Badanie trójfazowego silnika indukcyjnego zasilanego z falownika

Wprowadzenie

Krótki opis energoelektronicznych układów sterowania.

W napędach urządzeń przemysłowych wykorzystuje się różnorakie odmiany układów przekształtnikowych, umożliwiających regulację prędkości i momentu obrotowego oraz sterowanie procesami rozruchu, hamowania i nawrotu silnika. Z najczęściej stosowanych rozwiązań można wymienić:

- tyrystorowe regulatory napięcia przemiennego;

- bezpośrednie przemienniki częstotliwości;

- tyrystorowe kaskady podsynchroniczne;

- przemienniki częstotliwości pośrednie z falownikami napięcia i prądu.

Tendencje rozwojowe w tej grupie układów polegają na wprowadzeniu przyrządów w pełni wyłączalnych i zastosowaniu sterowania PWM (Pulse Width Modulation – modulacja szerokości impulsów), co umożliwia zmniejszenie zniekształceń napięcia i prądu silnika, eliminacje niekorzystnych harmonicznych niskiego rzędu w prądzie pobieranym z sieci oraz pracy układu przy współczynniku mocy (cosj) bliskim jedności.

Napędy asynchroniczne z tyrystorowymi regulatorami napięcia (tzw. sterownikami tyrystorowymi) ze względu na małą sprawność i duże zniekształcenia prądu są stosowane w ograniczonym zakresie do regulacji silników, a znacznie częściej w układach rozruchowych napędów średniej i dużej mocy.

Układy z falownikami napięcia znajdują ostatnio coraz szersze zastosowanie zarówno w napędach przemysłowych małej i średniej mocy (do 1000 kW), jak również w serwonapędach obrabiarek i robotów przemysłowych zastępując często dotychczas wykorzystywane napędy z silnikami prądu stałego. Rozwiązaniem dominującym w tej grupie układów są falowniki napięcia z modulacją PWM, wyposażone w przyrządy półprzewodnikowe mocy w pełni wyłączalne. W przeważającej liczbie układów są stosowane tranzystory BJT i IGBT, a tyrystory GTO tylko w układach większych mocy. Coraz częściej w pośrednich przemiennikach częstotliwości z tymi falownikami stosuje się na wejściu przekształtniki prądu przemiennego na prąd stały, również z modulacją PWM. Umożliwiają one pracę przy współczynniku mocy cosj=1, pozwalają na dwukierunkowy przepływ energii i ograniczają zawartość wyższych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci zasilającej. Układy z falownikami prądu zarówno o komutacji wewnętrznej, jak i zewnętrznej (w postaci tzw. silnika przekształtnikowego) mają dotychczas dość ograniczony zakres zastosowania.

„Miękki” rozruch silnika indukcyjnego.

Jeżeli rozruch silnika indukcyjnego jest przeprowadzany przez bezpośrednie przyłączenie do napięcia sieci, to prąd rozruchu jest ograniczony tylko impedancją w stanie spoczynku i może osiągać bardzo duże wartości, większe niż 6-cio krotna wartość prądu znamionowego. W miarę wzrostu prędkości obrotowej prąd maleje, ale niemal przez cały czas trwania rozruchu jest większy od prądu znamionowego, co może powodować zakłócenia sieci zasilającej i w innych przyłączonych do niej odbiorników. Stosowane często urządzenia rozruchowe takie, jak przełączniki gwiazda/trójkąt lub autotransformatory z zaczepami nie w pełni zadowalają, gdyż przy przełączaniu występuje bardzo duży chwilowy wzrost prądu i momentu, powodując narażenia mechaniczne przekładni zębatych, pasowych, wałów oraz innych elementów napędu, szczególnie gdy załączenie odbywa się przy znamionowym obciążeniu. Najbardziej pożądany jest układ umożliwiający płynną regulację napięcia silnika, tzw. układ „miękkiego rozruchu”.

Wyróżniamy następujące metody ograniczenia prądu rozruchu:

- przełącznik gwiazda/trójkąt;

- załączenie dodatkowego rezystora rozruchowego;

- regulacja amplitudy napięcia zasilającego;

- rozruch częstotliwościowy.

Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego.

Regulacje poślizgu, a więc także regulację prędkości silnika można zrealizować zarówno przez zmianę napięcia stojana, jak również przez włączenie dodatkowych rezystancji w obwód wirnika silnika pierścieniowego i zmianę poślizgu krytycznego. Oba sposoby są stosowane obecnie rzadko ze względu na duże straty, proporcjonalne do poślizgu silnika.

Natomiast zastosowanie układów kaskadowych, umożliwiających zwrot energii poślizgu do źródła zasilania, zapewnia dość korzystny sposób regulacji prędkości, ale w niezbyt szerokim zakresie.

Najkorzystniejszą metodą regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest tzw. regulacja częstotliwościowa, polegająca na zmianie częstotliwości napięcia zasilającego silnik przy równoczesnej zmianie wartości skutecznej napięcia. Regulację taką umożliwiają urządzenia energoelektroniczne – przemienniki częstotliwości bezpośrednie lub pośrednie z falownikami napięcia i prądu.

Moment obrotowy silnika indukcyjnego wynika z poniżej przedstawionego wzoru:

moment ten jest największy gdy wektory pola wirnika i stojana są przesunięte względem siebie o kąt P/2. Zapewnia to najkorzystniejsze warunki pracy silnika, tzn. najmniejsze moduły strumieni stojana i wirnika, przy tym samym momencie obciążenia lub inaczej – najmniejszy poślizg przy tym samym momencie obrotowym i strumieniu stojana. W celu umożliwienia pracy silnika w takich warunkach stosuje się regulację zorientowaną polowo, którą realizują falowniki nowego typu, np. SJ100.

Gdy prędkość silnika indukcyjnego jest większa od prędkości synchronicznej (w=2*P*f₁) silnik pracuje jako prądnica, przetwarza energię mechaniczną na elektryczną i może ją oddawać do źródła zasilania. W przypadku zasilania z falownika o regulowanej częstotliwości tę właściwość silnika można wykorzystać do jego hamowania aż do uzyskania prędkości obrotowej równej zeru.

Straty elektryczne w silniku indukcyjnym to straty w stojanie zależne od kwadratu wartości skutecznej prądu pobieranego ze źródła:

oraz straty w wirniku proporcjonalne do poślizgu silnika. Przy niesinusoidalnych przebiegach napięć i prądów, co zwykle występuje przy współpracy silników z przekształtnikami energoelektrycznymi, występują straty dodatkowe spowodowane wyższymi harmonicznymi.

Schemat układu pomiarowego:

Przebieg ćwiczenia

1. Regulacja prędkości obrotowej silnika przez zmianę częstotliwości i stałej wartości U₁/f₁ dla trzech różnych obciążeń silnika przy stałym momencie na wale silnika:

Z pomiarów

Z obliczeń

Lp.

f

n

U

IR

Is

IT

PRS

PTS

P

cosj

Pm

h

Hz

obr/min

V

A

A

A

W

W

W

-

W

%

Tabela pomiarowa

Wzory do obliczeń:

P = P_RS + P_TS moc elektryczna

moment użyteczny

g – przyspieszenie ziemskie

m – masa ciężarka

współczynnik mocy

sprawność

moc użyteczna

Na podstawie wyników wykreśla się zależność prędkości od częstotliwości napięcia zasilania n = f (f)

2. Badanie i wyznaczanie charakterystyk ruchowych silnika przy dwóch częstotliwościach zasilania różnych od znamionowej w funkcji momentu obciążenia na wale silnika

Tabela pomiarowa

Z pomiarów

Z obliczeń

Lp.

U

n

M

IR

Is

IT

PRS

PTS

P

cosj

Pm

h

V

obr/min

Nm

A

A

A

W

W

W

-

W

%

Wzory do obliczeń jak wyżej:

Na podstawie wyników wykreśla się charakterystyki: h, P, I, cosj, n = f(M)