ŁAGODNY ROZRUCH SILNIKÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO DUśEJ MOCY

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9 11 Tomasz Zawilak, Ja Zawilak Politechika Wocławska, Wocław ŁAGODNY ROZRCH SLNKÓW PRĄD PRZEMENNEGO DśEJ MOCY GENTLE START OF LARGE POWER AC MOTORS Abstact: This pape pesets oppotuities to alleviate pocess duig stat-up AC motos. Methods based o stato state ad autotasfome applicatios ae descibed. A ew cocept of getle stat based o polechagig widig is show. This method eables effective u up cuet eductio ad smooth sychoizatio of the sychoous motos. 1. Wstęp Siliki idukcyje oaz siliki sychoicze to maszyy pądu pzemieego staowiące ajlicziejszą gupę odbioików eegii. Rozuch takich maszy jest jedym z waŝiejszych zagadień dotyczących ich eksploatacji. Poblem te jest szczególie waŝy dla silików duŝych mocy (zędu kilkuset kilowatów) [1, 3, 4]. W układach apędowych z silikami sychoiczymi ajczęściej stosuje się ozuch asychoiczy. Ze względu a podobieństwo zjawisk poblem ozuchu silików sychoiczych i idukcyjych moŝe być aalizoway w te sam sposób. Do podstawowych zagadień aalizowaych podczas ozuchu silików du- Ŝej mocy aleŝą watości pądu pobieaego z sieci, pądu płyącego pzez uzwojeia oaz mometu elektomagetyczego wytwazaego pzez te silik. Watość pądu pobieaego z sieci jest miimalizowaa ze względu a spadki apięć a tasfomatoze zasilającym, z któego zasilae mogą być ie odbioiki. Pąd płyący pzez uzwojeia silika miimalizoway jest ze względu a agzewaie się uzwojeń oaz iezbędą liczbę załączeń astępujących po sobie (wymagaia techologicze) [4]. Podczas ozuchu układu apędowego wymaga się odpowiediej watości mometu dyamiczego, któy zaleŝy ie tylko od mometu elektomagetyczego, ale ówieŝ od mometu opoowego. Dlatego pocesy ozuchu powiy być aalizowae dla układów apędowych o okeśloych chaakteystykach obciąŝeia i okeśloych pocesach techologiczych. W wielu z ich wymaga się zmieości mometu dyamiczego w czasie ozuchu p. w pzeośikach taśmowych oczekuje się początkowo ieduŝego mometu dyamiczego (ok. 4 % mometu zamioowego) apiają- cego taśmę, a astępie mometu o duŝej watości (większej od zamioowej) uuchamiającego układ. Oddzielą gupę apędów staowią pompy i wetylatoy, w któych początkowy momet opoowy wyosi ok. 35% mometu zamioowego, astępie maleje i po osiągięciu ok. % pędkości obotowej zamioowej ośie z kwadatem wzostu tej pędkości. W liteatuze techiczej bogato epezetowae są zagadieia łagodego ozuchu układów apędowych z silikami idukcyjymi [6, 7]. Zagadieia te są łatwiejsze do ozwiązywaia w silikach pieścieiowych, w któych moŝliwa jest egulacja paametów uzwojeia wiika. JedakŜe ze względu a większą iezawodość działaia oaz iŝsze koszty eksploatacji większą gupę staowią apędy z silikami idukcyjymi klatkowymi, w któych a pocesy ozuchu wpływać moŝa tylko od stoy zasilaia. W tych silikach pądy ozuchowe są większe i wielokotie (5 do 8 azy) pzekaczają pądy zamioowe. W iiejszej pacy dokoao aalizy moŝliwości łagodzeia pocesów ozuchu silików pądu pzemieego duŝej mocy ze względu a pądy pobieae z sieci, pądy płyące w uzwojeiach stojaa oaz momety elektomagetycze wytwazae podczas ozuchu. Pzedstawioo owe moŝliwości łagodzeia pocesów ozuchu w silikach pądu pzemieego duŝej mocy pzez zastosowaie pzełączalego uzwojeia twoika wytwazającego pola magetycze o óŝych liczbach bieguów, zmieiae postym pzełączeiem w skzyce zaciskowej.

2 1 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9. Metody ozuchu silików idukcyjych klatkowych duŝej mocy Na ysuku 1 pzedstawioo sposoby ozuchu silików idukcyjych klatkowych duŝej mocy [, 7]. metody ozuchu S duŝej mocy pzy obiŝoym apięciu bezpośedi z wykozystaiem kodesatoów z ozuszikiem stojaowym za pomocą autotasfomatoa Rys. 1. Sposoby ozuchu silików idukcyjych klatkowych duŝej mocy Pzy wyboze metody ozuchu silika idukcyjego aleŝy uwzględić: chaakteystykę mechaiczą maszyy oboczej i silika, by w całym zakesie poślizgu uzyskać dodati momet dyamiczy, waukujący uday ozuch, paamety sieci zasilającej (łączie z tasfomatoem) tz. zmieość apięcia oaz moc zwaciową, koszty iwestycyje układu ozuchowego..1 Rozuch bezpośedi Rozuch popzez bezpośedie włączeie do sieci jest ajczęściej stosowaym sposobem uuchomieia silików idukcyjych klatkowych małej mocy. JedakŜe w te sposób uuchamiae są ówieŝ siliki śediej, a awet duŝej mocy. Podstawowymi zaletami tej metody jest postota oaz iski koszt iwestycyjy; wadą zaś duŝa watość pądu ozuchowego powodująca spadki apięcia w sieci. Poblem te jest szczególie istoty w takim pzypadku, gdy z jedego tasfomatoa zasilaa jest większa liczba odbioików. Odbioiki oświetleiowe (szczególie jazeiowe) oaz ie siliki idukcyje są ajbadziej waŝliwe a występowaie spadków apięcia zasilającego []. Momet elektomagetyczy silików idukcyjych jest popocjoaly do kwadatu apięcia zasilaia (M e ~ ). JeŜeli apięcie zasilaia silika o iskiej pzeciąŝalości mometem (p. λ=1,6) zmiejszy się o % (,8 ), wówczas jego momet kytyczy wyosi: M k (, 8) 16, M = 1, M = 4 co w iespzyjających waukach (a pzykład chwilowe pzeciąŝeie silika) moŝe spowodować jego utkięcie. Spadki apięcia zasilającego mają wpływ a poces ozuchu silika. Momet ozuchowy silika ówieŝ zaleŝy od kwadatu apięcia zasilającego. Spadki apięć powodują zmiejszeie mometu ozuchowego, co wydłuŝa czas ozuchu. W układach apędowych o duŝym momecie opoowym ozuch taki moŝe być iemoŝliwy. Z tych powodów pzy ozuchu bezpośedim dąŝy się do ogaiczeia spadków apięć w sieci zasilającej, co jedak jest związae z potzebą zastosowaia tasfomatoa zasilającego o odpowiedio duŝej mocy. Miimalą moc tasfomatoa, pzy któej podczas ozuchu spadki apięcia ie pzekoczą okeśloej watości okeślić moŝa a podstawie zaleŝości: S w któej: 1 T β u z k 1 β 1 P η cosϕ (1) β = - względa watość miimalego apięcia zasilaia (uwzględiająca dopuszczaly spadek apięcia), k = - względy początkowy pąd ozu- chowy silika, η, cosϕ - zamioowe watości spawości i współczyika mocy silika, u z - pocetowe apięcie zwacia tasfomatoa. Ozacza to, Ŝe moc zamioowa tasfomatoa musi być zaczie większa od mocy zamioowej silika. Z zaleŝości 1 wyika, Ŝe im miejszy jest dopuszczaly spadek apięcia podczas ozuchu, tym większa powia być moc tasfomatoa zasilającego p. dla dopuszczalego spadku apięcia 1 % (β=,9 ), moc zamioowa tasfomatoa zasilającego powia być poad pięciokotie większa od mocy silika zasilaego. W staie omalej pacy (po ozuchu) tasfomato taki jest iedociąŝoy, co pogasza spawość całego układu. Na spadek apięcia w układzie zasilającym duŝy wpływ ma ie tylko watość pądu ozu-

3 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9 13 chowego, ale ówieŝ jego pzesuięcie kątowe względem wektoa apięcia. Na ysuku pzedstawioo wykesy wskazowe tasfomatoa pzy pzepływie pądu o tej samej watości (pądu ozuchowego ) ale o óŝej fazie względem wektoa apięcia stoy wtóej. Dla tasfomatoów duŝej mocy eaktacja ozposzeia jest zaczie większa od ezystacji uzwojeia (X T >>R T ), wobec czego spadek apięcia a eaktacji jest zaczie większy od spadku apięcia a ezystacji. JeŜeli pzez tasfomato płyie pąd o chaakteze bieym to wówczas spadek apięcia a eaktacji ozposzeia dodaje się iemal algebaiczie do apięcia wtóego (ys. a). a) b) T j X T R T j X T T R 1 T Schemat układu do ozuchu silika pądu pzemieego z ozuszikiem stojaowym pzedstawioo a ysuku 3. W piewszej fazie ozuchu silika zamyka się wyłączik W1. Napięcie a siliku S jest pomiejszoe, w stosuku do apięcia zasilaia, o spadki apięć a impedacji ozuszika, pzez któy pzepływa pąd ozuchowy a silik wytwaza momet ozuchowy opisay zaleŝością = () M = M (3) W zaleŝościach () (3) ozaczoo:, M - watości pądu i mometu ozuchowego występujące pzy obiŝoym apięciu,, M - watości pądu i mometu ozuchowego dla apięcia zamioowego. 1 R S T ϕ W 1 Rys.. Wykes wskazowy tasfomatoa pzy pzepływie pądu ozuchowego: o chaakteze bieym (a) oaz o chaakteze czyym (b) Gdy pzez tasfomato płyie pąd o tej samej watości, lecz chaakteze czyym (ys. b) to spadek apięcia a tasfomatoze dodaje się do apięcia wtóego geometyczie pawie postopadle. Powstaje wówczas pzesuięcie kątowe pomiędzy wektoami 1 i atomiast ich moduły pozostają w pzybliŝeiu takie same. Spadki apięcia podczas ozuchu silika idukcyjego są pzede wszystkim wyikiem pzepływu składowej bieej pądu.. Rozuch z zastosowaiem ozuszika stojaowego Zastosowaie ozuszika stojaowego jest jedym ze sposobów ozuchu silików pądu pzemieego polegającym a zmiejszeiu apięcia zasilającego. Pąd pobieay z sieci maleje wskutek zwiększeia impedacji wypadkowej ówej sumie impedacji silika i ozuszika. S Rys. 3. Schemat połączeia układu do ozuchu silika idukcyjego klatkowego z ozuszikiem stojaowym Po zakończoym ozuchu, kiedy pędkość silika jest bliska pędkości zamioowej, boczikuje się ozuszik pzez zamkięcie wyłączika W. Jak wyika z zaleŝości watość pądu ozuchowego jest popocjoala do apięcia a siliku atomiast momet ozuchowy jest zaleŝy od kwadatu tego apięcia (3). Te sposób ozuchu jest mało pzydaty szczególie w układach o duŝym momecie opoowym bowiem zmiejszeie pądu ozu- W

4 14 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9 chowego o ok. % ( =,8 ) powoduje jedocześie zmiejszeie mometu ozuchowego o ok. 36 % (M =,64M ). Rozuch z zastosowaiem ozuszika stojaowego moŝe być stosoway w układach apędowych o wetylatoowej chaakteystyce mechaiczej. Właściwy dobó paametów (ezystacji i eaktacji) ozuszika elektomagetyczego do paametów silika pozwala a optymale (algebaicze) odejmowaie spadku apięcia w całym pocesie ozuchu, co w istoty sposób zmiejsza gabayty, masę i ceę tego ozuszika. PoiewaŜ spadek apięcia a ozusziku jest popocjoaly do malejącego w miaę pzyostu pędkości obotowej pądu, to zwiększające się apięcie a siliku powoduje wzost mometu elektomagetyczego. ZaleŜość ta jest szczególie cea w układach apędowych o wetylatoowej chaakteystyce mechaiczej, bo umoŝliwia utzymaie w pzybliŝeiu stałego mometu dyamiczego. Jedym z ozwiązań kostukcyjych ozuszików stojaowych jest ozuszik wiopądowy. Pace ad takimi ozuszikami powadzoe są od wielu lat. Rozusziki te włączae do obwodu wiika silika pieścieiowego zalazły szeeg zastosowań pzemysłowych. ch wykozystaie do ozuchu silików idukcyjych klatkowych w oli ozuszików stojaowych datuje się od lat dziewięćdziesiątych. Podstawową zaletą wiopądowych ozuszików stojaowych jest moŝliwość dostosowaia ich impedacji do paametów silika w chwili ozuchu. Dostosowaie optymale pozwala zmiimalizować watość spadku apięcia a ozusziku pzy jedoczesym obiŝeiu apięcia a zaciskach silika do wymagaej watości. Ma to miejsce wówczas, gdy współczyik mocy ozuszika jest ówy współczyikowi mocy silika, czyli występuje algebaicze odejmowaie się apięć. Pozytywą cechą ozuszików wiopądowych jest samoczye zmiejszeie się spadku apięcia związae z watością pądu ozuchowego oaz pędkością obotową silika. Do iych zalet ozuszików wiopądowych aleŝy ich posta kostukcja, iski koszt wytwozeia, moŝliwość stosowaia do silików o dowolej mocy i apięciu zamioowym, co jest szczególie istote dla maszy wysokoapięciowych..3 Rozuch za pomocą autotasfomatoa ozuchowego Zastosowaie autotasfomatoa jest kolejym sposobem łagodzeia pocesów ozuchu silików pądu pzemieego polegającym a zmiejszeiu apięcia zasilającego []. Schemat połączeia układu pokazao a ysuku 4. W 1 R S T S W1 AT W3 Łączik Stopień W1 W W3 Pzygotowaie o o z 1 z o z z o o Paca z z o Rys. 4. Schemat połączeia układu podczas ozuchu silika z zastosowaiem autotasfomatoa (układ Kodofea) Podobie jak pzy zastosowaiu ozuszika stojaowego silik w wyiku zasilaia obiŝoym apięciem pobiea pąd popocjoaly do apięcia oaz wytwaza momet popocjoaly do kwadatu apięcia. Natomiast pąd ozuchowy pobieay z sieci (po stoie piewotej autotasfomatoa), po uwzględieiu pzekładi ϑ e, jest ówieŝ zaleŝy od kwadatu względej watości apięcia a siliku. 1 = = = 1 M = M = 1 ϑ e 1 ϑe 1 ϑe (4) W zaleŝościach 4 pzyjęto astępujące ozaczeia: 1 -pąd ozuchowy pobieay pzez silik pzy obiŝoym apięciu zasilaia (po stoie wtóej autotasfomatoa), -pąd ozuchowy pobieay z sieci pzy obiŝoym apięciu zasilaia (po stoie piewotej autotasfomatoa),

5 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9 15 -pąd ozuchowy pobieay z sieci pzy zamioowym apięciu zasilaia silika, M -momet ozuchowy silika występujący pzy obiŝoym apięciu zasilaia, M -momet ozuchowy silika występujący pzy zamioowym apięciu zasilaia silika, ϑ e -pzekładia autotasfomatoa. W paktyczych układach dąŝy się do tego, aby pzełączeie a pełą watość apięcia zasilaia odbywało się w jak ajkótszym czasie oaz bez pzew bezapięciowych. Wauki te spełia układ Kodofea, w któym ozuch odbywa się dwustopiowo. Na piewszym stopiu silik jest zasilay obiŝoym apięciem (z autotasfomatoa), atomiast a dugim po ozwaciu gwiazdy autotasfomatoa część jego uzwojeia połączoa jest szeegowo z uzwojeiem silika spełiając olę dławika. Kolejość łączeń podczas ozuchu silika pzedstawioo w tabeli a ysuku 4. Rozuch za pomocą zmiay liczby bieguów pola magetyczego (dwubiegowy) Do łagodzeia ozuchu wykozystuje się uzwojeie twoika, któego zezwoje a obwodzie ozłoŝoe są w taki sposób, Ŝe w zaleŝości od pzyłączeia apięcia zasilającego wytwazają pole magetycze o liczbie bieguów ówej p 1 lub p (ys. 5) [1]. a) b) Rys. 5. Schemat połączeia uzwojeia o zmieiaych liczbach bieguów pola magetyczego Wykozystując szeegowe i ówoległe połączeie sekcji w gupach fazowych uzwojeia zmieia się impedację uzwojeia w stosuku 1:4. mpedacja ta decyduje o watości pądu ozuchowego stąd istieje moŝliwość łagodzeia pocesów ozuchu silika. O watości mometu elektomechaiczego decyduje watość idukcji magetyczej pola wytwozoego w siliku, któa zaleŝy od watości apięcia zasilającego i liczby zwojów szeegowych pasma fazowego. Rozuch silika odbywa się z małym pądem w układzie szeegowego połączeia zezwojów dla miejszej liczby bieguów pola magetyczego p 1 (p. 14), a astępie po osiągięciu pędkości obotowej ieco większej od sychoiczej (p. 39 ob/mi) odpowiadającej większej liczbie bieguów p jest pzełączay a dugą liczbę bieguów p =16 waukującą pędkość obotową sychoiczą =375 ob/mi. Silik jest sychoizoway z adsychoizmu pzy pądzie iewiele większym od zamioowego. Pzykład obliczeia pądów i mometów podczas ozuchu dwubiegowego dla badaego silika pokazao a ysuku 6. momet [j.w] pąd [j.w.] 3,5 1,5 1, momet p =16 momet p 1 =14 obciąŝeie M =,4M s =375 4 pędkość [ob/mi] pąd p =14 pąd p 1 =16 s =375 4 pędkość [ob/mi] Rys. 6. Obliczoe chaakteystyki mechaicze i pądu ozuchowego dla większej p =16 oaz miejszej p 1 =14 liczby bieguów pola magetyczego podczas ozuchu dwubiegowego

6 16 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 81/9 pąd [A] pąd [A] a a,5 1 1,5,5 3 3,5 4 Rys. 7. Czasowy wykes pądu podczas ozuchu dwubiegowego i bezpośediego badaego silika momet [Nm] momet [Nm] Momet Momet,5 1 1,5,5 3 3,5 4 Rys. 9. Czasowy wykes mometu elektomagetyczego podczas ozuchu dwubiegowego i bezpośediego badaego silika 3. Wioski Na podstawie pzedstawioych ysuków moŝa stwiedzić: - zastosowaie odpowiediej kofiguacji uzwojeia stojaa umoŝliwiający dwubiegowy ozuch pozwala zacząco złagodzić pocesy ozuchowe a miaowicie zmiejszyć pąd pobieay z sieci oaz momet dyamiczy podczas ozuchu silika, - zmiejszeie pądu ozuchowego i mometu dyamiczego odbywa się bez zastosowaia dodatkowych uządzeń co zwiększa iezawodość układu apędowego oaz zmiejsza koszty jego modeizacji, - sychoizacja silików sychoiczych moŝe być dokoywaa z adsychoizmu co łagodzi pocesy dyamicze występujące podczas tego pocesu. Liteatua [1]. Das, J.C.; Casey, J.: Chaacteistics ad aalysis of statig of lage sychoous motos dustial ad Commecial Powe Systems Techical Cofeece, s. 1-1, 1999 []. GogolewskiZ. Kuczewski Z.: Napęd elektyczy WNT Waszawa 197. [3]. Kazi T.: Pactical equiemets fo statig vey lage machies, EE Colloquium o Desig, Opeatio ad Maiteace of High Voltage (3.3 kv to 11 kv) Electic Motos fo Pocess Plat, s. 1-6, [4]. Nevelstee, J.; Aago, H.: Statig of lage motos-methods ad ecoomics EEE Tas. o.dusty Applicatios, Vol. 5, No. 6, s , 1989 [5]. Sagha G.S..: Capacito-Reacto Stat of Lage Sychoous Moto o a Limited Capacity Netwok EEE Tas. o.dusty Applicatios, Vol. A-19, No. 6, s , 1983 [6]. Zawilak T.: Rozuch silików duŝej mocy pądu pzemieego pzy ozdzieloych uzwojeiach stojaa Masz. Elekt. Zesz. Pobl. BOBRME Komel 8, s , 8. [7]. Zawilak T., Atal L., Zawilak J.: Pąd ozuchowy silików idukcyjych z ozdzieloymi uzwojeiami stojaa. XL teatioal Symposium o Electical Machies, s , 4. [8]. Zawilak T., Atal L., Zawilak J.: Łagodzeie pocesów ozuchowych w silikach pądu pzemieego. Mechaizacja i Automatyzacja Góictwa 7, s. 9-98, 4. [9]. Zawilak T., Atal L., Zawilak J.: Rozuch silików idukcyjych z ozdzieloymi uzwojeiami stojaa, Masz. Elekt. Zesz. Pobl. BOBRME Komel 68, s , 4. [1]. Zawilak J.: zwojeia zmieobieguowe maszy elektyczych pądu pzemieego, Pace Naukowe Elm. PW. seii M 37 Wocław Ades Autoów: Politechika Wocławska, stytut Maszy, Napędów i Pomiaów Elektyczych ul. Smoluchowskiego 19, 5-37 Wocław tomasz.zawilak@pw.woc.pl ja.zawilak@pw.woc.pl