ROZRUCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z FALOWNIKA REDNIEGO NAPICIA Z UWZGLDNIENIEM SYNCHRONICZNEGO PRZEŁCZENIA NA SIE

Transkrypt

1 Macin Gzeczkowicz, Włodziiez Koczaa, Zbigniew Szulc Politechnika Waszawska, Waszawa ROZRUCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z FALOWNIKA REDNIEGO NAPICIA Z UWZGLDNIENIEM SYNCHRONICZNEGO PRZEŁCZENIA NA SIE START OF THE CAGE INDUCTION MOTOR SUPPLIED FROM INVERTER AND TRANSIENT CONDITIONS RELATED TO TRANSFER TO SUPPLY GRID Abstact: The pape pesent ethod of stat of a lage cage induction oto. The stating pocess consists of two ain states. In the fist state a powe electonic convete is used to contol the speed and cuent of the acceleating oto. Theefoe the gid cuent is fully contolled and adjusted to efeences. In the second state the powe electonic convete is off and the oto is connected diectly to gid. A ethod of synchonization of the induced ef. of the oto to the gid voltage educes tansient cuent and stating tie. Howeve, elatively long tie of the echanical tansfe switch opeation esults in displaceent of the ef. and then adequate incease of the stato cuent. 1. Wstp Atykuł pezentuje badania syulacyjne układu steowania silnikie indukcyjny klatkowy duej ocy, w dany pzypadku jest to 6,3MW. Analiza dotyczy pocesu ozuchu oaz synchonicznego pzełczenia silnika z falownika ozuchowego na sie zasilajc po ukoczony pocesie. Dziki kontolowaniu pocesu ozuchu i odpowiednieu steowaniu, pd ozuchowy oganiczono do watoci noinalnej pdu silnika, zapoponowano te etod oganiczenia udau pdu w oencie pzełczenia zasilania na sie enegetyczn. 2. Podstawy teoetyczne Do pzepowadzenia kontolowanego pocesu ozuchu silnika, zapoponowano steowanie opate na topologii układu z oientacj wektoa pola (ang. Indiect Field Oiented Contol). W steowaniu tego typu, wykozystuje si dwie składowe pdu stojana I i I sq wyaone w postoktny, wiujcy współbienie z wektoe stuienia, układzie współzdnych d-q. Układ współzdnych zoientowano tak, aby o zeczywista pokywała si z wektoe stuienia winika. Wyuszenie jest pd stojana silnika, a sa silnik opisany jest wówczas poniszyi ównaniai: d T Ψ + Ψ = L I (1) dt T Ω 1 = Ψ 3 L M = p 2 L L I sq Ψ I sq (2) (3) Wielkociai wejciowyi, steujcyi s składowe pdu stojana: I wywołujca stuie wzbudzenia silnika oaz odpowiedzialna za oent składowa I sq. Wynika z tego, e jeli stuie winika silnika Ψ jest stały, to oent aszyny ozwijany na wale jest popocjonalny do składowej I sq pdu stojana. d Zakładajc Ψ = 0, otzyujey: dt Ψ = L I (4) podstawiajc (4) do (2) otzyujey: ponadto: 1 I sq Ω = (5) T I Ωθ = Ω + Ω (6) pzy czy: Ω θ - pdko ktowa układu współzdnych, Ω - elektyczna pdko ktowa winika, Ω - pulsacja polizgu, Ψ - stuie winika, L T = - stała czasowa winika, R L - indukcyjno winika, L - indukcyjno agnesujca silnika, R - ezystancja winika, p - liczba pa biegunów.

2 3. Badania syulacyjne W celu spawdzenia pzebiegu pocesu ozuchu silnika, pzy zapoponowanej etodzie steowania, pzepowadzone zostały badania syulacyjne układu napdowego. Do syulacji uyto pakietu opogaowania PSIM w wesji 6.0. Paaety odelu silnika obliczono na podstawie danych znaionowych silnika SYJe-154t o ocy 6300kW, znaionowa wato skuteczna pdu stojana wynosi 693A pd ozuchowy to 3,8kA a pdko obotowa synchoniczna jest ówna 1500 ob/in Rozuch bezpoedni Wyniki syulacyjne ozuchu silnika pzy bezpoedni podłczeniu do sieci, pzedstawione zostały cele onoci poównania efektywnoci i kozyci płyncych z zastosowania do ozuchu falownika. Pzebiegi pdu jednej z faz stojana i pdkoci obotowej wału aszyny pzy ozuchu bezpoedni pezentuje ys. 1. I[A] n[p] Rys.1. Pzebiegi czasowe pdu fazy stojana (I s ) oaz pdkoci obotowej (n) podczas ozuchu bezpoedniego silnika indukcyjnego (syulacja koputeowa). Jak wida na ysunku 1, wynikie bezpoedniego ozuchu silnika z sieci zasilajcej jest pobó pdu o badzo duej watoci, w analizowany pzypadku aplituda pdu ozuchowego siga 5,5kA. Badzo negatywny skutkie takiego ozuchu jest oddziaływanie na sie powodujce znaczne odkształcenie napicia jak ównie pzecienie linii zasilajcej. Du wad jest tu te kształt pzebiegu oentu elektoagnetycznego silnika pokazany na ysunku 2. Rys.2. Pzebieg czasowy oentu elektoagnetycznego ozwijanego pzez silnik podczas pocztkowej fazy ozuchu (syulacja koputeowa). Silnie oscylujcy pzebieg oentu silnika utzyuje si pzez około 1/3 czasu twania ozuchu i stanowi duy stes echaniczny dla układu zawieszenia winika a take negatywnie wpływa na napdzane uzdzenia. Poponowany ozwizanie pouszanych pobleów jest zastosowanie do ozuchu układu steowania silnikie Rozuch w układzie z oientacj wektoa pola W opaciu o opis i załoenia zawate w ozdziale 2, scheat blokowy poponowanego układu napdowego oe wyglda w sposób zobazowany na ysunku 3. Wyniki syulacyjne ozuchu silnika w układzie z oientacj wektoa pola zostały pokazane na ysunku 4. W pzedstawiony ozwizaniu zastosowano oganiczenie pdu ozuchowego silnika do watoci noinalnej. Jak ona zauway na ysunku 4, ozuch silnika w układzie z oientacj wektoa pola pzebiega o wiele kozystniej z punktu widzenia sieci zasilajcej. Pd fazowy stojana pzez cały poces ozuchu utzyywany jest na pozioie watoci noinalnej cechujcej silnik. Uległ take skóceniu czas potzebny na ozuch. Jak ona si spodziewa, znaczneu polepszeniu uległ te pzebieg ozuchowego oentu elektoagnetycznego silnika, zobazowany na ysunku 5. Pzedstawiony napd pzekształtnikowy o steowaniu polowo zoientowany, pzewidziany jest jedynie jako uzdzenie ozuchowe stosowane do cikich ozuchów silników o duych ocach. Po zakoczony pocesie ozuchu powinno nastpi pzełczenie silnika na sie zasilajc, co uoliwi dokonanie ozuchów kolejnych silników ty say falownikie.

3 Rys.5. Pzebieg czasowy oentu elektoagnetycznego ozwijanego pzez silnik podczas ozuchu (syulacja koputeowa). Pd stojana silnika w sytuacji ziany ódła zasilania pokazany jest na ysunku 6. Do oentu pzełczenia, pd silnika jest pde wyjciowy falownika; od chwili pzełczenia (na ysunku 6, w chwili czasowej t=15s.) pd stojana jest pde sieci zasilajcej. Ω Ω Rys.3. Scheat blokowy układu napdowego z oientacj wektoa pola. I[A] n[p] Rys.4. Pzebiegi czasowe pdu fazy stojana (I s ) oaz pdkoci obotowej (n) podczas ozuchu silnika z falownikie (syulacja koputeowa). Rys.6. Pzebieg czasowy pdu fazy stojana silnika w oencie pzełczenia na sie zasilajc (syulacja koputeowa). Wystpujcy w chwili pzełczenia uda pdowy, spowodowany jest ónic watoci któw fazowych napicia wyjciowego falownika i napicia sieci zasilajcej. Minializacja pzesunicia fazowego poidzy napiciai falownika i sieci, pozwala na edukcj wsponianego udau pdowego towazyszcego pzełczeniu. Rol egulatoa pzesunicia fazowego, pełni w układzie blok synchonizacji, uieszczony na scheacie blokowy (ys.3) za blokie zadajnika pdkoci ktowej Ω zad. Blok a za zadanie tak wpływa na pdko obotow, aby pzesunicie fazowe poidzy napiciai w czasie pzełczenia było bliskie zeu. Sygnałai wejciowyi bloku synchoni-

4 zacji s: watoci chwilowe zadanego napicia wyjciowego falownika i napicia sieci zasilajcej, w obu pzypadkach obliczane s wektoy pzestzenne synchonizowanych napi, nastpnie inializowany kt idzy nii. Poces synchonizacji napicia wyjciowego falownika, inicjowany jest w oencie, gdy pdko obotowa wału silnika pzekoczy wato noinaln. Pzykładowy pzebieg sygnału wyjciowego bloku synchonizacji pzedstawia ysunek 7. Obazuje on wato pzesunicia fazowego (ϕ ) napi, podczas ozuchu silnika i synchonizacji. ϕ [ad] Aby spełni taki waunek posłuono si łcznikie tyystoowy. Jest to jednak ozwizanie o wiele niej opłacalne ni zastosowanie łcznika elektoechanicznego. Czas zadziałania takiego łcznika jest jednak o wiele dłuszy. Pzykładowy pzebieg pdu fazowego silnika pzełczanego z pooc łcznika elektoechanicznego obazuje ysunek 9. Rys.7. Pzebieg watoci pzesunicia ktowego wektoów pzestzennych napicia sieci i napicia falownika (syulacja koputeowa). Pzebieg pdu fazowego stojana silnika, w chwili pzełczenia na sie zasilajc z wykozystanie synchonizacji napi został pokazany na ysunku 8. Synchonizujc pzebiegi napi, wyeliinowano pzetenie towazyszce pzełczeniu. Tak dobe ezultaty uzyskano jednak, jedynie w pzypadku pawie natychiastowego pzełczenia silnika z falownika na sie. Rys.9. Pzebieg czasowy pdu fazowego stojana silnika w czasie pzełczenia na sie zasilajc, z uwzgldnienie czasu atwego 200s (syulacja koputeowa). Czas atwy działania łcznika elektoechanicznego na ysunku 9, pzykładowo wynosi 200s. Dla kótszych czasów zadziałania uda pdowy pzełczania jest bez zian. Pzykładowo na ysunku 10 wynosi 100s. Pzetenie w ty wypadku wynosi około 800A, jest niejsze od pdu noinalnego silnika i uznane za bezpieczne. Rys.8. Pzebieg czasowy pdu fazy stojana silnika w czasie pzełczenia na sie zasilajc (syulacja koputeowa). Rys.10. Pzebieg czasowy pdu fazowego stojana silnika w czasie pzełczenia na sie zasilajc, z uwzgldnienie czasu atwego 100s (syulacja koputeowa). Powyszy poble wynika z ónicy watoci napicia indukowanego w stojanie a napicie sieci zasilajcej. Po odłczeniu falownika od

5 stojana silnika, zaczyna zanika stuie winika, pod wpływe, któego w uzwojeniu stojana indukuje si siła elektootoyczna. Zanikanie siły elektootoycznej indukowanej w stojanie odbywa si, zate ze stał czasow winika. Cele zniejszenia ónicy napi indukowanego i sieci w chwili pzełczenia, naley pzed planowany załczenie do sieci zwikszy stuie winika w silniku. Znajc czas potzebny na zadziałanie łcznika elektoechanicznego i stał czasow obwodu winika w silniku, ona obliczy wyagany pozio pzewzbudzenia silnika. Naley pzy ty uwa- a, aby nie doszło do pzejcia pdu poza załaanie kzywej agnesowania i nasycenia obwodu agnetycznego silnika. Oganiczenie pdu pzełczenia dziki niewielkieu (5%) pzewzbudzeniu pokazane jest na pzebiegu czasowy pdu (ys.11) Rys.11. Pzebieg czasowy pdu stojana silnika pzy pzełczaniu na sie zasilajc z pzewzbudzenie (syulacja koputeowa). Pzedstawiona powyej etoda edukcji pdu pzy pzełczeniu, polegajca na zwikszeniu stuienia winika ponad jego wato noinaln, jest jedynie popozycj ozwizania pobleu. Pace nad badanie słusznoci i bezpiecznego stosowania zapoponowanej etody twaj. 4. Wnioski Pzepowadzone analizy i badania syulacyjne, wstpnie potwiedziły popawno sposobów oganiczenia udau pdowego, pzy pzełczeniu z falownika na sie zasilajc. Atakcyjne wydaje si ównie zastosowanie falownika do pzepowadzenia pocesu ozuchu. Eleenty enegoelektoniczne, pozwalaj ju na dzie dzisiejszy, zealizowa poponowany falownik napicia do ozuchu silników duej ocy. Jedyny oganiczenie jest tu czstotliwo pzełczania zawoów półpzewodnikowych, któa dla takich ocy nie jest wiksza ni 1kHz. 5. Liteatua [1]. Kaiekowski M.P. Steowanie polowo-zoientowane czy egulacja bezpoednia oentu silnika klatkowego, Elektonizacja 2, [2]. Tunia H. Kaiekowski M.P. Autoatyka napdu pzekształtnikowego, PWN, Waszawa [3]. Kzeiski Z. Cyfowe steowanie aszynai asynchonicznyi, Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej [4]. Tae-Won C. Meong-Kyu C. Bose B. K. A novel statup schee of stato-flux-oiented vectocontolled induction oto dive without toque jek, IEEE Tans. Ind. Electon. vol.39, no.3 ay/june [5]. Ipleentation of a speed field oientated contol of thee phase AC induction oto using TMS320F240, Texas Instuents Euope Mach [6]. Hazzab A. Boussehane I. K. Kali M. Design of a fuzzy sliding ode contolle by genetic algoiths fo induction achine speed contol, Intenational Jounal of Eeging Electic Powe Systes, Volue 1, Issue Aticle 1008 Autozy g in. Macin Gzeczkowicz, pof. d hab. Włodziiez Koczaa, d in. Zbigniew Szulc, Politechnika Waszawska, Instytut Steowania i Elektoniki Pzeysłowej, ul. Koszykowa 75, Waszawa,tel , fax eail: gzeczk@isep.pw.edu.pl eail: koczaa@isep.pw.edu.pl eail: szulcz@isep.pw.edu.pl