Laboratorium Napędu Elektrycznego
Ćwiczenie
18k
Badanie układu napędowego z silnikiem indukcyjnym klatkowym zasilanym z przetwornicy
częstotliwości
Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy przygotować się teoretycznie (na podstawie
informacji podanych na wykładzie, literatury zalecanej na wykładzie oraz niniejszej instrukcji) w
zakresie następujących zagadnień:
1. Metody regulacji prędkości silnika klatkowego, wzór na prędkość synchroniczną i wzór definiujący
poślizg silnika.
2. Zalety i wady regulacji częstotliwościowej w porównaniu z innymi metodami regulacji prędkości.
3. Charakterystyki mechaniczne silnika przy częstotliwościowej regulacji prędkości (dla obu kierunków
wirowania, przy pracy silnikowej i przy hamowaniu elektrycznym).
4. Sposoby realizacji rozruchu, hamowania elektrycznego i nawrotu stosowane w układach napędowych
z częstotliwościową regulacją prędkości.
5. Schemat blokowy układu napędowego z przetwornicą częstotliwości, schemat ideowy części
silnoprądowej. Objaśnić funkcje poszczególnych bloków.
6. Omówić strategię modulacji szerokości impulsu (MSI).
7. Omówić zasady regulacji wartości skutecznej napięcia zasilającego silnik wraz ze zmianą częstot-
liwości. Omówić wpływ rezystancji uzwojeń stojana dla niskich częstotliwości zasilania silnika.
I. Zapoznanie się z budową i danymi znamionowymi
przetwornicy częstotliwości oraz zespołu napędowego
Korzystając z tabliczek znamionowych i dokumentacji technicznej należy spisać do protokołu dane
trzech maszyn elektrycznych wykorzystywanych w ćwiczeniu oraz przetwornicy (strony 5 i 6
dokumentacji technicznej). Opisane dane znamionowe należy zamieścić w sprawozdaniu.
Rys.1. Schemat przemysłowej tranzystorowej przetwornicy częstotliwości typu AMT.
PROSTOWNIK – układ mostkowy 6D, przekształcający trójfazowe napięcie przemienne sieci
zasilającej na napięcie stałe ze składową zmienną (pulsacjami).
C – kondensator w obwodzie pośredniczącym prądu stałego. Wraz z dławikami LDC ma za zadanie za-
pewnić przekształtnikowi stałą wartość napięcia zasilania, z jak najmniejszym poziomem pulsacji.
PRZEKSZTAŁTNIK – falownik napięciowy mostkowy z sześcioma tranzystorami typu IGBT, przeksz-
tałcający napięcie stałe z obwodu pośredniczącego na napięcie przemienne prostokątne o modulo-
wanej szerokości impulsu. Dzięki odpowiedniej regulacji szerokości impulsów możliwa jest zmiana
częstotliwości oraz wartości skutecznej podstawowej harmonicznej napięcia zasilającego silnik.
Opis innych bloków znajduje się na stronie 3. dokumentacji dostępnej na stanowisku ćwiczeniowym.
Obsługa przetwornicy:
Potencjometr – zadaje częstotliwość
M
3~
V
D
Bi
w3
Oscyloskop
SI
A
M
V
M
SU
Przetwornica
cz
ęstotliwości
A
S
V
S
SI
SU
W2
W1
w1
L1
L2
L3
L1
L2
L3 U
V
W
3*400V/50Hz
G
H
R
H
V
H
A
H
G
R
W
A
W
-
220V=
+
w2
Bi
Rys.2. Ogólny schemat połączeń laboratoryjnego układu napędowego.
w1, w2 – łączniki na tablicy zasilającej stanowisko ćwiczeniowe
W1, W2, V
S
, A
S
– mierniki parametrów wejściowych przetwornicy (od strony sieci)
V
M
, A
M
– mierniki parametrów wyjściowych przetwornicy (od strony silnika M)
SU, SI – pomiarowe separatory napięciowe i prądowe
D – pomiarowy dzielnik napięcia
M – badany silnik klatkowy
G
ω
– prądnica tachometryczna
G
H
– prądnica hamownicza (hamownica), modelująca maszynę roboczą
R
H
– rezystor wodny w obwodzie twornika hamownicy G
H
R
W
– rezystor w obwodzie wzbudzenia hamownicy G
H
Samodzielnie wykonany schemat układu laboratoryjnego należy zamieścić w sprawozdaniu. Na sche-
macie nie zamieszczać elementów, które nie były wykorzystywane podczas wykonywania ćwiczenia.
II. Wyznaczenie charakterystyk silnika dla kilku stałych wartości częstotliwości
Wynurzyć płyty rezystora wodnego R
H
. Obwód wzbudzenia hamownicy przyłączyć do sieci prądu
stałego łącznikiem w2, a rezystorem R
W
ustawić znamionowy prąd wzbudzenia hamownicy. Co kilka
minut należy kontrolować wskazania amperomierza A
W
i utrzymywać przy pomocy rezystora R
W
znamionową wartość prądu wzbudzenia. Załączyć łącznik w1, ustawić potencjometr zadający
częstotliwość w lewym skrajnym położeniu, wcisnąć przycisk START. Charakterystyki wyznacza się
dla kilku wartości częstotliwości (podanych przez prowadzącego). Po zadaniu potencjometrem
pierwszej wartości częstotliwości należy zapisać do protokołu wskazania mierników (pierwszy punkt
pomiarowy). Wzór tabeli podany jest niżej. Kolejne punkty dla tej częstotliwości wyznacza się
zanurzając płyty rezystora wodnego. Pomiary należy zakończyć gdy uzyska się pełne (do oporu)
zanurzenie rezystora wodnego, bądź też gdy prąd pobierany przez silnik lub prąd hamownicy
(amperomierze A
M
, A
H
) osiągną około 110% wartości znamionowej, przy czym dla danej częstotliwości
powinno być co najmniej 7 wierszy z wynikami pomiarów. Po skończeniu pomiarów dla danej
częstotliwości wynurzyć płyty rezystora wodnego.
Analogiczne przeprowadza się pomiary dla pozostałych zadanych częstotliwości. Jeśli prowadzący
wyda takie polecenie, to w celu porównawczym należy wyznaczyć charakterystykę silnika przy
zasilaniu go napięciem sieciowym o częstotliwości f = 50 Hz.
Po skończeniu wszystkich pomiarów wcisnąć przycisk STOP.
Pomiary
Obliczenia
L.p
f
[Hz]
U
S
[V]
P1
[W]
P2
[W]
I
S
[A]
I
M
[A]
U
M
[V]
I
H
[A]
U
H
[V]
U
ω
[V]
P
[W]
P
H
[W]
P
W
[W]
ω
[
rad/s
]
M
[Nm]
η
λ
p
1.
2.
.....
1.
2.
.....
W sprawozdaniu należy zamieścić wypełnioną tabelę, a także wzory i przykładowe obliczenia dla
jednego wiersza z tabeli.
Objaśnienia do obliczeń:
P – moc czynna pobierana przez przetwornicę z sieci
P
H
– moc elektryczna oddawana przez hamownicę (moc strat w rezystorze wodnym)
P
W
– moc mechaniczna na wale silnika. Jest ona w przybliżeniu (po zaniedbaniu strat mechanicznych w
prądnicy tachometrycznej) równa mocy mechanicznej na wale hamownicy. Z kolei z bilansu mocy
dla hamownicy wynika, że moc na wale hamownicy jest równa sumie mocy oddawanej przez
hamownicę P
H
oraz strat w hamownicy: strat biegu jałowego i strat na rezystancji obwodu twornika
hamownicy. Do instrukcji dołączone zostały wykresy: strat biegu jałowego w funkcji prędkości
∆P
0
(ω) oraz rezystancji obwodu twornika od prądu twornika R
tH
(I
H
), które umożliwiają dokonanie
odpowiednich obliczeń.
ω – prędkość kątowa wałów wszystkich maszyn. Należy ją obliczyć na podstawie danych
znamionowych prądnicy tachometrycznej oraz napięcia U
ω
.
M – moment mechaniczny na wale silnika, liczony jako iloraz mocy na wale silnika i prędkości kątowej
wału.
η – sprawność układu napędowego, liczona jako stosunek mocy oddanej przez układ napędowy (moc na
wale silnika) do mocy pobranej przez układ napędowy (moc czynna pobierana przez przetwornicę z
sieci).
λ
p
– współczynnik mocy układu napędowego, liczony jako stosunek mocy czynnej pobieranej z sieci do
mocy pozornej pobieranej z sieci.
W sprawozdaniu, na podstawie uzyskanych pomiarów i obliczeń, należy wykreślić charakterystyki:
a) mechaniczne
=f(M) na pierwszym wykresie,
b)
=f(M) na drugim wykresie,
c)
p
=f(M) na trzecim wykresie,
d) U
M
=f(M) na czwartym wykresie,
e) I
S
=f(M) oraz I
M
=f(M) na piątym wykresie.
Zależności tego samego rodzaju, ale dla różnych częstotliwości f, należy zamieścić na wspólnym
rysunku (w jednym układzie współrzędnych).
III. Wyznaczenie parametrów układu napędowego w funkcji częstotliwości
przy mniej więcej stałej wartości momentu obciążenia silnika
Mniej więcej stałą wartość momentu obciążenia silnika uzyskuje się poprzez zapewnienie stałej
wartości prądu twornika hamownicy I
H
, przy stałym prądzie wzbudzenia hamownicy I
W
.
Na początku należy ustawić potencjometr zadający częstotliwość w lewym skrajnym położeniu, a
także maksymalnie (do oporu) zanurzyć płyty rezystora wodnego. Po wciśnięciu przycisku START
należy dotąd zwiększać potencjometrem wartość częstotliwości, aż uzyska się zadaną przez
prowadzącego wartość prądu I
H
. Należy odczytać i zapisać w pierwszym wierszu poniższej tabeli
wskazania mierników. Następne punkty pomiarowe uzyskuje się zwiększając potencjometrem wartość
f, ale jednocześnie należy wynurzać płyty rezystora wodnego tak, by utrzymywać stałą wartość prądu
I
H
. Podczas odczytu mierników należy ciągle kontrolować prąd I
H
i utrzymywać jego stałą wartość
rezystorem wodnym. Należy też koniecznie utrzymywać, przy pomocy rezystora R
W
, znamionową
wartość prądu wzbudzenia hamownicy I
W
. Pomiary wykonuje się aż do momentu gdy prędkość silnika
przekroczy jego znamionową prędkość synchroniczną. Powinno być co najmniej 7 wierszy z wynikami
pomiarów. Po skończeniu pomiarów należy wcisnąć przycisk STOP, wynurzyć płyty rezystora wodnego
i zmniejszyć zadaną częstotliwość do zera.
Pomiary
Obliczenia
L.p
I
H
[A]
f
[Hz]
U
S
[V]
P1
[W]
P2
[W]
I
S
[A]
I
M
[A]
U
M
[V]
U
H
[V]
U
ω
[V]
P
[W]
P
H
[W]
P
W
[W]
ω
[
rad/s
]
M
[Nm]
η
λ
p
1.
2.
.....
Zasady przeprowadzania obliczeń jak dla poprzedniej tabeli.
W sprawozdaniu zamieścić wypełnioną tabelę. Na jej podstawie należy wykreślić charakterystyki:
a) U
M
=f(f) na pierwszym wykresie,
b)
=f(f) na drugim wykresie,
c)
p
=f(f) na trzecim wykresie,
d) I
S
=f(f) oraz I
M
=f(f) na czwartym wykresie,
e) P=f(f) na piątym wykresie.
IV. Obserwacja i rejestracja przebiegów prądów i napięć.
Przy pomocy oscyloskopu należy zaobserwować przebiegi prądu i napięcia na wejściu i wyjściu
przetwornicy dla różnych wartości zadanej częstotliwości (kilku położeń potencjometru) i obciążenia
silnika (różne wartości R
H
). Z obserwacji należy sporządzić w protokole notatki, które będą pomocne
przy wykonywaniu wniosków w sprawozdaniu. Następnie, po uzgodnieniu z prowadzącym, należy
zarejestrować do pliku, bądź przerysować z ekranu oscyloskopu do protokołu, dwie grupy przebiegów:
A) napięcie i prąd na wejściu przetwornicy;
B) napięcie i prąd na wyjściu przetwornicy;
dla zadanych przez prowadzącego wartości częstotliwości i obciążenia.
W sprawozdaniu należy zamieścić opracowane przebiegi (naniesione osie z podziałkami, oznaczenie
który przebieg to prąd a który napięcie).
V. Wyznaczenie czasu rozruchu silnika
Przy pomocy oscyloskopu należy zarejestrować przebieg prędkości kątowej silnika w funkcji czasu
podczas rozruchu silnika, dla zadanej częstotliwości f i przy nieobciążonym silniku (wynurzone płyty
rezystora wodnego). W tym celu należy ustawić wartość f podaną przez prowadzącego, uruchomić
oscyloskop i wcisnąć przycisk START. Po ustaleniu się prędkości zatrzymać rejestrację i wcisnąć
przycisk STOP.
W sprawozdaniu należy zamieścić opracowany przebieg (naniesione osie z podziałkami). Na podstawie
przebiegu określić czas rozruchu silnika.
Poza wcześniej wymienionymi (podkreślonymi) wymaganiami odnośnie sprawozdania, powinno ono
zawierać wnioski, w tym:
1. Wnioski odnośnie charakterystyk uzyskanych w etapach II i III.
2. Na podstawie charakterystyki U
M
=f(f) należy wyciągnąć wnioski odnośnie zastosowanej w
przetwornicy regulacji U/f.
3. Opis wpływu zadanej częstotliwości i obciążenia silnika na kształt przebiegów napięć i prądów na
wejściu i wyjściu przetwornicy, a także wnioski wynikające z tych przebiegów i z obserwacji, np.
pod kątem wpływu przetwornicy na sieć zasilającą i na silnik.