Pobierz

Transkrypt

Pobierz

Serwonapędy w automatyce i robotyce
Wykład 10
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
Urządzenia energoelektroniczne
Urządzenia energoelektroniczne poprzez regulację
napięcia , prądu i częstotliwości umoŜliwiają
bezstopniową regulacji wielkości fizycznych, np.
◦ prędkości obrotowej,
◦ momentu obrotowego.
W tym celu energia sieci zasilającej przekształcana jest
w urządzeniu energoelektronicznym, a następnie zostaje
doprowadzona do urządzenia odbiorczego (silnika).
Piotr Sauer
2
Styczniki półprzewodnikowe
Styczniki półprzewodnikowe umoŜliwiają szybkie i
bezgłośne załączanie trójfazowych silników prądu
przemiennego i obciąŜeń rezystancyjnych. Włączanie
następuje automatycznie do optymalnego punktu
czasowego eliminując tym samym niepoŜądane
szczytowe wartości prądu.
Piotr Sauer
3
Układy łagodnego rozruchu Sterują one napięciem
sieciowym regulując jego wartość od ustawialnej
wartości początkowej do 100%. Dzięki temu następuje
łagodny rozruch silnika.
W porównaniu do normalnego momentu
rozruchowego silnika, redukcja napięcia prowadzi do
obniŜenia momentu w silniku proporcjonalnie do
kwadratu napięcia.
Softstartery nadają się szczególnie do rozruchu
obciąŜeń o kwadratowym przebiegu momentu w funkcji
prędkości obrotowej (np. pompy albo wentylatory).
Piotr Sauer
4
Przemienniki częstotliwości Przemienniki
częstotliwości wykorzystując sieć 1- lub 3-fazową prąd
przemiennego o stałej wartości napięcia i częstotliwości
tworzą nową sieć prądu przemiennego o regulowanej
wartości napięcia i częstotliwości z której zasilany jest
silnik.
Sterowanie napięciem i częstotliwością umoŜliwia
bezstopniową regulację prędkości obrotowej silników
trójfazowych.
Dzięki temu napęd moŜe być uruchomiony ze
znamionowym momentem równieŜ przy niewielkich
prędkościach obrotowych.
Piotr Sauer
5
o sterowaniu skalarnym (konwencjonalne) - w
rozwiązaniu tym utrzymywany jest stały stosunek
pomiędzy napięciem wejściowym do falownika U, a
częstotliwością wyjściową f.
Stosowane są one w układach, gdzie nie wymaga się
duŜej precyzji kąta oraz mamy do czynienia z niewielką
dynamiką (pompy, wentylatory, podajniki),
o sterowaniu wektorowym (strumienia i
ewentualnie momentu) - cechuje je duŜa precyzja,
doskonała dynamika i sukcesywnie wypierają one
napędy prądu stałego. W wektorowym przemienniku
częstotliwości regulacja następuje dzięki pozbawionej
czujników regulacji pola elektromagnetycznego w
silniku.
Piotr Sauer
6
Przemienniki częstotliwości
Budowa
1 – Prostownik
2 – Obwód pośredni
napięcia stałego
3 – Falownik
4 – Układ
sterowania
Piotr Sauer
7
Przemiennik częstotliwości przekształca trójfazowe
(jednofazowe) zmienne napięcie sieciowe o stałej
częstotliwość w napięcie stałe (prostownik).
Napięcie stałe słuŜy do wytworzenia trójfazowej sieci o
zmiennym napięciu i zmiennej częstotliwości
(falownik).
Przemiennik częstotliwości pobiera z sieci zasilającej
praktycznie tylko moc czynną (cosφ ~ 1).
Obwód pośredni napięcia stałego - dostarcza moc
bierną
Piotr Sauer
8
Piotr Sauer
9
Moment obrotowy M rozwijany przez silnik
asynchroniczny jest proporcjonalny do prądu IW i
strumienia ϕ:
M ≈ φ × IW
Do optymalizacji momentu obrotowego silnika,
strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej silnika
musi być utrzymany na stałym poziomie.
φ≈
U
f
Piotr Sauer
10
Kiedy silnik jest obciążony i pracuje w zakresie małych prędkości
– f < 10Hz, występuje duży spadek napięcia na rezystancji
uzwojeń stojana.
Piotr Sauer
11
Przykład.
Silnik o mocy P=1,1kW, napięciu nominalnym U=3×400V
f=50Hz o rezystancji uzwojenia stojana R (jednej fazy)
wynoszącej około 8 Ω, pobiera prąd 3A przy nominalnym
obciąŜeniu. Spadek napięcia na rezystancji uzwojenia stojana
w tym przypadku wynosi 24V.
Napięcie ok. 40V przy 5 Hz jest odpowiednim napięciem do
sterowania silnika wg charakterystyki U/f. Jeśli obciąŜymy
silnik nominalnie i pobierze on prąd do 3A, wtedy napięcie o
wartości około 24V powoduje jedynie powstawanie strat.
WaŜne jest, Ŝe tylko napięcie o wartości 16V jest
wykorzystywane do magnesowania silnika.
Gdy silnik jest niedomagnesowany to wytwarza mniejszy
moment napędowy.
Piotr Sauer
12
Aby utrzymać stały strumień, silnika spadek napięcia na
rezystancji uzwojeń silnika musi być kompensowany:
◦ zwiększenie napięcia wyjściowego przemiennika
częstotliwości w zakresie małych prędkości silnika przez
wykorzystanie otwartej pętli sterowania.
◦ regulacja napięcia wyjściowego przemiennika
częstotliwości poprzez wykorzystanie oddziaływania na
wartość składowej czynnej prądu wyjściowego
przemiennika.
Określenia:
◦
◦
◦
◦
kompensacja I x R,
podbicie napięcia (ang. boost),
zwiększenie momentu (ang. torque raising),
kompensacja startu (ang. start compensation).
Piotr Sauer
13
Przemienniki częstotliwości automatycznie kontrolują
parametry kompensacyjne na podstawie częstotliwości,
napięcia i prądu silnika.
Parametry kompensacyjne umoŜliwiają zapewnienie
optymalnego magnesowania i tym samym maksymalnego
momentu, zarówno przy starcie silnika jak i od małych
do maksymalnie dopuszczalnych prędkości silnika.
Napięcie przemiennika otrzymuje odpowiednie napięcie
dodatkowe, które efektywnie kompensuje wpływ
spadku napięcia na rezystancji uzwojeń przy niskich
częstotliwościach
Piotr Sauer
14
ZaleŜne od obciąŜenia parametry wpływające na
wartość napięcia dodatkowego napięcia kompensacji start i kompensacja poślizgu, zaleŜą od dokładności
pomiaru prądu obciąŜenia - składowej czynnej tego
prądu.
Parametr napięcie startu, nie zaleŜy od obciąŜenia i
zapewnia optymalną wartość momentu w zakresie
małych prędkości silnika.
Jeśli kilka silników jest dołączonych do jednego
przemiennika częstotliwości - praca równoległa, funkcje
kompensacji napięcia zaleŜne od obciąŜenia powinny być
wyłączone.
Piotr Sauer
15
Poślizg w silnikach asynchronicznych jest zaleŜny od
obciąŜenia i wynosi około 5% prędkości nominalnej
silnika.
Np. dla dwubiegunowego silnika poślizg będzie wynosić
150 obr./min.
Przy sterowaniu silnika przemiennikiem częstotliwości
poślizg moŜe wynosić ok. 50% w zakresie małych
obrotów np. 300 obr./min. (tj. 10% wartości nominalnej).
Jeśli przemiennik częstotliwości steruje pracą silnika w
zakresie 5% wartości nominalnej prędkości obrotowej
przy pełnym obciąŜeniu, to silnik moŜe nie ruszyć.
Piotr Sauer
16
Poślizg - zjawisko niekorzystne, moŜe być w pełni
skompensowane przez przemiennik częstotliwości
poprzez efektywny pomiar składowej czynnej prądu fazowych prądów silnika.
Kompensacja poślizgu jest realizowana przez
odpowiednie zwiększenie częstotliwości napięcia
wyjściowego przemiennika częstotliwości - czynna
kompensacja poślizgu (ang. active slip compensation).
Piotr Sauer
17
Przemiennik ogranicza prąd silnika przez zmniejszanie
napięcia i częstotliwości wyjściowej.
Poziom ograniczenia prądowego jest regulowany i
gwarantuje, Ŝe silnik nie będzie pobierał zbyt duŜego
prądu przez dłuŜszy czas, co mogłoby doprowadzić do
jego uszkodzenia.
Piotr Sauer
18
Charakterystyki momentu silnika zawierają się w
obszarze prądów znamionowych przemiennika
częstotliwości.
Zaleta: przemiennik częstotliwości umoŜliwia
zwiększenie momentu silnika ponad jego moment
znamionowy, np. uzyskanie 160% wartości momentu
znamionowego przez dłuŜszy lub krótszy okres czasu.
Przemiennik częstotliwości umoŜliwia pracę silnika przy
prędkościach większych od jego prędkości
synchronicznej - prędkości nadsynchroniczne w
zakresie ok. 200% nominalnych obrotów.
Piotr Sauer
19
Przemiennik nie jest w stanie dostarczyć wyŜszego
napięcia niŜ napięcie sieci, z której jest zasilany, co
prowadzi do zmniejszania się stosunku napięcia zasilania
silnika do częstotliwości przy przekraczaniu prędkości
znamionowych.
Wówczas pole magnetyczne słabnie i moment
wytwarzany na wale silnika zmniejsza się w stosunku
1/n.
Piotr Sauer
20
Piotr Sauer
21
Maksymalny prąd na wyjściu przemiennika
częstotliwości pozostaje niezmieniony (Is = const.). To
prowadzi do utrzymania stałej mocy silnika w przedziale
prędkości od nominalnej do ok. 200% ponad prędkość
nominalną.
Piotr Sauer
22
Prędkość silnika:
◦ w obrotach na minutę - rpm,
◦ w hercach - Hz,
◦ w procentach nominalnej prędkości silnika - %.
Piotr Sauer
23
Zmiana stosunku napięcia do częstotliwości ma wpływ
na przebieg charakterystyk momentu obrotowego
silnika.
Piotr Sauer
24
Zalety cyfrowych urządzeń stosowanych w
napędach:
◦ polepszenie powtarzalności i stabilność parametrów
sterowania,
◦ łatwiejsze sterowanie układami pomiarowymi,
◦ elastyczność urządzeń w zastosowaniach do nietypowych
aplikacji,
◦ precyzyjniejsze sterowanie, takŜe z większych odległości
np.: łącza modemowe RS485, itp..
Piotr Sauer
25
Wybór rodzaju przemiennika częstotliwości:
jest rozwaŜenie przebiegu charakterystyki obciąŜenia
silnika funkcji prędkości.
Cztery metody wyznaczania wymaganych osiągów
wyjściowych przemiennika częstotliwości, wybór
metody zaleŜy od danych silnika:
◦ Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie
nominalnego prądu silnika.
◦ Wybór przemiennika częstotliwości bazujący na wartości
mocy pozornej SM.
◦ Wybór przemiennika częstotliwości w zaleŜności od mocy
czynnej na wale silnika.
◦ Wybór przemiennika na podstawie na podstawie
standardowych serii silników
Piotr Sauer
26
Charakterystyki obciąŜenia
Piotr Sauer
27
OdróŜnienie charakterystyk obciąŜenia:
◦ kiedy prędkość pomp odśrodkowych i wentylatorów
wzrasta, moc równieŜ wzrasta proporcjonalnie do
prędkości w trzeciej potędze P = f(n3),
◦ podczas normalnej pracy pomp odśrodkowych i
wentylatorów prędkość jest regulowana w zakresie 5090% prędkości znamionowej. ObciąŜenie wzrasta w
kwadracie prędkości obrotowej silnika i moŜe
przykładowo kształtować się na poziomie 30-80%.
Piotr Sauer
28
Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie prądu
IM, który pobiera silnik. JeŜeli silnik nie jest w pełni
obciąŜony, prąd silnika moŜe zostać zmierzony w
podobnym napędzie pracującym przy pełnej wydajności.
Piotr Sauer
29
Przemienniki czestotliwości
Przykład: Silnik 7,5kW/3x400 V pobiera prąd 14,73 A.
Na podstawie danych technicznych przemiennika,
moŜemy stwierdzić, Ŝe powinien on zostać wybrany na
ciągły prąd wyjściowy wyŜszy albo równy 14,73 A dla
stało momentowej lub zmiennej w kwadracie prędkości
charakterystyki momentu obciąŜenia.
Piotr Sauer
30
Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie mocy
pozornej SM pobieranej przez silnik i dostarczanej z
przemiennika częstotliwości.
Piotr Sauer
31
Przykład: Silnik 7.5kW/3x400V pobiera prąd 14.73 A
SM =
UJ 3
= 10,2kVA
1000
Na podstawie danych technicznych przemiennika
częstotliwości wybieramy przemiennik, którego
maksymalna ciągła wyjściowa moc pozorna jest wyŜsza
lub równa 10,2kVA przy stałej albo zmiennej w
kwadracie w funkcji prędkości charakterystyce
momentu.
Piotr Sauer
32
Wybór przemiennika wg mocy czynnej PM wytwarzanej
przez silnik. JednakŜe, poniewaŜ cos φ i sprawność η
silnika zmieniają się wraz z obciąŜeniem, to ta metoda
jest nieprecyzyjna.
Piotr Sauer
33
Przykład: Silnik o mocy 3kW ze sprawnością η = 0.8 i
cos φ = 0.81
Sm =
PM
= 4,6kVA
η cos ϕ
Przemiennik jest dobierany – na podstawie jego danych
technicznych, na maksymalną wyjściową ciągłą moc
czynną większą lub równą 4.6kVA stałej lub
kwadratowej charakterystyce momentu.
Piotr Sauer
34
Z praktycznych przyczyn moc znamionowa większości
przemienników jest specyfikowana dla standardowych
serii - typoszeregu silników asynchronicznych.
Piotr Sauer
35

Pobierz

Transkrypt

Podobne dokumenty

Radiostacja RRC-9500 jest pokładową radiostacją UKF/FM z

miejski ośrodek pomocy społecznej w pułtusku sprzeda samochód

MERCEDES-BENZ E 200 Kompressor

Falowniki skalarne i wektorowe firmy ANSALDO

Antena Kierunkowa Opticum DVB-T AX 1000 Combo VHF UHF LTE

Stworzone dla wentylatorów – przemienniki częstotliwości

Specyfikacja techniczna silnika