Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem.

Transkrypt

1 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 Politechika Radomska Zakład Eksploatacji Maszy i Urządzeń Elektryczych Prof. dr hab. Iż. Emil Mitew Dr iż. Jerzy Szymański Napięciowy przemieik częstotliwości o ulepszoej współpracy z silikiem. Streszczeie W artykule przedstawioo kocepcję budowy obwodu mocy apięciowego przemieika częstotliwości PWM do zasilaia silików prądu przemieego w którym regulacja wartości amplitudy harmoiczej podstawowej apięcia wyjściowego dokoywaa jest poprzez regulację wartości apięcia stałego zasilaia falowika. Zapropoowae rozwiązaie umożliwia rozruch częstotliwościowy przy zmiejszoej zawartości wyższych harmoiczych w apięciu zasilaia silika. Przestawioo korzyści z zastosowaia takiego rozwiązaia: zwiększeie sprawości apędu, poprawa waruków kompatybilości elektromagetyczej, zwiększeie żywotości kodesatorów obwodu stałoapięciowego przemieika częstotliwości i silika. 1. Wprowadzeie Powszechie stosowae przemieiki częstotliwości z falowikiem apięciowym powodują zwiększoą emisję elektromagetyczą i zwiększoe straty silika przy pracy z małymi prędkościami obrotowymi. Domiująca przy iskich częstotliwościach apięcia zasilaia silika składowa rezystacyja impedacji fazowej, może powodować iesymetryczy prąd fazowy uzwojeń silika, co prowadzi do zmiejszeia jego mometu rozruchowego. Kształtowaie metodą PWM apięcia wyjściowego falowika prowadzi często, w zakresie małych prędkości obrotowych silika, do iesymetryczości apięć międzyfazowych. Jest to skutkiem zwiększoej zawartości wyższych harmoiczych apięcia zasilaia silika z powodu koieczości stosowaia głębokiej modulacji, dla zapewieia wartości skuteczej apięcia międzyfazowego a poziomie, awet 10-20% apięcia zasilaia przemieika. Przedmiotem opracowaia jest przedstawieie rozwiązaia techiczego powodującego zwiększeie mometu rozruchowego silika w zakresie małych prędkości, przez zmiejszeie zawartości wyższych harmoiczych apięcia zasilaia, przy jedoczesym ograiczeiu i symetryzacji prądów fazowych silika zasilaego z apięciowego przemieika częstotliwości. W dalszej części zaprezetowao strukturę obwodu mocy apięciowego przemieika z kształtowaiem apięcia wyjściowego metodą PWM, która zapewia zmiejszeie zawartości wyższych harmoiczych w apięciu wyjściowym dla iskich częstotliwości harmoiczej podstawowej. W przedstawiaym rozwiązaiu astępuje także zmiejszeie maksymalego apięcia - U p oraz szybkości jego arastaia - du/dt, co przybliża waruki współpracy silika zasilaego z przemieika do współpracy z apięciem siusoidalym bez wyższych harmoiczych o regulowaej częstotliwości i amplitudzie. 2. Napędy z przemieikami apięciowymi. Stosowae obecie przemieiki częstotliwości o strukturze: prostowik iesteroway - stałoapięciowy obwód pośredi bez regulacji wartości apięcia zasilaia falowika falowik apięciowy - rys. 1, są powszechie stosowae w regulowaych apędach trójfazowych silików prądu przemieego. Do kształtowaia apięcia wyjściowego falowika apięciowego wykorzystuje się metody modulacji będące odmiaami PWM (p. VVC + - 3rd geeratio PWM priciple SFAVM -Stator Flux orieted Asychrous Vector Modulatio). Oddziaływaie przemieików częstotliwości a sieć zasilaia obecie ograiczaa jest poprzez stosowaie dławika umieszczoego między wyjściem stałoapięciowym prostowika i kodesatorem obwodu pośrediego dla ograiczeia wyższych harmoiczych prądu iskiego rzędu, przez co astępuje wzrost współczyika mocy - P/S (tutaj: S(P 2 +D 2 ) 1/2 ). Dla ograiczeia emisji elektromagetyczej promieiowaej do otoczeia o częstotliwościach radiowych, a wejścia zasilaia przemieików częstotliwości dołącza się filtry radioelektrycze. Wyjścia mocy przemieików ze względu a dużą zawartość wyższych harmoiczych apięcia są łączoe z zaciskami silików ekraowaymi kablami eergetyczymi. Sporadyczie, przy mocach silików do ok. 45kW wykorzystuje się także wyjściowe filtry LC. Istieją wykoaia filtrów LC zapewiające zwrot części eergii do obwodu DC przemieika. Stosowaie filtrów LC powoduję zmiejszeie zawartości wyższych harmoiczych apięcia zasilaia silika, w szczególości częstotliwości radiowych, co w efekcie powoduje zmiejszeie emisji radioelektryczej kabli silikowych i sil- 1

2 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 ika oraz zwiększa sprawość silika. Zmiejszeia się jedak sprawość całego układu apędowego: przemieik częstotliwości - silik. Filtry te są uciążliwe w eksploatacji i kosztowe, poadto wymagają stałej częstotliwości przełączaia zaworów półprzewodikowych falowika, zwykle powyżej 4,0 khz. Stosowaie szeregu zabiegów techiczych umożliwia wykoaie istalacji zgodie z wymogami kompatybilości elektromagetyczej, jedak istalacja ta jest kosztowa. prostowik stopień pośredi falowik 3x380V M układ sterowaia i zabezpieczeń wejścia-wyjścia sterujące Rys. 1 Schemat blokowy obwodu mocy przetworicy częstotliwości. Podstawowym problemem w wielu zastosowaiach przemysłowych jest praca silika ze zwiększoym obciążeiem przy małych prędkościach obrotowych silika. W owych rozwiązaiach przemieików istieje możliwość zadawaia początkowej wartości skuteczej apięcia oraz miimalej częstotliwości rozruchu silika. Często jedak regulacja tych parametrów ie powoduje istotego zwiększeia mometu rozruchowego silika. Zwiększaie wartości miimalej częstotliwości rozruchu powoduje zwiększoy udział składowej reaktacyjej impedacji fazowej silika, przez co astępuje symetryzacja i zmiejszeie wartości skuteczej prądu, jedak wzrost poślizgu silika często iweczy efekt zwiększeia mometu rozruchowego. Zakładając zbliżoą wartość rezystacji przewodowej a zaciskach wyjściowych przemieika częstotliwości (rezystacja kabla eergetyczego i uzwojeń silika), często korzysty efekt moża osiągąć zadając właściwą wartość skuteczą apięcia początkowego. Jest to dość uciążliwe biorąc pod uwagę, że rezystacja ta ma iewielką wartość i zmiejsza się wraz ze wzrostem mocy silika oraz zmieia swoją wartość w czasie jego pracy. Zadaie zbyt dużej wartości skuteczej początkowego apięcia rozruchu przy jedocześie iskiej częstotliwości rozruchu (p. 0,5Hz) prowadzi do przekroczeia dopuszczalej wartości prądu przemieika, co powoduje wyłączeie przemieika przez zabezpieczeia adprądowe, lub astępuje wyłączeie przemieika przez zabezpieczeia przeciwzwarciowe wskutek osiągięcia zbyt dużej szybkości arastaia prądu fazowego silika di s /dt. Taka sytuacja może w szczególości wystąpić przy istalacjach z silikami większych mocy o zwiększoej sprawości i krótkimi kablami silikowymi. Zmiejszaie wartości skuteczej początkowego apięcia rozruchu powoduje atomiast wzrost zawartości wyższych harmoiczych iskiego rzędu apięcia zasilaia silika, a tym samym powoduje wzrost zawartości mometów pasożyticzych i zmiejszeie wypadkowego mometu rozruchowego. 3. Sztucze krótkotrwałe zwiększeie rezystacji wyjściowej przemieika częstotliwości. Aaliza widma harmoiczych apięć wyjściowych apięciowego przemieika częstotliwości, przedstawioych a rys. 2 i 3, prowadzi do wiosku, że zwiększeie mometu rozruchowego silika, moża osiągąć przez zwiększeie wartości skuteczej początkowego apięcia rozruchu a wyjściach mocy przemieika częstotliwości przy jedoczesym zwiększeiu jego rezystacji wyjściowej, tak aby apięcie a zaciskach silika ie uległo admieremu zwiększeiu. W takim przypadku rozruch silika będzie prowadzoy przy zmiejszoym współczyiku głębokości modulacji PWM i tym samym miejszy będzie udział wyższych harmoiczych apięcia. Obiżeie apięcia a zaciskach silika moża osiągąć przez krótkotrwałe włączeie między zaciski wyjściowe przemieika częstotliwości i kable silikowe dodatkowej rezystacji w początkowej fazie rozruchu silika, rys. 4. W tym przypadku uzyskuje się możliwość rozruchu silika ze zmiejszoą zawartością wyższych harmoiczych apięcia i dokoując pomiaru prądów fazowych silika moża skuteczie wysymetryzować rezystacyjie obciążeie przemieika częstotliwości. Zapewia to uzyskaie symetryczych prądów fazowych silika dla iskich częstotliwości harmoiczej podstawowej apięcia zasilaia. Po zakończeiu początkowej fazy rozruchu odciążoego silika, tj. po osiągięciu przez przemieik częstotliwości Hz, rezystacja dodatkowa jest zbęda i może być odłączoa. 2

3 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 Napięcie a zaciskach silika: f h1 5Hz (U max 768V, U mi -600V) Widmo harmoiczych apięcia; RMS136V, Peak768V, Kfact333,93 THDr98,14%, THDf510,92% Rys.2 Napięcie międzyfazowe silika zasilaego z apięciowego falowika PWM dla podstawowej harmoiczej o częstotliwości 5Hz i wartości skuteczej 136V. Napięcie a zaciskach silika: f h1 50Hz (U max 768V, U mi -600V) Widmo harmoiczych apięcia; RMS420V, Peak648V, Kfact62,79 THDr46,37%, THDf52,34% Rys.3 Napięcie międzyfazowe silika zasilaego z apięciowego falowika PWM dla podstawowej harmoiczej o częstotliwości 50Hz i wartości skuteczej 420V. Wzrost udziału składowej reaktacyjej impedacji fazowej silika wraz ze wzrostem częstotliwości harmoiczej podstawowej apięcia wyjściowego przemieika, powoduje ograiczeie zależości prądu silika od składowej rezystacyjej jego impedacji międzyfazowej. Iym powodem usuięcia dodatkowej rezystacji z obwodu mocy jest wzrost strat proporcjoaly do czasu przewodzeia prądu silika. Przy stało mometowej charakterystyce obciążeia w fukcji prędkości obrotowej silika i omialej wartości mometu obciążeia, prąd silika ma wartość zbliżoą do zamioowej w całym zakresie prędkości obrotowych (0- obr/mi). 4. Zastosowaie rezystacji dodatkowej w rzeczywistym apędzie. W czasie prób rozruchu apędu dmuchaw powietrza HR 23 firmy Holmes - Dresser z silikami asychroiczymi Sg 200 L2B, zasilaymi z przemieików częstotliwości o charakterystyce rozruchowej typu wetylatorowego, stwierdzoo brak możliwości rozruchu tych dmuchaw. Po przeprowadzeiu badań stwierdzoo, że dmuchawy HR 23 charakteryzują się stało mometowym obciążeiem w zakresie regulacji ich wydajości 5-50Hz, a momet obciążeia jest fukcją głębokości zaurzeia w wodzie kolektora apowietrzającego. W badaym zastosowaiu obciążeie silików dmuchaw wyosiło 25kW. 3

4 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 R u falowik R v U R w V W ~M DC/AC układ sterowaia i zabezpieczeń f wejścia-wyjścia sterujące Rys.4 Schemat połączeia rezystacji dodatkowej między wyjściami apięciowego przemieika częstotliwości PWM i zaciskami silika. Przebieg apięć rozruchowych zastosowaych przemieików częstotliwości, przedstawioo a rys. 5. Przeprowadzoa aaliza wykazała, że istieje możliwość zapewieia odpowiediego mometu rozruchowego silików dmuchaw, mimo że zastosowao przemieiki z charakterystyką rozruchową dla obciążeń typu wetylatorowego, zamiast przemieików z charakterystyką rozruchową dla obciążeń typu stało mometowego Uwy M [V] Uwy L [V] Uwy H [V] Rys.5: Przebieg apięć rozruchowych dla obciążeń typu wetylatorowego przemysłowego przemieika częstotliwości.(oś x częstotliwość apięcia zasilaia silika w [Hz], oś y apięcie zasilaia silika w [V]) Aaliza przebiegu mometu rozruchowego dla zmiejszoego obciążeia silika. Określeie rzeczywistych i omialych mocy oraz mometu obciążeia silika (a podstawie daych pomiarowych i parametrów omialych silika): P P S S M P M [Nm] 9,55 9,55 Nm 80Nm [obr. / mi] 2965 po 3 U P [W] [Nm] 9, Nm 120Nm [obr. / mi] 2960 przeksztaceiu M[Nm] 3 U I cos ϕ η 3 U I I 3 U I S[VA] A f[hz] cos ϕ η 3 380V 67A 44,09kVA 44kVA 3 380V 45A 30,40kVA 30kVA wyrażeie gdzie 3 380V 67A 0,89 0,938 37kW 3 380V 45A 0,89 0,938 25kW (4.6) moża przedstawić do postaci cos φ η p 0,89 0,938 1 A π 2 π (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7) W rówaiach (4.1) - (4.7) występują astępujące wielkości: 4

5 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 P, P - moce a wale silika w [W], przy zamioowych i dowolych wartościach apięcia zasilaia i prądu silika, U, U - apięcie zasilaia silika w [V], zamioowe i dowole, I, I - prąd silika w [A], zamioowy i dowoly, S, S - moc pozora silika w [VA], zamioowa i dowola, M, M - momet silika w [Nm], zamioowy i dowoly,, - prędkość obrotowa silika w [obr./mi], zamioowa i dowola, p - liczba par bieguów silika, f- częstotliwość apięcia zasilaia w [Hz]. Przebiegi mometów rozruchowych przemieika częstotliwości o maksymalym prądzie 65 A ilustrują przebiegi a rys. 6, do daych z tabeli 1. Przebieg MM przedstawia maksymaly momet rozruchowy przemieika dla obiżoego apięcia wyjściowego w początkowej fazie rozruchu. Przebieg MH przedstawia maksymaly momet rozruchowy przemieika dla podwyższoego apięcia wyjściowego i zastosowaiu dodatkowej rezystacji obciążeia w początkowej fazie rozruchu dla ograiczeia prądu silika. Przebieg MR przedstawia rzeczywisty momet obciążeia silika w fukcji prędkości obrotowej Tabela 1 f [Hz] U Mwy dla MM [V] MM [Nm] U Hwy dla MH [V] MH [Nm] I [A] S[kVA] MR[Nm]A x [S/f] MM [Nm] MH [Nm] MR [Nm] Rys. 6. Przebiegi maksymalych mometów rozruchowych przemieika częstotliwości i rzeczywistego mometu obciążeia przy astawach programowych dla średiego i ciężkiego obciążeia typu wetylatorowego. (Oś x częstotliwość apięcia zasilaia silika w [Hz], oś y momet w [Nm]) Na podstawie aalizy rys. 6 stwierdzoo, że rozruch silika obciążoego mometem według przebiegu MR jest możliwy przy zastosowaiu charakterystyki o podwyższoym przebiegu apięcia wyjściowego przemieika U HWY w fukcji częstotliwości. Brak możliwości zadawaia w przemieiku częstotliwości, początkowej (startowej) wartości apięcia i częstotliwości rozruchu silika powodował, że w chwili rozpoczyaia rozruchu przemieik był wyłączay przez układ zabezpieczeia przeciw przeciążeiowego lub układ zabezpieczeia prze- 5

6 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 ciw zwarciowego. Zastosowaie układu przedstawioego a rys.4, umożliwiło właściwe przeprowadzaie rozruchu silika bez ograiczaia własości regulacyjych wydajości dmuchaw. 5. Kocepcja struktury układu mocy apięciowego przemieika częstotliwości z regulowaą wartością apięcia stałego w obwodzie pośredim. Zastosowaie struktury układu mocy apięciowego przemieika częstotliwości, zbliżoej do struktury stosowaej w przemieikach z kształtowaiem apięcia wyjściowego falowika metodą PAM (ag. Pulse Amplitude Modulatio) rys.7, w przemieikach z kształtowaiem apięcia wyjściowego falowika metodą PWM, może zdecydowaie poprawić waruki współpracy silika z przemieikiem częstotliwości oraz wpłyąć a zwiększeie sprawości całego układu apędowego: silik przemieik częstotliwości. W tym przypadku apięcie wyjściowe falowika kształtowae byłoby w te sposób, że amplituda harmoiczej podstawowej apięcia wyjściowego przemieika częstotliwości regulowaa byłaby apięciem zasilaia falowika, podobie jak według metody PAM. Poprzez oddziaływaie a wartość apięcia stałego obwodu pośrediego regulowaa byłaby jedyie amplituda harmoiczej podstawowej apięcia. Jego częstotliwość regulowaa byłaby okresem przebiegu ośego modulacji PWM. Takie sterowaie modulacją apięcia przemieika częstotliwości spowoduje wymuszeie jedakowego przebiegu prostokątego apięcia wyjściowego, dlatego rozkład amplitudowy widma harmoiczych apięcia ie będzie zależał od wartości skuteczej podstawowej harmoiczej apięcia zasilaia silika. prostowik iesteroway stopień pośredi falowik 3x380V TC Cs Rs Cs Rs Rr Tr ~M AC/DC DC/AC układ sterowaia i zabezpieczeń wejścia-wyjścia sterujące Rys.7. Struktura obwodu mocy przemieika częstotliwości PWM zapewiająca możliwość regulacji amplitudy harmoiczej podstawowej apięcia zasilaia silika poprzez regulację wartości apięcia stałego zasilaia falowika. W tym przypadku ie ma koieczości regulowaia amplitudy przebiegu ośego modulacją PWM, dlatego moża zapewić stałą miimalą zawartość wyższych harmoiczych apięcia wyjściowego falowika w całym zakresie regulacji amplitudy i częstotliwości harmoiczej podstawowej apięcia wyjściowego, jak dla apięcia o częstotliwości 50Hz i wartości skuteczej apięcia międzyfazowego 380V, rys.3. Regulacja amplitudy przebiegu ośego modulacji PWM mogłaby być tutaj wykorzystywaa do poprawy dyamiki regulacji apięcia wyjściowego, w przypadku zbyt wolej zmiay apięcia stałego obwodu pośrediego. Takie rozwiązaie byłoby przydate w aplikacjach z szybkimi zmiaami mometu obciążeia silika, lub szybkiej zmiaie częstotliwości harmoiczej podstawowej apięcia wyjściowego falowaia dla zapewieia szybkich zmia prędkości obrotowej silika. W takim przypadku astąpi chwilowe zwiększeie zawartości wyższych harmoiczych w apięciu wyjściowym falowika, jedak brak koieczości głębokiej modulacji ie spowoduje zaczego ich wzrostu. Po osiągięciu odpowiediej wartości apięcia stałego w obwodzie pośredim przemieika sprzężeie zwrote powio poowie zmiejszyć głębokość modulacji PWM, tym samym wzrost zawartości wyższych harmoiczych w apięciu wyjściowym falowika będzie występował przejściowo. 6. Wioski Główe zalety propoowaego rozwiązaia struktury obwodu mocy apięciowego przemieika częstotliwości z ograiczeiem modulacji amplitudy harmoiczej podstawowej apięć fazowych metodą PWM w skutek regulacji wartości apięcia stałego zasilaia falowika przemieika częstotliwości to: - przedłużeie żywotości kodesatorów obwodu pośrediego, 6

7 IV Krajowa Koferecja Naukowa SENE'99 Łódź XI/99 - zmiejszeie apięcia silika w początkowej fazie rozruchu, przy jedoczesej symetryzacji prądów przewodowych silika poprzez zmiejszeie udziału zawartości wyższych harmoiczych, - zacze ograiczeie promieiowaia elektromagetyczego kabli silikowych, - zmiejszeie kosztów budowy i gabarytów filtrów wyjściowych LC dla uzyskaia siusoidalego apięcia zasilaia silika bez zawartości wyższych harmoiczych, - zwiększeie sprawości silika zasilaego z przemieika częstotliwości poprzez ograiczeie udziału wyższych harmoiczych apięcia, -. zwiększeie żywotości silika poprzez zmiejszeie wartości U p i du/dt przy pracy silika z częstotliwościami apięcia zasilaia miejszymi od zamioowej, poprzez zmiejszeie wartości apięcia zasilaia falowika przemieika częstotliwości. Obecie, przy możliwości zastosowaia trazystora typu IGBT w układzie przerywacza prądu obwodu stałoapięciowego przemieika częstotliwości propoowae rozwiązaie ie jest techiczie uciążliwe i ie powio wpłyąć a jego koszt i gabaryty. Jedoczese regulowaie wartości apięcia stałego obwodu pośrediego przemieika częstotliwości i współczyika głębokości modulacji PWM, przy powszechym stosowaiu techiki mikroprocesorowej w układach sterowaia, także ie jest techiczie skomplikowae. 7. Literatura 1. Dmowski A., Szymański J., Modulacja siusoidala apięcia falowika z piłokształtym symetryczym przebiegiem ośym Archiwum Elektrotechiki, Zeszyt 1/4, W-wa PAN Sprawozdaie z badań przetworic częstotliwości do pracy silika w strefie zagrożoej wybuchem Nr ew. T-3045, CIG KD Barbara, Ptaszyński L., Przetworice częstotliwości Budowa, dobór, zastosowaie i eksploatacja, Evirotech, Pozań