Układ zasilania wielofazowego silnika indukcyjnego

Proceedings of XLI International Symposium on Electrical Machines SME’2005, 14 - 17 June, Jarnołtówek, Poland
Układ zasilania wielofazowego silnika indukcyjnego
Adam ROGALSKI*, Krzysztof BIEŃKOWSKI**
*
Politechnika Warszawska, Instytut Maszyn Elektrycznych
Pl. Politechniki 1, 00-661 Warszawa, E-mail: [email protected]
**
Politechnika Warszawska, Instytut Maszyn Elektrycznych
Pl. Politechniki 1, 00-661 Warszawa, E-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
Silniki indukcyjne klatkowe znajdują zastosowanie
w wielu dziedzinach. Spotyka się je jako maszyny
o mocach rzędu megawatów np.: w przemyśle kopalnianym i ułamków kilowatów – w gospodarstwie domowym. Często zachodzi potrzeba regulacji prędkości
obrotowej silnika. Do tego celu stosowane są falowniki
napięcia, w których trójfazowe napięcie sieci jest prostowane, a następnie falowane na napięcie wielofazowe o żądanej amplitudzie i częstotliwości. Przy stale
malejących kosztach układów elektronicznych dużej
mocy, konstruktorzy i projektanci silników elektrycznych nie muszą się już ograniczać do trzech pasm fazowych silnika.
W artykule przedstawiono przykład układu zasilania
wielofazowego silnika indukcyjnego.
Słowa kluczowe: silniki indukcyjne, wielofazowe silniki
indukcyjne, układy zasilania.
1. WSTĘP
Układy zasilania pośredniczą pomiędzy siecią zasilającą
a odbiornikiem. Stosowane są w celu ułatwienia rozruchu
oraz regulacji prędkości obrotowej. Układy zasilania silników indukcyjnych można podzielić na elektromaszynowe (sinusoidalne [1]) i przekształtnikowe.
Układy elektromaszynowe mają znacznie większą masę
i objętość niż identycznej mocy układy przekształtnikowe, które są coraz częściej i chętniej stosowane ze
względu na dużą uniwersalność zastosowania, niezawodność pracy i małe gabaryty.
Cena elektronicznych łączników tranzystorowych dużej
mocy i towarzyszącej elektroniki ciągle spada. Coraz
szybsze i tańsze procesory sygnałowe umożliwiają obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności tego typu
przekształtników. W niektórych zastosowaniach zamiast
drogich procesorów DSP wystarczy użyć zacznie tańszych i prostszych w oprogramowaniu mikroprocesorów
np.: firmy Atmel.
Próba usystematyzowania układów zasilania, ze względu
na układy napięć zasilających poszczególne pasma fazowe, została przedstawiona w pracy [3].
2. RODZAJE UKŁADÓW ZASILANIA
WIELOFAZOWYCH SILNIKÓW
INDUKCYJNYCH
2.1. Układy elektromaszynowe
Układy elektromaszynowe (sinusoidalne) składają się
z kilku, połączonych ze sobą maszyn elektrycznych lub
pojedynczej maszyny. W najprostszym przypadku dla
silnika trójfazowego będzie to regulator indukcyjny.
W pracy [2] autor prezentuje elektromaszynowy układ
zasilania, składający się z dwu trójuzwojeniowych transformatorów z podwójnym uzwojeniem wyjściowym połączonym w zygzak, oraz skrzynki łączeniowej w celu
uzyskania dwunastofazowej gwiazdy napięć.
W praktyce układy elektromaszynowe zostały wyparte
w typowych zastosowaniach przez układy przekształtnikowe.
2.2. Układy przekształtnikowe
Najprostszy przekształtnikowy układ zasilania trójfazowego silnika indukcyjnego jest przedstawiony na rysunku
1. Jest to układ sześciu łączników tranzystorowych tworzących trzy półmostki. Do półmostków podłączone jest
uzwojenie silnika połączone w gwiazdę.
Sekwencja przełączania pasm fazowych dla silnika trójfazowego jest przedstawiona na rysunku 2 wraz z przebiegiem napięcia w jednym paśmie fazowym.
Rys. 1. Układ połączeń łączników tranzystorowych
z trójfazowym silnikiem indukcyjnym połączonym w
gwiazdę
Fig. 1. System connection of semiconductor switches
with three phase induction motor connected on star.
Proceedings of XLI International Symposium on Electrical Machines SME’2005, 14 - 17 June, Jarnołtówek, Poland
3. UKŁAD PRZEKSZTAŁTNIKOWY
PREZENTOWANY PRZEZ AUTORÓW
Układ zasilania silników indukcyjnych wielofazowych,
prezentowany w artykule, został wykonany w Zakładzie
Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej. Układ
ten składa się z kilku współpracujących ze sobą bloków,
które przedstawione są na rysunku 4.
Rys. 2. Sekwencja przełączania pasm fazowych dla
silnika trójfazowego oraz krzywa napięcia zasilającego
przykładowe pasmo fazowe.
Fig. 2. Sequence of switching phases to three phase
induction motors and voltage supply curve of one phase.
Stosowanie tego samego sposobu zasilania dla silników o
liczbie pasm fazowych większej od trzech spowoduje
zbliżenie kształtu napięcia fazowego do prostokąta
(rysunek 3).
Sekwencja przełączania pasm fazowych silnika pięciofazowego jest przedstawiona na rysunku 3 wraz z krzywą
napięcia zasilania przykładowego pasma fazowego [4].
Rys. 4. Schemat blokowy wielofazowego układu
zasilania wielofazowych silników indukcyjnych.
Fig. 4. Block diagram of multiphase power converter for
induction motors.
Rys. 3. Pięciofazowa gwiazda napięć, sekwencja
przełączania pasm fazowych silnika pięciofazowego oraz
krzywa napięcia zasilającego przykładowe pasmo
fazowe.
Fig. 3. Five phase star, switching sequence of phases to
five phase induction motors and voltage supply curve of
one phase
Dla układów o liczbie faz będącej wielokrotnością liczby
trzy autor publikacji [5] stosuje odpowiednią liczbę układów trójfazowych. Dzięki temu, przy najprostszej strategii uzyskuje się przebieg bardziej zbliżony do sinusoidy
niż prostokąta.
Komputer klasy PC z zainstalowanym na nim oprogramowaniem firmy MCS Electronic [6, 7], umożliwia łatwe
programowanie mikrokontrolera [6] opartego na procesorze firmy Atmel za pośrednictwem portu LPT komputera.
Możliwa jest praca układu zasilania bez podłączonego
komputera, jak również wymiana danych z komputerem
w trakcie pracy układu, za pomocą złącza RS 232. Dwa
porty mikroprocesora połączone są z dekoderem elektronicznymi w celu multipleksowania liczby wyjść z mikroprocesora (Dekoder). Następnie sygnał z dekodera doprowadzany jest do dwóch modułów z łącznikami elektroenergetycznymi przez układy driverów mających na
celu separację galwaniczną łączników od załączanego
napięcia oraz wzmocnienie sygnału. Do każdego modułu
doprowadzone jest napięcie stałe z zewnętrznego prostownika, które następnie jest odpowiednio przełączane
za pomocą łączników elektroenergetycznych. W każdym
module znajduje się sześć półmostków tranzystorowych
(Łączniki). W zależności od liczby pasm fazowych zasilanego silnika stosowany może być jeden lub dwa moduły z łącznikami elektroenergetycznymi.
Taka modułowa budowa układu zasilania umożliwia dużą
uniwersalność i elastyczność zarówno dla różnych liczb
pasm fazowych silników indukcyjnych [6], jak również
Proceedings of XLI International Symposium on Electrical Machines SME’2005, 14 - 17 June, Jarnołtówek, Poland
dla silników innych typów z komutacją elektroniczną [7].
Możliwe jest również zastosowanie mikroprocesora sygnałowego DSP w przypadku skomplikowanych procedur sterowania.
Rys. 5.Moduł 12 łączników tranzystorowych wraz z
układami wzmacniająco separującymi.
Fig. 5. Module of 12 semiconductor switches with
drivers.
4. WNIOSKI
Prezentowany przez autorów układ zasilania wielofazowych silników indukcyjnych, oparty na mikroprocesorze
firmy ATMEL, umożliwia:
- łatwą zmianę kodu bez korzystania z programowarki
pamięci EPROM (za pomocą złącza LPT komputera),
- programowanie przy włączonym procesorze
w układzie sterownika (ułatwienie i skrócenie czasu
potrzebnego do napisania, modyfikacji i sprawdzenia
poprawności działania programu),
- odłączenie sterownika od komputera po zaprogramowaniu procesora, dzięki czemu układ może działać
bez obecności komputera PC,
- zastosowanie w procesorze złącza szeregowego typu
RS232 umożliwia podłączenie sterownika do dowolnego urządzenia umożliwiającego komunikację szeregową w tym standardzie,
- wykorzystanie starszych komputerów dzięki
minimalnym wymaganiom co do komputera: procesor klasy PENRIUM I, pamięć operacyjna 32MB,
ok. 12 MB miejsca na dysku twardym,
- zastosowanie modulacji PWM (mikroprocesor jest
wyposażony w czterokanałowy PWM [8]),
- obniżenie kosztów sterowników poprzez rezygnację
z drogich sterowników opartych na procesorach sygnałowych DSP.
Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych
na naukę w latach 2005-2006 jako projekt badawczy.
LITERATURA
[1] „Silnik indukcyjny 6-fazowy z niesymetrycznym
rozłożeniem osi faz”, T. Glinka, J. Bernatt, XXXV
Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, 14-16 czerwiec 1999, Kazimierz Dolny
[2] „Kształtowanie charakterystyk i własności ruchowych wielofazowych silników indukcyjnych klatkowych”, P. Drozdowski, Seria Inżynieria Elektryczna
i Komputerowa, Kraków 2000
[3] „Silniki indukcyjne wielofazowe - układy napięć
zasilających”, A. Rogalski, A. Pochanke, VIII Forum Techniczne: Problemy wytwarzania małych
maszyn elektrycznych, Mikroma, Ustroń 24-26
maja 2004
[4] “Analysis and simulation of five-phase variablespeed induction motor drives under asymmetrical
connections”, Hamid A. Toilyat, IEEE Transactions
on Power Electronics, vol. 13 no. 4, July 1998
[5] „O pewnej metodzie oceny jakości napędu przekształtnikowego”, Jacek Grochowalski, Przegląd
Elektrotechniczny, nr 1, 2005
[6] „3-Phase Induction Motor Drive with PWM
Modulator Using A 8-Bit Low Cost Microcontroller”, E. Kucukguzel, O. Bilgic, 16th International
Conference on Electrical Machines 5-8 September
2004, Kraków
[7] „Mikroprocesorowy sterownik silników reluktancyjnych”, K. Bieńkowski, P. Tomczuk, XXXIX
Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, 9-11 czerwiec 2003, Gdańsk–Jurata
[8] Karta katalogowa mikroprocesora AT Mega 8535.
Multiphase Power Converter for
Induction Motors
SUMMARY
Short revision of power converters for multiphase
induction motors and presentation of application are
presented in this paper. Propose and show chip, easier
to make and use power converter with programmable
microprocessor.
Proposed power converter with modular construction
makes possible to supply the induction motors with
different numbers of phases and another types of
electrical motors e.g.: permanent magnet, DC
bruschless, SRM and synchronous motors. The
construction of power converter allows easy
modification and testing of control algorithms.
Key words: multiphase induction motors, high phase
order induction motors, power converter.
Acknowledgement
This research project is supported by The State
Committee for Scientific Research of Poland within years
2005-2006