Osnove elektromotornih pogona Laboratorijske vježbe

Transcript

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Osnove elektromotornih pogona Laboratorijske vježbe Vježba 2 POGON TROFAZNOG ASINKRONOG MOTORA NAPAJANOG IZ PRETVARAČA NAPONA I FREKVENCIJE KORIŠTENJEM SKALARNE REGULACIJE Autori: Prof.dr.sc. Ivan Gašparac, dipl. ing. Tanja Poljugan, dipl. ing. Zlatko Hanić, dipl. ing.. Zagreb, svibanj 2014.

2 1. Cilj vježbe Upoznavanje s načinom rada i mogućnostima asinkronog stroja napajanog iz pretvarača napona i frekvencije. Snimanje veličina prilikom zaleta, reverziranja i udarca nazivnog momenta trofaznog kaveznog asinkronog motora pomoću pretvarača napona i frekvencije. Utjecaj pretvarača napona i frekvencije na mrežu tijekom pogona asinkronog stroja. 2. Zadatak vježbe a) Upoznati pretvarač napona i frekvencije, njegovo upravljanje, podešavanje i ponašanje u radu b) Snimiti i komentirati signale brzine, frekvencije, momenta, struje, izlaznog napona pretvarača i napona istosmjernog međukruga prilikom: - zaleta neopterećenog asinkronog stroja - zaleta nazivno opterećenog asinkronog stroja - reverziranja neopterećenog asinkronog stroja - reverziranja nazivno opterećenog asinkronog stroja - udarca nazivnog momenta neopterećenog asinkronog stroja c) Izmjeriti napon i brzinu vrtnje neopterećenog motora pri različitim frekvencijama u rasponu od 5 Hz do 70 Hz. Prikazati funkcijsku ovisnost napona i brzine vrtnje o frekvenciji. d) Mjerenje i rezultate prikazati u obliku ispitnog protokola. 3. Opis vježbe 3.1 Utjecaj zaleta asinkronog motora na mrežu Prilikom uklopa asinkronog motora direktno na napojnu mrežu, asinkroni motor u početnom trenutku povuče tipično 5 7 puta veću struju od nazivne. Velika potezna struja uzrokuje propad napona na mreži koji može onemogućiti pravilan zalet i može ometati ostale potrošače na istoj mreži. Osim negativnog utjecaja na mrežu prilikom uklopa, velika potezna struja asinkronog motora izaziva veliko termičko opterećenje namota motora i to naročito kaveza rotora. To je i razlog zbog kojeg je broj zaleta (ili reverziranja) asinkronog motora direktno spojenog na mrežu ograničen u nekom vremenskom intervalu, jer u protivnom može doći do oštećenja motora. Potezna struja može se smanjiti na nekoliko načina: korištenjem preklopke zvijezda-trokut, korištenjem soft-start uređaja ili pretvarača napona i frekvencije kao što je to slučaj u ovoj vježbi. 3.2 Princip rada pretvarača napona i frekvencije u skalarnoj regulaciji U mnogim elektromotornim pogonima potrebno je regulirati brzinu vrtnje ili položaj rotora asinkronog motora. Kada postoje zahtjevi za precizno reguliranje brzine vrtnje, položaja ili momenta motora, često se ide na rješenje gdje se motor napaja iz pretvarača napona i frekvencije. U primjeni susrećemo slučajeve u kojima se motorom napajanim iz frekvencijskog pretvarača upravlja u otvorenom ili zatvorenom regulacijskom krugu. Topologija dvorazinskog trofaznog pretvarača napona i frekvencije prikazana je na slici 1. Trofazni izmjenični napon, odnosno napon mreže se ispravlja preko trofaznog diodnog ispravljača. Tako se dobiva napon istosmjernog međukruga koji se može filtrirati preko LC filtra. Ispravljeni napon se pomoću sklopa koji se naziva inverter ponovno pretvara u izmjenični napon. Inverter se sastoji od 6 IGBT tranzistora s paralelno spojenim povratnim diodama, zajedno raspoređenim u 3 grane (potrebno je generirati trofazni napon). Trofazni izlaz iz invertera spaja se na motor. IGBT djeluje kao otvorena sklopka kada je u stanju vođenja (s ograničenjem da može voditi struju samo u smjeru kako je naznačeno strelicom na emiteru), te kao otvorena sklopka kada je u stanju nevođenja (tj. zapiranja). Na taj način stezaljka motora može se spojiti na + stezaljku napona istosmjernog međukruga ili stezaljku istosmjernog međukruga ovisno o tome koji od IGBT tranzistora vodi u jednoj grani. Naravno, nikad ne smiju voditi oba IGBT tranzistora u jednoj grani jer bi se time dogodio kratki spoj istosmjernog međukruga. Naponi na izlazu invertera generiraju se tako da se referentni naponi (V a, V b i V c na slici 2) uspoređuju s trokutastim signalom nosiocem. Signal nosioc mora imati veću frekvenciju od referentnog signala. Njegova frekvencija kreće se u granicama od 1 khz do 20 khz. Ukoliko je signal nosioc veći od referentnog signala, u odgovarajućoj grani vodi gornji IGBT tranzistor, a donji ne vodi Ukoliko je signal nosioc manji od referentnog signala, u odgovarajućoj grani vodi donji IGBT tranzistor. Na taj način na izlazu se pojavljuju pravokutni naponi takozvani PWM napon (eng. Pulse Width Modulation hrv. širinsko-impulsna modulacija). Pošto su reference sinusne i zbog toga što tijekom jedne periode signala nosioca srednja vrijednost napona na izlazu odgovara upravo referentom naponu, PWM napon ima Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 2

3 izražen osnovni harmonički član. Motor u najvećoj mjeri osjeća osnovni harmonik te se ponaša veoma slično kao da je napajan sinusnim naponom koji odgovara referentnom po amplitudi i frekvenciji. Slika 1. Topologija trofaznog pretvarača napona i frekvencije Signal nosioc Vodi gornji IGBT tranzistor Vodi donji IGBT tranzistor Slika 2. Valni oblici napona na izlazu iz pretvarača Na istosmjerni međukrug može biti spojen otpornik za kočenje. U nekim pogonskim stanjima i režimima stroj spojen na inverter može raditi u generatorskom režimu, te preko povratnih dioda koje su paralelno spojene IGBT tranzistorima u inverteru vraćaju energiju u istosmjerni međukrug. Diode u ispravljaču ne dopuštaju da se ta energija vrati u mrežu, a mora se negdje potrošiti. Struja koja pritom ulazi u istosmjerni međukrug puni kondenzator u filtru, čime raste napon istosmjernog međukruga. Sklop koji upravlja IGBT tranzistorom u krugu otpornika za kočenje mjeri napon istosmjernog međukruga i ako taj napon naraste preko neke granice uslijed punjenja kondenzatora, uključuje IGBT tranzistor u krugu otpornika za kočenje te se kondenzator preko njega prazni čime pada napon istosmjernog međukruga. Kada napon padne ispod neke donje granice, IGBT tranzistor se isključi. Na taj se način disipira energija proizvedena prilikom generatorskog pogona stroja priključenog na inverter. Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 3

4 U ovoj vježbi pretvarač će se upravljati skalarno. Kod skalarnog upravljanja brzinom asinkronog motora upravlja se promjenom napona i frekvencije motora u istom omjeru. Na taj način se pomiču momentne karakteristike motora kako je prikazano na slici 3 čime se utječe na brzinu pogona. Slika 3. Promjena momentnih karakteristika u slučaju regulacije brzine vrtnje asinkronog motora promjenom napona i frekvencije Moment asinkronog motora proporcionalan je kvadratu narinutog napona na stezaljke motora, te obrnuto proporcionalan kvadratu frekvencije narinutog napona na stezaljke motora: M 2 ~ U f. Frekvencija diktira brzinu okretnog magnetskog polja u motoru 60 f ns = p gdje je f frekvencije, p broj pari polova, a n s sinkrona brzina u min -1. Brzina rotora se može izraziti preko klizanja s: n = (1 s) n s U normalnom pogonu klizanje obično iznosi s = 0,5-5%, ovisno o momentu opterećenja, što znači da je brzina rotora bliska sinkronoj brzini. Želimo li povećati brzinu asinkronog stroja, povećamo frekvenciju. Da bi održali isti moment povećava se napon u istom omjeru za koji je povećana frekvencija. Drugim riječima omjer U/f ostaje konstantan. Povećanje napona ograničeno je do nazivnog napona motora. Faraday-ev zakona indukcije dψ E = dt govori kako je inducirani napon u nekom namotu jednak negativnoj promjeni ulančenog toka tog istog napona. Prilikom spajanja namota asinkronog motora na sinusni napon mreže, pojednostavljeno govoreći 1, inducirani napon E odgovara naponu mreže, a ulančeni tok Ψ se uspostavi u stroju kao posljedica tog priključenog napona mreže. Ukoliko su sve veličine sinusne i ukoliko se one izraze u fazorskoj domeni, tada se derivacija može prikazati kao množenjem sa jω. Prema tome, Faraday-ev zakon indukcije tada ima oblik E = U m = jωψ. Ukoliko nas zanimaju samo iznosi vektora i ukoliko se ulančeni tok namota prikaže kao je N konstanta - broj zavoja namota 2. Dakle može se pisati E = U = jω NΦ = 2 π fnφ = konst. f Φ m Ψ = NΦ gdje 1 Uz zanemarenije statorskog radnog otpora i rasipnog induktiviteta 2 Kod strojeva sa raspodijeljenim namotom, kakav je kod asinkronih strojeva vrijedi Ψ = w fuk Φ, gdje je w broj u seriju spojenih zavoja nekog namota, a f uk ukupni faktor namota. Umnožak w fuk je konstanta za neki stroj, odnosno namot. Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 4

5 Iz provedene analize proizlazi da je napon na asinkronom stroju proporcionalan umnošku frekvencije i toka, odnosno da se zadržavanjem istog omjera napona i frekvencije zadržava konstantan tok u stroju: U = konst. Φ = konst. f Kako napon možemo dizati samo do nazivnog napona, daljnjim povećanjem frekvencije uz maksimalno dozvoljeni nazivni napon U n smanjivati će se tok u stroju i to proporcionalno sa 1/f (što približno odgovara padu proporcionalno sa 1/n. Po istoj zakonitosti opadati će i maksimalni raspoloživi moment asinkronog stroja (slika 3). Područje gdje se tok održava konstantnim naziva se područje konstantnog toka, a područje gdje se slabi tok naziva se područje konstantne snage. Slika 4 pokazuje kako se u skalarnom upravljanju mijenjaju napon i frekvencija. Slika 4. Promjena napona i frekvencije pri skalarnoj regulaciji brzine po zakonu U s /f s = konst. Pretvaračem napona i frekvencije se može postići potezni moment jednak ili veći od nazivnog momenta, a uz ograničenje struje armature, slike 5 i 6. Slika 5. Moment motora (M ) i moment tereta (M L ) kod zaleta pretvaračem napona i frekvencije Slika 6. Struja motora kod zaleta pretvaračem napona i frekvencije Glavni nedostatak skalarne regulacije je ovisnost brzine vrtnje o opterećenju motora budući da je regulacijski krug otvoren, tj. nema povratne informacije o trenutnoj brzini vrtnje motora. Zbog svoje jednostavnosti ova metoda se često koristi za manje zahtjevne pogone kao što su pumpe ili ventilatori. U zahtjevnijim pogonima koji se javljaju u automatiziranoj tvorničkoj proizvodnji, servo pogonima ili robotici potrebno je precizno regulirati brzinu vrtnje ili položaj rotora. Glavni preduvjet za to je mogućnost direktnog upravljanja momentom motora koje se naziva vektorska regulacija. Za potrebe vektorske regulacije potrebno je mjeriti položaj i brzinu rotora. U vektorskoj regulaciji odvojeno se upravlja magnetskim tokom i momentom motora. Često se u primjeni susreće i DTC načinom upravljanja (eng. Direct Torque Control). DTC se temelji na estimaciji (procijeni) toka i momenta iz napona i struja i ne zahtjeva mjerenje brzine i položaja rotora. Iako pretvarač napona i frekvencije ograničava poteznu struju motora i time smanjuje štetni utjecaj na mrežu po pitanju propada napona, istovremeno on unosi više harmoničke članove u valni oblik struje motora (na strani mreže) koji na impedancijama u mreži stvaraju padove napona i izobličuju valni oblik napona. To se može loše odraziti na rad mnogih drugih uređaja spojenih na mrežu. Viši harmonički članovi struje stvaraju i elektromagnetske smetnje i remete rad elektroničkih uređaja. Ovaj problem se rješava ugradnjom filtra između mrežnih priključaka i diodnog ispravljača. Isto tako napajanje motora iz pretvarača, zbog viših harmoničkih članova rezultira povećanim gubicima u željezu statora i rotora, povećanim električnim naprezanjem izolacije namota, a može izazvati i druge neželjene posljedice poput pojave ležajnih struja koje mogu uništiti ležaj. Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 5

6 3.3 Postupak provedbe vježbe Mjerenje se izvodi na agregatu koji se sastoji od tri stroja: 1. ispitivani asinkroni motor (AM) (tablica 1), 2. sinkroni generator (SG) koji služi kao opteretni stroj (generator u otočnom radu), 3. sinkroni motor s premanentnim magnetima (SMPM) koji je dio agregata, a koji u ovoj vježbi nema direktnu funkciju. Asinkroni motor se u spoju (trokut) preko pretvarača napona i frekvencije ABB ACS 800 (tablica 2) priključuje na mrežu. Budući da se pokretanjem asinkronog motora vrti i sinkroni motor s permanentnim magnetima, potrebno je obratiti pažnju na inducirani napon na njegovim stezaljkama te je obavezno uključiti njegov ventilator za hlađenje jer tijekom vrtnje tog stroja u praznom hodu dolazi do zagrijavanja uzrokovanog promjenjivim poljem rotirajućih magneta. Sinkroni generator zaključen otpornikom snage 7,5 kw služi kao opteretni stroj, a struja uzbude generatora drži se konstantom. Pri tome se na stezaljkama generatora inducira napon proporcionalan uzbudnom toku i brzini vrtnje (E = k e φ f n). Kada je armaturni namot spojen na otpornike, struja generatora će također biti proporcionalna naponu generatora, tj. brzini vrtnje, te će snaga kojom se tereti asinkroni motor biti proporcionalna s kvadratom brzine, a opteretni moment će biti proporcionalan brzini vrtnje: M k φf n 2 = P 3 t ω 3I R ω R π = k n. n 30 t 1 Tablica 1: Nazivni podaci korištenog asinkronog motora Končar Code ~ Type 51AZA 132M-4T B3 DY 400 / 690 V 50 Hz 15 / 8,7 A 7,5 kw 0,83 cos φ 1440 min -1 Ta 40 3x PT1000 Cl. F IP55 61 IEC / EN Tablica 2: Nazivni podaci korištenog pretvarača napona i frekvencije ABB ACS 800 Input U 3~ V I 23 A f Hz Output U 3~ 0 Uinput V I 25A f Hz IP21 UL type 1 NEMA 1 Shema spoja energetskog kruga prikazana je na slici 7. Pretvaraču je potrebno podesiti osnovne parametre kako bi mogao ispravno raditi s motorom. Pretvarač je potrebno parametrirati prema tablici 3. Referenca - tražena frekvencija 50 Hz Grupa 11 REFERENCE SELECT (odabir reference) EXT REF1 MAXIMUM (70 Hz) Grupa 20 - LIMITS (ograničenja) MAXIMUM CURRENT (150% I hd ) OVERVOLTAGE CTRL (ON) MINIMUM FREQ (-70 Hz) MAXIMUM FREQ (70 Hz) Grupa 21 - START/STOP (način zaleta i zaustavljanja) Tablica 3: Parametri pretvarača napona i frekvencije STOP FUNCTION (RAMP) Grupa 22 - ACCEL/DECEL (trajanje zaleta i zaustavljanja) ACCEL TIME 1 (0 ili 5 s) DECEL TIME 1 (0 ili 5 s) Grupa 99 START - UP DATA (Podaci o motoru) MOTOR CTRL MODE (SCALAR) MOTOR NOM VOLTAGE MOTOR NOM CURRENT MOTOR NOM FREQ MOTOR NOM SPEED MOTOR NOM POWER Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 6

7 S pretvaračem se upravlja putem računala pomoću software-a Drive Window 2.3. Napon motora mjeri se i digitalnim instrumentom s uključenim niskopropusnim filtrom kako bi određivao efektivnu vrijednost osnovnog harmonika PWM napona prisutnog na stezaljkama motora. 3 x 400 V ~ L1 L2 L3 U1 V1 W1 PRETVARAČ NAPONA I FREKVENCIJE ABB ACS 800 U2 V3 W2 Optička komunikacija Računalo min 7,5 kw DIG. REG. UZBUDE V S2 = ~ 230 V ~ A U V W U V W F1 F2 AM ~ 230 V ~ SMPM ~ M m AM ~ n SG ~ Slika 7. Shema spoja energetskog kruga Postupak mjerenja se sastoji od sljedećeg: a) identificirati sve objekte u laboratoriju prema shemi spoja energetskog i mjernog kruga, b) očitati podatke s natpisne pločice: asinkronog motora, pretvarača napona i frekvencije te sinkronog generatora, c) prema shemama spojiti energetski i mjerni dio, d) provjeriti ispravnost spoja, e) uz odobrenje asistenta priključiti pretvarač na mrežni napon, f) podesiti parametre pretvarača prema tablici 3 (unijeti nazivne podatke motora, tip regulacije motora, ograničenja struje i frekvencije, vrijeme trajanja zaleta i zaustavljanja, te željenu frekvenciju), g) testirati podešenja pretvarača napona i frekvencije (vrijeme zaleta, raspon brzina), "poigrati se s pretvaračem bez mjerenja, h) izmjeriti napon i brzinu vrtnje neopterećenog motora pri različitim frekvencijama u rasponu od 5 Hz do 70 Hz (u koracima od 5 Hz). i) snimiti napon i struju mreže, napon, struju, brzinu vrtnje i moment asinkronog motora kod: - zaleta neopterećenog motora, - reverziranja neopterećenog motora, - zaleta nazivno opterećenog motora, - reverziranja nazivno opterećenog motora, - udarac nazivnog momenta na neopterećen asinkroni stroj j) snimke prebaciti u računalo, k) popuniti izvještaj o ispitivanju. Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 7

8 4. Pitanja za pripremu vježbe a) Koji se problemi mogu javiti tijekom pokretanja motora direktnim priključkom na mrežu? b) Na koje se načine može smanjiti potezna struja motora? c) Od kojih osnovnih dijelova se sastoji pretvarač napona i frekvencije? d) Objasniti princip skalarne regulacije. e) Skicirati momentnu karakteristiku motora za nazivnu frekvenciju, za frekvenciju manju i za frekvenciju veću od nazivne. 5. Literatura [1] Jurković, B.: Elektromotorni pogoni, Školska knjiga, Zagreb, 1978 [2] Wolf, R: Ispitivanje električnih strojeva III, Sveučilište u Zagrebu, 1964 [3] Nurnberg, W: Ispitivanje električnih strojeva, Školska knjiga, Zagreb, 1951 [4] Avčin, Jereb: Ispitivanje električnih strojeva, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1968 [5] Osnove elektromotornih pogona : Vježba 2 8