ANALIZA UKŁADU ŁAGODNEJ SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW ASYNCHRONICZNYCH SYNCHRONIZOWANYCH 1. WPROWADZENIE

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 5 Politechniki Wrocławskiej Nr 5 Studia i Materiały Nr 22 2 silnik asynchroniczny synchronizowany, rozruch, synchronizacja, modelowanie, badania Stanisław AZAREWICZ*, Teresa ORŁOWSKA-KOWALSKA*, Adam ZALAS* ANALIZA UKŁADU ŁAGODNEJ SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW ASYNCHRONICZNYCH SYNCHRONIZOWANYCH Przedstawiono analizę możliwości realizacji procesu łagodnej synchronizacji silników asynchronicznych synchronizowanych (SAS). Przeprowadzono szczegółowe badania symulacyjne wpływu wyboru chwili czasowej załączenia prądu wzbudzenia podczas pracy asynchronicznej na przebieg procesu synchronizacji silnika. Na podstawie uzyskanych wyników badań symulacyjnych określono sposób sterowania przekształtnikowym układem wzbudzenia oraz opracowano jego rozwiązanie techniczne. Wykonano badania sprawdzające na układzie napędowym z silnikiem SAS oraz klasycznym silnikiem indukcyjnym pierścieniowym. Wykazano, że uzyskane wyniki zapewniają łagodną synchronizację silników SAS. 1. WPROWADZENIE Synchronizacja maszyny synchronicznej z siecią zasilającą jest bardzo istotnym zagadnieniem procesu rozruchu układu napędowego. Zagadnienie to jest tym trudniejsze, im większa jest moc znamionowa silnika. Problem ten dotyczy zarówno silników synchronicznych, jak i silników asynchronicznych synchronizowanych, mimo istotnych różnic w ich budowie i sposobie realizacji rozruchu. W obecnych rozwiązaniach technicznych układów napędowych z silnikami asynchronicznymi synchronizowanymi włączenie prądu wzbudzenia odbywa się w sposób przypadkowy, a tym samym losowym zmianom podlegają przebiegi dynamiczne parametrów elektrycznych i mechanicznych. W związku z tym, że załączenie prądu wzbudzenia w niekorzystnej chwili czasowej może utrudnić, a nawet uniemożliwić przeprowadzenie synchronizacji, stosuje się powszechnie, celem zapewnienia synchronizacji, forsowanie prądu wzbudzenia w początkowej chwili procesu do nawet dwukrotnej jego wartości. Silnik synchroniczny wytwarza wówczas moment elektromagnetyczny znacznie większy od znamionowego, powodując jego synchronizację. Sposób ten wywołuje jednak wiele niekorzystnych zjawisk mechanicznych i elektrycznych, do których należy zaliczyć: * Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław.

2 wytworzenie sił dynamicznych o wartościach znacznie większych od znamionowych, wytwarzających naprężenia w uzwojeniach i elementach konstrukcyjnych; ze względu na zmienny kierunek tych sił występują przyspieszone zjawiska zmęczenia materiałów, zarówno silnika, jak i maszyny roboczej; drgania promieniowe układu wirującego powodują dodatkowe obciążenie łożysk i ich szybsze zużycie; w uzwojeniach twornika indukowane siły elektromotoryczne mają inną fazę niż napięcia sieci, wobec czego układ elektroizolacyjny jest poddawany naprężeniom nawet podwójnej wartości i może ulec przebiciu, przyspieszeniu podlega także proces starzenia izolacji, prowadząc do awarii maszyny. Stosowanie forsowania wzbudzenia narzuca konieczność budowy wzbudnicy na znacznie większą moc niż wymaga tego praca znamionowa. Dlatego wzbudnice stosowane do zasilania obwodów wzbudzenia mają większą moc i gabaryty oraz są droższe niż wynika to z wymagań pracy znamionowej. Zmniejszenie prądu forsowania wzbudzenia silnika jest szczególnie istotne w prostownikach tyrystorowych wprowadzanych coraz powszechniej do eksploatacji. W pracy przedstawiono wyniki badań modelowych i eksperymentalnych związanych z realizacją przekształtnikowego układu łagodnej synchronizacji silników SAS UKŁADY ZASILANIA WZBUDZENIA SILNIKÓW SAS Silniki asynchroniczne synchronizowane (SAS), w odróżnieniu od klasycznych silników pierścieniowych, mają inną konstrukcję uzwojeń wirnika umożliwiającą przejście do pracy synchronicznej w szeregowo-równoległym układzie połączeń faz. Silniki SAS przeznaczone są do napędu dużej mocy z ciężkim rozruchem (takich jak na przykład młyny kulowe). Jednocześnie wymaga się także, aby zastosowany silnik miał możliwość długotrwałej pracy w charakterze kompensatora mocy biernej. Kompensatorami mocy biernej są często silniki synchroniczne, jednakże ze względu na stosunkowo mały moment rozruchowy nie mogą one zastąpić silników SAS. W tradycyjnych napędach z silnikami SAS źródłem prądu stałego dla ich obwodów wzbudzenia jest prądnica samowzbudna prądu stałego, napędzana silnikiem indukcyjnym klatkowym. Po dokonaniu rozruchu silnika SAS, w którym wykorzystuje się najczęściej klasyczne rozruszniki rezystancyjne, następuje przełączenie uzwojeń i do pierścieni ślizgowych wirnika zostaje doprowadzony prąd stały, który następnie umożliwia doprowadzenie silnika do pracy synchronicznej. Rozwiązanie to charakteryzuje się wieloma niedogodnościami związanymi zarówno z eksploatacją zestawów maszynowych, jak i utrudnieniami w tworzeniu cyfrowo sterowanych układów automatycznej regulacji parametrów silnika. Jest to przyczyną coraz powszechniejszego zastępowania tradycyjnych układów wzbudzenia rozwiązaniami wykorzystującymi sterowane przekształtniki statyczne. Przykładowy układ sterowania obwodem wzbudzenia silnika SAS z zastosowaniem przekształtników statycznych przedstawiono na rysunku 1. Cechą charakterystyczną silników SAS jest to, że wymagają one do zasilania obwodu wzbudzenia znacznego prądu o stosunkowo niskim napięciu (np. 1 A, 4 V). Wynika to

3 142 z ich konstrukcji oraz konieczności ograniczenia i tak wysokiego napięcia wirnika U 2 podczas załączania silnika do sieci. Konieczność zapewnienia wymaganych parametrów prądu wzbudzenia, a także wymagania krotności prądu rozruchowego podczas przewzbudzeniu oraz przewidywanych spadków napięcia sieci powodują, że w stanie ustalonym przekształtnikowy układ zasilania pracuje w około 5-procentowym wysterowaniu. Wpływa to bardzo niekorzystnie zarówno na parametry układu, jak i jego wielkość, cenę i generowanie zakłóceń. K4 K5 Układ sterowania prostownika R4 K3 R3 Rys. 1. Układ sterowania obwodem wzbudzenia silnika SAS z wykorzystaniem przekształtnika statycznego Fig. 1. Control system of the excitation circuit for SAS motor with help of static converter Ze względu na konieczność ograniczenia pulsacji prądu w obwodzie oraz zmniejszenia oddziaływania przekształtników na sieć są one wykonywane często jako 12-pulsowe. Poprawa parametrów eksploatacyjnych przetwornicy obwodu wzbudzenia jest możliwa jedynie podczas optymalizacji przebiegu procesu synchronizacji silnika SAS, umożliwiającej zrezygnowanie ze stosowania przewzbudzenia. Prowadzenie procesu synchronizacji bez zapewnienia jego łagodnego przebiegu, to jest załączenia prądu wzbudzenia w chwili najbardziej optymalnej, może być powodem zwiększenia poślizgu silnika, a w skrajnym przypadku może spowodować przejście do pracy z prędkością o połowę mniejszą, ponieważ podczas synchronizacji istnieje przerwa w fazie wzmocnionej wirnika. 3. REALIZACJA ŁAGODNEJ SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SAS Wykonany przez autorów układ łagodnej synchronizacji silników SAS dużej mocy przedstawiono na rysunku 2. W układzie wzbudzenia zastosowano między innymi dodatkową diodę D, włączoną równolegle do zacisków stycznika K1(rys. 2a), której celem jest ograniczenie skutków rozwarcia jednego pasma fazowego wirnika przed synchronizacją. Po uzyskaniu prędkości podsynchronicznej przez wirnik następuje wyłączenie stycznika K1, rozwierającego obwód jednego pasma fazowego wirnika i przez diodę D zaczyna płynąć prąd półokresowy. Kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem prądu wzbudzenia, co korzystnie wpływa na przebieg momentu silnika. Prąd wzbudzenia

4 załączony w optymalnej chwili czasowej sumuje się z chwilową wartością prądu wirnika, dając zwiększenie momentu rozwijanego przez silnik, a tym samym ułatwia proces synchronizacji. Wyznaczenie właściwej chwili czasowej załączenia prądu wzbudzenia jest zatem bardzo istotne. 143 Rys. 2. Schemat ideowy i blokowy układu wzbudzenia silnika SAS dużej mocy z układem łagodnej synchronizacji Fig. 2. Schematic and block diagrams of SAS excitation circuit with soft synchronization system W ramach badań symulacyjnych dokonano analizy wpływu chwili załączenia wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji silnika SAS SYSe 1832t o mocy P N = 16 kw, U N = 6 kv, ω = 19,63 rad/s, U 2N = 238 V (AC), U wn = 49 V (DC), I wn = 11 A (DC). Badania symulacyjne wykonano z wykorzystaniem programu TCAD

5 Zastosowano model matematyczny silnika asynchronicznego, wyprowadzony dla powszechnie przyjmowanych założeń upraszczających [5].

6 BADANIA SYMULACYJNE UKŁADU NAPĘDOWEGO SILNIKA SAS Z UKŁADEM ŁAGODNEJ SYNCHRONIZACJI Wyboru optymalnej chwili załączenia prądu wzbudzenia można dokonać, śledząc przebieg napięcia wirnika w stanie pracy asynchronicznej silnika po zakończonym rozruchu, gdyż niesie ono informację o położeniu wirnika względem pola wirującego. Na podstawie tej informacji można wysterować tyrystor układu łagodnej synchronizacji T S, który rozpoczyna przewodzenie prądu wzbudzenia. Następnie zamykany jest stycznik K2, który przejmuje prąd wzbudzenia i jednocześnie blokuje tyrystor łagodnej synchronizacji. Ustalenia optymalnej chwili załączenia prądu wzbudzenia dokonano na podstawie przebiegu napięcia na rezystorze ostatniego stopnia rozrusznika, który zostaje odłączony w momencie załączenia wzbudzenia. Na rysunku 3 przedstawiono przebieg tego napięcia z zaznaczonymi chwilami symulowanych załączeń. Na podstawie badań symulacyjnych ustalono optymalną chwilę załączenia prądu wzbudzenia. Nie występują wówczas przepięcia i przetężenia prądu silnika, synchronizacja odbywa się w najkrótszym czasie z małymi oscylacjami stanowiącymi szereg przyspieszeń wirnika. Badanie prowadzono dla założenia, że prąd wzbudzenia podczas synchronizacji nie będzie przekraczał wartości znamionowej. a) U R [V] t [s] b) U R [V] t [s] UR z pliku c:\bd-cad\sas.wnk czas w [ms] Rys. 3. Przebieg napięcia na ostatnim stopniu rezystora rozruchowego podczas rozruchu, synchronizacji i pracy synchronicznej: a) cały przebieg przejściowy, b) powiększenie ostatniej fazy synchronizacji Fig. 3. Transiens of voltage drop at the last stage of starting resistor during start-up, synchronization and synchronous operation mode of the motor: a) whole transient process, b) zoom of the last synchronization phase

7 146 Zakładając typowe momenty bezwładności oraz moment obciążenia młyna kulowego, uzyskano dla badanego napędu następujące wyniki: proces łagodnej synchronizacji silnika nastąpi wówczas, gdy przebieg napięcia mierzonego na rezystorze wirnika jest opadający, jego wartość chwilowa jest ujemna i zawiera się w przedziale U R = (,4,8)U Rmax. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe przebiegi prądu stojana, prądu wzbudzenia oraz prędkości obrotowej, odpowiadające procesowi łagodnej synchronizacji dla chwili załączenia prądu wzbudzenia, gdy napięcie wirnika jest opadające, a jego wartość wynosi U R =,54 U Rmax. a) 8 I s [A] 4 b) t[s] I w [A] c) t[s] ω t[s] Rys 4. Przebieg zmiennych stanu SAS podczas rozruchu oraz łagodnej synchronizacji: a przebieg prądu stojana, b przebieg prądu wzbudzenia, c przebieg prędkości kątowej Fig. 4. Transients of SAS state variables during starting process and soft synchronization: a stator current transient, b excitation current transient, c angular speed transient

8 147 Dla porównania na rysunku 5 przedstawiono wybrane przebiegi prądu stojana, prądu wzbudzenia i prędkości silnika w czasie nieprawidłowej synchronizacji. a) I s [a] b) t[s] I w [A] t[s] c) I s [A] d) t[s] ω [rd/s] t[s] Rys. 5. Nieprawidłowa synchronizacja silnika SAS: a) przebieg prądu stojana silnika SAS podczas rozruchu oraz nieprawidłowej synchronizacji dla narastającej wartości napięcia U R =,78U Rmax, b) przebieg prądu wzbudzenia podczas nieprawidłowej synchronizacji i narastającej wartości napięcia U R =,78U Rmax, c) przebieg prądu wzbudzenia podczas nieprawidłowej synchronizacji i narastającej wartości napięcia U R =,13U Rmax, d) przebieg prędkości obrotowej podczas rozruchu oraz nieprawidłowej synchronizacji dla narastającej wartości napięcia U R =,13U Rmax Fig. 5. Incorrect synchronization of SAS motor: a) stator current of SAS motor during starting and incorrect synchronization for the growing voltage U R =.78U Rmax, b) excitation current during incorrect synchronization and the growing voltage U R =.78U Rmax, c) excitation current during incorrect synchronization and the growing voltage U R =.13U Rmax, d) rotor speed during starting and incorrect synchronization and the growing voltage U R =.13U Rmax

9 148 Z przedstawionych przebiegów wynika, że narost prądu wzbudzenia może mieć różny przebieg zależnie od chwili jego załączenia. Obydwa przypadki są niekorzystne, ponieważ powodują oscylacje prądu stojana oraz prędkości silnika, a także wydłużają czas trwania procesu synchronizacji. Dla przypadku przedstawionego na rys. 4c i 4d przeprowadzenie synchronizacji wymaga zwiększenia prądu wzbudzenia do wartości 1,2 I wn. Podczas nieprawidłowej synchronizacji dojście do prędkości synchronicznej poprzedzone jest oscylacjami o znacznej amplitudzie, a także, jak wynika z rys. 4d, w momencie załączania obwodu wzbudzenia prędkość zamiast zwiększać się, zaczyna maleć (silnik zostaje gwałtownie przyhamowany). Sterowanie załączeniem wzbudzenia z wykorzystaniem analizy przebiegu napięcia na rezystancji wirnika zapewnia prawidłową synchronizację w każdych warunkach pracy silnika. W ramach badań symulacyjnych przeprowadzono także analizę wpływu zmian momentu obciążenia oraz momentu bezwładności napędu na przebieg procesu synchronizacji. Z prowadzonej analizy wynika, że zmiana momentu obciążenia wpływa na częstotliwość i amplitudę napięcia na ostatnim stopniu rozruchowym, zmiana momentu bezwładności zaś nie ma praktycznego znaczenia na przebieg tego napięcia. Stosując przyjętą w sterowaniu zasadę wyznaczania optymalnej chwili załączenia wzbudzenia uzyskuje się łagodny przebieg synchronizacji niezależnie od zmian momentu obciążenia i momentu bezwładności napędu. Przykładowe wyniki analizy wpływu zmian momentu obciążenia silnika SAS na przebieg napięcia na ostatnim stopniu rozrusznika przedstawiono na rysunku 6. U R [V] t[s] Rys. 6. Przykładowy przebieg napięcia na ostatnim stopniu rezystora rozruchowego podczas zmian momentu obciążenia silnika SAS: 1 M = M n, 2 M =,8M n, 3 M =,6M n, 4 M =,2M n, 5 M =,1M n Fig. 6. Example of voltage drop transientat at the last stage of starting resistor with various load torque of SAS motor: 1 M = M n, 2 M =.8M n, 3 M =.6M n, 4 M =.2M n, 5 M =.1M n Uzyskane wyniki badań symulacyjnych poddano weryfikacji praktycznej, wykonując pomiary zarówno dla napędu z silnikiem SAS dużej mocy, jak i silnika pierścieniowego 3 kw. Przykładowe wyniki tych badań przedstawiono na rysunkach 7 i 8. Analiza uzyskanych przebiegów potwierdza wyniki otrzymane podczas badań symulacyjnych określających optymalną chwilę załączania prądu wzbudzenia. Wykorzystując

10 149 I w ω I s Rys. 7. Przykładowy przebieg łagodnej synchronizacji silnika SAS w napędzie młyna kulowego Fig. 7. Example of soft synchronization process of SAS motor in the ball mill drive c) d) Rys. 8. Przykładowe przebiegi synchronizacji silnika indukcyjnego pierścieniowego: a) przebiegi napięcia wirnika U R oraz prądu wzbudzenia I w dla łagodnej synchronizacji przy opadającym sygnale napięcia wirnika o wartości U R =,3 U Rmax, b) przebieg prądu stojana I s dla łagodnej synchronizacji przy U R =,3 U Rmax, c) przebiegi napięcia wirnika U R oraz prądu wzbudzenia I w dla nieprawidłowej synchronizacji przy U R =,75 U Rmax, d) przebieg prądu stojana I s dla nieprawidłowej synchronizacji przy U R =,75 U Rmax Fig. 8. Example synchronization for the wound-rotor induction motor: a) rotor voltage U R and excitation current I w transients for U R =.3U Rmax, b) stator current I s transients for soft synchronization for U R =,3U Rmax, c) rotor voltage U R and synchronization excitation current I w transients during incorrect synchronization for U R =.75U Rmax, d) stator current I s transient during incorrect synchronization for U R =.75U Rmax

11 15 w układzie pomiar napięcia na ostatnim stopniu rozruchowym, nie wprowadza się istotnych błędów ze względu na praktycznie ustaloną już prędkość silnika i stały czas działania łączników przełączających uzwojenia wirnika do zasilania prądem stałym. Załączenie prądu wzbudzenia w ustalonej chwili przebiegu napięcia powoduje łagodną synchronizację zarówno silnika SAS, jak również silnika indukcyjnego pierścieniowego. 5. WNIOSKI Istotny wpływ na przebieg synchronizacji silników asynchronicznych synchronizowanych ma chwila załączania prądu wzbudzenia. Wyniki badań symulacyjnych, potwierdzone badaniami na obiekcie funkcjonalnym, a także na silniku napędzającym młyn kulowy, wykazały, że optymalną chwilą załączenia wzbudzenia jest moment, w którym napięcie U R zmniejsza się do wartości minimalnej U R = U Rmax, po wcześniejszym przejściu przez zero. Badania symulacyjne określają ten przedział jako U R = (,4,8)U Rmax. Z badań eksperymentalnych wynika, że lepiej jest przyjąć ten przedział w zakresie U R = (,1,5)U Rmax. Wynika on z parametrów obwodu wzbudzenia i zastosowanych łączników. Badania symulacyjne dowodzą, że zmiana momentu obciążenia silnika lub momentu bezwładności napędu nie wpływa na przebieg procesów przejściowych podczas synchronizacji, Prowadzone lecz badania jedynie na sprawdzające czas jej trwania. potwierdziły wyniki badań symulacyjnych. Zastosowanie sterowania procesem synchronizacji tak, aby uzyskać łagodny jego przebieg pozwala zrezygnować ze stosowania przewzbudzenia. W rezultacie można zastosować układ zasilania wzbudzenia o mniejszej mocy i gabarytach, pracujący przy lepszym współczynniku mocy i generujący mniejsze zakłócenia, a także, co również jest istotne, zmniejszeniu ulegają narażenia elektryczne i mechaniczne podczas synchronizacji. LITERATURA [1] AZAREWICZ S., ZALAS A., Przekształtnikowy układ zasilania wzbudzenia silników asynchronicznych synchronizowanych dużej mocy, Mat. Konf, XXXI Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń [2] AZAREWICZ S., ZALAS A., ZAWILAK J., Tyrystorowy układ łagodnej synchroniacji silników synchronicznych, Zeszyty Problemowe BOBME Komel Katowice nr 5/1995. [3] PAWLAK K., BEDNAREK S., Rozruch i stany asynchroniczne silników synchronicznych, Warszawa, WNT, [4] SOBCZYK T., Łagodna synchronizacja silników synchronicznych dużej mocy z asynchronicznego stanu pracy, Mat. Konf. XX Symp. Maszyn Elektrycznych, Maszyny Synchroniczne, Kazimierz Dolny, [5] TUNIA H. KAŹMIERKOWSKI M., Automatyka napędu przekształtnikowego, Warszawa, PWN, SOFT SYNCHRONISATION OF SYNCHRONISED ASYNCHRONOUS MOTORS The analysis of the possibilities of soft synchronisation of synchronised induction motors is presented. Simulation studies directed into investigations of the influence of switching on of exciting current on the process of synchronisation are conducted. The results of simulation studies are used for determining the control of the converter fed excitation method and for designing the construction of this system.the experimental test of the drive systems with synchronised asynchronous motor and slip-ring induction motor are performed. It has been stated, that the proposed method can be successfully applied for soft synchronisation of synchronised asynchronous motors.