XL SESJA STUDENCKICH KÓŁ NAUKOWYCH Zasilanie silnika indukcyjnego poprzez układ antyrównoległy Wykonał: Paweł Pernal IV r. Elektrotechnika Opiekun naukowy: prof. Witold Rams 1
Wstęp. Celem pracy było przeanalizowanie układu antyrównoległego o sterowaniu podharmonicznym. Miało ono być alternatywnym rozwiązaniem dla sterowania zwanego softstartem tzn. pozwalającym na rozruch nie tylko silników układów napędowych o małym momencie rozruchowym, ale również silników z cięższymi warunkami rozruchowymi. Analizowane sterowanie powinno podobnie do układu łagodnego rozruchu ograniczyć prądy rozruchowe stojana ale również rozwijać większy moment i mieć możliwość pracy z obniżoną, ustaloną prędkością. Rozruchy silników asynchronicznych można przeprowadzić na wiele sposobów. W silnikach pierścieniowych rozruch dokonywany jest przy użyciu rezystorów dodatkowych w obwodzie wirnika, pozwalającym odpowiedni dobór wartości zadawanych prądu i momentu w czasie rozruchu. Najprostszą metodą rozruchu silnika klatkowego jest bezpośrednie włączenie do sieci. Jest on jednak możliwy w silnikach małej mocy i to w sytuacji gdy silnik załączany jest do sztywnej sieci. W innym przypadku tj. gdy mamy do czynienia z siecią miękką lub maszyną większej mocy, występują dość duże prądy rozruchowe, które mogą spowodować, że rozruch taki będzie powodował skutki niemożliwe do zaakceptowania. Przykład bezpośredniego rozruchu obrazuje rys.1. 2
Jak zatem widać, chwilowa wartość prądu rozruchowego prawie 10 razy przekracza prąd znamionowy. Przy tak dużym poborze prądu z sieci, trwającym kilka sekund, może nastąpić uszkodzenie maszyny lub zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych, przeciążeniowych czy pod napięciowych jeżeli nastąpi znaczny spadek na szynach zasilających. Postępowania przy opracowaniu metod rozruchowych prowadzą do ograniczenie prądu rozruchowego. Często metodą prowadzącą do tego jest obniżenie efektywnego napięcia zasilającego. Jedną z metod obniżania napięcia stojana jest zastosowanie łączników tyrystorowych w układzie antyrównoległym. Schemat: U z T 11 T 12 T 21 T 22 T 31 T 33 M rys.2 Regulacja kątem załączenia tyrystorów pozwala na bezstopniową zmianę napięcia stojana od zera do wartości znamionowej. Zatem przy dodatkowym zastosowaniu regulatora prądu możliwe jest wysterowanie pozwalające na stabilizację prądu rozruchowego, który w czasie rozruchu nie przekroczy zadanej wielkości a równocześnie umożliwi rozruch. 3
Rozruch poprzez łączniki tyrystorowe dla tych samych parametrów silnika jak w przypadku rozruchu bezpośredniego przedstawia rys. 3. Z przebiegów widać, że nastąpiło ograniczenie prądu w czasie rozruchu. Jednakże moment rozruchowy rozwijany przez maszynę w początkowym okresie jest dużo mniejszy od znamionowego, co pozwala na rozruch nieobciążonej maszyny lub maszyny napędzającej urządzenie o tzw. charakterystyce wentylatorowej, tj. takiej, której moment obciążenia zmienia się z kwadratem prędkości obrotowej lub szybciej. Dla urządzeń o dużym momencie oporowym należy zastosować inną metodę rozruchu. 4
Analizowana przeze mnie metoda rozruchu silnika asynchronicznego, pozwala na wykorzystanie łączników tyrystorowych w przypadku gdy potrzebny jest duży moment rozruchowy. Układ ten odróżnia od Softstartu sposób wysterowania kluczy, a w konsekwencji częstotliwość podstawowej harmonicznej prądu zasilającego. W układzie łagodnego rozruchu następujące pary kluczy tyrystorowych są otwierane: 1 T 11 +T 32 2 T 32 +T 21 3 T 21 +T 12 4 T 12 +T 31 5 T 31 +T 22 6 T 22 +T 11 Pozwala to na uzyskanie prądu o częstotliwości sieciowej. W metodzie analizowanej przeze mnie, załączane są pary tyrystorów w następującej kolejności: 1 T 11 +T 22 2 T 22 +T 31 3 T 31 +T 12 4 T 12 +T 21 5 T 21 +T 32 6 T 32 +T 11 Dodatkowo klucze załączane są w innych odstępach czasu. Umożliwia to zastosowanie generatora, który daje impulsy o powtarzalności jak na rys.4 5
dla porównania impulsy generatora w układzie softstart powtarzają się w następujących odstępach czasu: rys.5 W wyniku tego podstawowa harmoniczna prądu zasilającego ma częstotliwość równą 1/5 częstotliwości zasilającej. Właśnie takie wysterowanie umożliwia uzyskanie dużego momentu rozruchowego przy jednoczesnym ograniczeniu prądu oraz ustalonej, niższej prędkości obrotowej. Symulacje tego układu przeprowadzone zostały w Matlab-ie przy użyciu biblioteki Simulinka PowerSystemBlockset. 6
Schemat układu symulacyjnego: rys.6 Schematy poszczególnych bloków. Generator: rys.7 Parametry zostały tak ustawione by uzyskać poniższy przebieg. Przy każdej symulacji (jak i w trakcie), można zmieniać czas początkowy tj. czas, w którym rozpoczyna się generowanie impulsów oraz szerokość impulsów. 7
Sterownik 1/5 f 0 rys.8 Uzyskane w czasie symulacji przebiegi pokazane są na rys.9 rys.9 8
Symulacja przeprowadzona została dla takich samych parametrów silnika jak we wcześniejszych przykładach. Prąd w czasie rozruchu jest większy niż w układzie z softstartem ale moment rozwijany przez silnik jest dużo większy od momentu przy softstarcie. Prędkość ustala się na wartości ok. 30 [1/s], (5 razy mniejsza częstotliwość i 5 razy mniejsza prędkość ustalona). Patrząc na rozruch całego układu napędowego, wydaje się, że korzystnym byłoby połączenie układu rozruchowego o f=1/5 f 0, z układem softstartu. Pozwalałoby to na ruszenie obciążonego silnika poprzez sterownik podharmoniczny, a po osiągnięciu pewnej prędkości przełączenie na układ łagodnego rozruchu i przy jego pomocy dokonanie rozruchu. Po zakończeniu procesu łączniki należy zewrzeć, aby wyeliminować straty spowodowane spadkiem napięcia na kluczach. 9
Połączenie tych dwóch metod rozruchowych, dla silnika o wcześniejszych parametrach prowadzi do otrzymania następujących przebiegów: rys.10 Silnik specjalnie został nie przełączony ze sterownika podharmonicznego na softstart od razu, aby pokazać prace ustaloną całego układu zarówno dla jednego sterowania jak i drugiego. Przy połączeniu dwóch metod należy pamiętać, że składowa 1/5 f 0 wiruje w kierunku przeciwnym niż składowa 50 Hz. W związku z tym należy tak zmodyfikować połączenie, aby maszyna po przełączeniu nie została zahamowana i nie zaczęła obracać się w przeciwnym kierunku. Należy również zwrócić uwagę na chwilę przełączenia sterownika podharmonicznego na softstart, aby nie uległ zaburzeniu strumień wirujący, który w takim przypadku zacząłby hamować maszynę. 10