badanie silnika indukcyjnego sterowanego z falownika napięcia

BADANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO STEROWANEGO
Z FALOWNIKA NAPIĘCIA
1. Wprowadzenie
Silnik indukcyjny należy do grupy maszyn asynchronicznych, tzn. takich, w których prędkość
wirnika jest różna od prędkości wirowania pola elektromagnetycznego stojana. Rozróżniane
są dwa podstawowe typy maszyn indukcyjnych trójfazowych:
•
z wirnikiem klatkowym
•
z wirnikiem pierścieniowym
Prędkość synchroniczna
(1)
gdzie: fs – częstotliwość napięcia zasilającego stojan, p – liczba par biegunów
Poślizg
(2)
gdzie: n – prędkość wirnika wyrażona w obr/min
Moc na wale silnika
⋅
(3)
,
gdzie:
T – moment silnika
Sprawność silnika
η
(4)
przy czym
√3
cos ϕ
(5)
gdzie: U – napięcie zasilające stojan, I – prąd stojana, cosϕ - współczynnik mocy silnika
Moment elektromagnetyczny
Moment elektromagnetyczny (wzór Kloss’a) w stanie ustalonym pracy maszyny:
2 + βs k
T
≈
s
Tk s k
+ + βs k
s sk
gdzie
(6)
β=
2 Rs
C1 Rr'
(7)
Jeśli założyć, że Rs≈0, to współczynnik β=0, a wzór Kloss’a przyjmuje uproszczoną
postać:
T
2
=
s
s
Tk
k
+
s sk
(8)
Moment krytyczny można określić jako
Tk =
2
msU ph
2ω s X k
gdzie:
(9)
X k = X σs + X σs
'
Poslizg krytyczny
sk =
Rr'
Xk
(10)
Charakterystyki mechaniczne
Rys.1.1. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy: a) U = var, b) Rd = var, c) f = var,
d) U/f = const
2. Sterowanie silnika indukcyjnego
Wysokiej jakości napędy regulowane z silnikami asynchronicznymi klatkowymi realizuje się
w układach zasilania przez przemienniki częstotliwości. Ogólnie metody sterowania
częstotliwościowego można podzielić na skalarne (bez sprzężenia zwrotnego) i wektorowe
(ze sprzężeniem zwrotnym). Metody skalarne w porównaniu z metodami wektorowymi
charakteryzują się gorszą dynamiką. Bardziej szczegółowy podział metod sterowania
częstotliwościowego maszyn indukcyjnych przedstawiono na rysunku 2.1.
Rys.2.1. Podział metod sterowania częstotliwościowego silników indukcyjnych klatkowych
Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego sterowanego częstotliwościowo w
zakresie stałego momentu oraz stałej mocy przedstawiono na rysunku 2.2.
Rys.2.2. Charakterystyki silnika asynchronicznego zasilanego przez przemiennik częstotliwości z regulacją
napięcia stojana
Cechą charakterystyczną sterowania skalarnego jest to, że – na podstawie zależności
obowiązujących dla stanów ustalonych nastawiane są tylko amplitudy i prędkości kątowe
(częstotliwości) wektorów przestrzennych napięć, prądów i strumieni skojarzonych silnika
klatkowego. Układ sterowania nie oddziaływuje na wzajemne położenie wektorów
(orientację), przez co nie ma możliwości sterowania silnika w stanach dynamicznych.
Najbardziej rozpowszechnione są układy sterowania skalarnego, w których stabilizacja
strumienia uzyskiwana jest na podstawie charakterystyk statycznych u/f = const.
Układ sterowania u/f = const. jest niezwykle prosty. Niestety prostota układu sterowania
powoduje, że posiada on następujące wady:
•
•
brak kontroli momentu rozwijanego przez silnik w stanach przejściowych,
brak odsprzężenia dynamicznego między sterowaniem momentu i strumienia,
•
•
•
długie i niekontrolowane stany przejściowe oraz skłonność do słabo tłumionych
oscylacji momentu i prędkości,
brak sprzężeń zwrotnych i w wyniku brak zabezpieczenia przed przeciążeniami,
możliwości dynamiczne silnika i falownika nie są w pełni wykorzystane.
Przy sterowaniu wektorowym silnika indukcyjnego występuje taka regulacja składowych
prądu lub napięcia stojana, aby uzyskać odpowiednie położenie wektorów prądu stojana
względem strumienia wirnika lub odpowiednio strumienia stojana względem strumienia
wirnika. Taki sposób regulacji zapewnia maksymalizację wytwarzanego momentu oraz
stabilizację parametrów w stanach dynamicznych pracy napędu.
Do cech charakterystycznych sterowania wektorowego silnika indukcyjnego należy zaliczyć:
• Ciągłą kontrolę wzajemnego położenia zmiennych wektorowych przestrzennych
związanych z wytworzeniem momentu elektromagnetycznego silnika,
• Odsprzężenie dynamiczne między regulacją momentu i strumienia (sterowanie
dwustrefowe, energooszczędne),
• Pełne wykorzystanie dysponowanej dynamiki silnika i mocy przemiennika
częstotliwości,
• Niezawodność funkcjonowania układów napędowych
Schemat falownika napięcia przedstawiono na rysunku 2.3.
Rys.2.3. Schemat falownika napięcia
3. Praca dwustrefowa silnika indukcyjnego
Rys.3.1. Charakterystyka u/f dla pracy nawrotnej dwustrefowej
Regulacja prędkości w silniku indukcyjnym może odbywać się dwustrefowo (rys.3.1). Stała
wartość strumienia Ψs, utrzymywana jest na stałym poziomie do osiągnięcia przez napięcia
zasilającego stojan wartości znamionowej. Dalsza regulacja prędkości odbywa się jedynie
poprzez zmianę częstotliwości fs, co powoduje zmniejszenie wartości strumienia w silniku.
4. Dane falownika DV51 firmy Moeller
Dane przemiennika serii DV51
Dane elektryczne
Znamionowe napięcie pracy
Częstotliwość napięcia zasilania
Moc znamionowa wyjściowa
Metoda modulacji
Częstotliwość kluczowania
Napięcie wyjściowe
Przeciążalność prądowa
Częstotliwość wyjściowa
Rozdzielczość
Granica błędu przy 25 °C ±10 °C
Moment przy rozruchu
Hamowanie prądem stałym
Obwód sterujący
Napięcia wewnętrzne
Sterujące
Definicja wartości zadanej
Przekaźnik
Styk przełączny
3-fazowe, 400 V AC (342 V -0% do 528 V +0%)
50 / 60 Hz (47 Hz -0% do 53 Hz +0%)
2,2 kW
Modulacja szerokości impulsu (PWM), sterowanie U/f
(liniowe, kwadratowe)
5 kHz (ustawienie fabryczne), może być regulowana w
zakresie 2 do 14 kHz
3 AC Ue
1,5 × Ie przez 60 s w cyklu 600 s, dla odpowiedniej mocy
silnika
Zakres 0 do 400 Hz
0,1 Hz przy wartości zadanej cyfrowo, maksymalna
częstotliwość/1000 przy wartości
zadanej analogowo
Wartość zadana cyfrowo, ±0,01% maksymalnej
częstotliwości
Wartość zadana analogowo, ±0,2 % maksymalnej
częstotliwości
Od 1 Hz : 200 % i wyższy
0 do 100 %, zakres 0.5 do 60 Hz, czas trwania 0 do 60 s
Tranzystor hamowania - Hamowanie dynamiczne z
zewnętrznym rezystorem (około 150 do 80 %)
24 V DC, maksymalnie 30 mA
10 V DC, maksymalnie 10 mA
AC 250 V, 2,5 A (obciążenie rezystancyjne)
AC 250 V, 0,2 A (obciążenie indukcyjne, cosϕ = 0,4)
AC 100 V, minimalnie 10 mA
DC 30 V, 3 A (obciążenie rezystancyjne)
DC 30 V, 0,7 A (obciążenie indukcyjne, cosϕ = 0,4)
DC 5 V, minimalnie 100 mA
Wejścia i wyjścia
Wejścia analogowe
Wyjście analogowe
Wejścia cyfrowe
Wyjścia cyfrowe
Interfejs Szeregowy
Panel obsługi (opcjonalny)
Przyciski
Wyświetlacz
1 wejście, 0 do 10 V, impedancja wejściowa 10 kΩ
1 wejście, 4 do 20 mA, impedancja obciążenia 250 Ω
rozdzielczość 10 bit.
1 wyjście, 0 do 10 V, maks. 1 mA
rozdzielczość 8 bit.
6 swobodnie programowalnych wejść
do 27 V DC
impedancja wejściowa 4,7 kΩ
2 wyjścia, otwarty kolektor
maksymalnie 27 V DC, 50 mA
RS 485 (Modbus RTU, do 19,2 kbit/s)
DEX-KEY-6, DEX-KEY-61
6 przycisków funkcyjnych do sterowania i parametryzacji
DV51
Czteroznakowy 7-segmentowy oraz 8 diod
sygnalizacyjnych LED
Nastawa wartości zadanej: potencjometr (dla DEX-KEY-6)