STEROWANIE CZĘSTOTLIWOŚCIOWE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60 Studia i Materiały Nr 27 2007 Stanisław AZAREWICZ *, Marcin GRYS ** Napęd elektryczny, sterowanie częstotliwościowe, silniki reluktancyjne, STEROWANIE CZĘSTOTLIWOŚCIOWE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH W artykule przedstawiono problematykę dotyczącą wyboru przemiennika częstotliwości do zasilania silników indukcyjnych synchronizowanych oraz wyniki badań parametrów eksploatacyjnych tych silników z wybranym typem przemiennika częstotliwości. Silniki indukcyjne synchronizowane o konstrukcji zarówno bez dowzbudzenia od magnesów trwałych jak i z dowzbudzeniem charakteryzują się niesymetrią magnetyczną wirnika co uniemożliwia prawidłową identyfikację parametrów schematu zastępczego przez typowy układ przemiennika częstotliwości. Badania miały na celu wybranie przemiennika z optymalnym dla tych silników sterowaniem a także porównanie uzyskiwanych parametrów eksploatacyjnych z parametrami przy bezpośrednim zasilaniu napięciem sieciowym. W ich wyniku wskazano optymalny typ przemiennika częstotliwości do zasilania silników indukcyjnych synchronizowanych z rozruchem asynchronicznym. 1. WSTĘP. Dynamiczny rozwój przemysłu i rosnące wymagania stawiane nowoczesnym układom sterowania powodują, że poszukiwane są coraz to doskonalsze, a jednocześnie tańsze i bardziej niezawodne rozwiązania. Dążenie do obniżenia kosztów użytkowania napędów elektrycznych spowodowało wzrost zainteresowania stosowaniem silników indukcyjnych synchronizowanych o bezpośrednim rozruchu z sieci zasilającej. Jednocześnie, wraz z rozwojem przekształtnikowych układów sterowania, silniki te coraz chętniej zasilane są z przemienników częstotliwości. Dotyczy to w szczególności napędów o niezbyt wysokich wymaganiach co do dynamiki. W szczególności napędy tego typu znajdują * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Smoluchowskiego 19, 51-350 Wrocław, stanislaw.azarewicz@pwr.wroc.pl, ** dyplomant Politechniki Wrocławskiej, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych

zastosowanie w układach wielosilnikowych o określonej prędkości poszczególnych silników. Dzięki temu, że silnik ten podczas pracy ustalonej pracuje z prędkością synchroniczną proporcjonalną do częstotliwości napięcia zasilającego, uproszczeniu ulega układ regulacji prędkości. Łatwy jest także rozruch i hamowanie tych silników w układach wielosilnikowych ponieważ łączą w sobie cechy silnika indukcyjnego klatkowego i reluktancyjnego. Do silników synchronicznych tego typu można zaliczyć dwa rodzaje maszyn: silniki indukcyjne synchronizowane momentem reluktancyjnym, nazywane często indukcyjnymi silnikami reluktancyjnymi, silniki z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku, o rozruchu bezpośrednim Silniki te mają budowę stojana analogiczną jak silniki indukcyjne klatkowe, zaś wirnik zawiera klatkę rozruchową złożoną z prętów szerokich i wąskich co w rezultacie pozwala na uzyskanie asymetrii magnetycznej. Rozruch tych silników odbywa się w sposób analogiczny jak silnika klatkowego. W pobliżu prędkości synchronicznej wirnik zostaje wciągnięty przez pole magnetyczne stojana w synchronizm, pod warunkiem, że moment obciążenia nie przekracza maksymalnego momentu synchronicznego silnika. Silniki reluktancyjne z dodatkowymi magnesami w wirniku działają w sposób zbliżony do silników bez dowzbudzenia od magnesów. Dzięki dowzbudzeniu od magnesów trwałych wartość maksymalnego momentu synchronicznego w tych silnikach jest większa niż w silnikach reluktancyjnych bez dowzbudzenia. Wprowadzenie magnesów trwałych skutkuje także zjawiskami negatywnymi. Ich obecność wpływa niekorzystnie na asynchroniczny moment rozruchowy tych silników. W wyniku momentu hamującego powstającego podczas rozruchu wypadkowy moment rozruchowy asynchroniczny jest zawsze mniejszy od momentu rozruchowego asynchronicznego klatki rozruchowej. [2], [4] Coraz powszechniejsze stosowanie przemienników częstotliwości w przemyśle i urządzeniach powszechnego użytku pozwala twierdzić, że coraz częściej będą z nich zasilane także tego typu silniki. Jednocześnie wraz z rozwojem mikroprocesorowych systemów sterowania przemienniki częstotliwości przeznaczone do zasilania silników indukcyjnych klatkowych posiadają coraz bardziej wyrafinowane systemy sterowania umożliwiające pełną kontrolę parametrów silnika zarówno w stanach statycznych jak i dynamicznych. Stosowane układy sterowania przemienników częstotliwości mogą jednak nie spełniać wymagań w przypadku sterowania niesymetrycznych silników indukcyjnych synchronizowanych. Celowym jest zatem przeprowadzenie badań pozwalających określić zarówno optymalny rodzaj sterowania przemiennikiem przeznaczonym dla tych silników jak również określić właściwości, jakie będą miały silniki synchronizowane zasilane z wybranego typu przemiennika.

2. DOBÓR PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI DO ZASILANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH Prawidłowa realizacja sterowania częstotliwościowego wymaga zastosowania przemiennika częstotliwości, którego układ sterowania dostosowany jest do tego typu silnika. Typowe, dostępne na rynku przemiennika częstotliwości dostosowane są do sterowania silnikami indukcyjnymi klatkowymi. Ich układ sterowania bazuje na schemacie zastępczym silnika, którego parametry są w przemiennikach wektorowych i przemiennikach o bezpośrednim sterowaniu momentem DTC podlegają identyfikacji. Schemat zastępczy silnika reluktancyjnego różni się od schematu symetrycznego silnika klatkowego na tyle istotnie, że mogą wystąpić problemy z prawidłową pracą układu sterowania falowników wyższej generacji. Rozwiązaniem problemu było by oczywiście opracowanie przemienników częstotliwości do sterowania silników indukcyjnych synchronizowanych. Ze względu na stosunkowo małą liczba tych silników w przemyśle a także różnorodność ich konstrukcji należy przyjąć, że do ich zasilania użytkownicy będą stosowali typowe przemienniki częstotliwości. Istotne jest zatem poznanie zjawisk występujących podczas współpracy typowego falownika z silnikiem reluktancyjnym o rozruchu asynchronicznym oraz zasad doboru przemienników częstotliwości do tego typu silników. 2.1. BADANIA WPŁYWU METODY STEROWANIA PRZEMIENNIKIEM CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Badaniom laboratoryjnym poddano silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych o mocy 1,1 kw ; 1500 obr/min oraz silnik z dowzbudzeniem od magnesów trwałych o mocy 0,55 kw; 1500 obr/min. Przeprowadzono badania napędów w stanach statycznych i dynamicznych przy zasilaniu silników z przemienników częstotliwości o sterowaniu skalarnym, wektorowym SLV i wektorowym VVC plus. Nie przeprowadzono badań przy zasilaniu z przemiennika o sterowaniu DTC, gdyż już wstępne badania wykazały, że z powodu błędów w identyfikacji parametrów schematu zastępczego przez układ sterowania falownika współpraca falownik silnik jest nieprawidłowa[1]. Przyjęte do badań przemienniki o sterowaniu SLV i VVC plus różnią się jakością sterowania wektorowego. Wybrane wyniki badań rozruchu silnika reluktancyjnego z rozruchem asynchronicznym bez dowzbudzenia od magnesów trwałych przy zasilaniu z różnych przemienników częstotliwości przedstawiono na rysunkach 1, 2, i 3. Dla wszystkich przebiegów przyjęto następujące skale: - dla przebiegu momentu (CH 1) wynosi 1,00 V/dz = 4,4 Nm.

- prędkość synchroniczna silnika (CH II)przy f = 50 Hz wynosi 157 rad/s - skala czasu TBA zgodnie z oznaczeniami na rysunkach wynosi 100 ms/dz lub 200ms/dz ω M Rys.1. Przebiegi dla silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (50Hz): moment i prędkość przy rozruchu bez obciążenia. Fig. 1. Reluctance motor without permanent magnet excitation powered from controlled converter (50Hz): torque and speed during start without load. ω M Rys.2. Przebiegi dla silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (50Hz): moment i prędkość przy rozruchu bez obciążenia. Fig. 2. Reluctance motor without permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (50Hz): torque and speed during start without load.

ω M Rys.3. Przebiegi prędkości i momentu podczas rozruchu silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych przy zasilaniu z falownika VVC plus (50 Hz). Fig.3. Torque and speed characteristics in reluctance motor without permanent magnet excitation during starting powered from VVC converter (50Hz). Przedstawione wyniki badań wskazują na istnienie zależności pomiędzy rodzajem zastosowanego przemiennika a przebiegiem momentu i prędkości podczas rozruchu. Jak wynika z powyższych przebiegów, napęd z silnikiem reluktancyjnym bez dowzbudzenia od magnesów trwałych przy zasilaniu z przemiennika częstotliwości o sterowaniu SLV jest najbardziej korzystny z punktu widzenia rozruchu. Wynika to z faktu niekorzystnego oddziaływania magnesów trwałych na moment rozruchowy w pierwszej fazie rozruchu. Istotną poprawę można uzyskać stosując kontrolowany rozruch częstotliwościowy silników z dowzbudzeniem od magnesów trwałych. Przeprowadzone badania pozwalają również twierdzić, że do zasilania obu typów silników mogą być stosowane przemienniki o sterowaniu skalarnym i wektorowym SLV, z tym, że bardziej korzystne jest stosowanie przemiennika wektorowego SLV[1]. Istotnym jest także zachowanie układu napędowego z określonym typem falownika podczas pracy ustalonej. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie przemiennika częstotliwości o sterowaniu wektorowym VVC plus wiąże się z możliwością występowania okresowych zakłóceń w pracy napędu. Widoczne jest to na przykładowym przebiegu umieszczonym na rysunku 4. Przyczyną tego zjawiska jest różnica między modelem silnika klatkowego stosowanego w systemie sterowania falownika VVC plus a modelem odpowiadającym silnikowi reluktancyjnemu. Należy przypuszczać, że w falownikach o wyższej jakości sterowania wektorowego zauważone niekorzystne zjawisko wystąpi z większym nasileniem.

ω M Rys 4.Przebiegi momentu i prędkości podczas rozruchu i pracy ustalonej silnika reluktancyjnego zasilanego z falownika o sterowaniu wektorowym VVCplus bez dowzbudzenia od magnesów trwałych obciążonego momentem o stałej wartości. Fig. 4. Torque and speed during starting and steady work of the reluctance motor without additional permanent magnet excitation, loaded with constant torque. Uwzględniając powyższe wyniki badań należy przyjąć, że do zasilania silników reluktancyjnych o rozruchu asynchronicznym będą rekomendowane przemienniki częstotliwości o sterowaniu SLV. Dla tego typu przemiennika przeprowadzono badania parametrów napędów przy sterowaniu częstotliwościowym. 2.2. BADANIA CHARAKERYSTYK EKSPLOATACYJNYCH SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZY ZASILANIU Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWO- ŚCI O STEROWANIU SLV W ramach badań porównano parametry układu napędowego z silnikami reluktancyjnymi przy zasilaniu z przemiennika SLV oraz przy zasilaniu bezpośrednio z sieci. Badania przeprowadzono przy bezpośrednim zasilaniu silników z przemiennika częstotliwości jak również poprzez filtr silnikowy LC. Układ napędowy falownik silnik traktowano jako zespół, mierząc parametry elektryczne na jego wejściu. Wybrane wyniki badań przedstawiono na rysunkach 5 8 dla silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych oraz na rysunku 9 dla silnika z dowzbudzeniem od magnesów trwałych. Wartości maksymalnego momentu synchronicznego silników w funkcji częstotliwości napięcia przedstawiono na rysunku 5.

silnik reluktancyjny z dowzbudzeniem silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia 8,5 8 7,5 Mm [Nm] 7 6,5 6 5,5 5 10 20 30 40 50 f [Hz] Rys. 5. Wartości maksymalnych momentów synchronicznych silników reluktancyjnych z dowzbudzeniem i bez w funkcji częstotliwości napięcia zasilającego. Fig. 5. Maximal synchronous torque value versus frequency voltage in reluctance motors with and without permanent magnet excitation. cos φ [ ] sieć 50Hz 50Hz 40Hz 30Hz 20Hz 10Hz 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 P2 [W] Rys. 6. Charakterystyki zależności cos = f ( ) ϕ P 2 dla silnika reluktancyjnego o rozruchu asynchronicznym zasilanego z sieci oraz falownika o częstotliwości modulacji 8kHz. Fig. 6. Characteristic of cos = f ( ) ϕ P 2 for reluctance motor without permanent magnet excitation during line start and powered from converter with frequency modulation 8kHz.

η [%] sieć 50Hz 50Hz 40Hz 30Hz 20Hz 10Hz 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 P2 [W] Rys. 7. Charakterystyki zależności = f ( ) Fig. 7. Characteristic of = f ( ) η P 2 dla silnika reluktancyjnego o rozruchu asynchronicznym zasilanego z sieci oraz falownika o częstotliwości modulacji 8kHz. η P 2 for reluctance motor without permanent magnet excitation during line start powered from converter with frequency modulation 8kHz sieć bez filtra z filtrem η [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 P2 [W] Rys. 8. Charakterystyki zależności = f ( ) η P 2 dla silnika reluktancyjnego o rozruchu asynchronicznym zasilanego z sieci oraz falownika o częstotliwości modulacji 8kHz i częstotliwości napięcia wyjściowego 50Hz w układzie bez filtra silnikowego i z filtrem silnikowym Fig. 8. Characteristic of = f ( ) η P 2 for reluctance motor without permanent magnet excitation during line start powered from converter with frequency modulation 8kHz and frequency voltage 50Hz with and without additional motor filter

cos φ [ ] sieć bez filtra z filtrem 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 P2 [W] Rys. 9. Charakterystyki zależności cos = f ( ) ϕ P 2 dla silnika reluktancyjnego o rozruchu asynchronicznym dowzbudzanego magnesami trwałymi zasilanego z sieci oraz falownika o częstotliwości modulacji 8kHz i częstotliwości napięcia wyjściowego 50Hz w układzie z filtrem silnikowym i bez filtra silnikowego Fig. 9. Characteristic of cos = f ( ) ϕ P 2 for reluctance motor with permanent magnet excitation during line start powered from converter with frequency modulation 8kHz and frequency voltage 50Hz with and without additional motor filter. Badania silników reluktancyjnych z rozruchem asynchronicznym umożliwiły poznanie zarówno zachowania się tych silników w układach napędowych jak również, wybrania rodzaju przemienników, z którymi te silniki najlepiej współpracują. Ze względu na konieczność ograniczania zakłóceń elektromagnetycznych jak i ochrony uzwojeń silników badania przeprowadzono także z wykorzystaniem sinusoidalnych filtrów silnikowych. Badania te potwierdziły celowość stosowania filtrów wykazując, że wypadkowa sprawność całego napędu praktycznie nie ulega zmianie. Prowadzone pomiary parametrów energetycznych i charakterystyk mechanicznych przy różnej częstotliwości modulacji napięcia wyjściowego falownika wykazały niewielki wpływ tych zmian na wypadkowe parametry energetyczne i mechaniczne napędu. Stosując filtr silnikowy należy jednak wyznaczyć optymalną częstotliwość tej modulacji. 3. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, że istnieje związek pomiędzy rozwiązaniem układu sterowania przemiennikiem częstotliwości a parametrami dynamicznymi i pewnością ruchową napędów z silnikami reluktancyjnymi. Najbardziej celowym jest stosowanie do zasilania silników tego typu przemienników częstotliwości o sterowaniu wektorowym SLV. Nieco gorsze parametry dynamiczne uzyskiwane są przy wykorzystywaniu przemienników

częstotliwości o sterowaniu skalarnym. Parametry statyczne napędów z przemiennikami skalarnymi i wektorowymi typu SLV są zbliżone. Przeprowadzone badania z przemiennikiem o sterowaniu wektorowym VVC plus wskazują, że przemienniki o wyższej jakości sterowania wektorowego nie powinny być stosowane do tego typu silników ponieważ układ sterowania może wprowadzać zakłócenia do pracy napędu. Maksymalny moment synchroniczny tych silników zależy od częstotliwości napięcia zasilającego ale w znacznie mniejszym stopniu niż od wartości napięcia zasilającego. Zasilanie silnika reluktancyjnego zarówno bez dowzbudzenia od magnesów trwałych jak i z dowzbudzeniem z przemiennika częstotliwości powoduje zmniejszenie maksymalnego momentu synchronicznego o około 5% w stosunku do zasilania napięciem sieciowym. Porównując parametry obu typu silników przy zasilaniu z przemiennika częstotliwości można stwierdzić, że silniki bez dowzbudzenia od magnesów trwałych uzyskują lepsze parametry eksploatacyjne w układach napędowych. LITERATURA [1] Azarewicz Stanisław, Zalas Adam: Właściwości eksploatacyjne silników reluktancyjnych z rozruchem asynchronicznym przy sterowaniu częstotliwościowym.prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej; nr 58, Studia i Materiały, ISSN 1733-0718; nr 25 [2]Bernatt J., Rossa R.: Silnik reluktancyjny dowzbudzany magnesami trwałym-wyniki badań laboratoryjnych, BOBRME Komel, Katowice, 2003. [3] Glinka T., Jakubiec M., Wieczorek A.: Silnik asynchroniczny synchronizowany momentem reluktancyjnym, Wiadomości Elektrotechniczne 2001, nr2. [4] Glinka T., Jakubiec M.: Silnik asynchroniczny synchronizowany momentem reluktancyjnym, BOBRME Komel, Katowice 2003 FREQUENCY CONTROL OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTORS This paper shows problem of choice frequency converter to powered synchronous reluctance motor. As well it shows result of researches of synchronous reluctance motor exploitation parameters with selected type of frequency converter. Synchronous reluctance motors with and without permanent magnet excitation characterize at magnetic asymmetry in rotor. Magnetic asymmetry causes, that correct identification of substitute parameters scheme typical frequency converter is impossible. The aim of the research was the selection of a frequency converter with optimal control for synchronous reluctance motors and the comparison of exploitation parameters in such motors during powered from frequency converter and during motor s line start up. Result of researches shows optimal type of frequency converter to power synchronous reluctance motors.