UK AD LABORATORYJNY Z WEKTOROW PRZETWORNIC CZÊSTOTLIWOŒCI

Transkrypt

1 Tomasz ELEKTROTECHNIKA SIOSTRZONEK, Andrzej I ELEKTRONIKA MONDZIK UK AD TOM 24. LABORATORYJNY ZESZYT 1, 2005 Z WEKTOROW PRZETWORNIC CZÊSTOTLIWOŒCI UK AD LABORATORYJNY Z WEKTOROW PRZETWORNIC CZÊSTOTLIWOŒCI Tomasz SIOSTRZONEK *, Andrzej MONDZIK * STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wykonane w Laboratorium Elektroniki Przemys³owej stanowisko dydaktyczne uk³adu napêdowego z silnikiem indukcyjnym klatkowym zasilanym z wektorowej przetwornicy czêstotliwoœci. Stanowisko powsta³o dziêki wspó³pracy Katedr Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych z firm¹ Moeller Electric. Studenci maj¹ wiêc mo liwoœæ zapoznania siê z urz¹dzeniami stosowanymi w zak³adach przemys³owych. Badanie uk³adu zosta³o wykonane przez studentów Ko³a Naukowego Elektroniki Przemys³owej pod nadzorem autorów. S³owa kluczowe: wektorowa przetwornica czêstotliwoœci, silnik indukcyjny klatkowy THE LABORATORY UNIT WITH VECTOR FREQUENCY INVERTER This paper presents the laboratory unit with squirrel cage induction motor supplied by vector frequency inverter. This unit was made thanks to cooperation the Department of Electrical Drive and Industrial Equipment with Moeller Electric. The students have the possibility to know the industrial devices. The research was made by students under the direction of authors. Keywords: Vector Frequency Inverter, squirrel cage induction motor 1. WSTÊP W lutym 2004 roku rozpoczê³a siê wspó³praca pomiêdzy Katedr¹ Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych a firm¹ Moeller Electric. Wynikiem tego jest powstanie stanowisk laboratoryjnych wykonanych w Laboratorium Elektroniki Przemys³owej z urz¹dzeñ przekazanych przez firmê Moeller. Korzyœci, jakie p³yn¹ z takiej wspó³pracy, s¹ bardzo du e dla ka dej ze stron. Katedra zyska³a nowoczesne stanowiska dydaktyczne, gdzie studenci maj¹ mo liwoœæ poznania urz¹dzeñ stosowanych w warunkach przemys³owych, natomiast dla firmy Moeller jest to sposób na reklamê swoich rozwi¹zañ. Jednym ze stanowisk jest uk³ad napêdowy z silnikiem indukcyjnym klatkowym zasilanym z wektorowej przetwornicy czêstotliwoœci. rowanie pozwala równie na zmianê wartoœci amplitudy i czêstotliwoœci przebiegów podstawowej harmonicznej kszta³towanej w uk³adzie. Znane s¹ ró ne sposoby modulacji szerokoœci impulsów. Jednym z nich jest metoda modulacji szerokoœci impulsów wed³ug zadanego wektora przestrzennego napiêcia wyjœciowego falownika (Voltage Space Vector Method). Umo liwia ona poœrednio powi¹zanie modulacji szerokoœci impulsów z prêdkoœci¹ lub momentem, które wyznaczaj¹ wektor przestrzenny. Informacje na temat wektora przestrzennego, modulacji szerokoœci impulsów i sterowania na podstawie wektora przestrzennego zosta³y szeroko opisane w literaturze [2, 3, 4, 5, 6, 7] WEKTOROWA PRZETWORNICA CZÊSTOTLIWOŒCI Q1 D1 Q3 D3 Q5 C D5 W uk³adach napêdowych z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, gdzie proces przemys³owy determinuje wartoœci wielkoœci wyjœciowych (np.: prêdkoœci, momentu), konieczne jest zastosowanie odpowiedniego uk³adu zasilania. Obecnie stosowane s¹ przetwornice czêstotliwoœci, w których napiêcie wyjœciowe jest ci¹giem impulsów o modulowanej szerokoœci. Uzyskiwane jest to w uk³adzie przedstawionym na rysunku 1. Sposób sterowania falownikiem polega na generowaniu impulsów, o zmiennej w czasie szerokoœci, steruj¹cych ³¹cznikami. Czas trwania impulsów napiêcia i stopieñ odkszta³cenia napiêcia wyjœciowego falownika od przebiegu sinusoidalnego jest zale ny od sposobu modulacji. Ste- U d - Q4 D4 Q6 D6 Q2 U U U UV Z U U V Z V Rys. 1. Trójfazowy falownik napiêcia V D2 W U W Z W * Katedra Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych 100

2 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 24. ZESZYT 1, 2005 L U 1 =const f 1 =const U1 V1 W1 U p =const C U2 V2 W2 U 2 =var f 2 =var Prostownik Obwód poœrednicz¹cy napiêcia sta³ego Falownik napiêcia z modulacj¹ szerokoœci impulsów Rys. 2. Schemat trójfazowej przetwornicy czêstotliwoœci 3. UK AD LABORATORYJNY Rys. 3. Przebiegi pr¹dów fazowych: I 1 pr¹d wyjœciowy przetwornicy, I 2 pr¹d od strony sieci zasilaj¹cej przed filtrem sieciowym I 1 I 2 W zestawie laboratoryjnym zosta³a zastosowana wektorowa przetwornica czêstotliwoœci o mocy 2,2 kw. Uproszczony schemat przetwornicy pokazano na rysunku 2. Ze wzglêdu na to, e pierwszym blokiem w tej przetwornicy jest trójfazowy prostownik diodowy, konieczne by³o zastosowanie d³awika i filtru sieciowego, w celu ograniczenia oddzia³ywania uk³adu na sieæ zasilaj¹c¹. Zarejestrowane przebiegi pr¹dów fazowych przedstawione s¹ na rysunku 3. WyraŸnie widaæ wp³yw prostownika diodowego na przebieg pr¹du fazowego sieci zasilaj¹cej. Przetwornica jest elementem zasilaj¹cym silnik indukcyjny klatkowy o mocy 1,5 kw. Regulowane obci¹ enie dla silnika stanowi obcowzbudna pr¹dnica pr¹du sta³ego z odbiornikiem rezystancyjnym. Schemat stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku USTAWIENIA PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PRZETWORNICY Ustawienia fabryczne urz¹dzenia czêsto nie pozwalaj¹ na realizacjê zamierzonej funkcji, st¹d pierwszym etapem po fizycznym zainstalowaniu urz¹dzenia jest jego parametryzacja. Oprócz wprowadzenia podstawowych informacji o zasilanym silniku (napiêcie, moc, czêstotliwoœæ znamionowa, iloœæ biegunów) oraz ca³ym napêdzie (przyspieszenie, opóÿnienie, czêstotliwoœæ maksymalna itp.), mo na tak e okreœliæ funkcjê wejœæ i wyjœæ, w które urz¹dzenie jest wyposa one. Do urz¹dzenia do³¹czone jest oprogramowanie, które pozwala na szybkie ustawienie parametrów wp³ywaj¹cych na poprawn¹ pracê uk³adu napêdowego. W nastêpnej czêœci artyku³u zamieszczono skrócony opis wyników prac zawi¹zanych z parametryzacj¹ przetwornicy wykonan¹ przez autorów wspólnie z studentami V roku wydzia³u EAIiE. VFI P 400 V 50Hz Rys. 4. Schemat stanowiska laboratoryjnego 101

3 Tomasz SIOSTRZONEK, Andrzej MONDZIK UK AD LABORATORYJNY Z WEKTOROW PRZETWORNIC CZÊSTOTLIWOŒCI 5. PARAMETRYZACJA PRZETWORNICY DV5 Parametryzacja wektorowej przetwornicy czêstotliwoœci DV5 mo e byæ przeprowadzona na trzy sposoby: 1) poprzez przyciski na urz¹dzeniu; 2) poprzez panel operatorski DEX-KEY; 3) za pomoc¹ komputera z oprogramowaniem DriveSoft; korzystanie z komputera znacznie usprawnia i przyœpiesza proces konfiguracji przetwornicy. Dodatkowo program DriveSoft zosta³ wyposa ony w nastêpuj¹ce narzêdzia: Virtual Inverter symuluje reakcje falownika na syggna³y zewnêtrzne przy zadanym zestawie parametrów; DEX-KEY-10 pe³ni funkcjê wirtualnego panelu operatorskiego umo liwiaj¹c kontrolowanie urz¹dzenia bezpoœrednio z komputera; Trend pozwala wyœwietlaæ w czasie rzeczywistym wartoœci pr¹du, czêstotliwoœci, napiêcia DC itp. W oknie tym dokonuje siê wyboru rodzaju falownika, dla którego zostanie utworzony plik zawieraj¹cy ustawienia fabryczne Podstawowe ustawienia Parametryzacjê rozpoczyna siê od zak³adki Get Started. Oprócz czêstotliwoœci nominalnej oraz maksymalnej silnika nale y okreœliæ przyspieszenie i opóÿnienie napêdu, jako czas zmiany czêstotliwoœci wyjœciowej miêdzy 0 Hz i czêstotliwoœci¹ maksymaln¹. Podawany jest równie sposób kontrolowania pracy przetwornicy. W przypadku rozkazu start/stop (Metod of Run Command) mo liwe s¹ dwa sposoby sterowania za pomoc¹: 1) przycisków na p³ycie czo³owej (Start/Stop Buttons), 2) sygna³u logicznego podawanego na wejœcie cyfrowe. Przy drugim sposobie sterowania nale y przypisaæ odpowiedni¹ funkcjê jednemu z wejœæ. Dokonuje siê tego, ustawiaj¹c odpowiedni parametr w oknie Input Terminals pokazanym na rysunku 6. Nie jest mo liwe jednoczesne uruchomienie wirtualnego panelu operatorskiego i opcji Trend, poniewa podczas pracy korzystaj¹ z portu szeregowego komputera, komunikuj¹c siê z przetwornic¹. Nie mo na równie w tym samym czasie wysy³aæ lub odczytywaæ parametrów przetwornicy. Aplikacja operuje na plikach ISF (Inverter Setup File). Zapisuje w nich m.in. typ urz¹dzenia i wartoœci wszystkich parametrów. Istnieje mo liwoœæ wydrukowania listy parametrów wraz z opisem, a tak e wygenerowanie raportu z ró nic pomiêdzy dwoma konfiguracjami dla tego samego typu urz¹dzenia Edycja parametrów Po uruchomieniu programu wyœwietlane jest okno dialogowe (rys. 5). Rys. 6. Widok panelu do ustawienia wejœæ cyfrowych Rys. 5. Okno dialogowe wyboru rodzaju przetwornicy Konfiguruj¹c sposób sterowania czêstotliwoœci¹ wyjœciow¹ urz¹dzenia mo na wybraæ jedn¹ spoœród trzech metod. W pierwszej metodzie prêdkoœæ silnika jest zadawana przy u yciu potencjometru zainstalowanego na p³ycie czo- ³owej przetwornicy. Druga metoda korzysta z sygna³ów podawanych na listwê zaciskow¹. S¹ one interpretowane jako liczba binarna (do 4 bitów). Wartoœæ tej liczby jest numerem czêstotliwoœci zdefiniowanej w zak³adce Multi Speeds. Je eli adne z wejœæ nie zostanie przypisane do zacisku wejœciowego lub na wszystkich przypisanych wystêpuj¹ stany niskie (logiczne 0), to przetwornica prze³¹cza siê w tryb analogowego zadawania prêdkoœci. Trzecia metoda sterowania czêstotliwoœci¹ polega na zadawaniu jej wartoœci poprzez wewnêtrzny parametr o nazwie Internal Pre-set Speed. 102

4 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 24. ZESZYT 1, 2005 Tabela 1 Wejœcia cyfrowe opis parametrów Nazwa funkcji Opis 00-Forward 01-Reverse Ruch w przód Ruch w ty³ 02-Multispeed 1 03-Multispeed 2 04-Multispeed 3 Bity okreœlaj¹ce numer zdefiniowanej w zak³adce Multi Speeds czêstotliwoœci (najm³odszy bit ma numer 1) 05-Multispeed 4 06-Jog 07-DB Dumping Tryb pracy chwilowej Hamowanie dynamiczne z zewnêtrznym rezystorem 08-2 nd Motor Data Aktywacja zestawu parametrów dla drugiego silnika 09-2stage Acc/Dec 11-Free Run Stop 12-External Trip 13-USP Function 15-Software Lock 16-Analog Input Vdc/ImA 18-Reset Aktywacja drugiej rampy czasowej Hamowanie wybiegiem Zewnêtrzny sygna³ awarii Blokada ponownego rozruchu po skasowaniu awarii przy aktywnym sygnale RUN Blokada zmian wartoœci parametrów Wybór analogowego Ÿród³a wymuszenia (napiêciowe lub pr¹dowe) Kasowanie sygna³u b³êdu 19-PTC Thermistor Wejœcie termistora (mo liwe tylko na wejœciu 5 i 6) 27-Up Reference 27-Down Reference Zwiêkszanie i zmniejszanie czêstotliwoœci wyjœciowej 5.3. Konfiguracja wejœæ cyfrowych Korzystaj¹c z zak³adki Input Terminals nale y zdefiniowaæ funkcje poszczególnych wejœæ cyfrowych (rys. 6). Dokonujemy tego, zaznaczaj¹c wybran¹ funkcjê, a nastêpnie klikamy w przycisk odpowiedniego wejœcia. Wybrana funkcja pojawi siê w okienku przypisanemu danemu zaciskowi i zostanie usuniêta z listy niewykorzystywanych funkcji. Standardowo wejœcia ustawione s¹ jako normalnie otwarte. Je eli istnieje taka potrzeba, mo emy to zmieniæ przyciskiem umieszczonym po prawej stronie okna nazwy przypisanej zaciskowi funkcji. W tabel przedstawiono opis parametrów mo liwych do przypisania poszczególnym wejœciom cyfrowym Konfiguracja wyjœæ Dla ka dego wyjœcia mo na przypisaæ jedn¹ z szeœciu funkcji (tab. 2). Funkcje przypisuje siê przez wybranie odpowiedniej opcji z rozwijalnej listy znajduj¹cej siê w oknie Output Terminals. Wyjœcie, podobnie jak wejœcie, mo na zdefiniowaæ jako NO lub NC. W tym samym miejscu dokonujemy konfiguracji wyjœcia analogowego FM. Mo na mu przypisaæ jeden z trzech dostêpnych sygna³ów wyjœciowych (tab. 3). 00-Run Signal Nazwa funkcji Tabela 2 Funkcje mo liwe do przypisania dla ka dego wyjœcia Opis (sygna³ logiczny wystawiany, gdy:) Przetwornica ustawiona w tryb pracy 01-Arrival at Constant Speed 02-Arrival>Set Frequency 03-Overload Signal 04-PID Deviation Signal 05-Alarm Signal Uzyskano zadan¹ czêstotliwoœæ wyjœciow¹ Czêstotliwoœæ wyjœciowa jest na zaprogramowanym wczeœniej poziomie lub wy sza Nast¹pi³o przeci¹ enie Wartoœæ uchybu regulacji przekracza wartoœæ procentow¹ okreœlon¹ w parametrze Level of deviation signal PID z zak³adki Output Function Wyst¹pi³o zak³ócenie 103

5 Tomasz SIOSTRZONEK, Andrzej MONDZIK UK AD LABORATORYJNY Z WEKTOROW PRZETWORNIC CZÊSTOTLIWOŒCI Nazwa funkcji 0-Analog Output Frequency 1-Analog Output Current 2-Digital Output Frequency Tabela 3 Funkcje wyjœcia analogowego FM Opis Napiêcie 0 10 V proporcjonalne do czêstotliwoœci wyjœciowej Napiêcie 0 10 V proporcjonalne do pr¹du wyjœciowego przetwornicy Ci¹g impulsów napiêciowych o czêstotliwoœci proporcjonalnej do czêstotliwoœci wyjœciowej 5.5. Sterowanie charakterystyk¹ U/f 6. WYNIKI BADAÑ Korzystaj¹c z zak³adki V/f mo na wybraæ sposób kszta³towania charakterystyki U/f (V/F Characteristic Setting). Do wyboru s¹ nastêpuj¹ce charakterystyki: liniowa sta³y moment (Constant Torque), kwadratowa zredukowany moment (Reduced Torque), sterowanie wektorowe (Sensorless Vector). Urz¹dzenie umo liwia za³¹czenie manualnego i automatycznego zwiêkszenia charakterystyki U/f w okreœlonych przedzia³ach. Korzystaj¹c z parametru Voltage Gain Setting mo na w razie potrzeby dodatkowo obni yæ napiêcie wyjœciowe w ca³ym przedziale czêstotliwoœci. Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono wyniki pracy przetwornicy dla dwóch przypadków czêstotliwoœci zasilaj¹cej. Wybrane czêstotliwoœci to 25 Hz i 50 Hz. Przedstawiono oscylogramy pr¹dów z obci¹ eniem (rys. 7a i 8a) i bez obci¹- enia (rys. 7b i 8b). We wszystkich przypadkach przetwornica realizuje prawie sinusoidalny pr¹d zasilaj¹cy silnik indukcyjny. 7. PODSUMOWANIE W roku akademickim 2004/2005, dziêki zrealizowanym pracom, prowadzone s¹ zajêcia z wykorzystaniem zbudowanego stanowiska dydaktycznego. Rys. 7. Przebiegi pr¹du jednej fazy przy czêstotliwoœci napiêcia zasilaj¹cego silnik 50 Hz: bez obci¹ enia (a); z obci¹ eniem (b); pr¹d sieci zasilaj¹cej, pr¹d wejœciowy prostownika (po filtrze sieciowym), pr¹d wyjœciowy przetwornicy Rys. 8. Przebiegi pr¹du jednej fazy przy czêstotliwoœci napiêcia zasilaj¹cego silnik 25 Hz: bez obci¹ enia (a); z obci¹ eniem (b); pr¹d sieci zasilaj¹cej, pr¹d wejœciowy prostownika (po filtrze sieciowym), pr¹d wyjœciowy przetwornicy 104

6 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 24. ZESZYT 1, 2005 Nastêpnym etapem dzia³añ jest zaimplementowanie regulatora PID w przetwornicy i porównanie jego parametrów z parametrami zewnêtrznego regulatora. Na uwagê zas³uguje fakt, e wiêkszoœæ prac zwi¹zanych z nowymi urz¹dzeniami wykonywana jest przez studentów Ko³a Naukowego Elektroniki Przemys³owej pod nadzorem pracowników Laboratorium Elektroniki Przemys³owej. Literatura [1] Moeller Electric: Instrukcja u ytkowania przetwornic czêstotliwoœci DV5 [2] Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P: Power electronics. Con-verters, applications and design. John Wiley, 1995, ISBN [3] Nowacki Z.: Modulacja szerokoœci impulsów w napêdach przekszta³tnikowych pr¹du przemiennego. Warszawa, PWN 1991, ISBN [4] Nowak M., Barlik R.: Poradnik in yniera energoelektronika. Warszawa, WNT 1998, ISBN X [5] Piróg S.: Energoelektronika. Kraków, Wyd. AGH 1998, ISBN [6] Tunia H., KaŸmierkowski M.: Automatyka napêdu przekszta³tnikowego. Warszawa, PWN 1987, ISBN [7] Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika. Warszawa, WNT 1994, ISBN Wp³ynê³o: Tomasz SIOSTRZONEK Ukoñczy³ studia na Wydziale EAIiE Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie w 2000 roku. Po ukoñczeniu studiów pracowa³ w Zak³adzie Energetycznym w Krakowie a nastêpnie w Gliwickim Biurze Projektów Budownictwa Przemys³owego. Od 2002 roku, jest asystentem w Katedrze Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych. Zajmuje siê problemami zwi¹zanymi ze sterowaniem napêdem elektrycznym i uk³adami energoelektronicznymi do zasilania silników z magnesami trwa³ymi. tsios@uci.agh.edu.pl Andrzej MONDZIK Ukoñczy³ studia na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie w 1997 roku. Obecnie jest pracownikiem Katedry Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych AGH. Zajmuje siê problemami zwi¹zanymi z kompensacj¹ mocy biernej i filtracj¹ aktywn¹. W styczniu 2005 roku otrzyma³ stopieñ doktora nauk technicznych w dyscyplinie elektrotechnika. mondzik@uci.agh.edu.pl 105