Ryszard BOROWSKI* ROZRUCH I REGULACJA PRĘDKOŚCI

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
silnik elektryczny, indukcyjny rozruch
przemiennik częstotliwości
Ryszard BOROWSKI*
ROZRUCH I REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA
INDUKCYJNEGO PRZY WYKORZYSTANIU STATYCZNEGO UKŁADU UPS
Rozważano możliwość zastosowania statycznego trójfazowego układu UPS jako przemiennika
częstotliwości służącego do rozruchu i regulacji prędkości silnika indukcyjnego klatkowego dla
przypadków:
– rozruch napędu elektrycznego dźwignicy z ograniczeniem udarów momentu obrotowego oraz z
regulacją czasu rozruchu;
– regulacja częstotliwości zasilania do uzyskania odpowiednich prędkości obrotowych dla
dźwignicy.
Zaproponowano specjalny adaptacyjny układ sterowania dla systemu UPS, który umożliwia
odpowiednią nastawę prądu rozruchu i prądu dla pracy ustalonej napędu.
Przedstawiono uzyskane z symulacji komputerowej przebiegi: momentu obrotowego, prędkości
kątowej i prądu dla analizowanego napędu elektrycznego.
1. WPROWADZENIE
Zajęto się zastosowaniem statycznego trójfazowego układu UPS jako przemiennika
częstotliwości (układ PCz), który służy do przeprowadzania rozruchu oraz umożliwia regulację
prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego (SIK) napędzającego dźwignicę.
Przez zastosowanie zmodyfikowanego układu UPS do rozruchu SIK można wpływać
na:
– zmniejszenie udarów momentu;
– zmniejszenie udarów prądu;
– zmniejszenie lub skracanie czasu rozruchu napędu.
Oznacza to, że układ UPS może zastępować klasyczne układy SOFT-STARTu, a jednocześnie
wypełniać swoją zasadniczą funkcję, jaką jest rezerwowanie zasilania w energię elektryczną.
Drugą funkcję, którą może wypełniać zmodyfikowany statyczny układ UPS jest
regulacja prędkości napędu elektrycznego dźwignicy z silnikiem indukcyjnym, W tym
przypadku przewiduje się tylko uzyskiwanie tzw. prędkości dostawczej dla dźwignicy (ok.
20% prędkości znamionowej silnika). Jest to więc praca układu UPS na krótkich odcinkach
______________
* Instytut Elektrotechniki, Akademia Techniczno-Rolnicza, ul. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz.
67
czasu przy podnoszeniu lub opuszczaniu ciężaru. Przez większość czasu pracy podczas
podnoszenia i opuszczania silnik indukcyjny klatkowy (SIK) jest zasilany bezpośrednio z
sieci elektroenergetycznej (sieć EE).
Podstawą do napisania tego artykułu były badania i publikacje Autora dotyczące
problematyki:
– określenia niezawodności silników elektrycznych jako obiektów wielostanowych [2];
– analizy przyczyn i skutków uszkodzeń silników elektrycznych na przykładzie
uszkodzeń silników asynchronicznych [3];
– wpływu zasilania silnika indukcyjnego z układów energoelektronicznych na jego
niezawodność działania [4].
Jednocześnie należy podkreślić, że Autor został zainspirowany przez publikacje innych
autorów [1, 7, 8, 9, 10, 11], które dotyczyły problemów:
– przepięć i prób udarowych maszyn elektrycznych [1, 9];
– zasilania silnika indukcyjnego klatkowego niesinusoidalnym napięciem z
falowników PWM [6, 8, 11].
W publikacji przedstawiono nieukończone jeszcze badania Autora dotyczące statystyki
uszkodzeń silników indukcyjnych klatkowych (SIK) zasilanych z przemienników
częstotliwości (PCz). Dla porównania przedstawiono też statystyki uszkodzeń SIK przy
zasilaniu z sieci elektroenergetycznej (sieć EE), która zapewnia praktycznie sinusoidalne
napięcie i prąd dla zasilania silników (zob. tab. 1).
Większość obecnie stosowanych układów przemienników częstotliwości pracuje z
modulacją szerokości impulsów (PWM), co umożliwia na kształtowanie prawie
sinusoidalnego prądu ze stosunkowo małą zawartością harmonicznych wysokich rzędów. W
zasadzie w prądzie silnika nie występują harmoniczne niskich rzędów (5, 7, 11), które mogą
wytwarzać pasożytnicze momenty napędowe (moment jest jednak oscylujący około stałej
wartości).
Należy podkreślić, że napięcie na wyjściu układu PCz jest silnie odkształcone. Właśnie
taki przebieg napięcia w czasie zasilania silnika z układu PCz powoduje zasadniczą zmianę
w mechanizmach odpowiedzialnych za uszkodzenia SIK. Należy podkreślić, że zaczynają
dominować uszkodzenia związane z przepięciami, które są znacznie większe od napięcia
znamionowego silnika. Jednocześnie należy się liczyć z dużą stromością narastania tego
napięcia (duże du/dt). Powyższe czynniki (duże Um i duże du/dt) powodują znaczne
przyspieszenie degradacji izolacji uzwojenia SIK [1, 4, 5, 6, 8, 10].
Na podstawie badań własnych Autora oraz symulacji komputerowej dla SIK podczas
zasilania z PCz wyciągnięto wnioski dotyczące możliwych rodzajów uszkodzeń.
A. Termiczna degradacja izolacji (TID) nie powinna praktycznie wystąpić, ponieważ
wszystkie stany przejściowe mogą się odbywać łagodnie ze skutecznie działającym
ograniczeniem prądowym.
B. W przypadku zwarcia zwojowego (WF) liczba uszkodzeń może się znacznie
zwiększyć, co jest związane z:
– bardzo dużymi przepięciami generowanymi przez PCz pracujący z PWM;
– zwiększonymi stratami mocy spowodowanymi wyższymi harmonicznymi napięcia i
prądu, co wpływa na wzrost temperatury uzwojeń silnika.
C. W przypadku zwarcia do korpusu (FtH) zwiększy się liczba uszkodzeń z
uzasadnieniem jak dla WF.
68
D. W przypadku zwarcia międzyfazowego (PtPF) zwiększy się liczba uszkodzeń
z uzasadnieniem jak dla WF.
E. Przypadki uszkodzeń klatki wirnika (RCF) nie powinny praktycznie wystąpić
z uzasadnieniem jak dla TID.
F. W przypadku uszkodzeń mechanicznych (MD) liczba uszkodzeń powinna się
znacznie zmniejszyć ze względu na istotne ograniczenie udarów momentu w stanach
przejściowych, co szczególnie dotyczy rozruchu typu B. Należy się jednak liczyć z
niewielkim wzrostem uszkodzeń, które wynikają ze zwiększonych drgań mechanicznych w
napędzie, występujących nawet w stanie ustalonym. Należy tu uwzględnić możliwe
rezonanse układów mechanicznych oraz zmęczenie materiałów. Prądy łożyskowe mogą też
spowodować zwiększenie liczby uszkodzeń łożysk [11].
G. W przypadku niewłaściwej eksploatacji (IO) liczba uszkodzeń powinna się nieco
zmniejszyć, co jest związane ze skuteczniejszym działaniem zabezpieczeń dla silnika
i układu PCz.
2. MOŻLIWOŚCI ROZRUCHU SILNIKA INDUKCYJNEGO
PRZY ZASILANIU Z PCZ
Pprzeanalizowano najpierw stany dynamiczne napędu elektrycznego z silnikiem
indukcyjnym klatkowym, który jest zasilany z układu PCz. Do obliczeń, a następnie do
symulacji komputerowej, wykorzystano model matematyczny SIK z wieloobwodowym
odwzorowaniem klatki wirnika według równania [4, 7]:
dω
I = [M ]−1{U − ( jω s [1] − jω [K ])[M ]I − [R ]I}
dt
(1)
N
 ∗  p 2
dω p 2  

=
Re j  Lm ∑ I ri I s  −
Mm
dt
J
  i =1   J
gdzie: U, I – wektory napięć i prądów,
[1], [K] – macierze jednostkowe.
Dla podanych równań parametry macierzy indukcyjności i rezystancji zastępczych
obwodu wirnika określono na podstawie rozwiązania równań różniczkowych opartych na
uogólnionym równaniu Riccatiego. W modelu matematycznym dla SIK uwzględniono:
– zmienność reaktancji rozproszenia uzwojeń silnika na skutek zjawiska nasycenia
obwodu magnetycznego;
– narastanie liniowe częstotliwości PCz w czasie rozruchu od zera do wartości
zadanej fzad:
69
 f zad (t / t n ) dla 0 ≤ t < t n < t n
f =
dla t ≥ t n
 f zad
(2)
gdzietn – wybrany czas narastania wartości f i U;
– narastanie liniowe napięcia PCz w czasie rozruchu od zera do wartości zadanej Uzad:
 U zad (t / t n ) dla 0 ≤ t < t n < t n
f =
dla t ≥ t n
U zad
(3)
Na podstawie przebiegów dynamicznych uzyskanych w badaniach Autora oraz na
podstawie literatury [4, 7] wyciągnięto wnioski, które dotyczą rozruchu częstotliwościowego
SIK przy zasilaniu z układu PCz. Rozruch SIK prowadzono w czasie narastania napięcia i
częstotliwości według zależności (2) i (3), z pracą napędu w układzie otwartym i bez
ograniczenia prądu. Należy podkreślić, że dla tego sposobu rozruchu można uzyskać istotne
ograniczenie prądu i momentu w czasie rozruchu silnika.
A. ROZRUCH OSTRY – nastawiona wartość tn ≤ 0,5 tn2i, gdzie tn2i jest tak dobranym
czasem tn, dla którego wartość maksymalna prądu w czasie rozruchu jest równa 2IN (IN –
prąd znamionowy silnika). Jest to właściwie przypadek rozruchu SIK ze skokiem
częstotliwości i napięcia od zera do wartości zadanej. Przebieg dynamiczny w czasie
rozruchu charakteryzuje się wtedy:
– dużymi udarami prądu (Imu ≥ 4IN) przy stosunkowo małym odkształceniu tego prądu
(prąd jest najczęściej kształtowany w układzie nadążnym dla układu PCz);
– dużymi udarami momentu napędowego, w którym praktycznie mogą nie wystąpić
oscylacje [4] (moment oscyluje tylko w zakresie dodatnich wartości);
– liniowym narastaniem prędkości silnika w czasie rozruchu z niewielkim
przeregulowaniem na końcu rozruchu;
– drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małej częstotliwości
(100 Hz) ze średnią amplitudą przemieszczeń. Jest to związane także z pewną
niesymetrią napięć i prądów, która występuje przy zasilaniu z układu PCz.
Generalnie ten typ rozruchu swoim charakterem jest zbliżony do rozruchu
bezpośredniego SIK i zasilania z sieci EE, a więc i uszkodzenia dla tego przypadku
mogą mieć podobny charakter.
B. ROZRUCH OPTYMALNY – nastawiona wartość 0,5tn2i ≤ tn ≤ tn2i. Jest to w
zasadzie najbardziej korzystny przypadek rozruchu częstotliwościowego. Ten typ rozruchu
należy więc przyjmować, chyba że są inne wskazania związane z technologią w
rozpatrywanym procesie produkcyjnym. Wymagane jest np. bardzo wolne narastanie
prędkości obrotowej, co w przypadku zasilania z sieci EE wymusza zastosowanie układu
SOFT-STARTu. Przebieg dynamiczny w czasie rozruchu charakteryzuje się wtedy:
– średnimi udarami prądu (Imu ≈ 2IN dla tn2i) przy stosunkowo małym odkształceniu
tego prądu w czasie rozruchu;
– średnimi udarami momentu obrotowego (Mmu ≈ 1,5MN dla tn2i) (występuje wtedy
tylko jedno maksimum momentu i jedno minimum tego momentu) [7];
70
– prędkość obrotowa silnika narasta w zasadzie liniowo w czasie rozruchu z
niewielkim przeregulowaniem na koniec tego rozruchu;
– drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małej częstotliwości
z małą amplitudą przemieszczenia (niesymetria zasilania z układu PCz).
C. ROZRUCH ŁAGODNY – nastawiona wartość tn ≥ tn2i. Ten typ rozruchu należy
przyjmować, gdy jest wymagane zastosowanie układu SOFT-STARTu, a więc jest
konieczne ograniczenie momentu i wolne narastanie prędkości obrotowej. Przebieg
dynamiczny w czasie rozruchu charakteryzuje się wtedy:
– małymi udarami prądu (Imu < IN), przy większym odkształceniu tego prądu w czasie
rozruchu;
– małymi udarami momentu (Mmu < MN) z wieloma maksimami i minimami
(momenty dodatnie i ujemne) przy wolnym narastaniu częstotliwości i napięcia na
wyjściu PCz;
– pojawiają się stosunkowo niewielkie oscylacje prędkości obrotowej w czasie
rozruchu z niewielkim przeregulowaniem na koniec tego rozruchu;
– drganiami wymuszonymi SIK występującymi w zakresie małych i średnich
częstotliwości (np. dla 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz) ze stosunkowo dużymi
amplitudami przemieszczeń, co może być związane z wymuszeniami o
częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości własnych układu mechanicznego.
Należy podkreślić, że w rzeczywistych warunkach eksploatacji silników
indukcyjnych zasilanych z układów PCz, parametr tn jest przyjmowany dosyć dowolnie i
najczęściej mamy do czynienia z przypadkiem C. Jest to jednak i tak przypadek
zdecydowanie lepszy od przypadku A, ze względu na mniejsze udary momentu i prądu
w czasie rozruchu silnika.
3. ZASTOSOWANIE UKŁADU UPS DO ROZRUCHU
I REGULACJI PRĘDKOŚCI SIK
Przy symulacji komputerowej trójfazowego układu UPS zasilającego silnik
indukcyjny w czasie rozruchu korzystano z pakietu programów symulacyjnych TCAD
6.2 [12]. Przeanalizowano poniższe przypadki, które uwzględniały załączenie lub
wyłączenie odpowiednich łączników (łączniki sieci EE i łączniki układów PCz na schemacie
z rys.A.
1):Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy bezpośrednim załączeniu zasilania z
sieci EE. Przebiegi prądu silnika, momentu obrotowego oraz prędkości kątowej zostały
przedstawione dla tego przypadku na rys. 2.
B. Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy zasilaniu z układu PCz
zmniejszoną częstotliwością (25 Hz), z ograniczeniem momentu maksymalnego w
czasie rozruchu i przełączeniem na rozruch z sieci EE po nastawionym czasie. Przebiegi
przejściowe
dla prądu, momentu i prędkości kątowej zostały przedstawione dla tego przypadku na
rys. 3.
71
Rys. 1. Statyczny trójfazowy układ UPS jako przemiennik częstotliwości
służący do rozruchu i regulacji prędkości silnika indukcyjnego klatkowego
Fig. 1. UPS system as a frequency converter intended for starting and adjustment
of rotational speed of induction squirrel-cage motor
Rys. 2. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku A
Fig. 2. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case A
72
Rys. 3. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd
dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku B
Fig. 3. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case B
Rys. 4. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd
dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku C
Fig. 4. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case C
73
Rys. 5. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd
dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku D
Fig. 5. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case D
Rys. 6. Moment obrotowy, prędkość kątowa i prąd
dla analizowanego napędu elektrycznego w przypadku E
Fig. 6. Torque, angular velocity, and current for the analysed electric drive in case E
74
C. Rozruch napędu dźwignicy (podnoszenie) przy zasilaniu z układu PCz
częstotliwością 50 Hz z jedną nastawioną wartością prądu ograniczenia i przełączeniem na
dalszy rozruch z sieci EE po nastawionym czasie. Przebiegi przejściowe dla tego przypadku
przedstawiono na rys. 4.
D. Nastawienie 1/2 prędkości synchronicznej ( f = 25 Hz) SIK pracującego w napędzie
dźwignicy (podnoszenie). Uwzględniono przy tym rozruch SIK ze skokowo zmienną wartością
prądu ograniczenia. Przebiegi przejściowe dla tego przypadku zostały przedstawione na rys. 5.
E. Nastawienie prędkości synchronicznej z częstotliwością znamionową ( f = 50 Hz)
dla SIK pracującego w napędzie dźwignicy (podnoszenie). Uwzględniono przy tym rozruch
silnika indukcyjnego ze skokowo zmienną wartością prądu ograniczenia. Przebiegi przejściowe
dla tego przypadku zostały przedstawione na rys. 6. Jest to jednocześnie sprawdzenie możliwości
zasilania silnika przez układ UPS-a w przypadku zaniku napięcia w sieci EE.
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE
Analiza wyników symulacji komputerowej przedstawionych w rozdziale trzecim
niniejszej publikacji pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków dla napędu
elektrycznego dźwignicy z silnikiem indukcyjnym.
A. Rozruch bezpośredni przy zasilaniu z sieci EE (rys. 2) powoduje w szczególności:
– duże udary i oscylacje momentu obrotowego;
– oscylacyjny wzrost prędkości kątowej w początkowej fazie rozruchu;
– stosunkowo dużą wartość prądu rozruchowego.
B. Rozruch przy zasilaniu z układu PCz małą częstotliwością (25Hz), a następnie
przełączenie po nastawionym czasie na dalszy rozruch z sieci EE. Obserwuje się wtedy
w stosunku do przypadku A:
– zmniejszenie udarów i oscylacji momentu obrotowego;
– występuje nieoscylacyjny wzrost prędkości kątowej;
– wskazano na możliwość zadawania prądu rozruchowego zgodnego np. z
wymaganiami mechanicznymi i elektrycznymi (funkcja SOFT-STARTu).
C. Rozruch przy zasilaniu z układu PCz większą częstotliwością (50 Hz), a następnie
przełączenie po nastawionym czasie na rozruch z sieci EE. Obserwuje się wtedy dla
przypadku C w stosunku do przypadku A podobną sytuację jak w przypadku B. Jednak
rozruch typu C jest nieco gorszy od rozruchu typu B.
D. Przy nastawieniu małej prędkości i zasilaniu z układu PCz ze skokowo zmienną
wartością prądu ograniczenia uzyskuje się:
– niewielkie oscylacje momentu obrotowego silnika w stanie ustalonym, co może być
powodem wzrostu drgań mechanicznych i hałasu generowanego przez układ
elektromechaniczny;
– stosunkowo niewielkim odkształceniem prądu silnika;
– stosunkowo dużymi odkształceniami napięcia na silniku z przepięciami, właśnie
przepięcia przy zasilaniu silnika indukcyjnego z układu PCz powodują znaczne
przyspieszenie degradacji uzwojenia stojana SIK, a więc zwiększenie liczby
75
uszkodzeń z tym związanych; potwierdzają to także badania Autora dotyczące
niezawodności SIK [4, 5] (zob. tab. 1).
Tabela 1. Procent uszkodzeń przy zasilaniu z: sieci EE układu PCz
Table 1. Percent of defects in case of power supply from: PEM system FC circuit
RODZAJE USZKODZEŃ
PROCENT USZKODZEŃ PRZY ZASILANIU Z:
SIECI EE, %
UKŁADU PCz, %
Termiczna degradacja izolacji – TID
28
2
Zwarcia zwojowe – WF
18
40
Zwarcia do korpusu – FtH
11
26
Zwarcia międzyfazowe – PtPF
4
10
Uszkodzenia klatki wirnika – RCF
5
1
Uszkodzenia mechaniczne – MD
14
9
Niewłaściwa eksploatacja – IO
20
15
E. Przy nastawieniu dużej prędkości silnika i zasilaniu z układu PCz ze skokowo
zmienną wartością prądu ograniczenia można wyciągnąć podobne wnioski jak dla przypadku D.
LITERATURA
[1] ANDREA W., SPERLING P., Beanspruchung der Wicklungsisolierung beim Schalten el. Maschinnen.
Simens Zeitschrift nr 10/1975.
[2] BOROWSKI R., Określenie niezawodności silników elektrycznych jako obiektów wielostanowych
(Analysis of causes and effects of electric motor defects). Wyd. PAN na XXV Zim. Sz. Niezawodności,
Szczyrk 1997.
[3] BOROWSKI R., Analiza przyczyn i skutków uszkodzeń silników elektrycznych na przykładzie uszkodzeń
silników asynchronicznych. (Determination of reliability of electric motors). Wyd. PAN na XXIV Zim.
Sz. Niezawodności, Szczyrk 1996.
[4] BOROWSKI R., Impact of power supply of induction motors from power electronic circuits on their
reliability of operation. Konfer. ELECTROMOTION ’99 Patras, Grecja 1999.
[5] BOROWSKI R., Wpływ przepięć powodowanych przez przemienniki energoelektroniczne na
uszkodzenia silnika indukcyjnego. Influence of overvoltage caused by power electronic converters on
induction motors faults. Wyd. Politech. Białost. na Międzynarod. Konfer. PwUE’99, Hołny/Dubingiai
(Litwa) 1999.
[6] BOROWSKI R., LUDWIKOWSKI Z., Określenie przyrostu temperatury silnika indukcyjnego jako element
diagnostyki uszkodzeń uzwojenia stojana tego silnika. (Determining Increase of Temperature of Induction
Motor as an Element of the Failure Diagnostics of its Stator Winding). Wyd. Politechniki Warszawskiej,
Warszawa/Kazimierz Dolny 1999.
76
[7] BYCZKOWSKA-LIPIŃSKA L., DEMS M., Symulacja komputerowa zjawisk dynamicznych podczas
rozruchu częstotliwościowego silnika indukcyjnego. (Computer simulation of dynamic effects during
frequency start-up). Wyd. na Konfer. Nauk.-Tech. DPP’98 Gdańsk–Jurata 1998.
[8] CHMELIK K., ČECH V., Silnik indukcyjny klatkowy zasilany napięciem niesinusoidalnym z
falowników PWM. (SCIM power supplied with non-sinusoidal voltage PWM). WE nr 4/1998.
[9] DUDEK W., KAŁUSKA R., Próby udarowe maszyn elektrycznych. (Electric machine impulse
withstand tests). Prace Instytutu Elektrotechniki R. XII, z. 39, Warszawa 1964.
[10] ERDMAN J.M., Effect of PWM inverters on AC motor bearing current and shaft voltages. IEEE Trans.
on Industry Applications nr 2/1996.
[11] KRZEMIEŃ Z., Uszkodzenia łożysk w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. (IM
bearing defect with power supply from FC circuits). WE nr 4/1998.
[12] SZCZĘSNY R., IWAN K., Opis pakietu programów symulacyjnych TCAD 6.2. Politechnika Gdańska
1996.
STARTING AND ROTATIONAL SPEED ADJUSTMENT OF INDUCTION MOTOR
USING STATIC UPS SYSTEM
The article considers possibility of employment of a static three-phase UPS system as a frequency converter intended for starting and adjustment of rotational speed of induction squirrel-cage motor for the below
cases:
• Starting electric drive of crane with limitation of torque stroke and adjustment of starting time;
• Adjustment of power supply frequency to produce proper rotational speed for the crane
A special adaptation control circuit was proposed for the UPS system, which facilitates proper adjustment of starting current and current for steady operation of the drive.
The above cases are illustrated with characteristics generated from computer simulation of: torque,
angular velocity, and current for the analysed electric drive.