NAPĘD

ELEKTRYCZNY

Teresa Orłowska-Kowalska,

prof. dr hab. inż.

Zakład Napędów Elektrycznych

www.imne.pwr.wroc.pl/zne

godz. konsultacji: wt.11-13,

czw.11-13

WYKŁAD 14

Metody regulacji

prędkości SI.

Częstotliwościowe

sterowanie prędkością

silnika indukcyjnego

Metody regulacji

prędkości SI

Metody regulacji prędkości wynikają z

zależności:

1. – przez zmianę częstotliwości napięcia

zasilającego;

2. – przez zmianę poślizgu;
3. – przez zmianę liczby par biegunów.









s

p

f

s

b

s

s













1

π

2

1

1

2

3

Regulacja

częstotliwościowa

Regulacja prędkości SI
poprzez zmianę częstotliwości
napięcia zasilającego jest
najbardziej efektywna.
Przy czym – równocześnie ze
zmianą f

s

musi zachodzić

jednoczesna regulacja

amplitudy napięcia lub prądu
stojana

zasilającego silnik.

Regulacja

częstotliwościowa

Napędy z SI spełniają takie same
wymagania, jak napędy z SPS, ale
przewyższają SPS-y:
-niezawodnością,

-gabarytami,

-odpornością na warunki pracy,

- niższą ceną,

- przy sterowaniu
częstotliwościowym umożliwiają
rozszerzenie zakresu regulacji
prędkości kątowej w stopniu
niemożliwym do uzyskania w
napędach z SPS.

Regulacja

częstotliwościowa

Realizację sterowania
częstotliwościowego silników
klatkowych umożliwiają

statyczne przemienniki
częstotliwości:
- przemienniki bezpośrednie
tzw. cyklokonwertory,
- przemienniki pośrednie

Regulacja

częstotliwościowa

Przemienniki pośrednie dzielą
się (ze względu na budowę)
na:

- PCz z falownikiem prądu

i

regulowanym prądem obwodu
pośredniego,

- PCZ z falownikiem napięcia i
regulowanym napięciem obwodu
pośredniego,
- PCz z falownikiem napięcia z
modulacją szerokości impulsów
wyjściowych MSI i stałą wartością
napięcia obwodu pośredniego

Przemienniki pośrednie -

przykład

Rys. 1. Schemat blokowy FN z

modulacją szerokości impulsów

(MSI)

~

P

3

2

1

L

L

L

~

F

M

~

L

C

Regulacja

częstotliwościowa

Podstawą regulacji
częstotliwościowej jest
utrzymanie

stałej wartość

przeciążalności momentem

silnika w całym zakresie ,
a także

ograniczenie strat

poślizgowych.

Uzyskuje się to przez

utrzymanie stałej wartości
strumienia stojana lub wirnika.

Podział metod regulacji

częstotliwościowej

1. Metody

skalarne

–

polegające na

kształtowaniu

amplitud

sygnałów sterujących ;

2. Metody

wektorowe

-

polegające na kształtowaniu

amplitud

i

położeń

kątowych

(wektorów)

sygnałów sterujących

Sterowanie

częstotliwościowe

skalarne

Sterowanie skalarne można
zrealizować w dwojaki
sposób:

1      - poprzez sterowanie

amplitudą i częstotliwością

napięcia stojana

;

2      - poprzez sterowanie

amplitudą prądu stojana i

częstotliwością wirnika

f

r

=sf

s

.

Sterowanie

częstotliwościowe

skalarne

Sterowanie takie,

przy

zachowaniu stałości
strumienia skojarzonego
stojana

, zapewnia

liniowość

części roboczej
charakterystyk
elektromechanicznych,
silnika niezależnie od
częstotliwości zasilania
stojana f

s

.

Metoda skalarna U=f(



s

)

Poślizg s

k

i moment krytyczny

M

k

SI -uproszczone – ( R

s

=0;

dla P

N

> 10 kW):



0s

= 2



f

s

– pulsacja synchroniczna

stojana





'

0

'

'

r

s

s

r

r

s

r

k

L

L

R

X

X

R

s

































'

2

0

2

0

2

2

3

2

3

r

s

s

s

r

s

s

s

k

L

L

pU

X

X

pU

M























Metoda skalarna U=f(



s

)

Z zależności tych wynika, że:
-poślizg krytyczny silnika
indukcyjnego przy regulacji
częstotliwościowej zmienia się
odwrotnie proporcjonalnie do
częstotliwości;
-wartość momentu
krytycznego zależy od
kwadratu stosunku (U

s

/ f

s

)

2

.

Metoda skalarna U=f(



s

)

A więc,

jeżeli pominie się rezystancję

uzwojeń stojana R

s

,

to

proporcjonalna (U

s

/ f

s

=const )

regulacja napięcia zasilającego i
częstotliwości zapewni

stałość

momentu krytycznego silnika M

k

!

W rzeczywistości jednak

wpływ rezystancji uzwojeń
stojana powoduje, że
strumień, a więc i moment
krytyczny M

k

maleje wraz ze

zmniejszaniem częstotliwości

napięcia zasilającego !

Wpływ R

s

na stumień i

moment SI przy

sterowaniu U/f

s

=const

Schemat
zastępczy
silnika dla
pierwszej
harmonicz
nej
napięcia
zasilające
go:

s

R

s

X



s

R

r

'

s

I

'

r

I

m

I

m

X

'

r

X



s

U





s

s

s

s

s

jX

R

I

E

U









s

sN

s

s

s

s

s

s

c

c

E















0



s

–względna

pulsacja

synchroniczna

stojana



sN

– znamionowa

pulsacja syn.

stojana

Metoda skalarna U=f(



s

)

Reaktancja rozproszenia uzwojenia stojana
dla dowolnej częstotliwości:

Po podstawieniu do Es otrzymuje się
zależność na strumień:

przy danym prądzie stojana

strumień

określony jest przez stosunek napięcia do
jego aktualnej częstotliwości,

ale zależy

również od spadku napięcia na R

s

!

sN

s

s

sN

s

s

s

s

X

L

L

X























0





s

sN

s

sN

L

X

X

sN



































sN

s

s

s

s

s

s

sN

e

s

X

I

j

R

I

U

c









1

Metoda skalarna U=f(



s

)

W zakresie niskich prędkości
kątowych, a więc niskich
częstotliwości,

udział tego spadku

napięcia będzie rósł i powodował
obniżenie wartości strumienia stojana,
a tym samym momentu krytycznego
silnika

:



















































2

2

2

2

2

2

2

0

2

2

3

2

3

rN

sN

s

s

s

s

s

s

sN

r

s

s

s

s

s

k

X

X

R

R

U

p

X

X

R

R

pU

M



















Rys.3. Charakterystyki

mechaniczne silnika klatkowego

zasilanego z falownika napięcia

przy zachowaniu U

s

/f

s

= const

Metoda skalarna U=f(



s

)

Aby uzyskać

stałość momentu

krytycznego SI

w całym zakresie

regulacji częstotliwościowej,
należy tak regulować wartość
napięcia zasilającego uzwojenie
silnika, aby

uzyskać stałość

strumienia skojarzonego w
silniku.

 
W tym celu, przy niskich
prędkościach obrotowych,

konieczna jest korekcja napięcia
stojana o wartość spadku
napięcia na rezystancji R

s

.

s

U



Rys.4 Charakterystyki sterowania przy stałej

wartości strumienia skojarzonego dla

różnych wartości poślizgu s (a)

i odpowiadające im charakterystyki

mechaniczne (b)

0

,1

SN

S

U

U

24

,0





s

24

,0



s

0



s

SN

S

f

f

0

,1



0

5

,0

5

,0



KN

M

M

SN

f

75

,0

SN

f

SN

f

5,

0

SN

f

25

,0

N

0



01



02



03





b)

a)

Metoda skalarna U=f(



s

)

Struktura sterowania u

s

=f(ω

s

,ω

r

)

w otwartym (linia

przerywana – czerw.)

i zamkniętym (linia ciągła) układzie regulacji prędkości SI

Zalety i wady metody U = f(



s

)

•

niezwykle prosta struktura sterowania

• brak kontroli momentu rozwijanego
przez silnik w stanach przejściowych
• brak odsprzężenia dynamicznego między
strumieniem i momentem
• długie, nie kontrolowane stany
przejściowe oraz skłonność do słabo
tłumionych oscylacji momentu i prędkości
•nie w pełni wykorzystane możliwości
dynamiczne silnika i przemiennika
częstotliwości

Wad tych nie posiadają METODY
WEKTOROWE

Metody wektorowe

1.

Metoda polowo-

zorientowana -

polega na

niezależnym sterowaniu
składowymi wektora prądu
stojana zorientowanymi
względem pola SI tak, aby
strumień zachowywał stałą
amplitudę i położenie
względem wektora prądu;
2.

Metoda bezpośredniego

sterowania momentem

silnika

(tzw. sterowanie DTC).

Metody wektorowe

Metody: polowo-
zorientowana i DTC -
doskonałe właściwości
dynamiczne
- stosowane są w napędach
indywidualnych stawiających
wysokie wymagania
dotyczące dynamiki
procesów przejściowych w
układach napędowych.

Zalety sterowania

częstotliwościowego SI

• Płynna regulacja prędkości kątowej
• Szeroki zakres regulacji
• Liniowość charakterystyk mechanicznych
• Możliwość sterowania prędkością

napędów grupowych oraz
indywidualnych

• Wysoka sprawność napędu (wraz z PCz)
• Doskonałe właściwości dynamiczne – w

przypadku sterowania wektorowego!

Dziękuję za uwagę 