Jan MRÓZ* BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
silnik klatkowy, rozruch bezpośredni,
rozruch łagodny, rozruch częstotliwościowy
Jan MRÓZ*
BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO
PODCZAS RÓŻNYCH SPOSOBÓW ROZRUCHU
Przedstawiono badania laboratoryjne różnych metod rozruchu silnika klatkowego: rozruch
bezpośredni, rozruch łagodny i częstotliwościowy. Podano przebiegi czasowe prądu, prędkości,
momentu, częstotliwości i zmiany temperatury pręta klatki w czasie rozruchu.
1. WSTĘP
Do rozruchu silników indukcyjnych klatkowych stosuje się powszechnie metodę
bezpośredniego załączenia na pełne, znamionowe napięcie. Oddziaływanie dużego prądu
rozruchowego, zarówno na sieć zasilającą jak i na silnik, jest zjawiskiem naturalnym i
dobrze poznanym [1]. W przypadku długotrwałych rozruchów silników średniej i dużej
mocy, elektrodynamiczne i termiczne skutki przepływu prądu rozruchowego mogą wywołać
uszkodzenie silnika. Szczególnie narażona jest klatka uzwojenia wirnika, gdzie
zróżnicowane pole temperatury w prętach i pierścieniach zwierających wywołuje złożony
stan naprężeń. Wprowadzenie nowych sposobów rozruchu, jak: rozruch częstotliwościowy,
rozruch w układzie łagodnego rozruchu, znacząco, nie zawsze korzystnie, zmienia
oddziaływania prądu rozruchowego. W referacie przedstawiono badania porównawcze
silnika indukcyjnego klatkowego uruchamianego bezpośrednio, w układzie łagodnego
rozruchu oraz przy rozruchu częstotliwościowym.
2. OPIS BADAŃ
Przedmiotem badań był silnik typ Sg112M4 o mocy 4 kW i prędkości 1445 1/min.
Silnik obciążony był prądnicą prądu stałego, której energia przekazywana jest poprzez
falownik do sieci zasilającej silnik. Na wale prądnicy zamocowano dodatkowy moment
bezwładności J = 89JN, gdzie JN – naturalny moment bezwładności silnika. Do pomiaru
momentu zastosowano czujnik momentu Mi 10 współpracujący z miernikiem momentu
_____________
* Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów.
51
ALFA 1006 firmy SENSOR–AT. Temperaturę pręta klatki wirnika mierzono
termoelementem CuKo zagniecionym w materiale pręta w strefie pakietowej klatki
w przyszczelinowej części żłobka. Mierzone sygnały rejestrowano kartą pomiarową
AX5210 firmy AXIOM współpracującą z oprogramowaniem NOTEBOOK PRO firmy
LABTECH. Układ pomiarowy przedstawia rys. 1. Rozruch bezpośredni przeprowadzono
poprzez załączenie silnika bezpośrednio do sieci zasilającej, mierząc prąd stojana, moment,
prędkość i temperaturę pręta klatki. Rozruch łagodny przeprowadzono zasilając silnik
z układu łagodnego rozruchu ELVOSTART SAO 400/4. W czasie rozruchu
częstotliwościowego silnik zasilany był z przetwornicy częstotliwości ELVOVERT CD
400/4. W tym przypadku dodatkowo rejestrowano częstotliwość napięcia zasilającego w
czasie rozruchu.
~
SOFTSTARTER
FALOWNIK
FALOWNIK
SILNIK
KOLEKTOR
CZUJNIK
MOMENT
GD2
PRĄDNICA
DC
T, n
ϑ
i
KARTA
POMIAROWA
Rys. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego
Fig. 1. Block diagram of measurement system
3. WYNIKI POMIARÓW
Na rysunku 2 przedstawiono przebieg prądu stojana silnika w czasie rozruchu
bezpośredniego (rys. 2a), łagodnego (rys. 2b) oraz częstotliwościowego (rys. 2c). Dzięki
zastosowaniu układu łagodnego rozruchu lub rozruchu częstotliwościowego można
ograniczyć prąd rozruchowy, co ma zasadnicze znaczenie zarówno dla sieci zasilającej
(ograniczenie spadków napięć), jak i dla silnika (ograniczenie znaczenia zjawisk
elektrodynamicznych). Rysunek 3 przedstawia zmianę momentu w czasie rozruchu silnika
załączanego bezpośrednio (rys. 3a), w układzie łagodnego rozruchu (rys. 3b) oraz przy
rozruchu częstotliwościowym (rys. 3c). Porównanie prezentowanych przebiegów wykazuje,
że zastosowanie rozruchu częstotliwościowego oraz łagodnego znacząco ogranicza udary
momentu na początku rozruchu, które mogą być szkodliwe dla układu napędowego.
Praktycznie nie pogarsza się przeciążalność silnika. W przypadku łagodnego rozruchu
52
dochodzi jednak do znacznego zmniejszenia początkowego momentu rozruchowego i
istotnego wydłużenia czasu rozruchu. Jednym z ważnych kryteriów rozruchowych jest
zmiana prędkości w czasie rozruchu silnika (rys. 4), który powinien przebiegać płynnie, bez
nadmiernych przyśpieszeń i opóźnień. Kryterium tego nie spełnia układ łagodnego
rozruchu, gdzie przebieg prędkości w czasie bardzo odbiega od liniowego. Czas rozruchu w
tym przypadku jest najdłuższy (rys. 4b). W silnikach głębokożłobkowych występuje
zjawisko wypierania prądu, zależne od częstotliwości prądu wirnika.
a)
b)
c)
Rys. 2. Czasowe przebiegi prądu stojana: a) rozruch bezpośredni,
b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy
Fig. 2. The time-stator’s current characteristics: a) direct starting,
b) soft starting, c) frequency starting
53
a)
b)
c)
Rys. 3. Czasowe przebiegi momentu: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny,
c) rozruch częstotliwościowy
Fig. 3. The time-torque characteristics: a) direct starting,
b) soft starting, c) frequency starting
54
a)
b)
c)
Rys. 4. Czasowe przebiegi prędkości: a) rozruch bezpośredni, b) rozruch łagodny,
c) rozruch częstotliwościowy
Fig. 4. The time-speed characteristics: a) direct starting,
b) soft starting, c) frequency starting
55
a)
b)
c)
Rys. 5. Czasowe przebiegi częstotliwości prądu wirnika: a) rozruch bezpośredni,
b) rozruch łagodny, c) rozruch częstotliwościowy
Fig. 5. The time-rotor’s current frequency characteristics: a) direct starting,
b) soft starting, c) frequency starting
56
Rys. 6. Czasowy przebieg częstotliwości przy rozruchu z falownikiem
Fig. 6. The time-frequency characteristic during starting using inventer
Charakter zmian tej częstotliwości w czasie rozruchu warunkuje rozkład gęstości
prądu w pręcie klatki wirnika, a tym samym pole temperatury w przekroju pręta. Zmiana
prędkości w czasie rozruchu wyznacza również zmianę częstotliwości prądu wirnika w
czasie rozruchu, zgodnie z zależnością:
f 2 (t ) = f 1 (t ) −
ω (t ) p
2π f1 (t )
(1)
gdzie: ω (t) – prędkość wirnika, p – liczba par biegunów, f1 (t ) – częstotliwość napięcia
zasilania.
Rysunek 5 przedstawia zmianę częstotliwości prądu wirnika obliczoną z zależności
(1). Dla rozruchu bezpośredniego (rys. 5a) założono f1 (t ) = f N = 50 Hz. W trakcie
obliczeń posłużono się przebiegiem prędkości ω (t ) przedstawionym na rys. 4a. Podobne
obliczenia wykonano dla rozruchu w układzie łagodnego rozruchu (rys. 5b) z
wykorzystaniem zależności ω (t ) przedstawionej na rys. 4b. Do obliczenia przebiegu
częstotliwości prądu wirnika w czasie rozruchu częstotliwościowego wykorzystano
zależność (1) oraz zmierzone przebiegi: ω (t ) z rys. 4c oraz f1 (t ) (rys. 6). Przy rozruchu w
układzie łagodnego rozruchu przez długi czas, w porównaniu z rozruchem bezpośrednim,
utrzymuje się duża wartość częstotliwości prądu wirnika, a tym samym dłużej występuje
silne wypieranie prądu. W efekcie pole temperatury w przekroju pręta klatki będzie tu
bardziej nierównomierne. Wystąpią większe odkształcenia i naprężenia. Znacznie
korzystniej wygląda sytuacja w przypadku rozruchu częstotliwościowego, gdzie
częstotliwość prądu wirnika jest generalnie mniejsza niż przy innych sposobach rozruchu.
Tu wypieranie występuje najsłabiej i pole temperatury pręta będzie bardziej wyrównane.
Dzięki temu w klatce wystąpią mniejsze naprężenia mechaniczne pochodzenia cieplnego.
Na rysunku 7 przedstawiono nagrzewanie pręta klatki silnika w czasie trzech sposobów
rozruchu. W układzie z falownikiem uzyskano najniższe wartości temperatury. Największe
termiczne zagrożenia dla klatki występują w układzie łagodnego rozruchu. Zarówno w
układzie łagodnego rozruchu, jak i przy rozruchu z falownikiem możliwe jest ustalenie
wielu parametrów rozruchu jak prąd rozruchu, szybkość i charakter zmiany częstotliwości
itp. Na rynku pojawia się coraz większa ilość układów łagodnego rozruchu różniących się
sposobami sterowania, parametrami i możliwościami funkcjonalnymi. W najprostszych
rozruch odbywa się poprzez liniowy wzrost napięcia zasilającego. Bardziej złożone mają
57
system kontroli momentu silnika [2] zapewniający w stanach przejściowych (rozruch,
zatrzymanie) liniową zmianę momentu w zadanym przez użytkownika czasie. Także
współczesne przemienniki PWM umożliwiają realizację różnorodnych strategii rozruchu.
Istnieje możliwość doboru charakterystyki U = F(f) w czasie rozruchu: liniowa, liniowa z
forsowaniem napięcia dla niskich częstotliwości, paraboliczna itp. [3]. Niekorzystne zjawiska
pasożytnicze jak przepięcia, prądy łożyskowe, mogą być obecnie eliminowane dzięki tzw.
„przemiennikom
czystej
fali”
[4],
co
nie
zmusza
do
stosowania
Rys. 7. Przyrost temperatury pręta wirnika w czasie rozruchu
Fig. 7. Temperature rise of rotor’s bar during start-up
silników specjalnej konstrukcji. Spowoduje to zapewne zwiększenie liczby napędów z
rozruchem częstotliwościowym. Uzyskane rezultaty wskazują na szczególną potrzebę
analizy zaobserwowanych zjawisk w odniesieniu do silników większej mocy w warunkach
długotrwałego rozruchu prowadzonego różnymi metodami, gdzie efekty termiczne
towarzyszące rozruchowi mają duże znaczenie.
LITERATURA
[1] BERNADT M., Narażenia silników klatkowych wywołane przepływem prądu rozruchowego, Zeszyty
Problemowe BOBRME, 1986, nr 39, s. 3–10.
[2] CIEŚLIK J., Urządzenia napędowe Schneider Electric, Napędy i Sterowanie, 1999, nr 7, s. 31–33.
[3] TRAJDOS M., DEMS M., Dobór wartości napięcia i częstotliwości falownika PWM zasilającego
trójfazowy silnik klatkowy w czasie rozruchu, III Sympozjum Techniczne BOBRME, Ustroń 1994.
[4] TYSIAK J., TOSVERT-MV – Najnowsza rodzina przemienników częstotliwości na napięcie 6 kV firmy
Toshiba, Napędy i Sterowanie, 1999, nr 5, s. 38–39.
COMPARATIVE TESTING OF SQUIRREL-CAGE MOTOR
DURING DIFFERENT METHODS OF STARTING
The paper shows laboratory tests of different methods of squirrel-cage motor starting: direct starting,
starting using soft-starter and inverter. There are giving time-current, speed, torque, frequency characteristics
and temperature rise of rotor’s bar during start-up.