n a p Ä™ d y i s t e r o w a n i e
n a p Ä™ d y i s t e r o w a n i e
automatyka rozruchu silnika
indukcyjnego klatkowego
średniego napięcia
z zastosowaniem przekształtników energoelektronicznych
dr inż. Zbigniew Szulc  Politechnika Warszawska
ilniki indukcyjne klatkowe średnie-
Sgo napięcia są budowane już od
mocy 160 kW. Typowym napięciem
znamionowym tych silników w kraju
jest wartość 6 kV, chociaż stosuje się
wartości 3,3 kV, 10 kV lub nietypowe
wartości np. 2,1 kV (do zasilania z prze-
miennika częstotliwości). Dobre wła-
ściwości eksploatacyjne, między inny-
mi prosta budowa niewymagajÄ…ca czÄ™-
Rys. 2 Zależność spadku napięcia od mocy zwarciowej pod-
stych remontów i konserwacji, nie-
Rys. 1 Prądy rozruchowe silników indukcyjnych klatkowych czas rozruchu silnika 3150 kW
skomplikowana aparatura obwodów
zasilających (np. stycznik średniego na- połączenie z maszyną roboczą. Czas W artykule przedstawiono nowe ki przepływu takiego prądu, w po-
pięcia, typowy układ zabezpieczeń) rozruchu zależy od momentu bez- możliwości polepszenia negatywnych staci spadku napięcia na reaktan-
i prosty sposób rozruchu powodują, że władności maszyny roboczej i może zjawisk rozruchowych silnika induk- cji zwarcia sieci zasilającej (X ).
Z
są najczęściej stosowane w przemyśle. być w takich sytuacjach (duże wen- cyjnego klatkowego średniego napię- Jako przykład wzięto parametry
Konstrukcja tych silników (silni- tylatory) długi (kilkadziesiąt sekund). cia. Pojawienie się pod koniec ubie- silnika o mocy 3150 kW i napięciu
ki głębokożłobkowe, dwuklatkowe) Dotychczas, aby zmniejszyć wartość głego wieku przekształtników ener- 6 kV, a reaktancję zwarcia oblicza-
umożliwia bezpośrednie ich załącze- prądu rozruchowego, stosowano roz- goelektronicznych średniego napięcia no z mocy zwarciowej w zakresie
nie do sieci, jednak przy małej mocy ruch przy użyciu transformatora z od- pozwala zautomatyzować rozruch pod od małych (S =50 MVA) do dużych
Z
zwarciowej w punkcie przyłączenia czepami lub autotransformator, a cza- względem ograniczenia prądu i mo- (800 MVA), typowych dla praktycz-
może wystąpić duży spadek napię- sem dławik rozruchowy lub rzadko mentu przejściowego oraz sterowania nych zastosowań. Na rysunku 3 zo-
cia (kilkanaście lub nawet więcej pro- rezystory rozruchowe (straty energii). prędkością obrotową silnika. stały przedstawione wyniki symu-
cent). Inną trudnością może być oscy- Te sposoby mają ograniczone zastoso- lacji [1] w postaci przebiegów mo-
lacyjny moment przejściowy o chwi- wanie, gdyż zmniejszają moment sil- opis zjawisk podczas mentu silnika, prądu stojana i pręd-
lowych wartościach rzędu kilka razy nika, co nie zawsze może być dobrym kości obrotowej podczas bezpo-
bezpośredniego rozruchu
większych od momentu znamionowe- rozwiązaniem (istniejący moment ob- średniego rozruchu silnika z sieci
go, trwający 1-2 s i mający wpływ na ciążenia od początku rozruchu). Bezpośrednie załączenie silnika sztywnej. W rzeczywistości można
indukcyjnego klatkowego do sie- rejestrować przebieg prądu, rzadziej
ci zasilającej powoduje duży co do prędkości obrotowej, a moment roz-
wartości skutecznej przepływ prą- wijany przez silnik jest niedostęp-
du. Skutkiem tego jest duży spa- ny do pomiaru, chyba że na stano-
dek napięcia w sieci, zależny od jej wisku laboratoryjnym.
mocy zwarciowej (S ). Na rysun- Na rysunku 4 został przedstawio-
Z
ku 1 zostały przedstawione warto- ny chwilowy przebieg prądu rozru-
ści względne (odniesione do war- chowego silnika o mocy znamiono-
tości prądów znamionowych sil- wej 3,7 MW i napięciu 6 kV przyłączo-
nika) prądów rozruchowych typo- nego bezpośrednio do sieci zasilającej.
wych silników o mocy od 160 kW Wyniki obliczeń i pomiarów wyraz
nie
Rys. 3 Przebieg prądu (czerwony  w [A]) momentu (zielony  w [Nm]), prędkości
do 6300 kW, przy założeniu zasila- pokazują, że:
obrotowej (niebieski  w [obr./min] podczas rozruchu nieobciążonego silni-
nia ich z sieci sztywnej (S ="). Na przy małych mocach zwarcio-
Z
ka o mocy P =1800 kW, 10000 V i przy skokowym obciążeniu momentem zna- żð
N
mionowym
rysunku 2 zostały pokazane skut- wych sieci zasilającej (<100 MVA)
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 7 - 8 / 2 0 0 5
34
n r 7 - 8 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
35
n a p Ä™ d y i s t e r o w a n i e
największa chwilowa wartość cia do 6 %. Przed zastosowaniem ST praktycznym do silników 3,6 MW,
żð
prądu rozruchowego jest znacz- prąd wynosił 1500 A (RMS), a chwi- 6,5 kV uzyskano spadek napięcia
nie większa od podawanej warto- lowa największa wartość osiągała w sieci nie większy niż 1,8 %, pod-
ści (w katalogach) ustalonej prą- ok. 4 kA. Spadek napięcia dochodził czas gdy przed zastosowaniem wy-
du rozruchu, co ma ujemne skutki do 17 %, a załączenie bezpośrednie nosił 20 % [3].
ze względu duże wartości sił elek- wymagało specjalnych przełączeń Na rysunku 10 zostały przedsta-
trodynamicznych w silniku. w sieci zasilającej (łączenie równole- wione wyniki rzeczywiste prądu (war-
głe dwóch transformatorów). Dodat- tości skuteczne) silnika 4 MW, 6 kV
regulacja rozruchu kowym efektem okazało się zmniej- przy rozruchu po black-outcie elektro-
szenie strat mocy, które występowały ciepłowni zasilanej z odległych gene-
silnika za pomocÄ…
przy biegu jałowym (ok. 150-200 kW). ratorów stanowiących z
ródło zasila-
przekształtników
Ze względu na trudności rozrucho- nia rezerwowego [4]. Napięcie w tej
Rys. 4 Oscylogram prÄ…du rozruchowego
energoelektronicznych
silnika 3,7 MW
we, silnika nie wyłączano przy bie- sieci zasilającej spadło do tak niskiej
Zastosowanie w praktyce pół- gu jałowym na okres kilkudziesię- wartości (3,1 kV), że silnik z trudem
przewodnikowych elementów stero- ciu godzin w miesiącu. Na rysun- dokonał rozruchu (rys. 11).
wanych średniego napięcia (tyrysto- ku 6 został przedstawiony wykres Projektowane jest zastosowanie
ry klasyczne SCR o parametrach zna- obciążeń silnika w przeciągu dane- Pcz sterowanego metodą orientacji
mionowych 6,5 kV lub wyłączalne prą- go miesiąca. wektora pola (FOC), co może dać do-
dem bramki SGCT o parametrach zna- W tym przypadku rozruch miał bre efekty. Wyniki symulacji w po-
mionowych 6 kV, 250 A) pozwoliło zbu- charakter lekki i zastosowanie ST staci przebiegów wartości skutecznej
dować urządzenia typu soft-start (ST) przyniosło efekt. Drugim przykła- prądu i napięcia zostały przedstawio-
i przemienniki częstotliwości (Pcz) na dem jest rozruch silników (dwóch ne na rysunkach 12 i 13.
napięcia wyjściowe do 7,2 kV (w chwi- lub trzech) za pomocą Pcz. Na rysun-
li obecnej). Praktycznie można je sto- ku 7 został przedstawiony schemat wnioski
sować do wszystkich silników induk- ideowy Pcz zastosowany do rozru-
cyjnych średniego napięcia (z wyjąt- chu, a na rysunku 8 schemat ideowy Zastosowanie energoelektronicz-
kiem napięć znamionowych 10 kV układu rozruchowego dla trzech sil- nych układów średniego napięcia po-
i więcej). ników. Rozruch pojedynczego silni- zwala wyeliminować trudności wy-
Na rysunku 5 został przedstawio- ka odbywa się za pomocą Pcz, i po stępujące przy rozruchu silników in-
ny schemat ideowy ST [2] zastosowa- osiągnięciu prędkości zbliżonej do dukcyjnych klatkowych dużej mocy.
ny do rozruchu silnika 3,7 MW, 6 kV synchronicznej przełącza uzwojenia Trudności te występują przy małej
Rys. 5 Schemat ideowo-blokowy soft- (oscylogram prądu przy bezpośred- silnika z wyjścia Pcz do sieci zasila- mocy zwarciowej (<100 MVA przy na-
-startu (ST) dla silników induk-
nim rozruchu na rysunku 4). Tyry- jącej. Odbywa się to w sposób kon- pięciu 6 kV), dużym momencie bez-
cyjnych średniego napięcia
story SCR o napięciu znamionowym trolowany, z uwzględnieniem róż- władności maszyny roboczej (więk-
spadek napięcia może wynieść 6,5 kV są połączone po trzy w sze- nicy kątów fazowych napięcia sie- szym 10 razy i więcej od momen-
kilkanaście lub więcej procent), reg, aby współczynnik bezpieczeń- ciowego i napięcia wyjściowego Pcz tu bezwładności silnika), wrażliwej
chwilowy moment przejściowy stwa od ewentualnych przepięć wy- oraz różnicy amplitudy napięcia. na drgania maszynie roboczej, itp.
żð
może być oscylacyjny o dużych nosił k =2,5. Urządzenie to pracu- Oscylogram prądu w czasie przełą- Optymalny i staranny dobór urzą-
b
wartościach, kilka razy więk- je od dwóch lat z dobrym efektem. czenia został przedstawiony na ry- dzenia (ST lub Pcz) soft-startu lub
szych od wartości znamionowych Prąd przy rozruchu został ograniczo- sunku 9. Po przyłączeniu silnika do przemiennika częstotliwości pozwa-
i trwać kilka sekund, co powodu- ny do 2 I (do wartości dwóch prą- sieci Pcz może dokonywać rozruchu la uzyskać bardzo dobre efekty przy
SN
je zwiększenie czasu rozruchu, dów znamionowych), a spadek napię- następnego silnika. W zastosowaniu zminimalizowanych kosztach.
Rys. 8 Schemat ideowo-blokowy układu rozruchowe-
Rys. 6 Uporządkowany harmonogram poboru mocy napę- Rys. 7 Schemat ideowo-blokowy układu napędowego go z Pcz średniego napięcia dla trzech silników in-
du z silnikiem 3,7 MW w ciągu jednego miesiąca z przemiennikiem częstotliwości 1310 kW, 6 kV dukcyjnych klatkowych
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 7 - 8 / 2 0 0 5
36
Rys. 12 Przebieg wartości skutecznej prądu silnika 4 MW, 6 kV podczas rozruchu
sterowanego metodÄ… FOC
Rys. 9 Przebiegi napięcia i prądu silnika o mocy 3,6 MW; 6,5 kV podczas rozruchu
z wykorzystaniem PC
Rys. 13 Przebieg wartości skutecznej napięcia silnika 4 MW, 6 kV podczas rozruchu
sterowanego metodÄ… FOC
pełną automatykę rozruchu silników silników indukcyjnych prądu
średniego napięcia. przemiennego dużej mocy, IV
Rys. 10 Przebieg wartości skutecznej prądu silnika 4 MW, 6 kV podczas rozruchu
Krajowa Konferencja Naukowa,
literatura SENE 2003, A
ódz
, 19-21 listopa-
da 2003.
1. W. Koczara, Z. Szulc, J. Przybylski, 3. Automation News, Rockwell Au-
Rozruch silnika indukcyjnego tomation 2 / 1999.
klatkowego napędzającego pom- 4. J. Jędroszczyk, A. Marzyński,
pę dużej mocy w trudnych wa- E. Rzeczkowski, Elektrociepłow-
runkach eksploatacyjnych, Semi- nia Ostrołęka jako z
ródło napię-
narium PEMINE, Ustroń 2005. cia i mocy rozruchowej dla Elek-
Rys. 11 Przebieg wartości skutecznej napięcia silnika 4 MW, 6 kV podczas rozruchu
2. W. Koczara, Z. Szulc, Zastoso- trociepłowni Siekierki w wypad-
Współczesne układy energoelek- temów PLC (sterowników mikropro- wanie przekształtników ener- ku awarii katastrofalnej, Energe-
troniczne sterowane za pomocą sys- cesorowych) umożliwiają praktycznie goelektronicznych do rozruchu tyka 2 / 2004.
reklama
n r 7 - 8 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
37