Wytyczne dla autorów referatów na I Międzynarodowe Forum

Adam Rogalski
Politechnika Warszawska
WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ
TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO
POWER CONVERTER INFLUENCE ON THE NOMINAL POWER
THREE PHASE INDUCTION MOTOR
Abstract: Three-phase induction motor with a squirrel-cage rotor is the most often applied in
the industry as the driving motor. This motors was characterize low cost production and
high reliability. previously smooth change of the rotational speed was difficult. Nowadays,
when power converters are relatively cheap we easily can regulate rotational speed.
The power converters change the frequency of supply by Pulse With Modulation (PWM)
and generate higher harmonics orders in the motor.
The power converter influence on the nominal power of three phase induction motor was
presented in this paper. Tested motor was supply by three-phase harmonic network and by
three-phase power converter for the same temperature motor housing. During tests was
taken the oscillograms currents and voltage, and then was calculate the amplitude of higher
harmonic and efficiency. When power converter supply motor, non-sinusoidal voltage generate higher harmonic order in the motor and increased temperature above nominal.
The external cooling must by apply for better ventilations of the motor or the nominal power
must by reduced. Supply from power converter in comparison to sinusoidal, causes the lowering the efficiency of energy conversion.
1. Wstęp
Trójfazowe silniki indukcyjne są powszechnie
stosowane jako silniki napędowe. Silniki te
charakteryzują się niskimi kosztami wytwarzania i wysoką niezawodnością pracy. Podstawowym do niedawna problemem eksploatacyjnym związanym z tego typu silnikami
była stała i trudna do zmiany prędkość obrotowa. Obecnie przy coraz bardziej powszechniejszych i tańszych przekształtnikach energoelektronicznych, powyższy problem traci na
znaczeniu. Jako silniki przyszłości przewidywane są układy złożone z silnika indukcyjnego (niekoniecznie trójfazowego) wraz z nabudowanym przekształtnikiem [1, 2].
Przekształtniki energoelektroniczne zbudowane są z kilka połączonych ze sobą bloków:
prostownika, filtru pośredniczącego i falownika. Blok falownika jest odpowiedzialny za
przetworzenie napięcia stałego, na napięcie sinusoidalne przemienne. Realizuje się to poprzez wykorzystanie modulacji szerokości impulsów (z ang. Pulse Width Modulation)
PWM. Uzyskane w ten sposób napięcie nie
ma przebiegu sinusoidalnego tylko odkształcony, związany z częstotliwością modulacji.
Wprowadza to do silnika wyższe częstotliwości (a co za tym idzie – wyższe harmoniczne
pola) co powoduje zwiększenie strat w silniku,
czyli zwiększenie temperatury silnika przy
stałej mocy oddawanej, lub zmniejszenie
mocy oddawanej przy stałej temperaturze silnika.
W artykule zostały przedstawione wyniki pomiarów przedstawiające wpływ rodzaju źródła
zasilania silnika na moc oddawaną przy stałej
temperaturze silnika.
2. Stanowisko pomiarowe,
elementów
parametry
Silnikiem badanym był standardowy trójfazowy silnik indukcyjny produkcji Indukty Sg 132s-2A-M o parametrach znamionowych
przedstawionych w tabeli 1. Na stanowisku
badawczym (rysunek 1) silnik został sprzężony z hamownicą prądu stałego o parametrach znamionowych przestawionych w tabeli
2. Silnik badany był zasilany z trójfazowej
sieci energetycznej i generatora synchronicznego – zasilanie sinusoidalne – oraz z przekształtnika
energoelektronicznego
firmy
Ansaldo – tabela 3.
Tabela 1. Dane znamionowe silnika Sg 132s2A-M
Symbol
Wartość Jednostka
PN
5500
W
IN
11,1
A
UN
400 ∆
V
nN
2920
obr/min
η
84
-
cos φN
0,85
-
Opis
Moc znamionowa silnika
Prąd znamionowy silnika
Znamionowe napięcie zasilania
silnika
Znamionowa
prędkość obrotowa
Sprawność silnika przy pracy
znamionowej
Znamionowy
współczynnik
mocy
Tabela2. Dane znamionowe hamownicy
PXOD 64a
Symbol
Wartość Jednostka
PN
15 000
W
IaN
65,2
A
UaN
230
V
IfN
1,26
A
UfN
220
V
nN
3 000
obr/min
Opis
Moc znamionowa
hamownicy
Znamionowy prąd
uzwojenia twornika
Znamionowe napięcie uzwojenia
twornika
Znamionowy prąd
uzwojenia wzbudzenia
Znamionowe napięcie uzwojenia
wzbudzenia
Znamionowa
prędkość obrotowa
Sieć trójfazowa jest typowym źródłem napięcia zasilającego dla takiego silnika indukcyjnego. Charakteryzuje się ona stałą częstotliwością, stałą amplitudą i – w odróżnieniu od
przemiennika
częstotliwości
–
małą
zawartością wyższych harmonicznych. W celu
uzyskania niższej częstotliwości napięcia zasilającego i zachowaniu małej zawartości
wyższych harmonicznych, badany silnik był
zasilany z generatora synchronicznego.
Tabela 3. Dane znamionowe falownika
ANSALDO SVTS022FBBN
Symbol
Wartość
Jednostka
PN
22
kVA
UN
380/480
V
IN
32/25
A
f1
50
Hz
f2
0,1-480
Hz
Opis
Moc znamionowa przetwornika
Znamionowe napięcie zasilania
przetwornika
Znamionowy
prąd przetwornika
Częstotliwość
znamionowa
Zakres częstotliwości
Tabela 4. Dane silnika wpisane do przekształtnika[3]
Symbol
Wartość Jednostka
IN
11,1
A
IN0
5,6
A
fN
50
Hz
RPNN
2 920
obr/min
UN
400
V
PN
5,5
kW
cos φN
0,85
-
η
84
-
RS
2350
mΩ
P
2
-
Opis
Prąd znamionowy
silnika
Prąd jałowy silnika
Częstotliwość
znamionowa
Znamionowa
prędkość obrotowa
Napięcie znamionowe silnika
Moc znamionowa
silnika
Wartość znamionowa współczynnika mocy
Sprawność silnika
przy pracy znamionowej
Rezystancja stojana
Liczba biegunów
silnika
Wyniki pomiarów otrzymane przy zasilaniu
sinusoidalnym zostały zestawione z wynikami
uzyskanymi z pomiarów przeprowadzonych
przy zasilaniu silnika z przekształtnika energoelektronicznego,
w
którym
zostały
uwzględnione parametry silnika (tabela 4).
Sterowanie silnikiem przez przekształtnik odbywało się przy warunku U/f=constant i częstotliwości nośnej równej 9kHz.
20
15
Prąd I[A]
10
Izas
5
0
-5
-10
-15
-20
3. Wyniki pomiarów
W trakcie badań zostały zmierzone prądy i napięcia zasilające i płynące przez silnik, oraz
wielkości mechaniczne: prędkość i średni
moment wytwarzane przez silnik dla próby
obciążenia przy tej samej temperaturze silnika.
Poniżej zostały zaprezentowane przebiegi wybranych napięć i prądów zarejestrowanych
w trakcie pomiarów za pomocą oscyloskopu
cyfrowego marki Textronic dla obciążonego
silnika. Badania silnika przeprowadzono dla
dwóch częstotliwości: 50 i 40Hz.
0,005
0,01
0,015
0,02
Czas t[s]
Rysunek 3. Kształt prądu pobieranego przez
silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 50Hz.
600
400
Napięcie U[V]
Silnik badany jest budowy zamkniętej, klasy
IP 55. Przyjęto, że temperatura powietrza
wewnątrz korpusu odpowiada temperaturze
silnika. Wszystkie pomiary zostały wykonane
po wstępnym nagrzaniu silnika do temperatury
ustalonej, odpowiadającej temperaturze pracy
w warunkach znamionowych. Mierzona była
temperatura powietrza wewnątrz silnika za
pomocą termopary i miernika Metex
M-3850D. Termopara została umieszczona
wewnątrz obudowy silnika, w pobliżu połączeń czołowych, od strony wału.
0
Uzas
200
0
-200
-400
-600
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
Czas t[s]
Rysunek 4. Kształt napięcia zasilającego silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 40Hz.
20
15
10
Prąd I[A]
Rysunek 1. Widok stanowiska pomiarowego
(od lewej: hamownica prądu stałego, badany
silnik, falownik).
Izas
5
0
-5
-10
-15
-20
0
800
0,01
0,015
0,02
0,025
Czas t[s]
600
Napięcie U[V]
0,005
400
Uzas
200
0
-200
-400
-600
-800
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Czas t[s]
Rysunek 2. Kształt napięcia zasilającego silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 50Hz.
Rysunek 5. Kształt prądu pobieranego przez
silnik, przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 40Hz.
50
600
40
400
30
200
Prąd I[A]
0
-200
Uzas
Usil
-400
-600
20
10
0
-10
-20
Isil
Izas
-30
-40
-800
0
0,005
0,01
0,015
0
0,02
0,005
0,01
Rysunek 6. Przebiegi napięć zasilających
przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa
50Hz.
0,02
0,025
Rysunek 9. Przebiegi prądów pobieranych
przez przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest
równa 40Hz.
1,2
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
Isil
Izas
Amplutuda względna
harmonicznej
1,0
0,8
Uzas
Izas
0,6
0,4
0,2
19
Rząd harmonicznej
Czas t[s]
Rysunek 7. Przebiegi prądów pobieranych
przez przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest
równa 50Hz.
7
5
0,02
17
0,015
15
0,01
13
0,005
11
0
3
0,0
1
Prąd I[A]
0,015
Czas t[s]
Czas t[s]
9
Napięcie U[V]
800
Rysunek 10. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 50Hz.
1,2
Amplutuda względna
harmonicznej
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
Czas t[s]
Rysunek 8. Przebiegi napięć zasilających
przemiennik częstotliwości i silnik, częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest równa
40Hz.
19
17
15
-800
0,0
13
Uzas
Usil
-600
0,2
11
-400
0,4
9
0
-200
Uzas
Izas
0,6
7
200
0,8
5
400
1,0
1
Napięcie U[V]
600
3
800
Rząd harmonicznej
Rysunek 11. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu sinusoidalnym i częstotliwości 40Hz.
4. Omówienie wyników
Amplutuda względna
harmonicznej
1,2
1,0
0,8
Uzas
Usil
Isil
Izas
0,6
0,4
0,2
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
0,0
Rząd harmonicznej
Rysunek 12. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu
z przemiennika częstotliwości i częstotliwości
zasilającej silnik równej 50Hz.
Amplutuda względna
harmonicznej
1,2
1,0
0,8
Uzas
Usil
Isil
Izas
0,6
0,4
0,2
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
0,0
Rząd harmonicznej
Rysunek 13. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu i prądzie przy zasilaniu
z przemiennika częstotliwości i częstotliwości
zasilającej silnik równej 40Hz.
Tabela 5. Wybrane wyniki otrzymane przy zasilaniu sinusoidalnym
f
U
Hz V
50 398
40 319
Iśr
A
11,3
11,4
n
obr/min
2920
2340
Pm
Pel
W
W
5270 6240
4217 5280
η
%
84
80
Tabela 6. Wybrane wyniki otrzymane przy zasilaniu przekształtnikowym
f
Hz
50
40
U Iśr
n
Pm
Pel Uf If
Pelf
V A obr/min W
W
V A Pel
393 17,4 2915 5269 6720 429 11,5 6680
396 13,6 2305 3871 5120 360 11,4 5080
Sprawność przetwarzania energii z uwzględnieniem przekształtnika: dla 50Hz=78% dla
40Hz=76%. Indeks „f” w symbolach tabeli 6
dotyczy wielkości elektrycznych „za” falownikiem.
Rysunki 2-9 przedstawiają
oscylogramy
napięć i prądów zarejestrowanych w trakcie
badań.
Na
rysunkach
2-5
możemy
zaobserwować sinusoidalne przebiegi napięć
i prądów. W trakcie tych badań silnik był
zasilany za pośrednictwem regulatora indukcyjnego
z
sieci
energetycznej
(częstotliwość 50Hz) i z bezpośrednio z trójfazowej prądnicy synchronicznej (częstotliwość
40Hz).
Na rysunkach 6-9 zaprezentowane zostały
oscylogramy napięć i prądów zasilających falownik (napięcie sieci zasilającej i pobierany
przez układ prąd), oraz napięcia silnika i prąd
pobierany przez silnik.
Napięcia zasilające falownik mają kształt sinusoidalny – jest to kształt napięcia sieci trójfazowej, zaś napięcie zasilające silnik ma
przebieg odkształcony (rysunek 6 i 8).
Prąd pobierany przez przekształtnik energoelektroniczny ma kształt odkształcony (impulsowy), zaś prąd pobierany przez silnik ma
kształt sinusoidalny (rysunek 7 i 9).
Rysunki 10–13 przedstawiają zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięć
i prądów przedstawionych na rysunkach 2–9.
Rysunki 10-11 przedstawiają zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięć i
prądów przy zasilaniu sinusoidalnym. Możemy zaobserwować niewielką, mniejszą niż
1% wartość amplitudy 5 harmonicznej napięcia zasilającego i równie małą zawartość 5, 7
harmoniczną prądu zasilającego (prądu silnika).
Na rysunkach (12 i 13) przestawiających zawartość wyższych harmonicznych przy zasilaniu z przekształtnika energoelektronicznego.
Możemy zauważyć bardzo duża zawartość
wyższych harmonicznych prądu pobieranego
przez przekształtnik z sieci energetycznej.
Również zawartość wyższych harmonicznych
w pozostałych przebiegach jest podwyższona
w stosunku do zasilania sinusoidalnego: dla
częstotliwości 50Hz: 5, 9, 16 i 17 harmoniczna
ma większą wartość, zaś dla zasilania z
częstotliwością 40Hz można zaobserwować
wzrost harmonicznych napięcia silnika: 5, 7,
9, 13, 17.
W tabelach 5 i 6 przedstawione zostały wybrane wyniki pomiarów otrzymane przy zasi-
laniu odpowiednio: sinusoidalnym i z przekształtnika energoelektronicznego.
Zmiana źródła zasilania z sinusoidalnego na
przekształtnikowy powoduje spadek sprawności silnika: o 6% dla zasilania z częstotliwością 50Hz i o 4% dla zasilania z częstotliwością 40Hz.
5. Podsumowanie
5. Literatura
[1]. Williamson S., Jackson D.C.: Integrated
Drives for Industrial Applications, Thirty-fifth
International Conference PCIM 1999, 9-13,
[2]. Zapaśnik R.: Silnik indukcyjny z wbudowanym
przekształtnikiem,
Sympozjum
Podstawowe
Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki,
Ustroń 17-20 marca 1997, 71-73,
[3]. Dokumentacja przemiennika częstotliwości
Silcovert SVTS firmy Ansaldo,
[4] Boglietti A., Ferraris P., Lazzari M., Profumo
F.: Energetic Behaviour of Induction Motors Fed
by Inverter Supply, Industry Applications Society
Annual Meeting, 1993., Conference Record of the
1993 IEEE 2-8 Oct. 1993 Page(s):331 - 335 vol.1,
Wybierając sposób zasilania układu napędowego (silnika) należy wcześniej określić parametry jego pracy. Jeżeli silnik ma pracować
niedociążony, przy zmiennej prędkości obrotowej, zakup przekształtnika jest dobrym rozwiązaniem. Należy się jednak liczyć z tym, że
zasilanie przekształtnikowe przy pracy z częstotliwością znamionową powoduje zmniejszenie sprawności przetwarzania energii i
zwiększenie temperatury silnika przy oddawaniu mocy znamionowej przez silnik.
mgr inż. Adam Rogalski
Zakład Maszyn Elektrycznych
Politechnika Warszawska
e-mail: [email protected]
Najwyższą sprawność przetwarzania energii
elektrycznej na mechaniczną można uzyskać
przy zasilaniu sinusoidalnym trójfazowych
silników indukcyjnych [4].
Praca naukowa finansowana ze środków
budżetowych na naukę w latach 2005-2007
jako projekt badawczy.
Autor