Wytyczne dla autorów referatów na I Międzynarodowe Forum
Transkrypt
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