BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO PODCZAS RÓŻNYCH SPOSOBÓW ROZRUCHU 1. WSTĘP

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr Jan MRÓZ* silnik klatkowy, rozruch bezpośredni, rozruch łagodny, rozruch częstotliwościowy BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO PODCZAS RÓŻNYCH SPOSOBÓW ROZRUCHU Przedstawiono badania laboratoryjne różnych metod rozruchu silnika klatkowego: rozruch bezpośredni, rozruch łagodny i częstotliwościowy. Podano przebiegi czasowe prądu, prędkości, momentu, częstotliwości i zmiany temperatury pręta klatki w czasie rozruchu. 1. WSTĘP Do rozruchu silników indukcyjnych klatkowych stosuje się powszechnie metodę bezpośredniego załączenia na pełne, znamionowe napięcie. Oddziaływanie dużego prądu rozruchowego, zarówno na sieć zasilającą jak i na silnik, jest zjawiskiem naturalnym i dobrze poznanym [1]. W przypadku długotrwałych rozruchów silników średniej i dużej mocy, elektrodynamiczne i termiczne skutki przepływu prądu rozruchowego mogą wywołać uszkodzenie silnika. Szczególnie narażona jest klatka uzwojenia wirnika, gdzie zróżnicowane pole temperatury w prętach i pierścieniach zwierających wywołuje złożony stan naprężeń. Wprowadzenie nowych sposobów rozruchu, jak: rozruch częstotliwościowy, rozruch w układzie łagodnego rozruchu, znacząco, nie zawsze korzystnie, zmienia oddziaływania prądu rozruchowego. W referacie przedstawiono badania porównawcze silnika indukcyjnego klatkowego uruchamianego bezpośrednio, w układzie łagodnego rozruchu oraz przy rozruchu częstotliwościowym. 2. OPIS BADAŃ Przedmiotem badań był silnik typ Sg112M4 o mocy 4 kw i prędkości /min. Silnik obciążony był prądnicą prądu stałego, której energia przekazywana jest poprzez falownik do sieci zasilającej silnik. Na wale prądnicy zamocowano dodatkowy moment bezwładności J = 89J N, gdzie J N naturalny moment bezwładności silnika. Do pomiaru momentu zastosowano czujnik momentu Mi 10 współpracujący z miernikiem momentu * Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów.

2 ALFA 1006 firmy SENSOR AT. Temperaturę pręta klatki wirnika mierzono termoelementem CuKo zagniecionym w materiale pręta w strefie pakietowej klatki w przyszczelinowej części żłobka. Mierzone sygnały rejestrowano kartą pomiarową AX5210 firmy AXIOM współpracującą z oprogramowaniem NOTEBOOK PRO firmy LABTECH. Układ pomiarowy przedstawia rys. 1. Rozruch bezpośredni przeprowadzono poprzez załączenie silnika bezpośrednio do sieci zasilającej, mierząc prąd stojana, moment, prędkość i temperaturę pręta klatki. Rozruch łagodny przeprowadzono zasilając silnik z układu łagodnego rozruchu ELVOSTART SAO 400/4. W czasie rozruchu częstotliwościowego silnik zasilany był z przetwornicy częstotliwości ELVOVERT CD 400/4. W tym przypadku dodatkowo rejestrowano częstotliwość napięcia zasilającego w czasie rozruchu. 51 ~ SOFTSTARTER FALOWNIK FALOWNIK KOLEKTOR SILNIK CZUJNIK MOMENT GD 2 PRĄDNICA DC T, n ϑ i KARTA POMIAROWA Rys. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego Fig. 1. Block diagram of measurement system 3. WYNIKI POMIARÓW Na rysunku 2 przedstawiono przebieg prądu stojana silnika w czasie rozruchu bezpośredniego (rys. 2a), łagodnego (rys. 2b) oraz częstotliwościowego (rys. 2c). Dzięki zastosowaniu układu łagodnego rozruchu lub rozruchu częstotliwościowego można ograniczyć prąd rozruchowy, co ma zasadnicze znaczenie zarówno dla sieci zasilającej (ograniczenie spadków napięć), jak i dla silnika (ograniczenie znaczenia zjawisk elektrodynamicznych). Rysunek 3 przedstawia zmianę momentu w czasie rozruchu silnika załączanego bezpośrednio (rys. 3a), w układzie łagodnego rozruchu (rys. 3b) oraz przy rozruchu częstotliwościowym (rys. 3c). Porównanie prezentowanych przebiegów wykazuje, że zastosowanie rozruchu częstotliwościowego oraz łagodnego znacząco ogranicza udary momentu na początku rozruchu, które mogą być szkodliwe dla układu napędowego. Praktycznie nie pogarsza się przeciążalność silnika. W przypadku łagodnego rozruchu

3 52 dochodzi jednak do znacznego zmniejszenia początkowego momentu rozruchowego i istotnego wydłużenia czasu rozruchu. Jednym z ważnych kryteriów rozruchowych jest zmiana prędkości w czasie rozruchu silnika (rys. 4), który powinien przebiegać płynnie, bez nadmiernych przyśpieszeń i opóźnień. Kryterium tego nie spełnia układ łagodnego rozruchu, gdzie przebieg prędkości w czasie bardzo odbiega od liniowego. Czas rozruchu w tym przypadku jest najdłuższy (rys. 4b). W silnikach głębokożłobkowych występuje zjawisko wypierania prądu, zależne od częstotliwości prądu wirnika. a) b) c) Rys. 2. Czasowe przebiegi prądu stojana: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy Fig. 2. The time-stator s current characteristics: a) direct starting, b) soft starting, c) frequency starting

4 53 a) b) c) Rys. 3. Czasowe przebiegi momentu: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy Fig. 3. The time-torque characteristics: a) direct starting, b) soft starting, c) frequency starting

5 54 a) b) c) Rys. 4. Czasowe przebiegi prędkości: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy Fig. 4. The time-speed characteristics: a) direct starting, b) soft starting, c) frequency starting

6 55 a) b) c) Rys. 5. Czasowe przebiegi częstotliwości prądu wirnika: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy Fig. 5. The time-rotor s current frequency characteristics: a) direct starting, b) soft starting, c) frequency starting

7 56 Rys. 6. Czasowy przebieg częstotliwości przy rozruchu z falownikiem Fig. 6. The time-frequency characteristic during starting using inventer Charakter zmian tej częstotliwości w czasie rozruchu warunkuje rozkład gęstości prądu w pręcie klatki wirnika, a tym samym pole temperatury w przekroju pręta. Zmiana prędkości w czasie rozruchu wyznacza również zmianę częstotliwości prądu wirnika w czasie rozruchu, zgodnie z zależnością: f 2 ω( p ( = f1( (1) 2π f ( gdzie: ω ( prędkość wirnika, p liczba par biegunów, f 1( częstotliwość napięcia zasilania. Rysunek 5 przedstawia zmianę częstotliwości prądu wirnika obliczoną z zależności (1). Dla rozruchu bezpośredniego (rys. 5a) założono f 1( = f N = 50 Hz. W trakcie obliczeń posłużono się przebiegiem prędkości ω ( przedstawionym na rys. 4a. Podobne obliczenia wykonano dla rozruchu w układzie łagodnego rozruchu (rys. 5b) z wykorzystaniem zależności ω ( przedstawionej na rys. 4b. Do obliczenia przebiegu częstotliwości prądu wirnika w czasie rozruchu częstotliwościowego wykorzystano zależność (1) oraz zmierzone przebiegi: ω ( z rys. 4c oraz f 1( (rys. 6). Przy rozruchu w układzie łagodnego rozruchu przez długi czas, w porównaniu z rozruchem bezpośrednim, utrzymuje się duża wartość częstotliwości prądu wirnika, a tym samym dłużej występuje silne wypieranie prądu. W efekcie pole temperatury w przekroju pręta klatki będzie tu bardziej nierównomierne. Wystąpią większe odkształcenia i naprężenia. Znacznie korzystniej wygląda sytuacja w przypadku rozruchu częstotliwościowego, gdzie częstotliwość prądu wirnika jest generalnie mniejsza niż przy innych sposobach rozruchu. Tu wypieranie występuje najsłabiej i pole temperatury pręta będzie bardziej wyrównane. Dzięki temu w klatce wystąpią mniejsze naprężenia mechaniczne pochodzenia cieplnego. Na rysunku 7 przedstawiono nagrzewanie pręta klatki silnika w czasie trzech sposobów rozruchu. W układzie z falownikiem uzyskano najniższe wartości temperatury. Największe termiczne zagrożenia dla klatki występują w układzie łagodnego rozruchu. Zarówno w układzie łagodnego rozruchu, jak i przy rozruchu z falownikiem możliwe jest ustalenie wielu parametrów rozruchu jak prąd rozruchu, szybkość i charakter zmiany częstotliwości itp. Na rynku pojawia się coraz większa ilość układów łagodnego rozruchu różniących się sposobami sterowania, parametrami i możliwościami funkcjonalnymi. W najprostszych rozruch odbywa się poprzez liniowy wzrost napięcia zasilającego. Bardziej złożone mają 1

8 system kontroli momentu silnika [2] zapewniający w stanach przejściowych (rozruch, zatrzymanie) liniową zmianę momentu w zadanym przez użytkownika czasie. Także współczesne przemienniki PWM umożliwiają realizację różnorodnych strategii rozruchu. Istnieje możliwość doboru charakterystyki U = F(f) w czasie rozruchu: liniowa, liniowa z forsowaniem napięcia dla niskich częstotliwości, paraboliczna itp. [3]. Niekorzystne zjawiska pasożytnicze jak przepięcia, prądy łożyskowe, mogą być obecnie eliminowane dzięki tzw. przemiennikom czystej fali [4], co nie zmusza do stosowania 57 Rys. 7. Przyrost temperatury pręta wirnika w czasie rozruchu Fig. 7. Temperature rise of rotor s bar during start-up silników specjalnej konstrukcji. Spowoduje to zapewne zwiększenie liczby napędów z rozruchem częstotliwościowym. Uzyskane rezultaty wskazują na szczególną potrzebę analizy zaobserwowanych zjawisk w odniesieniu do silników większej mocy w warunkach długotrwałego rozruchu prowadzonego różnymi metodami, gdzie efekty termiczne towarzyszące rozruchowi mają duże znaczenie. LITERATURA [1] BERNADT M., Narażenia silników klatkowych wywołane przepływem prądu rozruchowego, Zeszyty Problemowe BOBRME, 1986, nr 39, s [2] CIEŚLIK J., Urządzenia napędowe Schneider Electric, Napędy i Sterowanie, 1999, nr 7, s [3] TRAJDOS M., DEMS M., Dobór wartości napięcia i częstotliwości falownika PWM zasilającego trójfazowy silnik klatkowy w czasie rozruchu, III Sympozjum Techniczne BOBRME, Ustroń [4] TYSIAK J., TOSVERT-MV Najnowsza rodzina przemienników częstotliwości na napięcie 6 kv firmy Toshiba, Napędy i Sterowanie, 1999, nr 5, s COMPARATIVE TESTING OF SQUIRREL-CAGE MOTOR DURING DIFFERENT METHODS OF STARTING The paper shows laboratory tests of different methods of squirrel-cage motor starting: direct starting, starting using soft-starter and inverter. There are giving time-current, speed, torque, frequency characteristics and temperature rise of rotor s bar during start-up.