Przemienniki cz stotliwo ci i silniki trójfazowe

Moment obrotowy

M

rozwijany przez silnik asynchroniczny jest proporcjonalny do

pr du

w

I

i strumienia

φ

:

w

I

M

×

φ

~

, gdzie

w

I

jest pr dem wirnika, a

φ

jest strumieniem

magnetycznym w szczelinie powietrznej silnika.

Do optymalizacji momentu obrotowego silnika, strumie magnetyczny (

f

V

~

φ

)

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

je li zmieniamy warto cz stotliwo ci, warto napi cia musi by zmieniona

proporcjonalnie, rys. 1.

Rys. 1. Sterowanie napi ciem w funkcji cz stotliwo ci - charakterystyka

const

f

U

=

.

Dla ci kich rozruchów np. w podno nikach rubowych, konieczna jest

optymalizacja momentu rozruchowego i wymuszenie dodatkowego napi cia

pocz tkowego

0

U

. W le dobranych warunkach zasilania silnik po prostu nie ruszy.

Kiedy silnik jest obci ony i pracuje w zakresie małych pr dko ci -

Hz

f 10

−

, wyst puje

du y spadek napi cia na rezystancji uzwoje stojana. W szczególno ci dotyczy to

małych silników. W konsekwencji ten spadek napi cia prowadzi do wyra nego

osłabienia strumienia

φ

w szczelinie powietrznej.

Aby utrzyma stały strumie silnika spadek napi cia na rezystancji uzwoje

silnika musi by kompensowany, a najprostszymi metodami realizuj cymi ten cel s :

• zwi kszenie napi cia wyj ciowego przemiennika cz stotliwo ci w zakresie małych

pr dko ci silnika przez wykorzystanie otwartej p tli sterowania.

• regulacja napi cia wyj ciowego przemiennika cz stotliwo ci poprzez wykorzystanie

oddziaływania na warto składowej czynnej pr du wyj ciowego przemiennika.

Ta kompensacja nazywana jest: kompensacj

R

I

×

, podbiciem napi cia (ang. boost),

zwi kszeniem momentu (ang. torque raising). Taki sposób oddziaływania na warto

napi cia wyj ciowego przemiennika cz stotliwo ci ma pewne ograniczenia wynikaj ce

z wyst puj cych zakłóce . Uniemo liwiaj one wła ciwe przeprowadzenie pomiarów

warto ci skutecznej napi cia wyj ciowego przemiennika, szczególnie przy szybkich

zmianach obci enia, np. w nap dach z wahadłowym obci eniem silnika rezystancja

uzwojenia fazowego waha si w granicach 25% mi dzy silnikiem ciepłym a zimnym.

Warto napi cia kompensacji powinna wtedy przyjmowa ró ne warto ci. Niewła ciwa

warto tego napi cia przy silniku nie obci onym mo e prowadzi do jego

przemagnesowania, a gdy silnik jest obci ony do zmniejszenia głównego strumienia. W

przypadku przemagnesowania silnika, nast pi przepływ składowej biernej pr du o

nadmiernej warto ci, co prowadzi do przegrzewania silnika. W przypadku doci enia

silnika przemagnesowanego b dzie rozwijał on mały moment z powodu osłabionego

strumienia głównego, co mo e spowodowa jego zatrzymanie.

Warunki pracy silnika

Kompensacja

W niektórych przypadkach trudno jest wła ciwie dostroi przemiennik

cz stotliwo ci do silnika, niektóre z funkcji kompensacyjnych takie jak napi cie startu

0

U

, start, kompensacja po lizgu, s trudne do zrozumienia.

Jakkolwiek, obecnie bardziej zaawansowane technicznie przemienniki

cz stotliwo ci automatycznie kontroluj te parametry kompensacyjne na podstawie

cz stotliwo ci, napi cia i pr du silnika. Zwykle nastawy kompensacyjne mog by tak e

zmieniane r cznie.

Zale ne i niezale ne od obci enia silnika parametry kompensacji

Parametry kompensacyjne umo liwiaj zapewnienie optymalnego magnesowania

i tym samym maksymalnego momentu, zarówno przy starcie silnika jak i od małych do

maksymalnie dopuszczalnych pr dko ci silnika. Napi cie przemiennika otrzymuje

odpowiednie napi cie dodatkowe, które efektywnie kompensuje wpływ spadku napi cia

na rezystancji uzwoje przy niskich cz stotliwo ciach. Zale ne od obci enia parametry

wpływaj ce na warto napi cia dodatkowego napi cia kompensacji - start

i kompensacja po lizgu, zale od dokładno ci pomiaru pr du obci enia - składowej

czynnej tego pr du. Parametr -napicie startu, nie zale y od obci enia i zapewnia

optymaln warto momentu w zakresie małych pr dko ci silnika.

Silniki, które s znacznie mniejsze od wymaganych dla danego przemiennika

cz stotliwo ci potrzebuj r cznego ustawienia napi cia startu dla zapewnienia

wła ciwego magnesowania w zakresie małych pr dko ci silnika – niskich cz stotliwo ci

pracy przemiennika.

Je li kilka silników jest doł czonych do jednego przemiennika cz stotliwo ci -

praca równoległa, funkcje kompensacji napi cia zale ne od obci enia powinny by

wył czone. W przypadku stosowania przemienników cz stotliwo ci najnowszych

generacji kompensacja napi cia, w typowych zastosowaniach, jest realizowana

automatycznie przez przemiennik cz stotliwo ci.

Kompensacja po lizgu

Po lizg w silnikach asynchronicznych jest zale ny od obci enia i wynosi około 5%

pr dko ci nominalnej silnika. St d, dla dwubiegunowego silnika po lizg b dzie wynosi

150 obr./min. Przy sterowaniu silnika przemiennikiem cz stotliwo ci po lizg mo e

wynosi ok. 50% w zakresie małych obrotów np. 300 obr./min. (tj. 10% warto ci

nominalnej).Je li przemiennik cz stotliwo ci steruje prac silnika w zakresie 5%

warto ci nominalnej pr dko ci obrotowej przy pełnym obci eniu, to silnik mo e nie

ruszy . Po lizg nie jest zjawiskiem korzystnym, lecz mo e by w pełni skompensowany

przez przemiennik cz stotliwo ci poprzez efektywny pomiar składowej czynnej pr du na

wyj ciach fazowych - fazowych pr dów silnika.

Kompensacja po lizgu jest realizowana przez odpowiednie zwi kszenie cz stotliwo ci

napi cia wyj ciowego przemiennika cz stotliwo ci. Ta metoda jest nazywana czynn

kompensacj po lizgu (ang. active slip compensation).

Charakterystyki momentu silnika

Ograniczenie pr dowe

Je li przemiennik cz stotliwo ci byłby zdolny do przesłania pr dów wielokrotnie

wi kszych od pr dów znamionowych silnika, charakterystyki momentu mogłyby

przebiega jak przedstawione na rysunku 2.

Rys. 2. Charakterystyki momentu silnika zasilanego z przemiennika cz stotliwo ci mog by

zawarte w zakresach zaznaczonych prostok tami.

Tak du e pr dy, które mogłyby uszkodzi silnik lub elementy energoelektroniczne

przemiennika cz stotliwo ci, nie s wymagane dla zapewnienia normalnej pracy silnika.

W konsekwencji przemiennik ogranicza pr d silnika przez zmniejszanie napi cia

i cz stotliwo ci wyj ciowej. Poziom ograniczenia pr dowego jest regulowany

i gwarantuje, e silnik nie b dzie pobierał zbyt du ego pr du przez dłu szy czas, co

mogłoby doprowadzi do jego uszkodzenia. Poniewa przemiennik cz stotliwo ci

steruje pr dko ci silnika niezale nie od obci enia mo liwe jest zadanie ró nych

warto ci poziomu ogranicze pr dowych (pr dów granicznych) dla ró nych przedziałów

pr dko ci obrotowych silnika.

Charakterystyki momentu silnika zawieraj si w obszarze pr dów znamionowych

przemiennika cz stotliwo ci. Jednak e przewag przemiennika cz stotliwo ci jest

mo liwo zwi kszenia momentu silnika ponad jego moment znamionowy,

np. uzyskanie 160% warto ci momentu znamionowego przez dłu szy lub krótszy okres

czasu. Jest tak e mo liwe dla przemiennika cz stotliwo ci sterowanie prac silnika przy

pr dko ciach wi kszych od jego pr dko ci synchronicznej. Silnik mo e pracowa przy

pr dko ciach nadsynchronicznych w zakresie ok. 200% nominalnych obrotów.

Przemiennik nie jest w stanie dostarczy wy szego napi cia ni napi cie sieci,

z której jest zasilany, co prowadzi do zmniejszania si stosunku napi cia zasilania

silnika do cz stotliwo ci przy przekraczaniu pr dko ci znamionowych. Wówczas pole

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

n

1

.

Rys. 3. Moment silnika w I i II strefie regulacji (I - obszar pr dko ci podsynchronicznych,

II – obszar pr dko ci nadsynchronicznych).

Maksymalny pr d na wyj ciu przemiennika cz stotliwo ci pozostaje niezmieniony

(

const

I

s

=

). To prowadzi do utrzymania stałej mocy silnika w przedziale pr dko ci od

nominalnej do ok. 200% ponad pr dko nominaln .

Rys. 4. Przebieg mocy czynnej silnika w funkcji pr dko ci obrotowej.

Szybko silnika mo e by wyra ona na trzema ro nymi sposobami:

• w obrotach na minut - rpm,

• w hercach - Hz,

•

w procentach nominalnej pr dko ci silnika - %.

Punktem odniesienia jest zawsze pr dko nominalna przy nominalnej

cz stotliwo ci.

Rys. 5. Przedstawienie opisu pr dko ci silnika (tutaj dla silnika dwubiegunowego).

Zmiana stosunku napi cia do cz stotliwo ci ma wpływ na przebieg

charakterystyk momentu obrotowego silnika. Na rysunkach poni ej pokazany jest

przebieg charakterystyk momentu w zale no ci od stosunku

f

U

, zmniejszenie

stosunku z warto ci

Hz

V

0

.

8

na

Hz

V

7

.

6

powoduje zmniejszenie warto ci momentu.

Rys. 6. Przebieg momentu przy ró nych stosunkach U/f.

Wymagania stawiane zaawansowanym cyfrowym przemiennikom

cz stotliwo ci

Rozwój energoelektroniki, technologii mikroprocesorowej oraz układów scalonych

odegrały ogromn rol w rozwoju nowoczesnych przemienników cz stotliwo ci,

a w szczególno ci opartych na układach cyfrowych, które cechuj si wi ksz

szybko ci i dokładno ci przetwarzania danych.

Dodatkowymi atutami cyfrowych urz dze stosowanych w nap dach s :

• polepszenie powtarzalno ci i stabilno parametrów sterowania,

• łatwiejsze sterowanie układami pomiarowymi,

• elastyczno urz dze w zastosowaniach do nietypowych aplikacji,

• precyzyjniejsze sterowanie, tak e z wi kszych odległo ci np.: ł cza modemowe

RS485, itp.

Stare analogowe przemienniki cz stotliwo ci posiadały analogowe podzespoły

regulacyjne: potencjometry, elementy bierne, których parametry zmieniały si wraz ze

zmian temperatury i co stwarzało dodatkowo szereg problemów z cz ciami

zamiennymi. Natomiast w przemiennikach cyfrowych jest to, e wszystkie parametry

sterowania mog by zapisane w pami ci EEPROM.

Mikroprocesor pozwala na łatw realizacj takich funkcji jak: czynna kontrola

przemiennika, przeł czanie mi dzy zestawami wprowadzanych danych, itp. Nawet

kompletne procedury programowe - sterowania procesami i inne w pełni inteligentne

procedury dla nietypowych nap dów silników mog by zawarte w układzie sterowania

przemiennika cz stotliwo ci. Produkowane dzisiaj przemienniki cz stotliwo ci do

nap dów silników pr du przemiennego - AC charakteryzuj si odpowiednio du

dynamik pracy dla szerokiego zakresu regulacji pr dko ci i s stosowane

w aplikacjach, gdzie poprzednio jedynie mo na było stosowa przekształtniki napi cia

stałego - DC i silniki pr du stałego. Wymagania nap dów w nowych obszarach aplikacji

spowodowały porzucenie techniki sterowania przemienników wg metody

f

U

i wprowadzone zostały do przemienników metody sterowania napi ciem silnika wg

wektora napi cia zorientowanego polowo (ang. Field Oriented Vector Control).

Dobór przemiennika cz stotliwo ci

Kiedy decydujemy o rodzaju przemiennika cz stotliwo ci, pierwszym krokiem jest

rozwa enie przebiegu charakterystyki obci enia silnika funkcji pr dko ci. Mo emy

wyró ni cztery metody wyznaczania wymaganych osi gów wyj ciowych przemiennika

cz stotliwo ci, wybór metody zale y od danych silnika.

Rodzaje charakterystyk obci enia

Zanim zdecydujemy si na okre lenie rodzaju przemiennika cz stotliwo ci, nale y

rozwa y , która z dwóch najcz ciej wyst puj cych charakterystyk obci enia jest

w danym przypadku, rysunku 7.

Rys. 7. Stałe i zmienne w kwadracie do pr dko ci obci enie momentem roboczym silnika.

Przesłanki dla odró nienia charakterystyk obci enia s nast puj ce:

kiedy pr dko pomp od rodkowych i wentylatorów wzrasta, moc równie

wzrasta proporcjonalnie do pr dko ci w trzeciej pot dze

)

(

3

n

f

P

=

,

podczas normalnej pracy pomp od rodkowych i wentylatorów pr dko jest

regulowana w zakresie

%

90

50

−

pr dko ci znamionowej. Obci enie wzrasta

w kwadracie pr dko ci obrotowej silnika i mo e przykładowo kształtowa si na

poziomie

%

80

30

−

.

Te dwa czynniki s uwzgl dniane w charakterystykach momentu przemiennika

cz stotliwo ci przy sterowaniu silnika.

Rysunki 8 i 9 pokazuj przebieg charakterystyk momentu dla dwóch ro nych pod

wzgl dem mocy przemienników cz stotliwo ci - jeden z nich ma moc mniejsz od mocy

nominalnej silnika. Oba przemienniki obci one s tym samym momentem, typowym dla

pomp od rodkowych.

Rys. 8. Du y przemiennik cz stotliwo ci - moc i pr dy dobrane do warto ci nominalnych silnika.

Rys. 9. Mniejszy przemiennik cz stotliwo ci - moc i pr dy mniejsze od warto ci nominalnych silnika.

Na rysunku 8 mo emy zauwa y , e całkowity obszar pracy pompy (

%

100

0

−

)

le y w granicach warto ci silnika. Poniewa obszar normalnej pracy pompy do tego

przypadku wynosi

%

80

30

−

pr dko ci znamionowej, dlatego przemiennik cz stotliwo ci

o mniejszej mocy mo e by tu tak e zastosowany.

Je eli obci enie silnika jest stale, silnik musi by zdolny do wytworzenia

wi kszego momentu ni moment obci aj cy. Nadwy ka momentu zu ywana jest do

zapewnienia odpowiedniego rozp dzania (przyspieszania) wału silnika.

Moment nadmiarowy o warto ci ok.

%

60

wytwarzany przez przemiennik

cz stotliwo ci przez krótki okres czasu, jest wystarczaj cy dla zapewnienia

odpowiedniego przyspieszenia silnika i uzyskania du ego momentu rozruchowego;

np. w nap dzie ta moci gu. Mo liwo przeci enia przemiennika zapewnia, e system

jest zdolny radzi sobie z nagłym chwilowym wzrostem obci enia. Przemiennik

cz stotliwo ci nie dopuszcza, aby jakiekolwiek przeci enie momentem M

B

wykraczało

poza granice zało one granice, np. okre lone parametrami znamionowymi

przemiennika, rysunek 10.

Rys. 10. Nadmiarowy moment rozruchowy silnika jest wykorzystywany dla zapewnienia

odpowiedniego przy pieszenia.

Mo liwo przeci enia gwarantuje, e system jest zdolny radzi sobie z nagł

zmian obci enia.

Kiedy charakterystyki obci enia maszyny roboczej s znane – przebieg

momentu obci enia w funkcji pr dko ci silnika, wtedy o doborze typu przemiennika

cz stotliwo ci decyduj 4 ro ne zestawy danych technicznych silnika.

1. Typ przemiennika cz stotliwo ci mo e zosta szybko i dokładnie wybrany na

podstawie pr du I

M

, który pobiera silnik. Je eli silnik nie jest w pełni obci ony,

pr d silnika mo e zosta zmierzony w podobnym nap dzie pracuj cym przy

pełnej wydajno ci.

Rys. 11. Wybór przemiennika cz stotliwo ci na podstawie nominalnego pr du silnika.

2. Przemiennik cz stotliwo ci mo na dobiera na podstawie mocy pozornej

M

S

pobieranej przez silnik i dostarczanej z przemiennika cz stotliwo ci.

Rys. 12. Wybór przemiennika cz stotliwo ci bazuj cy na warto ci mocy pozornej

M

S

.

3. Przemiennik mo e by równie dobierany wg mocy czynnej

M

P

wytwarzanej

przez silnik. Jednak e, poniewa

ϕ

cos

i sprawno

η

silnika zmieniaj si wraz

z obci eniem, to ta metoda jest nieprecyzyjna.

Rys. 13. Wybór przemiennika cz stotliwo ci w zale no ci od mocy czynnej na wale silnika.

4. Z praktycznych przyczyn moc znamionowa wi kszo ci przemienników jest

specyfikowana dla standardowych serii - typoszeregu silników asynchronicznych.

W wyniku tego przemienniki cz sto s dobierane na tej podstawie, ale mo e to

prowadzi do nie precyzyjnego dopasowania, w szczególno ci je eli silnik jest

przeznaczony do pracy z nie pełnym obci eniem.

Rys. 14. Wybór przemiennika na podstawie na podstawie standardowych serii silników.

Rozpływ pr du w przemienniku cz stotliwo ci. Współczynnik mocy

silnika

ϕ

cos

Pr d magnesuj cy silnika jest przesyłany z kondensatora obwodu po redniego

przemiennika cz stotliwo ci. Pr d magnesuj cy jest pr dem biernym płyn cym mi dzy

kondensatorem i silnikiem, rys. 15.

Rys. 15. Pr dy w przemienniku cz stotliwo ci.

Tylko pr d czynny

w

I

jest pobierany bezpo rednio z sieci zasilaj cej. Dlatego

pr d wyj ciowy przemiennika jest zawsze wi kszy ni jego pr d na wej ciu zasilania.

Dodatkowo cz

pr du czynnego

SS

I

I

0

pobierana z transformatora sieci zasilania

powoduje straty wydzielane w sieci zasilaj cej, co mo na wyra nie zaobserwowa

w czasie pracy przemiennika cz stotliwo ci bez obci enia.

Producenci silników normalnie okre laj

ϕ

cos

przy pr dzie nominalnym. Przy

ni szej warto ci

ϕ

cos

- np. dla silnika reluktancyjnego, nominalny pr d silnika – przy tej

samej mocy i nominalnym napi ciu – b dzie wi kszy, jak pokazuje poni sze równanie:

ϕ

cos

w

s

I

I

=

Je eli przemiennik został dobrany zgodnie z kryterium pr dowym - metoda 1,

wtedy nie b dzie mo liwa adna redukcja nominalnego momentu obrotowego.

Kondensator doł czony do zacisków uzwoje silnika zapewnienia odpowiedniego pr du

biernego kompensacji musi by usuni ty. Wysoka cz stotliwo przeł czania zaworów

mocy falownika przemiennika cz stotliwo ci powoduje, składowej przemiennej pr du na

kondensatorze obwodu po redniego, prowadzi to do znacznego wzrostu pr du upływu

w obwodzie po rednim. Przemiennik b dzie traktował to jako zwarcie doziemne lub

zwarcie mi dzyfazowe zasilania i wył czy si .

Sterowanie pr dko ci obrotow silnika

Cz stotliwo na wyj ciu przemiennika cz stotliwo ci, a wiec pr dko obrotowa

silnika jest sterowana przez jeden lub wi cej sygnałów: 0-10V; 4-20mA albo napi cie

pulsacyjne, - okre lanych jako sygnały referencyjne pr dko ci. Je eli warto sygnału

referencji wzrasta, pr dko silnika tak e si zwi ksza i pionowa cz

charakterystyki

momentu obrotowego silnika jest przesuwana w prawo rys. 16.

Rys.16. Zale no pomi dzy sygnałem zadawania pr dko ci i charakterystyk momentu silnika

obrotowego silnika.

Gdy moment obci aj cy jest mniejszy ni maksymalny moment nap dowy

silnika, pr dko silnika osi gnie zadan warto . Jak pokazano na rysunku 17

charakterystyka momentu obci enia przecina charakterystyk momentu nap dowego

silnika w pionowej cz ci - punkt A. Je eli przeci cie znajduje si w poziomej cz ci -

punkt B, pr dko silnika nie mo e osi gn wymaganej dla pracy ci głej zadanej

warto ci. Przemiennik umo liwia przekroczenie - przez krótki czas, uderzenia

pr dowego, tj. pr du wi kszego ni zadana maksymalna warto pr du ci głego, bez

zatrzymania nap du - punkt C, ale trzeba pami ta o ograniczeniu czasu jego trwania.

Rys. 17. Pr d silnika mo e przez krótki czas przekroczy dopuszczaln warto okre lon

nastawami przemiennika cz stotliwo ci.

Minimalne czasy zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika

Czas zwi kszania pr dko ci, rozruchu silnika (ang. ramp up time, acceleration

time) okre la, kiedy nast pi osi gni cie maksymalnej pr dko ci silnika od chwili jego

startu. Czas ten oznaczany jest jako

acc

t

i bazuje zwykle na cz stotliwo ci nominalnej

silnika, np.

sek

t

acc

5

=

., co oznacza, e przemiennik osi gnie po 5 sekundach

cz stotliwo synchroniczn pracy silnika od

Hz

0

do

Hz

50

.

Rys. 18. Minimalne czasy przyspieszania i zwalniania pr dko ci obrotowej silnika.

Czas zmniejszania pr dko ci (ang. ramp down time, deceleranion time) -

hamowania silnika, wskazuje jak szybko silnik od pr dko ci nominalnej mo e osi gn

pr dko zerow . Oznaczany jest jako

dec

t

.Mo liwe jest bezpo rednie przej cie od

przyspieszania do hamowania, poniewa obroty silnika zawsze uzale nione s od

cz stotliwo ci napi cia na wyj ciach mocy falownika przemiennika cz stotliwo ci. Je eli

moment bezwładno ci wału silnika jest znany, optymalne czasy przyspieszania

i hamowania mog by obliczone wg równa :

gdzie: J - moment bezwładno ci wału silnika,

fric

T

- moment oporów tarcia układu,

acc

T

- moment przyspieszaj cy,

dec

T

- moment hamuj cy, który wyst puje, gdy

pr dko zadana – referencyjna jest redukowana,

1

n

i

2

n

pr dko ci przy

cz stotliwo ci

1

f

i

2

f

.

Je li przemiennik cz stotliwo ci na pewien krótki czas zostanie przeci ony,

wtedy momenty silnika w czasie przyspieszania i zmniejszania jego pr dko ci obrotowej

d

do warto ci znamionowej. W praktyce czasy przyspieszania i hamowania s

identyczne.

Hamowanie dynamiczne

Kiedy pr dko jest zmniejszana silnik pracuje jako generator i hamuje.

Efektywno hamowania zale y od zastosowanej metody hamowania, wielko ci

i rodzaju obci enia silnika. Dla przykładu, przy hamowaniu maszyn synchroniczn

silnika obci onego du mas bezwładn : wirówki, młyny kulowe, du a ilo energii

jest przekazywana przez silnik do sieci zasilania.

Silniki podł czone bezpo rednio do sieci zasilaj cej dostarczaj moc hamuj c

(odzyskow ) bezpo rednio do niej.

Je eli silnik jest sterowany przez przemiennik cz stotliwo ci, moc wytworzona

przez silnik w czasie hamowania jest dostarczana i gromadzona w obwodzie po rednim

DC przemiennika. Gdy moc hamuj ca (odzyskowa) przewy sza straty mocy

w przemienniku, napi cie stałe kondensatorów w obwodzie po rednim wzrasta.

Napi cie w obwodzie po rednim mo e wzrasta do czasu, a nast pi

zatrzymanie pracy przemiennika wskutek zadziałania układów zabezpieczaj cych,

czasami jest konieczne umieszczenie modułu obci enia obwodu po redniego

przemiennika, nazywanego modułem hamuj cym i rezystora zewn trznego do

absorbowania mocy wytworzonej podczas hamowania. U ycie modułu hamowania

i rezystora hamuj cego umo liwia szybkie hamowanie układów z du ym obci eniem,

rys 19. Jednak e mo e to spowodowa problemy z odprowadzaniem ciepła. Alternatyw

jest jednostka hamuj ca umo liwiaj ca przekazywanie energii do sieci zasilania.

Rekuperacja energii do sieci zasilaj cej w przemiennikach z niesterowanym

prostownikiem jest mo liwa jedynie, poprzez moduły hamowania odzyskowego

współpracuj ce z obwodem po rednim przemiennika, które przetwarzaj napi cie stałe

na przemienne o parametrach sieci zasilania. Przykładowo moc hamowania mo e by

przesyłana do sieci - rysunek 20, np. przez dodatkowy falownik w przeciw równoległym

poł czeniu do niesterowanego lub sterowanego prostownika.

Rys.19. Układ hamowania rezystancyjnego silnika: moduł hamuj cy (przerywacz pr du - ang.

chopper) i rezystor.

Rys. 20. Układ hamowania odzyskowego: falownik przeciw równolegle doł czony do

sterowanego prostownika przemiennika cz stotliwo ci.

Innym rodzajem hamowania jest hamowanie pr dem stałym (ang. DC brake).

Polega ono na przył czeniu pomi dzy dwie fazy pracuj cego silnika napi cia stałego,

które wytwarza w uzwojeniach silnika stałe pole magnetyczne w stojanie. Moc

hamowania wydziela si w postaci ciepła w silniku, dlatego mo liwe jest jego

przegrzanie. Aby do tego nie dopu ci zaleca si stosowanie tego hamowania

w zakresie mniejszych pr dko ci wówczas pr d silnika nie b dzie przekraczał jego

warto ci. Podstawowym ograniczeniem hamowania pr dem stałym jest przede

wszystkim warto stałego napi cia hamowania i czas hamowania.

Zmiana kierunku wirowania

Kierunek wirowania w silnikach asynchronicznych jest okre lony przez kolejno

doł czonych faz napi cia zasilania. Je eli dwie fazy zostan mi dzy sob zamienione

zmieni si kierunek wirowania wału silnika. Wi kszo silników jest produkowana tak, e

wał obraca si zgodnie ze wskazówkami zegarka, je eli jest poł czony według

nast puj cego schematu:

Rys. 21. Zmiana kierunków obrotów przez zmian kolejno ci faz: kierunek normalny - kierunek

rewersyjny.

Kolejno faz na wyj ciach mocy przemiennika cz stotliwo ci jest wła ciwa dla

pracy w normalnym kierunku wirowania wału silnika niezale nie od kolejno ci faz

napi cia zasilania.

Przy współpracy przemiennika z silnikiem przemiennik mo e programowo –

w sposób elektroniczny, dokonywa zmiany kolejno ci faz zasilania silnika. Zmiana

kierunku jest realizowana przez zadanie sygnału referencji o przeciwnej polaryzacji lub

cyfrowy sygnał wej ciowy. Je eli od silnika wymagany jest okre lony kierunek wirowania

wału silnika przy pierwszym rozruchu, wtedy wa na jest informacja o nastawach

fabrycznych przemiennika. Poniewa przemiennik cz stotliwo ci ogranicza pr d silnika

do ustalonej - zwykle nominalnej warto ci, dlatego zmiana kierunku wirowania wału

mo e by realizowana o wiele cz ciej ni w silniku zasilanym bezpo rednio do sieci.

Rys. 22. Moment hamuj cy przemiennika podczas zmiany kierunku obrotów.

Czasy rozruchu i hamowania silnika

Wszystkie przemienniki maj funkcje programowania warto ci czasów rozruchu

i hamowania, zapewniaj ce łagodne warunki pracy układu nap dowego. Czasy te s

zadawane i gwarantuj , e szybko wirowania wału silnika wzrasta lub maleje wg

ustalonej wst pnie warto ci.

Rys. 23. Ustawiany przez u ytkownika czas zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika.

Je eli zadane czasy zmian pr dko ci silnika s zbyt małe, wtedy w pewnych

sytuacjach silnik nie b dzie nad ał ze zmian pr dko ci. Prowadzi to do wzrostu pr du

silnika a do osi gni cia jego warto ci granicznej. W przypadku zbyt krótkiego czasu

zmniejszania pr dko ci (ang. rampdown time) t

-rd

, napi cie stałe w obwodzie po rednim

mo e wzrosn do takiego poziomu, e zadziała obwód ochronny przemiennika

i zostanie on wył czony. Optymalny czas zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika

mo e by obliczany na podstawie poni szych wzorów:

gdzie: t

ramp-up

- czas rozp dzania wału silnika od warto ci zero do warto ci znamionowej,

t

ramp-down

- czas zwalniania pr dko ci wału silnika od pr dko ci znamionowej do zera,

n

N

- obroty znamionowe w obr./min,

T

N

- moment znamionowy,

T

fric

- moment oporów tarcia układu,

J - moment bezwładno ci układu nap dowego.

Czasy narastania s zwykle wyznaczane na podstawie nominalnej pr dko ci silnika

Rys. 24. Sposób wyznaczania czasów zwi kszania i zmniejszania pr dko ci wału silnika.

Monitorowanie nap du

Przemienniki mog monitorowa sterowany nap d i interweniowa w przypadku

wyst pienia zakłóce . To monitorowanie mo e dotyczy trzech obszarów zagadnie :

urz dzenia produkcyjnego, silnika i przemiennika cz stotliwo ci.

Monitorowania urz dzenia produkcyjnego opiera si na informacji o warto ciach:

cz stotliwo ci wyj ciowej, pr du i momentu obci enia silnika.

Pewna grupa tych parametrów granicznych mo e zosta zapisana i je eli zostan

one przekroczone zadziała funkcja kontroli przemiennika. Bazuj c na tych wielko ciach

mog by ustawione okre lone ich ograniczenia i ich przekroczenie spowoduje

okre lon reakcj układu sterowania przemiennika.

Te granice mog dotyczy dopuszczalnych minimalnych pr dko ci silnika,

dopuszczalnego maksymalnego pr du silnika lub dopuszczalnego momentu obci enia.

Je li warto ci graniczne zostan przekroczone przemiennik mo e, np.: by

zaprogramowany na wysłanie sygnału ostrzegawczego, zmniejszenie pr dko ci

obrotowej silnika lub zatrzymanie go - tak szybko jak to mo liwe.

Wpływ obci enia na nagrzewanie si silnika

Gdy silnik jest poł czony z przemiennikiem cz stotliwo ci to w czasie jego pracy

musi by utrzymywana wła ciwa temperatura, a wpływ na to maj czynniki:

• je li nast puje spadek pr dko ci silnika, to jest słabsza wentylacja uzwoje ,

• je li wyst pi niesinusoidalny pr d silnika, to spowoduje wytworzenie zwi kszonej

temperatury uzwoje .

Przy niskich obrotach silnika jego wentylator nie jest zdolny zapewni

wystarczaj cej ilo ci powietrza do odbioru ciepła. Ten problem powstaje, je eli moment

obci enia jest stały w całym obszarze regulacji pr dko ci silnika. Ta zmieszona

wentylacja decyduje o dopuszczalnej warto ci stało momentowego obci enia silnika.

Je eli silnik pracuje w obszarze regulacji pr dko ci ze 100% momentem obci enia

i jego pr dko obrotowa jest mniejsza od połowy jego pr dko ci nominalnej, wtedy

silnik potrzebuje dodatkowego powietrza dla zapewnienia wła ciwego chłodzenia, szary

obszar na rys. 25).

Alternatywnie stopie obci enia silnika mo e by zmniejszony przez dobranie

wi kszego silnika. Jednak e nale y zwróci uwag na to, e nie mo e by dobrany za

du y silnik do danego przemiennika.

Rys. 25. Obszary zapotrzebowania na wymuszone chłodzenie dla silnika dopasowanego

i przewymiarowanego w stosunku do obci enia:

wykres 1 - silnik o mocy nominalnej np. 15kW,

wykres 2 - silnik przewymiarowany np. 22kW.

Je eli pr d silnika nie jest sinusoidalny, to nie mo e on by obci any w 100% przez

cały czas pracy, poniewa wy sze harmoniczne pr du powoduj zwi kszone straty i tym

samym zwi kszan temperatur silnika.

Rys. 26. Pr d niesinusoidalny silnika powoduje powstawanie dodatkowych strat.

Sprawno urz dze układu nap dowego

Sprawno jest definiowana jako stosunek czynnej mocy oddanej

2

P

do czynnej

mocy pobranej

1

P

:

1

2

P

P

=

η

.

Ró nica miedzy P

1

i P

2

jest definiowana jako moc strat

v

P

, np. jest to moc

wydzielana w postaci ciepła w danym urz dzeniu.

Rys. 27. Moc czynna dostarczona, moc strat i moc czynna oddana - sprawno .

Sprawno mo e by oddzielnie wyznaczona dla przemiennika cz stotliwo ci

i silnika oraz dla układu nap dowego: przemiennik - silnik (sprawno systemu).
Sprawno przemiennika:

1

2

P

P

, Sprawno silnika:

2

3

P

P

, Sprawno systemu:

1

3

P

P

. Na

poni szych wykresach przedstawiono do wiadczalnie wyznaczone charakterystyki

sprawno ci urz dze układu nap dowego.

Rys. 28. Sprawno przemiennika cz stotliwo ci przy obci eniu 100%(A) i 25%(B) obci eniu.

Rys. 29. Sprawno typowego silnika zasilanego z przemiennika cz stotliwo ci przy obci eniu

100%(A) i 25%(B).

Wykresy pokazuj ze sprawno silnika ma bardzo podstawowy wpływ na

sprawno systemu. Sprawno przemiennika cz stotliwo ci jest wysoka dla du ych

i małych poziomów obci enia w całym zakresie regulacji pr dko ci silnika. Mo na te

zauwa y , e sprawno ci s najni sze przy małych pr dko ciach. Jednak e to nie

znaczy, e całkowite straty s najwi ksze przy tych pr dko ciach.

Rys. 30. Sprawno całego układu nap dowego: przemiennik – silnik

przy obci eniu 100%(A) i 25%(B)

Dane i obliczenia do rysunku 30.

1.

min

/

800 obr

n

=

,

W

P

9628

3

=

,

%

3

,

77

=

η

.

W

P

P

4

,

12455

3

1

=

=

η

,

W

P

P

P

v

4

,

2827

2

1

=

−

=

.

2.

min

/

500 obr

n

=

,

W

P

1500

3

=

,

%

70

=

η

,

W

P

P

2143

3

1

=

=

η

,

W

P

P

P

v

643

2

1

=

−

=

Wysoka sprawno przemienników cz stotliwo ci daje wiele korzy ci:

wi ksza sprawno powoduje mniejsze straty cieplne systemu, które musz by

usuni te z instalacji. Jest to wa ne, gdy przemiennik jest zintegrowany z panelem

sterowania,

mniejsze straty cieplne wyst puj w półprzewodnikowych zaworach mocy

falownika i dławikach przemiennika cz stotliwo ci co wpływa na zmniejszenie

zu ywania si tych elementów - zwi ksza si ich ywotno , a przez to jest

dłu szy okres bezawaryjnego u ytkowania przemiennika,

wy sza sprawno to ni sze zu ycie energii.