Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego 50Hz Maszyna robocza Rotor 1. Prawie stała prędkość automatyka Załącz- Wyłącz metod a prymitywna w pierwszym etapie -mechanizacja AC silnik indukcyjny pole wirujące stojana Główne zastosowania: napęd urządzeń stacjonarnych (przemysłowych), trakcja kolejowa i tramwajowa, a ostatnio również napędy statków Rewolucja przemysłowa na początku 20 wieku oraz upowszechnienie pełnej wysokosprawnej regulacji w 21 wieku wielki wzrost jakości produkcji dzięki precyzyjnej i powszechnej regulacji 1
Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego 50Hz Load Rotor 1. Prawie stała prędkość automatyka Załącz- Wyłącz metod a prymitywna w pierwszym etapie - mechanizacja AC silnik indukcyjny pole wirujące stojana 50Hz H f = var Q M var 2. Sterowanie i Regulacja prędkości i momentu ciągła regulacja prędkości o wysokiej 2 jakości
Praca silnika trójfazowego przyłączonego bezpośrednio do sieci S = Definicja poślizgu s p b m s s - prędkość synchroniczna wirowania pola stojana (elektryczna) Rotor (wirnik) m prędkość mechaniczna wirnika P b liczba par biegunów Schemat zastępczy maszyny indukcyjnej jedna faza AC silnik indukcyjny pole wirujące stojana Stojan Wirnik Silnik indukcyjny transformator wirujący 3
Klatka wirnika jako wirujące uzwojenie wtórne zwarte (silnik klatkowy lub zwarty ) Pomiędzy prętami klatki znajduje się materiał ferromagnetyczny kierujący strumień skojarzony jak najbliżej prętów klatki Uzwojenie wirnika w formie klatki ma bardzo mocną konstrukcję 4
Praca silnika trójfazowego przyłączonego bezpośrednio do sieci Rotor Schemat zastępczy jednofazowy silnik jako wirujący transformator W porównaniu z transformatorem silnik ma stopień swobody; jego wirnik jest zaopatrzony w wirujący wał i łożyska E R napięcie indukowane w zatrzymanym wirniku (s=1) AC induction machine Stojan Wirnik Strumień skojarzony z wirnikiem (pochodzący od prądu stojana) powoduje indukowanie się prądu w wirniku a następnie powstaje moment jako efekt strumienia skojarzonego z wirnikiem i prądu wirnika Stojan jest wejściem elektrycznym obwód wirnika ma charakter indukcyjny opóźnienie prądu wirnika zależy od poślizgu (częstotliwości prądu wirnika). 5
Schemat zastępczy jednofazowy maszyny indukcyjnej z obwodem wirnika przeniesionym do stojana stosowany dla opisu matematycznego pracy maszyny indukcyjnej. Stojan Wirnik 6
Schemat zastępczy jednofazowy maszyny indukcyjnej z obwodem wirnika przeniesionym do stojana stosowany dla opisu matematycznego pracy maszyny indukcyjnej. Definicja poślizgu Stojan Wirnik s = s p b m s Uproszczona charakterystyka mechaniczna - tylko podczas przyłączenia stojana do sztywnej sieci o stałej częstotliwości Zakres pracy znamionowej dla poślizgów od s n do s n 7
Zasilanie z sieci sztywnej o stałej częstotliwości I S = U S X S [(a s a R k SR s) 2 + (a R + sa S ) 2 ] k Z Przy czym a S = R S, a X R = R R, k S X SR = 1 k SM k RM, k SM = X M, k R X RM = X M S X R oraz k Z = [a R a S a R k SR + s a R + sa s ] 2 + [s a S a R sk SR a R + sa S )] 2 T d = 3pU S 2 sx M 2 R R ω S [ R S R R sx S X R + sx M 2 2 + X S R R + sr S X R 2 8
Gdy w stanie nieruchomego wirnika silnik jest przyłączany do sieci o stałej częstotliwości to prąd rozruchowy I sr jest 5 do 8 razy większy niż prąd znamionowy Mocna (specjalna) konstrukcja maszyny pozwala na takie przeciążenia. Prąd rozruchowy Poślizgi znamionowe od s n do s n 9
Przykład rozruchu silnika o mocy 90kW podczas bezpośredniego załączenia do sieci (symulacja) Prędkość Moment napędowy Skokowe obciążenie Prąd stojana W pierwszej chwili załączenia silnika moment elektromagnetyczny (napędowy) ma znaczne pulsacje (przebieg niepodawany w charakterystykach uproszczonych) 10
Początkowy prąd rozruchowy po przyłączeniu silnika do sieci - symulacja 11
Wpływ dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika na charakterystykę mechaniczną silnika niezalecana metoda sterowania prędkością silnika pierścieniowego. Prędkość silnika zależy od dodatkowej rezystancji i momentu obciążenia 12
Zastosowanie przekształtników energoelektronicznych do regulacji prędkości silników (maszyn) indukcyjnych 50Hz H f = var M var Q 13
Silnik indukcyjny Silnik indukcyjny Przekształtnik DC/AC 14
Schemat zastępczy połączeń realizowanych przekształtnikiem trójfazowym mostkowym. Przekształtnik kontroluje strumień silnika i częstotliwość - prąd silnika jest zależny od poślizgu czyli od częstotliwości napięcia wirnika 15
FFT(V an ) [p.u] V an [p.u] u ref,u ctop,u cbot [p.u] Przekształcanie DC/AC DC-metodą modulacji szerokości impulsów napięcia MSI ( Pulse Width Modulation (PWM) )) 1 0.5 0-0.5 Prosta metoda uzyskania modulacji szerokości impulsów -1 0 0.7854 1.5708 2.3562 3.1416 3.927 4.7124 5.4978 6.2832 0 *t [rad] 1 0.5 0-0.5-1 0 0.7854 1.5708 2.3562 3.1416 3.927 4.7124 5.4978 6.2832 0 *t [rad] 1 0.5 0 THD=76.7[%] WTHD2=0.171[%] 01 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 Harmonics order [-] Napięcie wyjściowe z przekształtnika regulacja metodą modulacji szerokości impulsów (MSI) napięciowych Harmoniczne napięcia wyjsciowego 16
Zakres pracy silnika zasilanego ze źródła o regulowanych parametrach napięcia czyli gdy jest zasilany z falownika Dostępny moment maksymalny Dostępny maksymalny prąd Praca normalna w zakresie parametrów znamionowych Praca znamionowa od s n to s n Przekształtnik kontroluje strumień silnika i częstotliwość - prąd silnika jest zależny od poślizgu czyli od częstotliwości napięcia wirnika 17
Rodzina charakterystyk mechanicznych maszyny indukcyjnej klatkowej zasilanej w układzie otwartym napięciem o stałej częstotliwości s = 2 f s stany ustalone (Każda charakterystyka odpowiada innej częstotliwości) Obszar najczęściej wykorzystywany 18
19
Moment napędowy (elektromagnetyczny) silnika indukcyjnego klatkowego jako funkcja wektora przestrzennego prądu stojana i sprzężonego wektora przestrzennego prądu wirnika przeniesionego do obwodu stojana T d = 3 2 p b L M Im I S I R Moment napędowy (elektromagnetyczny) silnika indukcyjnego klatkowego jako funkcja wektora przestrzennego strumienia stojana i sprzężonego strumienia wirnika przeniesionego do stojana T d = 3 2 p b L M L S L R L M 2 Im Ψ S Ψ R 20
FFT(V an ) [p.u] V an [p.u] u ref,u ctop,u cbot [p.u] 1 0.5 0-0.5-1 0 0.7854 1.5708 2.3562 3.1416 3.927 4.7124 5.4978 6.2832 0 *t [rad] 1 0.5 0-0.5-1 0 0.7854 1.5708 2.3562 3.1416 3.927 4.7124 5.4978 6.2832 0 *t [rad] Regulacja amplitudy i częstotliwości napięcia doprowadzonego do stojana metodą modulacji szerokości impulsów (MSI) napięciowych 1 0.5 THD=76.7[%] WTHD2=0.171[%] 0 01 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 Harmonics order [-] 21
Przykład topologii układu przekształtnikowo-maszynowego AC-DC-AC dla regulacji prędkości silnika indukcyjnego hamowanie generatorowe zabronione (dlaczego?) Prostownik Falownik Kierunek przepływu mocy Kierunek przepływu mocy 22
Przykład topologii układu przekształtnikowo-maszynowego AC-DC-AC dla regulacji prędkości silnika indukcyjnego hamowanie generatorowe dozwolone Prostownik Brake chopper Falownik Kierunek przepływu mocy Kierunek przepływu mocy 23
U/F bardzo prosta regulacja prędkości dla napędów o niskich wymaganiach dynamicznych powstała gdy procesory były prymitywne. Zbliżony do stałego stosunek U/f czyli U S / S realizuje utrzymanie stałego strumienia w stojanie 24
Układ przełączający - opis wektorami przestrzennymi Dodatkowa informacja 25
Układ sterowania silnika indukcyjnego regulacja momentu poprzez regulację strumieni (schemat do wiadomości nie dotyczy egzaminu) T d = 3 2 p b L M L S L R L M 2 Im Ψ S Ψ R 26
Zakresy pracy silnika indukcyjnego zasilanego z falownika Zakres pracy ze stałym strumieniem Praca ze strumieniem obniżonym Praca z obniżonym momentem ze względu na straty spowodowane podwyższeniem częstotliwości prędkość częstotliwości znamionowej 27
2 silniki indukcyjne lekkie Nowe zastosowania silników indukcyjnych w napędzie elektrycznym i hybrydowym pojazdów specjalna konstrukcja chłodzenia. 28
Napęd elektryczny 2 silniki indukcyjne chłodzone płynem
Przekształtnik tyrystorowy do regulacji napięcia maszyny indukcyjnej przy stałej częstotliwości harmonicznej podstawowej softstart Obniżenie napięcia obniża w znacznym stopniu moment napędowy stosowanie układu gdy silnik startuje bez obciążenia lub z bardzo małym momentem obciążenia. Cel obniżenie prądu rozruchu. 30
Napędy trakcyjne Układ napędowy lokomotywy (tramwaju) wiek XX stare tramwaje w Warszawie Nowoczesny napęd trakcyjny wiek XXI (np. nowe tramwaje, również w Warszawie) Łatwa i płynna regulacja prędkości (momentu napędowego w szerokim zakresie prędkości 31
Potężny silnik Diesla Klasyczny napęd statku silnikiem wolnoobrotowym Diesla nie ma regulacji prędkości od zera Elektrownia generatory 1500 obr/min Nowoczesne napędy zasilane z szybkoobrotowej elektrowni 32
Elektrownia Przekształtniki sterujące Nowoczesny napęd statku Napędy o regulowanej prędkości od zera Obwody sterowania Obwody silnoprądowe 33