Przemienniki częstotliwości a silniki 3f.pdf

4 Przemienniki częstotliwości i silniki trójfazowe

Moment obrotowy M rozwijany przez silnik asynchroniczny jest proporcjonalny

do prądu I W i strumienia

: M

∼φ

x I W , gdzie I W jest prądem wirnika, a

jest

strumieniem magnetycznym w szczelinie powietrznej silnika.

V/f)

w szczelinie powietrznej silnika musi być utrzymany na stałym poziomie. To znaczy,

że jeśli zmieniamy wartość częstotliwości, wartość napięcia musi być zmieniona

proporcjonalnie, rys. 3.01.

φ∼

Obszar zaniku

strumienia

Rys. 4.01 Sterowanie napięciem w funkcji częstotliwości - charakterystyka U/f = const.

Dla ciężkich rozruchów np. w podnośnikach śrubowych, konieczna jest

optymalizacja momentu rozruchowego i wymuszenie dodatkowego napięcia

początkowego U o . W źle dobranych warunkach zasilania silnik po prostu nie ruszy.

Kiedy silnik jest obciążony i pracuje w zakresie małych prędkości - f<10Hz, występuje

duży spadek napięcia na rezystancji uzwojeń stojana. W szczególności dotyczy to

małych silników. W konsekwencji ten spadek napięcia prowadzi do wyraźnego

osłabienia strumienia

w szczelinie powietrznej.

q Przykład.

Silnik o mocy P=1,1kW, napięciu nominalnym U=3

400V/f=50Hz o rezystancji

, pobiera prąd 3A przy

nominalnym obciążeniu. Spadek napięcia na rezystancji uzwojenia stojana w tym

przypadku wynosi R x I = U, wtedy 8

Ω

x 3A=24V. Producenci silników zapewniają, że

taka strata jest kompensowana w trakcie normalnej pracy silnika.

Ω

R OZDZIAŁ 4 P RZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI I SILNIKI

Do optymalizacji momentu obrotowego silnika, strumień magnetyczny (

uzwojenia stojana R (jednej fazy) wynoszącej około 8

Napięcie ok. 40V przy 5 Hz jest odpowiednim napięciem do sterowania silnika wg

charakterystyki U/f. Jeśli obciążymy silnik nominalnie i pobierze on prąd do 3A, wtedy

napięcie o wartości około 24V powoduje jedynie powstawanie strat. Ważne jest, że

tylko napięcie o wartości 16V jest wykorzystywane do magnesowania silnika. Gdy

silnik jest niedomagnesowany to wytwarza mniejszy moment napędowy.

Z powyżej analizy wynika że, aby utrzymać stały strumień silnika spadek napięcia na

rezystancji uzwojeń silnika musi być kompensowany, a najprostszymi metodami

realizującymi ten cel są:

•

zwiększenie napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości w zakresie

małych prędkości silnika przez wykorzystanie otwartej pętli sterowania.

•

regulacja napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości poprzez

wykorzystanie oddziaływania na wartość składowej czynnej prądu wyjściowego

przemiennika.

Ta kompensacja nazywana jest: kompensacją I x R, podbiciem napięcia (ang. boost),

zwiększeniem momentu (ang. torque raising), a przez firmę DANFOSS nazywana

jest kompensacją startu (ang. start compensation).

Taki sposób oddziaływania na wartość napięcia wyjściowego przemiennika

częstotliwości ma pewne ograniczenia wynikające z występujących zakłóceń.

Uniemożliwiają one właściwe przeprowadzenie pomiarów wartości skutecznej

napięcia wyjściowego przemiennika, szczególnie przy szybkich zmianach

obciążenia, np. w napędach z wahadłowym obciążeniem silnika rezystancja

uzwojenia fazowego waha się w granicach 25% między silnikiem ciepłym a zimnym.

Wartość napięcia kompensacji powinna wtedy przyjmować różne wartości.

Niewłaściwa wartość tego napięcia przy silniku nie obciążonym może prowadzić do

jego przemagnesowania, a gdy silnik jest obciążony do zmniejszenia głównego

strumienia. W przypadku przemagnesowania silnika, nastąpi przepływ składowej

biernej prądu o nadmiernej wartości, co prowadzi do przegrzewania silnika. W

przypadku dociążenia silnika przemagnesowanego będzie rozwijał on mały moment

z powodu osłabionego strumienia głównego, co może spowodować jego

zatrzymanie.

4.1 Warunki pracy silnika

4.1.1 Kompensacja

W niektórych przypadkach trudno jest właściwie dostroić przemiennik częstotliwości

do silnika, niektóre z funkcji kompensacyjnych takie jak napięcie startu U o , start,

kompensacja poślizgu, są trudne do zrozumienia.

Jakkolwiek, obecnie bardziej zaawansowane technicznie przemienniki częstotliwości

automatycznie kontrolują te parametry kompensacyjne na podstawie częstotliwości,

napięcia i prądu silnika. Zwykle nastawy kompensacyjne mogą być także zmieniane

ręcznie.

100

R OZDZIAŁ 4 P RZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI I SILNIKI

4.1.2 Zależne i niezależne od obciążenia silnika parametry

kompensacji

Parametry kompensacyjne umożliwiają zapewnienie optymalnego

magnesowania i tym samym maksymalnego momentu, zarówno przy starcie silnika

jak i od małych do maksymalnie dopuszczalnych prędkości silnika. Napięcie

przemiennika otrzymuje odpowiednie napięcie dodatkowe, które efektywnie

kompensuje wpływ spadku napięcia na rezystancji uzwojeń przy niskich

częstotliwościach. Zależne od obciążenia parametry wpływające na wartość napięcia

dodatkowego napięcia kompensacji - start i kompensacja poślizgu, zależą od

dokładności pomiaru prądu obciążenia - składowej czynnej tego prądu. Parametr -

napicie startu, nie zależy od obciążenia i zapewnia optymalną wartość momentu w

zakresie małych prędkości silnika.

Silniki, które są znacznie mniejsze od wymaganych dla danego przemiennika

częstotliwości potrzebują ręcznego ustawienia napięcia startu dla zapewnienia

właściwego magnesowania w zakresie małych prędkości silnika - niskich

częstotliwości pracy przemiennika.

Jeśli kilka silników jest dołączonych do jednego przemiennika częstotliwości -

praca równoległa, funkcje kompensacji napięcia zależne od obciążenia powinny być

wyłączone. W przypadku stosowania przemienników częstotliwości najnowszych

generacji kompensacja napięcia, w typowych zastosowaniach, jest realizowana

automatycznie przez przemiennik częstotliwości.

4.1.3 Kompensacja poślizgu

Poślizg w silnikach asynchronicznych jest zależny od obciążenia i wynosi

około 5% prędkości nominalnej silnika. Stąd, dla dwubiegunowego silnika poślizg

będzie wynosić 150 obr./min.

Przy sterowaniu silnika przemiennikiem częstotliwości poślizg może wynosić

ok. 50% w zakresie małych obrotów np. 300 obr./min. (tj. 10% wartości nominalnej).

Jeśli przemiennik częstotliwości steruje pracą silnika w zakresie 5% wartości

nominalnej prędkości obrotowej przy pełnym obciążeniu, to silnik może nie ruszyć.

Poślizg nie jest zjawiskiem korzystnym, lecz może być w pełni skompensowany

przez przemiennik częstotliwości poprzez efektywny pomiar składowej czynnej prądu

na wyjściach fazowych - fazowych prądów silnika.

Kompensacja poślizgu jest realizowana przez odpowiednie zwiększenie

częstotliwości napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości. Ta metoda jest

nazywana czynną kompensacją poślizgu (ang. active slip compensation).

R OZDZIAŁ 4 P RZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI I SILNIKI

101

4.2 Charakterystyki momentu silnika

4.2.1 Ograniczenie prądowe

Jeśli przemiennik częstotliwości byłby zdolny do przesłania prądów

wielokrotnie większych od prądów znamionowych silnika, charakterystyki momentu

mogłyby przebiegać jak przedstawione na rys. 2.22.

Tak duże prądy, które mogłyby uszkodzić silnik lub elementy

energoelektroniczne przemiennika częstotliwości, nie są wymagane dla zapewnienia

normalnej pracy silnika. W konsekwencji przemiennik ogranicza prąd silnika przez

zmniejszanie napięcia i częstotliwości wyjściowej. Poziom ograniczenia prądowego

jest regulowany i gwarantuje, że silnik nie będzie pobierał zbyt dużego prądu przez

dłuższy czas, co mogłoby doprowadzić do jego uszkodzenia. Ponieważ przemiennik

częstotliwości steruje prędkością silnika niezależnie od obciążenia możliwe jest

zadanie różnych wartości poziomu ograniczeń prądowych (prądów granicznych) dla

różnych przedziałów prędkości obrotowych silnika.

Rys. 4.02 Charakterystyki momentu silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości mogą być

zawarte w zakresach zaznaczonych prostokątami.

Charakterystyki momentu silnika zawierają się w obszarze prądów

znamionowych przemiennika częstotliwości. Jednakże przewagą przemiennika

częstotliwości jest możliwość zwiększenia momentu silnika ponad jego moment

znamionowy, np. uzyskanie 160% wartości momentu znamionowego przez dłuższy

lub krótszy okres czasu. Jest także możliwe dla przemiennika częstotliwości

sterowanie pracą silnika przy prędkościach większych od jego prędkości

synchronicznej. Silnik może pracować przy prędkościach nadsynchronicznych w

zakresie ok. 200% nominalnych obrotów.

Przemiennik nie jest w stanie dostarczyć wyższego napięcia niż napięcie sieci,

z której jest zasilany, co prowadzi do zmniejszania się stosunku napięcia zasilania

silnika do częstotliwości przy przekraczaniu prędkości znamionowych. Wówczas pole

102

R OZDZIAŁ 4 P RZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI I SILNIKI

magnetyczne słabnie i moment wytwarzany na wale silnika zmniejsza się w stosunku

1/n.

Rys. 4.03 Moment silnika w I i II strefie regulacji (I - obszar prędkości podsynchronicznych, II - obszar

prędkości nadsynchronicznych).

Maksymalny prąd na wyjściu przemiennika częstotliwości pozostaje

niezmieniony (I s =const.). To prowadzi do utrzymania stałej mocy silnika w przedziale

prędkości od nominalnej do ok. 200% ponad prędkość nominalną.

Rys. 4.04 Przebieg mocy czynnej silnika w funkcji prędkości obrotowej.

Szybkość silnika może być wyrażona na trzema rożnymi sposobami:

•

w obrotach na minutę - rpm,

•

w hercach - Hz,

•

w procentach nominalnej prędkości silnika - %.

R OZDZIAŁ 4 P RZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI I SILNIKI

103

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: