Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia

Transkrypt

1 Ćwiczenie 13 Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 3.1. Program ćwiczenia 1. Zapoznanie ię ze terowaniem prędkością ilnika klatkowego przez zmianę czętotliwości napięcia zailającego.. Poznanie podtawowych zależności określających ilnik klatkowy terowany czętotliwościowo. 3. Wyznaczenie charakterytyk ilnika klatkowego zailanego z falownika napięcia. 4. Poznanie przebiegów napięcia i prądu wyjściowego z falownika napięcia Wiadomości teoretyczne Prędkość kątowa ilnika indukcyjnego klatkowego zależy od czętotliwości f napięcia U zailającego uzwojenia tojana, liczby par biegunów p oraz poślizgu f 1. (13.1) p Z zależności tej wynika, że prędkość kątowa ilnika klatkowego zależy od zmiany: liczby par biegunów, wartości poślizgu w wyniku regulacji napięcia zailającego, czętotliwości napięcia zailającego. Najbardziej efektywnym poobem jet regulacja prędkości przez zmianę czętotliwości napięcia zailającego, przy czym natępuje tu również jednoczena regulacja amplitudy napięcia lub prądu zailającego ilnik.

2 196 Ćwiczenie 13 Sterowanie czętotliwościowe ilników klatkowych umożliwiają tatyczne przemienniki czętotliwości, zwane popularnie falownikami. Szybki rozwój zarówno przyrządów półprzewodnikowych, jak i cyfrowych układów terowania umożliwił realizację przemienników czętotliwości o bardzo dobrych parametrach regulacyjnych i ekploatacyjnych. W rezultacie napędy z ilnikami indukcyjnymi klatkowymi pełniają wzytkie wymagania, jakie dotychcza pełniały jedynie napędy prądu tałego, a jednocześnie przewyżzają je niezawodnością, gabarytami i odpornością na warunki pracy oraz niżzą ceną. Układy napędowe z ilnikami klatkowymi terowanymi czętotliwościowo umożliwiają także rozzerzenie zakreu regulacji prędkości kątowej w topniu niemożliwym do uzykania w napędach prądu tałego. Przemienniki czętotliwości toowane w napędach z ilnikami indukcyjnymi różnią ię budową i poobami terowania w zależności od wymagań układu napędowego. Ze względu na budowę przemienniki czętotliwości dzielone ą na: a) przemienniki bezpośrednie (cyklokonwertory), b) przemienniki pośrednie: z falownikiem prądu i regulowanym prądem obwodu pośredniego, z falownikiem napięcia i regulowanym napięciem obwodu pośredniego, z falownikiem napięcia z modulacją zerokości impulów wyjściowych SI i tałą wartością napięcia obwodu pośredniego. Najczęściej toowane w praktyce ą przemienniki czętotliwości z modulacją zerokości impulów wyjściowych, zwane falownikami SI. Przykładowy chemat blokowy falownika SI przedtawiono na ryunku L1 L L3 ~ P L C F ~ ~ Ry Schemat blokowy falownika napięcia z modulacją zerokości impulów wyjściowych W zależności od wymagań układu napędowego toowane ą różne metody terowania przemienników czętotliwości, od których zależą parametry tatyczne i dynamiczne zailanego ilnika klatkowego, a tym amym jakość regulacji układu napędowego. Aby uzykać tałą wartość przeciążalności momentem ilnika w całym zakreie regulacji czętotliwościowej, a także ograniczenie trat poślizgowych, dąży ię do utrzymania tałej wartości trumienia tojana lub wirnika. Zadanie to może być zrealizowane za pomocą tzw. metod terowania kalarnego lub wektorowego. etody kalarne zalicza ię do metod pośredniego terowania trumieniem ilnika indukcyjnego. Sterowanie to można zrealizować w dwojaki poób. Jeden polega na odpowiednim terowaniu amplitudą i czętotliwością napięcia tojana, a drugi na tero-

3 Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 197 waniu amplitudą prądu tojana i czętotliwością wirnika f r = f, co zapewnia, przy zachowaniu tałości trumienia kojarzonego tojana, liniowość części roboczej charakterytyk elektromechanicznych ilnika niezależnie od czętotliwości zailania tojana f. Stoowane natomiat obecnie metody wektorowe można podzielić w natępujący poób: 1 metoda polowo zorientowana, która polega na niezależnym terowaniu kładowymi wektora prądu tojana zorientowanymi względem pola tak, aby trumień zachowywał tałą amplitudę i położenie względem wektora prądu; metoda bezpośredniego terowania momentem ilnika (tzw. terowanie DTC). Sterowania polowo zorientowane i DTC zapewniają dokonałe właściwości dynamiczne i ą toowane w napędach indywidualnych o wyokich wymaganiach dotyczących dynamiki proceów przejściowych w układach napędowych. Ze względów praktycznych w układach napędowych o mniejzych wymaganiach najczęściej toowanymi metodami terowania wartością trumienia ą metody kalarne. Najprotzą z nich jet metoda polegająca na odpowiedniej regulacji amplitudy i czętotliwości napięcia zailającego uzwojenia tojana. W metodzie tej zależność momentu krytycznego od zmian tounku napięcia do czętotliwości może być określona na podtawie chematu zatępczego ilnika dla napięcia inuoidalnego lub pierwzej harmonicznej napięcia odkztałconego (ry. 13.). oment elektromagnetyczny ilnika indukcyjnego klatkowego może być wyznaczony z zależności Pe e, (13.) 0 w której: P e moc elektromagnetyczna przenozona do wirnika Rr I r Pe m1, (13.3) m 1 = 3 liczba faz uzwojenia tojana, 0 = f pulacja ynchroniczna tojana, poślizg ilnika. R X I I r X r U I m X m R r Ry Schemat zatępczy ilnika dla pierwzej harmonicznej napięcia zailającego

4 198 Ćwiczenie 13 Po podtawieniu zależności (13.3) do wzoru (13.) otrzymuje ię, po pominięciu gałęzi magneującej ilnika, jet okre- Wartość prądu wirnika ślana natępująco: I r e 3Rr Ir. (13.4) 0 U I r. (13.5) Rr R X X r Po podtawieniu powyżzej zależności do wzoru (13.4) otrzymuje ię gdzie p liczba par biegunów ilnika. Po wyznaczeniu pochodnej e 3pU Rr, (13.6) 0 Rr R X X r d e d i przyrównaniu jej do zera wyznacza ię zależność określającą poślizg krytyczny k ilnika k Rr, (13.7) R X X przy czym: znak + dotyczy pracy ilnikowej, znak pracy prądnicowej. Po podtawieniu zależności (13.7) określającej poślizg krytyczny k do wzoru (13.6) otrzymuje ię wyrażenie na moment krytyczny ilnika r k 0 R 3pU R X X r. (13.8) Z powyżzych zależności wynika, że: makymalny moment ilnika indukcyjnego przy tałej wartości czętotliwości i tałych parametrach obwodu jet proporcjonalny do kwadratu wartości napięcia zailającego, moment k nie zależy od wartości rezytancji wirnika, Rr poślizg krytyczny k ilnika zależy od tounku. X X r

5 Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 199 Częto toowane ą także zależności uprozczone określające poślizg k i moment krytyczny k, w których pomijana jet rezytancja R. Uprozczenie to jet dopuzczalne podcza analizy pracy mazyn o mocy więkzej niż 10 kw, w których rezytancja R wynoi nie więcej niż 101% umy X + X r. Uwzględniając, że wartość R i uma X + X r ą podnieione do kwadratu we wzorach (13.7) i (13.8), można pominąć wpływ R R na umę. r X X Otrzymuje ię wówcza wzory uprozczone na poślizg i moment krytyczny ilnika przy terowaniu czętotliwościowym: oraz k Rr Rr X X L L r 0 r (13.9) k 3pU 3pU (13.10) 0. X X L L r 0 r Z zależności (13.9) wynika, że poślizg krytyczny ilnika indukcyjnego przy regulacji czętotliwościowej zmienia ię odwrotnie proporcjonalnie do czętotliwości. Na wartość momentu krytycznego, jak to wynika z zależności (13.10), mają natomiat wpływ trzy zmienne: napięcie zailające U, czętotliwość f oraz indukcyjności rozprozeń X + X r. Jeżeli pominie ię rezytancję uzwojeń tojana R we wzorze (13.8), to proporcjonalna (U /f = cont) regulacja napięcia zailającego i czętotliwości zapewni tałość momentu krytycznego ilnika k (zgodnie z wzorem (13.10)). W rzeczywitości jednak wpływ rezytancji uzwojeń tojana powoduje, że moment krytyczny k maleje wraz ze zmniejzaniem czętotliwości napięcia zailającego. ożna to wykazać, biorąc pod uwagę chemat zatępczy ilnika indukcyjnego z ryunku 13. U E I R jx, (13.11) przy czym E c Ψ c Ψ, (13.1) 0 N gdzie: względna pulacja ynchroniczna tojana, N znamionowa pulacja ynchroniczna tojana, oraz reaktancja rozprozenia uzwojenia tojana dla dowolnej czętotliwości X gdzie X N X N NL. L L X, (13.13) 0 N N

6 00 Ćwiczenie 13 Po podtawieniu (13.1) i (13.13) do równania (13.11) otrzymuje ię zależność określającą trumień tojana Ψ 1 c e N U I R ji X N, (13.14) z której wynika, że przy danym prądzie tojana wartość trumienia jet określona przez tounek napięcia do aktualnej jego czętotliwości, ale również zależy od padku napięcia na rezytancji uzwojenia tojana. W zakreie małych prędkości kątowych, a więc nikich czętotliwości, udział tego padku napięcia będzie rół i powodował zmniejzenie wartości trumienia tojana, a tym amym momentu krytycznego ilnika ( patrz (13.8)) k 0 3p N R co przedtawiono na ryunku pU R R R X U X X r N X rn, (13.15) kn 0, 5 f N 0,5f N 0, f N 75 fn N Ry Charakterytyki mechaniczne ilnika klatkowego zailanego z falownika napięcia przy zachowaniu U /f = cont

7 Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 01 Aby uzykać tałość momentu krytycznego ilnika w całym zakreie regulacji czętotliwościowej, należy tak regulować wartość napięcia zailającego uzwojenie ilnika, aby uzykać tałość trumienia kojarzonego w ilniku. Dąży ię także do tego, by poślizg utalony nie przekraczał znamionowego. W tym celu, głównie przy niewielkich prędkościach obrotowych, konieczna jet korekcja napięcia tojana o wartość padku napięcia U na rezytancji R. Po uwzględnieniu napięcia korekcyjnego otrzymuje ię charakterytyki terowania napięcie czętotliwość, przedtawione na ryunku 13.4a i odpowiadające im charakterytyki mechaniczne (ry. 13.4b). a) 0 U 0,4 U 0, 4 N f f N 1,0 0,5 0 0, 5 1,0 b) kn 0,5 f N 0,5f 0,75 f f N N N N Ry Charakterytyki terowania przy tałej wartości trumienia kojarzonego dla różnych wartości poślizgu wirnika (a) i odpowiadające im charakterytyki mechaniczne (b)

8 0 Ćwiczenie 13 W metodzie tej, aby utrzymać tałość trumienia, należy dokonywać odpowiednich przeunięć nieliniowych charakterytyk terowania w funkcji obciążenia ilnika (ry. 13.4a), co komplikuje realizację układu terowania. Falowniki napięcia realizujące terowanie według zaady U /f = cont, pracujące w otwartym układzie regulacji, praktycznie nie ą w tanie zapewnić tałej przeciążalności momentem w całym zakreie terowania czętotliwością, natomiat terowanie z korekcją padku napięcia na rezytancji tojana zapewnia utrzymanie tałości trumienia tylko w tanach utalonych. W rozwiązaniach przemyłowych toowane ą zarówno falowniki realizujące terowanie według zaady U /f = cont, jak i bardziej rozwinięte technicznie, realizujące terowanie wektorowe [3]. Schemat blokowy układu terowania kalarnego realizowanego według zaady U /f = cont lub z zachowaniem tałej wartości trumienia tojana w całym zakreie regulacji przedtawiono na ryunku L1 L L3 ~ P f z Z z R Rω UO ' f z U ZF f U Z US U C ~ FN Imax i i TG ~ Ry Schemat ideowy terowania kalarnego falownikiem SI: P protownik, FN falownik, UO układ wyboru opcji, ZF nieliniowy zadajnik amplitudy napięcia tojana, US układ terowania falownikiem, R regulator momentu, R regulator prędkości W układach napędowych z falownikami SI o terowaniu kalarnym realizowana jet najczęściej przybliżona tabilizacja prędkości zadanej (bez jej pomiaru i realizacji przężenia zwrotnego), przez kompenację padku napięcia na rezytancji tojana

9 Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 03 ilnika oraz programowe zwiękzanie czętotliwości zadanej o f, odpowiadającej wzrotowi czętotliwości poślizgu wkutek jego obciążenia. ożliwa jet także realizacja zamkniętych układów regulacji z wykorzytaniem pomiaru prędkości ilnika lub rozwijanego momentu Intrukcja Opi tanowika pomiarowego Schemat ideowy laboratoryjnego układu pomiarowego przedtawiono na ryunku L1 L L3 P1 P W W V V I A A 1 U1 U I F L/P Z/W PZ A I 1 A I P P 1 W W U par n PT U 1 U V V 1 3~ P A1 F1 F U tp V R d Nm B A I tp Ry Schemat układu pomiarowego

10 04 Ćwiczenie 13 Badany ilnik indukcyjny klatkowy jet zailany z falownika napięcia o modulowanej zerokości impulów wyjściowych. Obciążenie ilnika tanowi mazyna prądu tałego hamowana dynamicznie. Energia hamowania wytracana jet w rezytorze R d. oment badanego ilnika mierzony jet momentomierzem P, zaintalowanym na wale ilnika. Do pomiaru prądu, napięcia i mocy ilnika należy użyć przyrządów dotoowanych do pomiaru wielkości odkztałconych o zmiennej czętotliwości Wyznaczenie charakterytyk napędu przy biegu jałowym Wyznaczenie charakterytyk terowania napędu W układzie pokazanym na ryunku 13.6, przy momencie obciążenia ilnika o = 0, należy zmieniać zadajnikiem PZ czętotliwość wyjściową falownika od do 50 Hz, mierząc napięcie wyjściowe międzyfazowe U oraz prąd ilnika I. Wyniki pomiarów zetawić w tabeli Tabela 13.1 Lp. f U I n Hz V A obr/min rad/ Uwagi Na podtawie pomiarów wykreślić charakterytyki U = f ( f ), = f ( f ) oraz I = f ( f ). Wyznaczenie charakterytyk mechanicznych napędu Charakterytyki mechaniczne ilnika klatkowego zailanego z falownika należy wyznaczyć dla czętotliwości tojana f równej 5 Hz, 30 Hz i 50 Hz, mierząc dodatkowo moc na wejściu i na wyjściu falownika. Wyniki pomiarów zetawić w tabeli 13.. Tabela 13. Lp. f U1 U I1 I P1 P P U1 U I1 I P1 P P n c f Hz V V A A W W W V V A A W W W Nm obr/ min rd/ P w c prawność całego układu napędowego, P P 1 P

11 P P P Układ napędowy z ilnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia 05 1 f prawność falownika, P P1 P P w P P moc oddawana przez ilnik, moc pobierana przez układ napędowy z ieci, moc pobierana przez ilnik z falownika. Na podtawie uzykanych wyników wykreślić charakterytyki: = f (), c = f () i f = f () dla f = cont Rejetracja przebiegów Za pomocą przetworników prądowych i napięciowych LE należy zarejetrować przebiegi prądu I, napięcia U międzyfazowego i U f fazowego, przy czętotliwości wyjściowej falownika odpowiednio 5 Hz, 30 Hz i 50 Hz i jednakowych wartościach prądu obciążenia ilnika. Zarejetrować przebiegi prądu I i napięcia U przy nawrocie ilnika. Omówić uzykane przebiegi Sprawozdanie W prawozdaniu należy zamieścić: 1. Schemat blokowy badanego układu napędowego.. Parametry mazyn i falownika. 3. Wykaz aparatury pomiarowej. 4. Wyznaczone na podtawie pomiarów i obliczeń charakterytyki. 5. Przebiegi zarejetrowane podcza ćwiczenia. 6. Omówienie uzykanych wyników pomiarowych. 7. Włane uwagi i wnioki Zagadnienia i pytania kontrolne 1. Omówić przemienniki czętotliwości toowane do terowania ilników indukcyjnych klatkowych.. Jak realizowane jet terowanie czętotliwościowe w napędach indywidualnych i grupowych? 3. Jakie różnice w charakterytykach mechanicznych wytąpią przy terowaniu ilnika indukcyjnego według zaady U /f = cont oraz z kompenacją padku napięcia na rezytancji tojana?

12 06 Ćwiczenie Omówić poób określania prawności układu napędowego z ilnikiem klatkowym zailanym z falownika. Literatura [1] Kędzior W., Podtawy napędu elektrycznego, Wydawnictwo Politechniki Wrocławkiej, Wrocław [] Laboratorium napędu elektrycznego, praca zbiorowa pod redakcją W. Kędziora, Wydawnictwo Politechniki Wrocławkiej, Wrocław [3] Tunia H., Kaźmierkowki., Automatyka napędu przekztałtnikowego, PWN, Warzawa [4] Tunia H., Kaźmierkowki., Podtawy automatyki napędu elektrycznego, PWN, Warzawa Poznań 1977.