Zasilanie silnika indukcyjnego poprzez układ antyrównoległy

XL SESJA STUDENCKICH KÓŁ NAUKOWYCH
Zasilanie silnika indukcyjnego poprzez
układ antyrównoległy
Wykonał: Paweł Pernal IV r. Elektrotechnika
Opiekun naukowy: prof. Witold Rams
1
Wstęp.
Celem pracy było przeanalizowanie układu antyrównoległego o sterowaniu
podharmonicznym. Miało ono być alternatywnym rozwiązaniem dla sterowania
zwanego softstartem tzn. pozwalającym na rozruch nie tylko silników – układów napędowych o małym momencie rozruchowym, ale również silników z
cięższymi warunkami rozruchowymi. Analizowane sterowanie powinno podobnie do układu „łagodnego rozruchu” ograniczyć prądy rozruchowe stojana ale
również rozwijać większy moment i mieć możliwość pracy z obniżoną, ustaloną
prędkością.
Rozruchy silników asynchronicznych można przeprowadzić na wiele sposobów.
W silnikach pierścieniowych rozruch dokonywany jest przy użyciu rezystorów
dodatkowych w obwodzie wirnika, pozwalającym odpowiedni dobór wartości
zadawanych prądu i momentu w czasie rozruchu.
Najprostszą metodą rozruchu silnika klatkowego jest bezpośrednie włączenie do
sieci. Jest on jednak możliwy w silnikach małej mocy i to w sytuacji gdy silnik
załączany jest do sztywnej sieci. W innym przypadku tj. gdy mamy do czynienia
z siecią miękką lub maszyną większej mocy, występują dość duże prądy rozruchowe, które mogą spowodować, że rozruch taki będzie powodował skutki niemożliwe do zaakceptowania. Przykład bezpośredniego rozruchu obrazuje
rys.1.
2
Jak zatem widać, chwilowa wartość prądu rozruchowego prawie 10 razy przekracza prąd znamionowy. Przy tak dużym poborze prądu z sieci, trwającym kilka sekund, może nastąpić uszkodzenie maszyny lub zadziałanie zabezpieczeń
nadprądowych, przeciążeniowych czy pod napięciowych jeżeli nastąpi znaczny
spadek na szynach zasilających.
Postępowania przy opracowaniu metod rozruchowych prowadzą do ograniczenie prądu rozruchowego. Często metodą prowadzącą do tego jest obniżenie
efektywnego napięcia zasilającego.
Jedną z metod obniżania napięcia stojana jest zastosowanie łączników tyrystorowych w układzie antyrównoległym.
Schemat:
Uz
T12
T11
T22
T21
T33
T31
M
rys.2
Regulacja kątem załączenia tyrystorów pozwala na bezstopniową zmianę napięcia stojana od zera do wartości znamionowej. Zatem przy dodatkowym zastosowaniu regulatora prądu możliwe jest wysterowanie pozwalające na stabilizację prądu rozruchowego, który w czasie rozruchu nie przekroczy zadanej wielkości a równocześnie umożliwi rozruch.
3
Rozruch poprzez łączniki tyrystorowe dla tych samych parametrów silnika jak w
przypadku rozruchu bezpośredniego przedstawia rys. 3.
Z przebiegów widać, że nastąpiło ograniczenie prądu w czasie rozruchu. Jednakże moment rozruchowy rozwijany przez maszynę w początkowym okresie
jest dużo mniejszy od znamionowego, co pozwala na rozruch nieobciążonej maszyny lub maszyny napędzającej urządzenie o tzw. charakterystyce wentylatorowej, tj. takiej, której moment obciążenia zmienia się z kwadratem prędkości
obrotowej lub szybciej.
Dla urządzeń o dużym momencie oporowym należy zastosować inną metodę
rozruchu.
4
Analizowana przeze mnie metoda rozruchu silnika asynchronicznego, pozwala
na wykorzystanie łączników tyrystorowych w przypadku gdy potrzebny jest duży moment rozruchowy. Układ ten odróżnia od Softstartu sposób wysterowania
kluczy, a w konsekwencji częstotliwość podstawowej harmonicznej prądu zasilającego. W układzie łagodnego rozruchu następujące pary kluczy tyrystorowych są otwierane:
1 – T11+T32
2 – T32+T21
3 – T21+T12
4 – T12+T31
5 – T31+T22
6 – T22+T11
Pozwala to na uzyskanie prądu o częstotliwości sieciowej.
W metodzie analizowanej przeze mnie, załączane są pary tyrystorów w następującej kolejności:
1 – T11+T22
2 – T22+T31
3 – T31+T12
4 – T12+T21
5 – T21+T32
6 – T32+T11
Dodatkowo klucze załączane są w innych odstępach czasu. Umożliwia to zastosowanie generatora, który daje impulsy o powtarzalności jak na rys.4
5
dla porównania impulsy generatora w układzie softstart powtarzają się w następujących odstępach czasu:
rys.5
W wyniku tego podstawowa harmoniczna prądu zasilającego ma częstotliwość
równą 1/5 częstotliwości zasilającej. Właśnie takie wysterowanie umożliwia
uzyskanie dużego momentu rozruchowego przy jednoczesnym ograniczeniu
prądu oraz ustalonej, niższej prędkości obrotowej.
Symulacje tego układu przeprowadzone zostały w Matlab-ie przy użyciu biblioteki Simulinka PowerSystemBlockset.
6
Schemat układu symulacyjnego:
rys.6
Schematy poszczególnych bloków.
Generator:
rys.7
Parametry zostały tak ustawione by uzyskać poniższy przebieg. Przy każdej symulacji (jak i w trakcie), można zmieniać czas początkowy tj. czas, w którym
rozpoczyna się generowanie impulsów oraz szerokość impulsów.
7
Sterownik 1/5 f0
rys.8
Uzyskane w czasie symulacji przebiegi pokazane są na rys.9
rys.9
8
Symulacja przeprowadzona została dla takich samych parametrów silnika jak
we wcześniejszych przykładach.
Prąd w czasie rozruchu jest większy niż w układzie z softstartem ale moment
rozwijany przez silnik jest dużo większy od momentu przy softstarcie. Prędkość
ustala się na wartości ok. 30 [1/s], (5 razy mniejsza częstotliwość i 5 razy mniejsza prędkość ustalona).
Patrząc na rozruch całego układu napędowego, wydaje się, że korzystnym byłoby połączenie układu rozruchowego o f=1/5 f0 , z układem softstartu. Pozwalałoby to na „ruszenie” obciążonego silnika poprzez sterownik podharmoniczny, a
po osiągnięciu pewnej prędkości przełączenie na układ łagodnego rozruchu i
przy jego pomocy dokonanie rozruchu. Po zakończeniu procesu łączniki należy
zewrzeć, aby wyeliminować straty spowodowane spadkiem napięcia na kluczach.
9
Połączenie tych dwóch metod rozruchowych, dla silnika o wcześniejszych parametrach prowadzi do otrzymania następujących przebiegów:
rys.10
Silnik specjalnie został nie przełączony ze sterownika podharmonicznego na
softstart od razu, aby pokazać prace ustaloną całego układu zarówno dla jednego
sterowania jak i drugiego. Przy połączeniu dwóch metod należy pamiętać, że
składowa 1/5 f0 wiruje w kierunku przeciwnym niż składowa 50 Hz. W związku
z tym należy tak zmodyfikować połączenie, aby maszyna po przełączeniu nie
została zahamowana i nie zaczęła obracać się w przeciwnym kierunku.
Należy również zwrócić uwagę na chwilę przełączenia sterownika podharmonicznego na softstart, aby nie uległ zaburzeniu strumień wirujący, który w takim
przypadku zacząłby hamować maszynę.
10