) zwiększy się liczba uszkodzeń z uzasadnieniem jak dla WF. E. Przypadki uszkodzeń klatki wirnika (RCF) nie powinny praktycznie wystąpić z uzasadnieniem jak dla TID. F. W przypadku uszkodzeń mechanicznych (MD) liczba uszkodzeń powinna się znacznie zmniejszyć ze względu na istotne ograniczenie udarów momentu w stanach przejściowych, co szczególnie dotyczy rozruchu typu B. Należy się jednak liczyć z niewielkim wzrostem uszkodzeń, które wynikają ze zwiększonych drgań mechanicznych w napędzie, występujących nawet w stanie ustalonym. Należy tu uwzględnić możliwe rezonanse układów mechanicznych oraz zmęczenie materiałów. Prądy łożyskowe mogą też spowodować zwiększenie liczby uszkodzeń łożysk [11]. G. W przypadku niewłaściwej eksploatacji (IO) liczba uszkodzeń powinna się nieco zmniejszyć, co jest związane ze skuteczniejszym działaniem zabezpieczeń dla silnika i układu PCz. 2. MOŻLIWOŚCI ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY ZASILANIU Z PCZ Pprzeanalizowano najpierw stany dynamiczne napędu elektrycznego z silnikiem indukcyjnym klatkowym, który jest zasilany z układu PCz. Do obliczeń, a następnie do symulacji komputerowej, wykorzystano model matematyczny SIK z wieloobwodowym odwzorowaniem klatki wirnika według równania [4, 7]: dω I = dt dω = dt 1 [ M ] { U ( jω [ 1] jω[ K ])[ M ] I [ R] I} 2 p J Re j L s N m Iri I s i= 1 2 p M J m (1) gdzie: U, I wektory napięć i prądów, [1], [K] macierze jednostkowe. Dla podanych równań parametry macierzy indukcyjności i rezystancji zastępczych obwodu wirnika określono na podstawie rozwiązania równań różniczkowych opartych na uogólnionym równaniu Riccatiego. W modelu matematycznym dla SIK uwzględniono: zmienność reaktancji rozproszenia uzwojeń silnika na skutek zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego; narastanie liniowe częstotliwości PCz w czasie rozruchu od zera do wartości zadanej f zad :

4 ( t / t ) fzad n dla 0 t < tn < tn f = (2) fzad dla t tn gdzie t n wybrany czas narastania wartości f i U; narastanie liniowe napięcia PCz w czasie rozruchu od zera do wartości zadanej U zad : ( t / t ) U zad n dla 0 t < tn < tn f = (3) U zad dla t tn Na podstawie przebiegów dynamicznych uzyskanych w badaniach Autora oraz na podstawie literatury [4, 7] wyciągnięto wnioski, które dotyczą rozruchu częstotliwościowego SIK przy zasilaniu z układu PCz. Rozruch SIK prowadzono w czasie narastania napięcia i częstotliwości według zależności (2) i (3), z pracą napędu w układzie otwartym i bez ograniczenia prądu. Należy podkreślić, że dla tego sposobu rozruchu można uzyskać istotne ograniczenie prądu i momentu w czasie rozruchu silnika. A. ROZRUCH OSTRY nastawiona wartość t n 0,5 t n2i, gdzie t n2i jest tak dobranym czasem t n, dla którego wartość maksymalna prądu w czasie rozruchu jest równa 2I N (I N prąd znamionowy silnika). Jest to właściwie przypadek rozruchu SIK ze skokiem częstotliwości i napięcia od zera do wartości zadanej. Przebieg dynamiczny w czasie rozruchu charakteryzuje się wtedy: dużymi udarami prądu (I mu 4I N ) przy stosunkowo małym odkształceniu tego prądu (prąd jest najczęściej kształtowany w układzie nadążnym dla układu PCz); dużymi udarami momentu napędowego, w którym praktycznie mogą nie wystąpić oscylacje [4] (moment oscyluje tylko w zakresie dodatnich wartości); liniowym narastaniem prędkości silnika w czasie rozruchu z niewielkim przeregulowaniem na końcu rozruchu; drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małej częstotliwości (100 Hz) ze średnią amplitudą przemieszczeń. Jest to związane także z pewną niesymetrią napięć i prądów, która występuje przy zasilaniu z układu PCz. Generalnie ten typ rozruchu swoim charakterem jest zbliżony do rozruchu bezpośredniego SIK i zasilania z sieci EE, a więc i uszkodzenia dla tego przypadku mogą mieć podobny charakter. B. ROZRUCH OPTYMALNY nastawiona wartość 0,5t n2i t n t n2i. Jest to w zasadzie najbardziej korzystny przypadek rozruchu częstotliwościowego. Ten typ rozruchu należy więc przyjmować, chyba że są inne wskazania związane z technologią w rozpatrywanym procesie produkcyjnym. Wymagane jest np. bardzo wolne narastanie prędkości obrotowej, co w przypadku zasilania z sieci EE wymusza zastosowanie układu SOFT-STARTu. Przebieg dynamiczny w czasie rozruchu charakteryzuje się wtedy: średnimi udarami prądu (I mu 2I N dla t n2i ) przy stosunkowo małym odkształceniu tego prądu w czasie rozruchu; średnimi udarami momentu obrotowego (M mu 1,5M N dla t n2i ) (występuje wtedy tylko jedno maksimum momentu i jedno minimum tego momentu) [7]; 69

5 70 prędkość obrotowa silnika narasta w zasadzie liniowo w czasie rozruchu z niewielkim przeregulowaniem na koniec tego rozruchu; drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małej częstotliwości z małą amplitudą przemieszczenia (niesymetria zasilania z układu PCz). C. ROZRUCH ŁAGODNY nastawiona wartość t n t n2i. Ten typ rozruchu należy przyjmować, gdy jest wymagane zastosowanie układu SOFT-STARTu, a więc jest konieczne ograniczenie momentu i wolne narastanie prędkości obrotowej. Przebieg dynamiczny w czasie rozruchu charakteryzuje się wtedy: małymi udarami prądu (I mu < I N ), przy większym odkształceniu tego prądu w czasie rozruchu; małymi udarami momentu (M mu < M N ) z wieloma maksimami i minimami (momenty dodatnie i ujemne) przy wolnym narastaniu częstotliwości i napięcia na wyjściu PCz; pojawiają się stosunkowo niewielkie oscylacje prędkości obrotowej w czasie rozruchu z niewielkim przeregulowaniem na koniec tego rozruchu; drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małych i średnich częstotliwości (np. dla 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz) ze stosunkowo dużymi amplitudami przemieszczeń, co może być związane z wymuszeniami o częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości własnych układu mechanicznego. Należy podkreślić, że w rzeczywistych warunkach eksploatacji silników indukcyjnych zasilanych z układów PCz, parametr t n jest przyjmowany dosyć dowolnie i najczęściej mamy do czynienia z przypadkiem C. Jest to jednak i tak przypadek zdecydowanie lepszy od przypadku A, ze względu na mniejsze udary momentu i prądu w czasie rozruchu silnika. 3. ZASTOSOWANIE UKŁADU UPS DO ROZRUCHU I REGULACJI PRĘDKOŚCI SIK Przy symulacji komputerowej trójfazowego układu UPS zasilającego silnik indukcyjny w czasie rozruchu korzystano z pakietu programów symulacyjnych TCAD 6.2 [12]. Przeanalizowano poniższe przypadki, które uwzględniały załączenie lub wyłączenie odpowiednich łączników (łączniki sieci EE i łączniki układów PCz na schemacie z rys. A. 1): Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy bezpośrednim załączeniu zasilania z sieci EE. Przebiegi prądu silnika, momentu obrotowego oraz prędkości kątowej zostały przedstawione dla tego przypadku na rys. 2. B. Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy zasilaniu z układu PCz zmniejszoną częstotliwością (25 Hz), z ograniczeniem momentu maksymalnego w czasie rozruchu i przełączeniem na rozruch z sieci EE po nastawionym czasie. Przebiegi przejściowe dla prądu, momentu i prędkości kątowej zostały przedstawione dla tego przypadku na rys. 3.

6 71 Rys. 1. Statyczny trójfazowy układ UPS jako przemiennik częstotliwości służący do rozruchu i regulacji prędkości silnika indukcyjnego klatkowego Fig. 1. UPS system as a frequency converter intended for starting and adjustment of rotational speed of induction squirrel-cage motor Rys. 2. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku A Fig. 2. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case A

7 72 Rys. 3. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku B Fig. 3. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case B Rys. 4. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku C Fig. 4. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case C

8 73 Rys. 5. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku D Fig. 5. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case D Rys. 6. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku E Fig. 6. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case E

9 74 C. Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy zasilaniu z układu PCz częstotliwością 50 Hz z jedną nastawioną wartością prądu ograniczenia i przełączeniem na dalszy rozruch z sieci EE po nastawionym czasie. Przebiegi przejściowe dla tego przypadku przedstawiono na rys. 4. D. Nastawienie 1 / 2 prędkości synchronicznej (f = 25 Hz) SIK pracującego w napędzie dźwignicy (podnoszenie). Uwzględniono przy tym rozruch SIK ze skokowo zmienną wartością prądu ograniczenia. Przebiegi przejściowe dla tego przypadku zostały przedstawione na rys. 5. E. Nastawienie prędkości synchronicznej z częstotliwością znamionową (f = 50 Hz) dla SIK pracującego w napędzie dźwignicy (podnoszenie). Uwzględniono przy tym rozruch silnika indukcyjnego ze skokowo zmienną wartością prądu ograniczenia. Przebiegi przejściowe dla tego przypadku zostały przedstawione na rys. 6. Jest to jednocześnie sprawdzenie możliwości zasilania silnika przez układ UPS-a w przypadku zaniku napięcia w sieci EE. 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE Analiza wyników symulacji komputerowej przedstawionych w rozdziale trzecim niniejszej publikacji pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków dla napędu elektrycznego dźwignicy z silnikiem indukcyjnym. A. Rozruch bezpośredni przy zasilaniu z sieci EE (rys. 2) powoduje w szczególności: duże udary i oscylacje momentu obrotowego; oscylacyjny wzrost prędkości kątowej w początkowej fazie rozruchu; stosunkowo dużą wartość prądu rozruchowego. B. Rozruch przy zasilaniu z układu PCz małą częstotliwością (25Hz), a następnie przełączenie po nastawionym czasie na dalszy rozruch z sieci EE. Obserwuje się wtedy w stosunku do przypadku A: zmniejszenie udarów i oscylacji momentu obrotowego; występuje nieoscylacyjny wzrost prędkości kątowej; wskazano na możliwość zadawania prądu rozruchowego zgodnego np. z wymaganiami mechanicznymi i elektrycznymi (funkcja SOFT-STARTu). C. Rozruch przy zasilaniu z układu PCz większą częstotliwością (50 Hz), a następnie przełączenie po nastawionym czasie na rozruch z sieci EE. Obserwuje się wtedy dla przypadku C w stosunku do przypadku A podobną sytuację jak w przypadku B. Jednak rozruch typu C jest nieco gorszy od rozruchu typu B. D. Przy nastawieniu małej prędkości i zasilaniu z układu PCz ze skokowo zmienną wartością prądu ograniczenia uzyskuje się: niewielkie oscylacje momentu obrotowego silnika w stanie ustalonym, co może być powodem wzrostu drgań mechanicznych i hałasu generowanego przez układ elektromechaniczny; stosunkowo niewielkim odkształceniem prądu silnika; stosunkowo dużymi odkształceniami napięcia na silniku z przepięciami, właśnie przepięcia przy zasilaniu silnika indukcyjnego z układu PCz powodują znaczne przyspieszenie degradacji uzwojenia stojana SIK, a więc zwiększenie liczby

10 uszkodzeń z tym związanych; potwierdzają to także badania Autora dotyczące niezawodności SIK [4, 5] (zob. tab. 1). 75 Tabela 1. Procent uszkodzeń przy zasilaniu z: sieci EE układu PCz Table 1. Percent of defects in case of power supply from: PEM system FC circuit RODZAJE USZKODZEŃ PROCENT USZKODZEŃ PRZY ZASILANIU Z: SIECI EE, % UKŁADU PCz, % Termiczna degradacja izolacji TID Zwarcia zwojowe WF Zwarcia do korpusu FtH Zwarcia międzyfazowe PtPF Uszkodzenia klatki wirnika RCF Uszkodzenia mechaniczne MD Niewłaściwa eksploatacja IO E. Przy nastawieniu dużej prędkości silnika i zasilaniu z układu PCz ze skokowo zmienną wartością prądu ograniczenia można wyciągnąć podobne wnioski jak dla przypadku D. LITERATURA [1] ANDREA W., SPERLING P., Beanspruchung der Wicklungsisolierung beim Schalten el. Maschinnen. Simens Zeitschrift nr 10/1975. [2] BOROWSKI R., Określenie niezawodności silników elektrycznych jako obiektów wielostanowych (Analysis of causes and effects of electric motor defects). Wyd. PAN na XXV Zim. Sz. Niezawodności, Szczyrk [3] BOROWSKI R., Analiza przyczyn i skutków uszkodzeń silników elektrycznych na przykładzie uszkodzeń silników asynchronicznych. (Determination of reliability of electric motors). Wyd. PAN na XXIV Zim. Sz. Niezawodności, Szczyrk [4] BOROWSKI R., Impact of power supply of induction motors from power electronic circuits on their reliability of operation. Konfer. ELECTROMOTION 99 Patras, Grecja [5] BOROWSKI R., Wpływ przepięć powodowanych przez przemienniki energoelektroniczne na uszkodzenia silnika indukcyjnego. Influence of overvoltage caused by power electronic converters on induction motors faults. Wyd. Politech. Białost. na Międzynarod. Konfer. PwUE 99, Hołny/Dubingiai (Litwa) [6] BOROWSKI R., LUDWIKOWSKI Z., Określenie przyrostu temperatury silnika indukcyjnego jako element diagnostyki uszkodzeń uzwojenia stojana tego silnika. (Determining Increase of Temperature of Induction Motor as an Element of the Failure Diagnostics of its Stator Winding). Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa/Kazimierz Dolny 1999.

11 76 [7] BYCZKOWSKA-LIPIŃSKA L., DEMS M., Symulacja komputerowa zjawisk dynamicznych podczas rozruchu częstotliwościowego silnika indukcyjnego. (Computer simulation of dynamic effects during frequency start-up). Wyd. na Konfer. Nauk.-Tech. DPP 98 Gdańsk Jurata [8] CHMELIK K., ČECH V., Silnik indukcyjny klatkowy zasilany napięciem niesinusoidalnym z falowników PWM. (SCIM power supplied with non-sinusoidal voltage PWM). WE nr 4/1998. [9] DUDEK W., KAŁUSKA R., Próby udarowe maszyn elektrycznych. (Electric machine impulse withstand tests). Prace Instytutu Elektrotechniki R. XII, z. 39, Warszawa [10] ERDMAN J.M., Effect of PWM inverters on AC motor bearing current and shaft voltages. IEEE Trans. on Industry Applications nr 2/1996. [11] KRZEMIEŃ Z., Uszkodzenia łożysk w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. (IM bearing defect with power supply from FC circuits). WE nr 4/1998. [12] SZCZĘSNY R., IWAN K., Opis pakietu programów symulacyjnych TCAD 6.2. Politechnika Gdańska STARTING AND ROTATIONAL SPEED ADJUSTMENT OF INDUCTION MOTOR USING STATIC UPS SYSTEM The article considers possibility of employment of a static three-phase UPS system as a frequency converter intended for starting and adjustment of rotational speed of induction squirrel-cage motor for the below cases: Starting electric drive of crane with limitation of torque stroke and adjustment of starting time; Adjustment of power supply frequency to produce proper rotational speed for the crane A special adaptation control circuit was proposed for the UPS system, which facilitates proper adjustment of starting current and current for steady operation of the drive. The above cases are illustrated with characteristics generated from computer simulation of: torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive.