Politechnika Warszawska
Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii
Instytut In ynierii Mechanicznej
Zakład Maszyn Rolniczych i Automatyzacji
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn
Przedmiot:
Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki
Temat wiczenia:
BADANIE CHARAKTERYSTYK ELEKTROMECHANICZNYCH
NAP DU ASYNCHRONICZNEGO Z FALOWNIKIEM
Płock, 2004
BADANIE CHARAKTERYSTYK ELEKTROMECHANICZNYCH NAP DU
ASYNCHRONICZNEGO Z FALOWNIKIEM
1. Cel wiczenia
Celem
wiczenia jest badanie charakterystyk elektromechanicznych nap du
asynchronicznego w zakresie rozruchu i regulacji pr dko ci obrotowej. W badaniach
zastosowano falownik typu 605/022/400/3 firmy Eurotherm z mo liwo ci sterowania w
trybie Local/Remote. Badane s charakterystyki elektromechaniczne silnika indukcyjnego
klatkowego SZJe24a o mocy 1,5 kW i silnika liniowego SL-5-100 o mocy 2,1 kVA.
2. Wprowadzenie
Nap dy pr du przemiennego z silnikami indukcyjnymi asynchronicznymi
umo liwiaj ce sterowanie pr dko ci obrotow powszechnie stosowane s od kilku lat.
Sterowanie pr dko ci obrotow silników indukcyjnych asynchronicznych wymaga zmiany
cz stotliwo ci napi cia zasilaj cego. Pierwsze tanie układy regulacji pr dko ci obrotowej
pojawiły si na pocz tku lat 90 ubiegłego wieku.
Układy nap dowe z silnikami indukcyjnymi asynchronicznymi dzielimy na
przemienniki cz stotliwo ci i nap dy wektorowe. Pierwsze z nich s stosunkowo prostymi i
tanimi układami sterowania pr dko ci obrotow bez sprz enia zwrotnego pr dko ciowego.
Sterowanie pr dko ci obrotow odbywa si w nich poprzez zmian cz stotliwo ci napi cia
zasilaj cego silnik. Z uwagi na zmieniaj c si impedancj silnika ze zmian cz stotliwo ci
pr dów zasilaj cych silnik, a eby nie uszkodzi nap du i zachowa stałe warunki zasilania
nale y zachowa stały stosunek napi cia zasilaj cego do cz stotliwo ci (U/f = const.) W
falownikach napi cie zasilaj ce układ jest prostowane i dalej z napi cia stałego wykorzystuj c
metod PWM tworzone s trzy pr dy trójfazowe o zadanej cz stotliwo ci.
Pr dko synchroniczna pola wiruj cego stojana silnika jest okre lana wzorem:
1
1
1
1
2
f
k
p
f
n
⋅
=
⋅
Π
=
gdzie:
f
1
– cz stotliwo napi cia zasilaj cego,
p – liczba par biegunów.
W silnikach indukcyjnych strumie indukcji magnetycznej zale y przede wszystkim
od reaktancji X
f
. Reaktancja ta jest proporcjonalna do cz stotliwo ci. Aby strumie nie
zmieniał si i pozostał stały, napi cie zasilaj ce silnik powinno zmienia si proporcjonalnie z
cz stotliwo ci .
Na rys. 1 przedstawiono przebieg charakterystyk silnika indukcyjnego przy ró nych
cz stotliwo ciach napi cia zasilaj cego.
Rys. 1. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy ró nych cz stotliwo ciach
Falowniki.
Falownikami nazywane s układy z zaworami sterowanymi, przekształcaj ce
energi pr du stałego na energi pr du zmiennego. Ka dy prostownik sterowany mo e
pracowa w charakterze falownika w okre lonych warunkach obci enia i wysterowania.
Tego typu falowniki s nazywane falownikami zale nymi lub (sieciowo wzbudnymi);
współpracuj one z sieci sztywn . W przypadku zasilania odbiorników pr du przemiennego
(np. silników indukcyjnych) ze ródła napi cia lub pr du stałego s stosowane falowniki
niezale ne. Komutacja w tych falownikach ma charakter wymuszony. W przypadku
komutacji z pojemno ciowym wył czaniem tyrystorów za pomoc kondensatora
przył czonego do ich anod równolegle wzgl dem obci enia falownik nazywamy
równoległym.
Falowniki szeregowe to układy z wył czeniem rezonansowym, w których obwód
rezonansowy jest poł czony szeregowo z obci eniem. Zasada działania omówiona zostanie
na przykładzie falownika niezale nego, równoległego przedstawionego na (rys.2).
W układzie tym tyrystory s
zał czane na przemian W czasie przewodzenia pr d ze ródła
płynie przez lew połówk dzielonego uzwojenia transformatora, jednocze nie lewa elektroda
kondensatora doł czona jest do „minusa“ ródła, natomiast prawa — do „plusa“, przez praw
połówk uzwojenia; st d polaryzacja kondensatora jak na rysunku. Po zał czeniu Ty2,
napi cie na kondensatorze doprowadzone jest do Ty1, powoduj c jego wył czenie. Pr d
ródła płynie teraz przez praw połówk uzwojenia i tyrystor Ty2, natomiast kondensator
ładuje si przez lew cz
uzwojenia; „plus“ b dzie teraz na lewej elektrodzie, „minus“ na
prawej, a zatem po zał czeniu Ty1, tyrystor Ty2 zostanie wył czony i cykl si powtarza.
Poniewa ze zmian przewodz cego tyrystora, pr d ródła zmienia kierunek w uzwojeniu
pierwotnym transformatora (uzwojenia obu połówek s
nawini te zgodnie), zatem w
obci onym uzwojeniu wtórnym przepływa pr d przemienny o
cz stotliwo ci równej
cz stotliwo ci przeł czania tyrystorów. Dławik Ld słu y do
wygładzania pr du ródła.
Warto wspomnie o falownikach niezale nych z modulacj szeroko ci pulsów. W
układach tych przerywacze pr du stałego s zastosowane w zespołach przeł czaj cych
dwukierunkowo. Przy odpowiedniej regulacji ilo ci impulsów otrzymuje si na wyj ciu
napi cie u rednione, b d ce napi ciem przemiennym bardzo zbli onym do sinusoidy.
Falowniki napi cia słu do przekształcania napi cia stałego (jednokierunkowego) w napi cie
przemienne o stałej b d regulowanej warto ci i cz stotliwo ci. Falowniki napi cia zasila si
ze ródła napi cia, charakteryzuj cego si pomijalnie mał impedancj wewn trzn . Falownik
napi cia FN umo liwia przekazywanie energii elektrycznej zarówno w kierunku do
odbiornika, jak i odwrotnie. Falowniki pr du słu do przekształcania pr du stałego
(jednokierunkowego) w pr d przemienny jedno- b d wielofazowy, o regulowanej warto ci i
cz stotliwo ci. W wi kszo ci przypadków przebieg czasowy pr du wyj ciowego jest zbli ony
do prostok tnego, a kształt i warto napi cia na zaciskach wyj ciowych zale y od
parametrów odbiornika.
Rys.2. Układ podstawowy falownika równoległego z transformatorem
o dzielonym uzwojeniu pierwotnym
Rys.3. Przykładowy wygl d falowników
Zasad pracy falownika o sterowaniu PWM (ang. pulse width modulation)
przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Falownik jednofazowy: a) schemat układu, b) napi cie wyj ciowe prostok tne,
c) napi cie wyj ciowe w postaci impulsów o modulowanej szeroko ci
Tranzystory IGBT, pracuj ce jako dwustanowe ł czniki mocy, przekazuj do
obci enia ci gi impulsów o zmiennej szeroko ci cyklicznie, na przemian z dodatniego i
ujemnego bieguna ródła pr du stałego. Szeroko ci impulsów s tak regulowane, aby w
napi ciu wyj ciowym maksymalnie wyeliminowa lub ograniczy zawarto harmonicznych
innych ni harmoniczna podstawowa. Zastosowane tranzystory IGBT (ang. insulated gate
bipolar transistor), s poł czeniem tranzystorów bipolarnych z tranzystorem MOSFET (rys.5).
Rys. 5. Tranzystor IGBT: a) symbol graficzny, b) charakterystyka przej ciowa I
c
= f(U
GE
),
c) charakterystyka wyj ciowa I
c
= f(U
CE
)
Tranzystor ten jest sterowany napi ciowo. Przy braku napi cia wej ciowego (U
GE
= 0)
tranzystor jest wył czany. Do jego zał czenia jest niezb dne napi cie steruj ce ok. 5 V. Na
wej ciu zło onego układu jest wzbogacany tranzystor MOSFET. Tranzystory IGTB pracuj w
dwóch stanach: wył czenia i zał czenia. Zmiana stanu odbywa si w krótkim czasie (ok. 1 µs)
co gwarantuje efektywn prac w falownikach nawet do cz stotliwo ci 100 kHz. W celu
uzyskania prawidłowej pracy tranzystorów IGTB nale y doł czy do zacisków kolektor-
emiter szybkie diody ograniczaj ce przepi cia w kierunku wstecznym.
Schemat ideowy falownika przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6. Schemat ideowy falownika
Zastosowany falownik serii 605 firmy Eurotherm realizuje przede wszystkim takie
zadania jak: łagodny rozruch, hamowanie oraz zabezpiecza silnik przed przeci eniami z sieci
zasilaj cej. Jest wyposa ony we własny sterownik, który mo na dowolnie programowa
wykorzystuj c do tego celu pakiet oprogramowania ConfigEd Lite. Posiada on szeregowe
zł cze interfejsowe RS-232, dzi ki któremu przy pomocy specjalnego kabla, dokonywana jest
transmisja danych z komputera IBM PC na którym zainstalowany jest pakiet programowy.
Mo liwe jest równie przekazywanie programu realizowanego przez falownik do komputera.
W ten sposób mo na dokonywa zmiany parametrów falownika, mamy dost p do
wiadomo ci diagnostycznych, przesyłania danych jak równie pełnego sterowania
programowego.
3. Wykonanie wiczenia
3.1. Zapoznanie si z obsług falownika przy sterowaniu lokalnym i sterowaniu zdalnym
(Local/Remote Control).
Na podstawie MENU falownika narysowa schemat blokowy algorytmu interfejsu
u ytkownika.
3.2. Pomiar napi cia wyj ciowego z falownika za pomoc oscyloskopu.
Dla dwóch wybranych cz stotliwo ci napi cia zasilania (15 i 30 Hz) zaobserwowa
kształt napi cia za pomoc oscyloskopu cyfrowego z pami ci . Przeanalizowa przebieg
napi cia (czy jest przebiegiem sinusoidalnym).
3.3. Sprawdzenie zachowania warunku f/U = const. przez falownik.
Zmieniaj c cz stotliwo napi cia zasilania pomierzy warto skuteczn napi cia
fazowego na wyj ciu falownika. Wyniki zestawi w tabeli.
f [Hz]
U [V]
Warunek ten jest wymagany dla zapewnienia stałej warto ci pr du zasilania silnika
elektrycznego przy zmianie cz stotliwo ci napi cia zasilania/
3.4. Regulacja pr dko ci obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego.
Zmieniaj c cz stotliwo napi cia zasilania dokona pomiaru pr dko ci obrotowej
silnika. Pr dko obrotowa silnika jest mierzona za pomoc pr dniczki tachometrycznej.
Pomiaru dokona dla kierunku wirowania silnika w prawo, a nast pnie w lewo. Wyniki
zestawi w tabeli.
f [Hz]
1
3
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50
n
z
[obr/min] (w prawo)
n
z
[obr/min] (w lewo)
3.5. Rozruch silnika zasilanego z falownika.
Dokona rozruchu silnika przy cz stotliwo ci napi cia zasilania = 50 Hz. Dokona
pomiaru pr du rozruchu i okre li krotno pr du rozruchu
n
r
I
I
1
oraz porówna z
przypadkiem rozruchu bezpo redniego. Przy rozruchu bezpo rednim silnik zasilany jest
bezpo rednio z sieci zasilaj cej.
3.6. Regulacja pr dko ci obrotowej silnika liniowego.
Zmieniaj c cz stotliwo napi cia zasilania dokona pomiaru pr dko ci obrotowej.
Pomiaru dokona dla kierunku wirowania silnika w prawo, a nast pnie w lewo. Wyniki
zestawi w tabeli.
f [Hz]
1
3
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50
n
z
[obr/min] (w prawo)
n
z
[obr/min] (w lewo)
4. Opracowanie sprawozdania
Na podstawie wyników pomiarów scharakteryzowa funkcje u ytkowe falownika.
Przeanalizowa mo liwo wykorzystania sterownika w układach automatycznej regulacji
(np. do stabilizacji pr dko ci obrotowej silnika, stabilizacji parametrów procesu
technologicznego, np. ci nienia itp.).