Laboratorium Napędu Eletrycznego. Ćwiczenie 4: Napęd prądu przemiennego z falowniiem napięcia. Właściwości ilnia inducyjnego. Silni inducyjny latowy I jet mazyną eletryczną zailaną napięciem prądu przemiennego. Prędość ątowa odpowiadająca czętotliwości f napięcia zailającego nazywana jet prędością ynchroniczną i jet prędością wirowania pola wytwarzanego w tojanie przez napięcie prądu przemiennego. Prędość ynchroniczna zależy również od liczby par biegunów p b i jet wyrażona wzorem: 2f, (1) pb Po podłączeniu ilnia inducyjnego do napięcia prądu przemiennego wirni wiruje z prędością mechaniczną m mniejzą od prędości ynchronicznej. Jet to wyniiem itnienia oporów ruchu, a wpływ na tę prędość ma rezytancja wirnia. W wirniu ilnia latowego wirującego z prędością ynchroniczna nie może zainduować ię prąd, gdyż nie będzie zmian pola względem przewodnia (prętów lati wirnia). Opory ruchu prawią, że wirni zwolni do prędości poniżej ynchronicznej i zacznie płynąć w wirniu prąd, tóry oddziałując z polem wytwarzanym przez tojan powoduje napędzanie wirnia. Prąd wirnia ograniczony jet przez rezytancję lati co nie pozwala na oiągnięcie taiego momentu napędzającego wirni aby prędość mechaniczna była równa ynchronicznej. Różnicę między prędością ynchroniczną a mechaniczną m opiujemy za pomocą wielości zwanej poślizgiem. m m n nm 1, (2) n gdzie, m jet prędością ątową mechaniczną a n i n m ą odpowiednio prędością obrotową ynchroniczną i mechaniczną. Prędości ątowe wyrażone ą w rad/, a obrotowe w obr/min. Poślizg dodatni wytępuje dla pracy ilniowej, natomiat poślizg ujemny dla pracy generatorowej. Charaterytyę mazyny inducyjnej zailanej ze źródła o tałej amplitudzie i czętotliwości przedtawiono na ryunu 1. Przy prędości mechanicznej równej zero ilni inducyjny zachowuje ię ja tranformator w tanie zwarcia. W typowym ilniu moment rozruchowy r rozwijany przy zahamowanym wirniu jet niezbyt duży, natomiat wartość prądu, tóry ma głównie charater bierny jet ilurotnie więza od prądu znamionowego. Jeżeli moment obciążenia jet mniejzy od momentu eletromagnetycznego rozwijanego przez ilni natępuje wzrot prędości wirnia z jednoczenym wzrotem momentu eletromagnetycznego. aymalna wartość momentu ilnia inducyjnego zwana momentem rytycznym jet w przybliżeniu proporcjonalna do wadratu amplitudy napięcia zailającego i odwrotnie proporcjonalna do umy reatancji rozprozenia tojana i wirnia. 2 3 pb U, (3) 2 X X r
Ry. 1. Charaterytya mechaniczna ilnia inducyjnego. oment rytyczny rozwijany jet przy poślizgu rytycznym, tóry jet oreślony zależnością: R X r, (4) X r i może być również wyznaczony na podtawie danych atalogowych ilnia inducyjnego: 2 1, (5) N przy czym N jet poślizgiem znamionowym, a wpółczynni przeciążalności momentem jet równy:, (6) N Przebieg momentu ilnia w funcji prędości mechanicznej (charaterytya mechaniczna) można oreślić uprozczoną zależnością: 2, (7) ożna wyróżnić trzy zarey pracy ilnia inducyjnego: 1) praca ilniowa od prędości zero do ynchronicznej (ierune ruchu wirnia jet zgodny z ieruniem wirowania pola, a prędość ilnia jet mniejza od ynchronicznej) 2) praca generatorowa powyżej prędości ynchronicznej (ierune ruchu wirnia jet zgodny z ieruniem wirowania pola, a prędość ilnia jet więza od ynchronicznej). 3) praca w zareie tzw. hamowania przeciwwłączeniem (ierune ruchu wirnia jet przeciwny do ierunu wirowania pola).
W zareie pracy ilniowej można wyróżnić dwie części charaterytyi: 1) Stabilny od prędości dla tórej ilni oiąga moment rytyczny do prędości ynchronicznej. 2) Nietabilny od prędości zerowej do prędości w tórej ilni oiąga moment rytyczny. Utalony punt pracy (punt zrównania ię momentu obciążenia o z momentem rozwijanym przez ilni) mui znajdować ię na tabilnej części charaterytyi poniżej znamionowego puntu pracy ( N, N ) ry. 2. Równowaga momentów obciążenia i ilnia w ażdym innym puncie powoduje przeroczenie wartości znamionowej prądu ilnia co grozi jego przegrzaniem i uzodzeniem izolacji. Zmiana momentu obciążenia powoduje nieznaczną tylo zmianę prędości mechanicznej, a dla utalonego momentu obciążenia nie można regulować prędości za pomocą źródła napięcia o tałej amplitudzie i czętotliwości. Ry. 2. Charaterytya mechaniczna ilnia i przyładowego obciążenia. Dla utalonego momentu obciążenia możliwa jet regulacja prędości w wąim zareie za pomocą zmiany amplitudy napięcia zailającego. Charaterytyi mechaniczne dla różnych napięć przedtawione ą na ryunu 3, przy czym dla niżzych wartości napięć uzyujemy mniejzy moment rozwijany przez ilni inducyjny. Dla danego momentu znamionowego ja na ryunu 3, ilni może poruzać ię z prędością w zareie m od prędości znamionowej N do prędości odpowiadającej poślizgowi rytycznemu, Ry. 3. Rodzina charateryty mechanicznych przy zailaniu napięciami o tałej czętotliwości i różnych amplitudach.
Regulacja prędości za pomocą jednoczenej zmiany amplitudy i czętotliwości daje dużo lepze efety niż regulacja za pomocą zmiany amej amplitudy. Charaterytyi mechaniczne dla napięć zailających o różnych czętotliwościach poazano na ryunu 4. Podtawowa charaterytya z odpowiadającą jej znamionową prędością ynchroniczną N zaznaczona jet linią pogrubioną. Dla ażdej czętotliwości poniżej czętotliwości znamionowej amplituda napięcia zailającego jet proporcjonalna do czętotliwości aby pełnić warune U/f = cont. Dla źródła zailania o regulowanej czętotliwości i amplitudzie napięcia nie więzej niż oiągana w warunach znamionowych, moc mazyny jet ograniczona do wartości znamionowej. W onewencji obniża ię charaterytya mechaniczna ilnia ja na Ry. 4. Zmniejza ię również moment oiągany przez mazynę, gdyż przy tałej mocy i zwięzającej ię prędości moment mui maleć zgodnie z zależnością: P m m, (8) m Ry. 4. Charaterytyi mechaniczne przy zailaniu ilnia napięciem o różnej czętotliwości. We wzorze (1) podano, że prędość ilnia zależy od liczby par biegunów. Ryune 5 przedtawia rodzinę charateryty dla ilnia o zmiennej liczbie par biegunów (p b =1,2,3,4). Itnieją pecjalne ontrucje ilniów inducyjnych (ilnii wielobiegowe) z przełączanymi uzwojeniami, pozwalające na oiągnięcie zadanej ilości biegunów, przez co możliwa jet oowa zmiana prędości ynchronicznej a więc i prędości mechanicznej. Silnii wielobiegowe toowane ą m.in. w tarzych ontrucjach dźwigów oobowych. p b =4 p b =3 p b =2 p b =1 4 3 2 1 Ry. 5. Charaterytyi mechaniczne ilnia o regulowanej ilości par biegunów.
Napęd falowniowy ilnia inducyjnego Płynną regulację prędości i momentu ilnia inducyjnego zapewnia źródło o płynnie regulowanej czętotliwości i amplitudzie napięcia. Energoeletroniczne przyrządy półprzewodniowe pozwalają na ontruowanie taiego źródła napięcia. Schemat bloowy podtawowego energoeletronicznego uładu napędowego z ilniiem prądu przemiennego przedtawiony jet na ryunu 6. Silni inducyjny I zailany jet z falownia napięcia F przeztałcającego napięcie tałe ze źródła obwodu pośredniego DC jaim jet ondenator, na napięcie impulowe o zmiennym wpółczynniu wypełnienia. Obwód napięcia tałego zailany jet najczęściej z trójfazowej ieci napięcia przemiennego za pomocą protownia diodowego PD. Ry. 6. Schemat bloowy uładu napędowego z ilniiem prądu przemiennego. Protowni diodowy ma ila wad. Przede wzytim ma nieorzytne właściwości ze względu na nieinuoidalny prąd pobierany z ieci zailającej. Ponadto uład z protowniiem diodowym PD poiada ograniczone możliwości pracy generatorowej mazyny. Energia hamowania wymuzonego pracą falownia mui być rozprazana na rezytorze R włączonym równolegle w obwód DC załączanym za pomocą łącznia Ł2. Najczęściej rezytor dobrany jet na wytracenie energii rótotrwałego hamowania. Zaletą protownia diodowego jet wyżza niezawodność i mniejze ozty. W przypadu gdy itnieje potrzeba długotrwałej lub czętej pracy generatorowej, w zczególności przy dużych mocach, proponuje ię ułady ja na ryunu 7. Fig. 7. Schemat bloowy uładu pozwalającego na długotrwałą pracę generatorową ilnia inducyjnego. Protowni diodowy PD zatąpiony jet terowanym protowniiem tranzytorowym PT umożliwiającym oddawanie energii hamowania ilnia do ieci zailającej. Protownii atywne touje ię również w uładach napędowych dużej mocy, w celu wyeliminowania negatywnego oddziaływania na ieć zailającą protownia diodowego. Odpowiednie terowanie protowniiem atywnym pozwala na pobieranie prądu inuoidalnego o wpółczynniu mocy zbliżonym do jedności. Uład protownia nie jet celem omawianego ćwiczenia więc opi jego właściwości zotanie pominięty w niniejzej intrucji.
Strutura falownia tranzytorowego F zailającego ilni inducyjny I przedtawiona jet na Ry. 8. Tranzytory falownia napięcia pracują dwutanowo (pełne zabloowanie bądź naycenie), przy czym załączenie dwóch tranzytorów (górnego i dolnego) w danej gałęzi jet niedozwolone ze względu na zwarcie obwodu pośredniczącego. Ry. 8. Strutura uładu przeztałtnia tranzytorowego zailającego ilni inducyjny. Silni inducyjny zailany jet napięciami impulowymi u A, u B, u C przy czym potencjał puntów A, B i C jet zależny od tanów pracy tranzytorów. Przedtawiony na Ry. 8 punt neutralny N, rozdzielający obwód DC na dwa równe napięcia, w pratyce nie jet dotępny w falowniach przeznaczonych do zailania ilniów inducyjnych. Do analizy przebiegów protoątnych wyorzytuje ię wirtualny punt neutralny obwodu DC. Załączanie i wyłączanie tranzytorów odbywa ię przez podanie na brami impulów protoątnych, a cza trwania ażdego ze tanów zależy od wpółczynnia wypełnienia ygnałów protoątnych. Itnieje ila poobów na wygenerowanie protoątnych ygnałów bramowych. Jednym z nich jet porównanie na omparatorze ygnału zadanego napięcia i ygnału piłoztałtnego bądź trójątnego u tri o czętotliwości rzędu Hz (Ry. 9). Jet to tzw. modulacja z trójątną falą nośną. Tranzytory pozczególnych gałęzi terowane ą niezależnymi ygnałami protoątnymi wytworzonymi przez trzy ygnały zadane u za, u zb, u zc porównane na omparatorach z ygnałem trójątnym, a naprzemienne przełączanie tranzytorów górnego i dolnego w ażdej gałęzi jet realizowane za pomocą negatora. Ry. 9. Przyładowy poób generacji protoątnych ygnałów bramowych przeztałtnia.
Sygnały napięć zadanych u za, u zb, u zc w pozczególnych fazach ą ygnałami inuoidalnymi przeuniętymi względem iebie o 120 topni i porównywane ą z tym amym trójątnym ygnałem nośnym. Na ryunu 10 przedtawiono ygnały napięć zadanych u za, u zb, u zc o czętotliwości 50Hz oraz ygnał trójątny o czętotliwości 5Hz. Ry. 10. Przebiegi ygnałów modulujących olejnych faz u az, u bz, u zc oraz fali nośnej U tri. Każda gałąź falownia terowana jet oobnym ygnałem protoątnym. Dla gałęzi a ygnał napięcia zadanego u za jet porównywany na omparatorze z przebiegiem piłoztałtnym U tri (Ry. 11a). Sygnał wyjściowy z omparatora pwma jet ygnałem logicznym (Ry. 11b). Poziom górny powoduje załączenie tranzytora górnego i wyłączenie dolnego. Poziom dolny ygnału pwma powoduje wyłączenie tranzytora górnego i załączenie dolnego. W efecie potencjał puntu A w gałęzi a jet przełączany między potencjałem górnym i dolnym napięcia DC. Napięcie u A w puncie A odnieione do neutralnego puntu obwodu DC przedtawiono na Ry. 11c. Poziomy napięcia fazowego to ½ Udc i ½ Udc. Protoątny przebieg napięcia fazowego u A, zawiera ładową o czętotliwości podtawowej (czyli czętotliwości napięcia zadanego u a ) i ładową o czętotliwości ygnału modulowanego (ila Hz). a) U tri b) c) Ry. 11. Przebiegi: a) ygnału modulującego u za, fali nośnej U tri, b) ygnału bramowego pwma, c) ygnału napięcia fazowego u A, dla jednej gałęzi falownia.
Wpółczynni wypełnienia ygnałów protoątnych zmienia ię zgodnie z zadanymi ygnałami modulującymi (Ry. 12a,b,c). Napięcia przewodowe ą trzypoziomowe o poziomach równych Udc, 0 i Udc (Ry. 12d,e,f). Poziom zerowy wytępuje, gdy załączone ą dwa górne lub dwa dolne tranzytory w gałęziach do tórych odnoi ię analizowane napięcie przewodowe. Poziomy Udc i Udc wytępują przy naprzemiennym załączeniu tranzytorów w gałęziach, do tórych odnozą ię napięcia przewodowe. Ry. 12. Przebiegi, a,b,c) ygnału modulującego u za, u zb, u zc, oraz napięcia fazowych u A, u B, u C, oraz d,e,f) napięć przewodowych u AB, u BC, u CA, na tle zadanych napięć przewodowych. W uładzie falownia zailającego ilni połączony w gwiazdę, poza napięciem fazowym odnieionym do wirtualnego puntu obwodu DC można wyróżnić napięcie fazowe względem puntu neutralnego tojana ilnia. Chwilowa wartość tego napięcia zależy od atualnej onfiguracji tanów tranzytorów. W onfiguracji w tórej załączone ą dwa górne i jeden dolny bądź dwa dolne i jeden górny (Ry. 13a i Ry. 13b), dwa z uzwojeń chwilowo połączone ą równolegle. W taiej onfiguracji poziomy napięć fazowych względem puntu zerowego gwiazdy tojana wynozą 1/3 Udc i 2/3 Udc. W uładzie, w tórym załączone ą trzy górne albo trzy dolne tranzytory (Ry. 13b) poziom napięcia fazowego względem puntu neutralnego gwiazdy wynoi zero. Przebieg tego napięcia poazano na Ry. 14abc. Ry. 13. Przyładowe onfiguracje załączeń tranzytorów falownia i odpowiadające im rozłady napięć na uzwojeniach tojana ilnia inducyjnego.
Ry. 14. Przebiegi ygnału modulującego u za, u zb, u zc, oraz napięć fazowych u A, u B, u C. Przebieg ćwiczenia Na tanowiu laboratoryjnym wyorzytano przemyłowy falowni napięcia. W tracie ćwiczenia należy zapoznać ię z przebiegami ygnałów prądów, napięć i prędości napędu eletrycznego z falowniiem napięcia z wyorzytaniem ocyloopu. Należy zapoznać ię z intrucją obługi urządzenia, jego możliwościami utawiania parametrów do terowania prędością. Intrucja do falownia będzie udotępniona na zajęciach w tracie wyonywania ćwiczenia.