PROBLEMY ROZRUCHU UKŁADÓW NAPĘDOWYCH WSPÓŁCZESNYCH DŹWIGÓW OSOBOWYCH Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM

Transkrypt

1 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/ Krzysztof Kolano, Jan Kolano Politechnika Luelska, Lulin PROBLEMY ROZRUCHU UKŁADÓW NAPĘDOWYCH WSPÓŁCZESNYCH DŹWIGÓW OSOBOWYCH Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM STARTING UP ROUTINE OF THE ELEVATOR DRIVE SYSTEM WITH INDUCTION MOTOR Astract: Modern lift drive systems are very sophisticated and allow to affect almost any part of the speed curve to achieve desirale level of passengers comfort. In this paper selected prolems of the starting routine of the passengers elevators have een descried. The mathematical model of the lift drive system with 3-phase induction motor has een used to examine oth frequency converter and motor parameters. The rollack effect of the car during starting up routine has een descried. This method of choosing the sets of parameters is very convenient way of selecting an optimal configuration of frequency converter and the motor to achieve smooth start of the lift car. Selected plots of phase current, velocity frequency and voltage curves have een shown and descried. 1. Wstęp Nowoczesne systemy sterowania współczesnych układów napędowych, w tym takŝe dźwigów osoowych charakteryzuje rosnąca złoŝoność wynikająca z coraz wyŝszych wymagań uŝytkowników, a takŝe wzrost kosztów aplikacji wynikająca z większej niŝ kiedykolwiek ich złoŝoności. Celem stosowania nowych struktur sterowania i rozwiązań technicznych w napędach dźwigów osoowych jest zapewnienie maksymalnego komfortu podróŝowania pasaŝerów i poziomu niezawodności, a takŝe zwiększenie ezpieczeństwa korzystania z tych urządzeń. Pomimo zastosowania wysokiej klasy napędów regulowanych złoŝonych najczęściej z silnika indukcyjnego i przemiennika częstotliwości oraz nowoczesnych topologii sterowania zawierających w swej strukturze wiele urządzeń mikroprocesorowych, zapewnienie odpowiedniego poziomu komfortu podróŝowania jest wciąŝ zadaniem trudnym. DuŜe zróŝnicowanie parametrów technicznych urządzeń napędowych wymuszone przez odmienne zapotrzeowania inwestorów sprawiają, Ŝe kaŝde urządzenie dźwigowe musi yć traktowane indywidualnie, a zestawy nastaw przemiennika są doierane w sposó eksperymentalny, co wydłuŝa czas instalacji układu napędowego i przyczynia się do pogorszenia parametrów eksploatacyjnych całego urządzenia dźwigowego. Szczególnie wymagającym dla układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości jest moment rozruchu. Błędny doór parametrów przemiennika moŝe doprowadzić do jego nieprawidłowej, zmniejszającej wygodę podróŝowania pasaŝerów pracy, a w skrajnych przypadkach do awaryjnego unieruchomienia lu nawet uszkodzenia napędu. Zastosowanie komputerowego wspomagania dooru zarówno samego układu napędowego jak i parametrów przemiennika częstotliwości z uwzględnieniem specyfiki pracy dźwigu, a takŝe jego parametrów elektrycznych i mechanicznych znacząco przyczyniłoy się do skrócenia czasu instalacji, a takŝe wydatnie podnieść moŝe komfort podróŝowania. Stosowane oecnie układy napędowe dźwigów osoowych z dwuiegowym silnikiem indukcyjnym z uwagi na niskie walory eksploatacyjne (ograniczony wpływ na przyspieszenia i przeciąŝenia pasaŝerów) są wypierane przez układy przekształtnikowe składające się z przemiennika częstotliwości zasilającego silnik indukcyjny jednoiegowy. Struktura taka umoŝliwia kształtowanie krzywej jazdy w ardzo szerokim zakresie, co korzystnie wpływa na komfort podróŝowania pasaŝerów. RóŜnice konstrukcyjne wynikające ze specyficznych dla kaŝdej realizacji Ŝyczeń inwestora (udźwig, masa kainy, prędkość) wymusza na projektantach stosowanie całego typoszeregu maszyn indukcyjnych sprzęŝonych z odpowiednim przemiennikiem częstotliwości. RóŜnorodność ta uniemoŝliwia implementację wspólnych na-

2 8 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/2009 staw przemienników juŝ na etapie produkcji szafy sterowej. Wstępne nastawy rzadko umoŝliwiają poprawną pracę urządzenia w szerokim zakresie momentów niezrównowaŝenia kainy, co wymusza na instalatorach doór nowych parametrów przemiennika częstotliwości. Z uwagi na rak odpowiednich narzędzi pomiarowych i częsty rak szczegółowej wiedzy teoretycznej dotyczącej napędu z silnikiem indukcyjnym zasilanym napięciem o zmiennej amplitudzie i częstotliwości, modyfikacja parametrów odywa się w sposó eksperymentalny i rzadko prowadzi do poprawnego działania dźwigu. Fakt ten często zniechęca potencjalnych inwestorów do zainstalowania nowoczesnego układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości, który jako droŝszy i mniej pewny, często przegrywa rywalizację z przestarzałymi układami dwuiegowymi, w których kryterium komfortu nie jest kluczowe. Zaletą tego typu układu jest moŝliwość dostrajania parametrów zasilania silnika w ardzo szerokim zakresie, co przekłada się na moŝliwość spełnienia coraz wyŝszych wymagań uŝytkowników, ale nastręcza instalatorom i konserwatorom wielu prolemów związanych z optymalnym dopasowaniem parametrów przemiennika do konkretnych wciągarek i rodzajów urządzeń dźwignicowych. Oprócz niedogodności związanych ze zmniejszeniem komfortu pasaŝerów istnieje duŝe nieezpieczeństwo wystąpienia zjawiska zwanego przez producentów przemienników częstotliwości rollackiem (rys. 1.). Zjawisko to charakteryzuje się niekontrolowanym ruchem kainy tuŝ po starcie w kierunku przeciwnym do wyranego przez sterowanie kierunku jazdy. Jest ono spowodowane aktywnym momentem oporowym oraz specyfiką rozwijanego momentu napędowego przez silnik zasilany z przemiennika częstotliwości. V, m/s rollack Rys. 1. Nieprawidłowa krzywa jazdy dźwigu z przemiennikiem częstotliwości t, s TuŜ po załączeniu napięcia zasilania o oniŝonej amplitudzie i częstotliwości silnik nie wytwarza na tyle duŝego momentu, ay rozpocząć płynną jazdę w poprawnym kierunku przy du- Ŝym niezrównowaŝeniu układu [2]. Niestety zjawisko to nie jest łatwe do opanowania ze względu na rak narzędzi analitycznych do poprawnego dooru parametrów zasilania silnika przy zmiennych stopniach niezrównowaŝenia układu. W praktyce instalatorzy tracą ardzo wiele czasu na eksperymentalne dostrojenie parametrów przemiennika częstotliwości tak, ay moment początkowy rozwijany przez silnik ył na tyle duŝy, ay nie wystąpiło zjawisko rollacku, a na tyle płynnie zmieniany, ay pasa- Ŝerowie nie odczuwali szarpnięć podczas rozruchu. Efekt niekontrolowanego ruchu kainy w kierunku przeciwnym do zadanego jest szczególnie niepoŝądany w strukturach z zamkniętą pętlą prędkościowego sprzęŝenia zwrotnego, w których układ diagnostyczny przemiennika wykrywa tę sytuację i dokonuje automatycznego wyłączenia silnika, wymuszając przyjazd ekipy serwisowej. 2. Wyniki symulacji rozruchu częstotliwościowego i hamowania napędu dźwigowego Wykorzystując opis matematyczny silnika indukcyjnego [4] oraz uzupełniając go o dodatkowe podzespoły modelujące pracę i sterowanie urządzeń dźwignicowych, moŝna dokonać analizy wszystkich stanów pracy dźwigu, ze szczególnym uwzględnieniem okresu startu, oraz tak dorać parametry przemiennika częstotliwości, ay zapewnić optymalną pracę układu w pełnym zakresie stanu niezrównowaŝenia dźwigu. Ta. 1. Wielkości azowe silników uŝytych w symulacjach wyznaczone na podstawie danych znamionowych Silnik: 5,5 kw 8 kw U - napięcie fazowe: 325,3 V 325,3 V I - prąd fazowy: Ω - pulsacja: Z - impedancja: Ψ - strumień skojarzony: L - indukcyjność: S - moc: 18,4 A 29,7 A 314 rad/s 314 rad/s 17,7 Ω 10,9 Ω 1,036 W 1,036 W 0,0563 H 0,0349 H 8970 VA VA

3 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/ Ω m - prędkość kątowa mechaniczna: M - moment orotowy: 157 rad/s 104,67 rad/s 57,13 Nm 138,44 Nm W przypadku zastosowania układu regulowanego z przetwornicą częstotliwości licza parametrów warunkujących komfort pasaŝerów jest zdecydowanie większa i zaleŝy w duŝej mierze od specyfiki konkretnego urządzenia i zaimplementowanej w nim tzw. aplikacji dźwigowej. Producenci oferują rozwiązania umoŝliwiające kompleksową kontrolę wszystkich faz pracy pozwalające doświadczonemu serwisowi, za pomocą tych parametrów wpływać na kształt krzywej jazdy. Niestety specyfika układów dźwigów osoowych uniemoŝliwia stosowanie tych samych ustawień przetwornicy uzaleŝnionych tylko od prędkości i udźwigu konkretnego urządzenia. RóŜnice wynikające z innego typu zastosowanej wciągarki, jak i pozornie niewielkich róŝnic konstrukcyjnych powodują, Ŝe do niemal kaŝdej aplikacji naleŝy podchodzić indywidualnie i za kaŝdym razem doierać odpowiednie ustawienia przetwornicy. Powoduje to dość duŝe prolemy związane z uruchomieniem nowego urządzenia, jak równieŝ niedogodności wynikające z eksperymentalnego dooru parametrów układu sterowania. Zastosowanie modelu matematycznego silnika zasilanego ze źródła napięcia o zmiennej amplitudzie i częstotliwości umoŝliwiło symulację pracy takiego układu w szerokim zakresie ociąŝeń i z róŝnymi wciągarkami. Rozwiązanie takie ułatwia doór przetwornicy, jak i umoŝliwia doór podstawowych parametrów układu sterowania napędem. PoniŜej przedstawiono wyrane przeiegi w jednostkach względnych, uzyskane w programie Matla-Simulink dla silnika o mocy 5,5 kw. Dla układu zrównowaŝonego załoŝony wzrost amplitudy napięcia od wartości 0 do wartości znamionowej powoduje łagodny rozruch i zapewnia odpowiedni komfort pasaŝerom (rys. 2). Niestety dla takiego załoŝenia przy momencie niezrównowaŝenia róŝnym od zera zauwaŝalne jest wyraźnie zjawisko niekontrolowanego ruchu kainy w kierunku przeciwnym w stosunku do wyranego przez układ sterowania (rys. 4, rys.5). Rys. 2. Przeieg prędkości orotowej wału silnika dla zrównowaŝonej kainy dźwigu Rys. 3. Przeieg prądu fazowego silnika dla zrównowaŝonej kainy dźwigu Rys. 4. Przeieg prędkości orotowej wału silnika dla znamionowo ociąŝonej kainy dźwigu

4 10 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/2009 Rys. 5. Przeieg prądu fazowego silnika dla znamionowo ociąŝonej kainy dźwigu W praktyce zjawisko to jest korygowane przez zwiększenie czasu opóźnienia załączenia luzownika, co powoduje uwolnienie wału napędowego silnika dopiero po osiągnięciu przez silnik odpowiednio duŝego momentu elektromagnetycznego (rys. 6). Niestety działanie takie powoduje niepotrzeny przestój dźwigu na przystanku, zwiększa zuŝycie samego luzownika jak i energii elektrycznej konsumowanej przez układ napędowy. Rys.7. Przeieg częstotliwości napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości w całym zakresie krzywej jazdy Moment oporowy na wale silnika Rys. 8. Przeieg modułu wektora przestrzennego napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości w całym zakresie krzywej jazdy Załączenie luzownika Rys. 6. Przeieg momentu elektromagnetycznego silnika napędowego o mocy 5,5 kw z zaznaczonym momentem załączenia luzownika Odpowiednie zwiększenie napięcia zasilania podczas startu moŝe zwiększyć moment napędowy do poziomu, przy którym ędzie moŝliwa poprawna praca układu napędowego w szerokim zakresie momentów niezrównowaŝenia dźwigu osoowego. Przykład takiego rozwiązania został przeanalizowany w programie Matla-Simulink, a wyniki symulacji przedstawione są na rys Rys. 9. Przeieg prędkości orotowej wału silnika dla znamionowo ociąŝonej kainy dźwigu przy zoptymalizowanych parametrach zasilania

5 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/ Rys. 10. Przeieg prądu fazowego silnika dla znamionowo ociąŝonej kainy dźwigu W przypadku wystąpienia zjawiska rollacku (rys. 4) zwiększenie stosunku napięcia wyjściowego do częstotliwości powoduje zwiększenie momentu elektromagnetycznego silnika. Wzrost ten powinien yć na tyle duŝy, ay moment napędowy ył wystarczający do przeprowadzenia prawidłowego rozruchu układu napędowego dla maksymalnego momentu oporowego. Niestety ustawianie parametrów określających poziom amplitudy napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości (rys. 8) często nie jest poparte Ŝadną analizą wpływu na amplitudę prądu silnika. Zjawisko to jest szczególnie zauwaŝalne przy niskich wartościach częstotliwości, gdzie reaktancja silnika jest znacznie mniejsza od jego rezystancji. Z punktu widzenia osługi osiągnięty zostanie efekt prawidłowego rozpędzania się i zatrzymania kainy, niestety ez posiadania odpowiednich urządzeń (oscyloskop, sondy prądowe i napięciowe) optymalny doór wartości parametrów jest niemal niemoŝliwy. Jego zyt duŝa wartość prowadzi do zwiększenia amplitudy prądu, która moŝe osiągnąć wartości krytyczne dla przemiennika częstotliwości. W skrajnym przypadku kilkuset rozruchów i hamowań wykonanych w krótkim czasie moŝe dojść do uszkodzenia zaworów falownika, a co za tym idzie unieruchomienia kainy. Optymalny doór amplitudy napięcia wyjściowego zapewnia prawidłowy rozruch i hamowanie przy jednoczesnym ograniczeniu prądu silnika napędowego. W takim przypadku nie ma zagroŝenia cyklicznego przeciąŝania przemiennika a więc uszkodzenia zaworów i w konsekwencji unieruchomienia kainy i kosztownej naprawy. 3. Określenie czasu opóźnienia załączenia luzownika Z uwagi na niską samohamowność większości wciągarek a takŝe rygorystyczne normy dźwigowe dotyczące ezpieczeństwa pasaŝerów, luzownik pełni funkcję hamulca przeciwdziałającego niekontrolowanemu ruchowi kainy w czasie, gdy nie jest zasilany silnik. Załączenie luzownika powinno odyć się dopiero po załączeniu napięcia na zaciski silnika i osiągnięciu przez moment elektromagnetyczny silnika napędowego wartości momentu oporowego na wale. O ile pierwszy warunek jest ardzo prosty do spełnienia zasilanie luzownika jest realizowane przez szeregowo połączone styki pomocnicze styczników manewrowych, to drugi nastręcza wiele prolemów. W praktyce opóźnienie załączenia luzownika jest ustawiane z duŝym zapasem, co w przypadku ociąŝenia silnika małym momentem oporowym powoduje, Ŝe w chwili uwolnienia wału silnik napędowy dysponuje duŝą nadwyŝką momentu napędowego. Rozruch z nadwyŝką momentu oporowego powoduje zwiększenie przyrostów przyspieszenia zrywu. PasaŜerowie odczuwają to jako nagłe szarpnięcie podczas startu. Zmniejszenie opóźnienia załączenia luzownika owocuje pojawieniem się zjawiska rollacku, co w układach z enkoderem prowadzi do awaryjnego zalokowania sterowania. Opracowany model matematyczny układu zadawania napięcia i częstotliwości, a takŝe model luzownika umoŝliwiają kompleksową analizę pracy całego układu napędowego w szerokim zakresie momentów oporowych dla róŝnych parametrów sterowania. Matematyczny doór czasu załączenia luzownika pozwala na optymalny doór momentu startu, co poprzez zmniejszenie zrywu wpływa korzystnie na komfort podróŝowania. Ay uzyskać optymalny przeieg procesu rozruchu układu napędowego dźwigu celowym yłoy wykorzystanie czujnika ociąŝenia kainy i sprzęgnięcia go z elementem sterującym załączeniem luzownika. UmoŜliwiłoy to uzaleŝnienie czasu uwolnienia wału silnika od momentu oporowego na wale, co miałoy pozytywny wpływ na proces startu kainy dźwigu. 4. Podsumowanie Zastosowanie symulacyjnej metody dooru podstawowych parametrów przemiennika czę-

6 12 Zeszyty Prolemowe Maszyny Elektryczne Nr 82/2009 stotliwości i jego nastaw dla konkretnych parametrów układu napędowego dźwigu osoowego uwzględniających parametry charakteryzujące dźwig jako maszynę rooczą, umoŝliwia znaczne skrócenie czasu realizacji instalacji, a takŝe zmniejszenie jej kosztów przez optymalny doór przemiennika do silnika napędowego. Prawidłowa praca i wysoki komfort jazdy zachęcić moŝe większą liczę inwestorów do instalowania nowoczesnych układów napędowych, a aplikacja odpowiednich nastaw przemiennika moŝe odywać się na etapie produkcji szafy sterowej przy zminimalizowaniu konieczności ich modyfikacji na oiekcie finalnym. Model matematyczny indukcyjnego silnika zasilanego ze źródła o regulowanej niezaleŝnie amplitudzie i częstotliwości, zgodnie ze strategią sterowania stosowaną w przemiennikach częstotliwości z aplikacją dźwigową, umoŝliwia w środowisku Matla-Simulink przeprowadzenie symulacji rozruchu układu napędowego dźwigu osoowego. Zaimplementowany model dźwigu osoowego pozwala zidentyfikować podstawowe prolemy pojawiające się podczas rozruchu układu napędowego ociąŝonego stałym, aktywnym momentem oporowym. Rozwiązanie tych prolemów realizowane jest poprzez modyfikację nastaw i ich przetestowanie podczas przeprowadzania symulacji komputerowej aŝ do uzyskania zadowalających rezultatów. Literatura [1]. Howkins Roger E.: Elevator Ride Quality -The Human Ride Experience World elevator -Jun.2007 [2]. Kolano Krzysztof Sterowanie układów napędowych dźwigów osoowych z silnikiem indukcyjnym Rozprawa doktorska Politechnika Luelska 2009r. [3]. Kwaśniewski J.: Dźwigi osoowe i towarowe. Budowa i eksploatacja. Kraków, Wyd. AGH 2004; [4]. Orłowska Kowalska T.: Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2003r. [5]. Paszek W.: Dynamika maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Gliwice, Wyd. Helion 1998;