ZESPÓA
SZKÓA
TECHNICZNYCH w Cieszynie
Specjalizacja: Automatyka przemysłowa
Temat ćwiczenia:
Sterowanie silnikiem asynchronicznym trójfazowym
1
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest rozwijanie umiejętności tworzenia programowalnych systemów sterowania
sekwencyjnego. Poznanie elementarnych zasad podziału programu na  kroki sterowania z
uwzględnieniem instrukcji języka STEP-7.
2. Wyposażenie stanowiska
· Komputer PC ;
· Sterownik S7-222;
· Silnik asynchroniczny trójfazowy 1,1kW ;
· Instrukcja do ćwiczenia.
3. Przebieg ćwiczenia
Wykonaj kolejne punkty instrukcji.
Ćwiczenie dokumentuj na dyskietce i w zeszycie do specjalizacji.
4. Podstawy teoretyczne.
Silnik asynchroniczny jako element sterowany
4.1.1. Budowa i zastosowanie silnika asynchronicznego
OglÄ…dajÄ…c z zewnÄ…trz silnik indukcyjny (rys. 4.1) widzimy obudowÄ™ silnika z tabliczkÄ…
znamionową i tabliczką zaciskową oraz wał napędowy.
2
Rys. 4.1. Silnik indukcyjny
l - tabliczka znamionowa, 2 - obudowa tabliczki zaciskowej, 3 - wał napędowy, 4 -
obudowa silnika
Tabliczka znamionowa zawiera podstawowe informacje o silniku, do których należą:
- znamionowe parametry elektryczne silnika (prąd, napięcie, częstotliwość, współczynnik mocy),
- znamionowe parametry mechaniczne (moc, sprawność, prędkość wirowania, masa),
- informacje uzupełniające (typ silnika, nazwa lub symbol producenta, rok produkcji, numer
fabryczny).
Wszystkie te dane są niezbędne do prawidłowego doboru i eksploatacji silnika.
Tabliczka zaciskowa zawiera zaciski przyłączeniowe, za pomocą, których obwody
elektryczne maszyny łączą się z siecią zasilającą. Silniki indukcyjne trójfazowe mają zazwyczaj
sześć zacisków, do których są przyłączone końce uzwojeń stojana. Początki tych uzwojeń oznacza
się literami U1, V1, W1, a odpowiednie końce U2, V2, W2. Dzięki wzajemnemu ułożeniu
poszczególnych zacisków, tak jak to pokazano na rys. 4.2, w prosty sposób można połączyć
uzwojenia stojana w gwiazdę lub w trójkąt. Należy przy tym pamiętać, że układ połączeń uzwojeń
stojana musi być ściśle dopasowany do napięcia znamionowego tych uzwojeń.
Rys. 4.2. Połączenie uzwojeń stojana na tabliczce zaciskowej:
a) w gwiazdę; b) w trójkąt
Rozruch silnika asynchronicznego
Rozruch silników klatkowych i pierścieniowych, trwający od chwili przyłączenia obwodu
stojana do sieci zasilającej do chwili osiągnięcia przez wirnik ustalonej prędkości obrotowej,
przebiega w odmienny sposób.
3/ 15
Rozruch silnika klatkowego charakteryzuje się tym, że po przyłączeniu uzwojeń stojana do
sieci zasilającej, prąd pobierany jest kilkakrotnie większy od prądu znamionowego. Jest to
zjawisko niekorzystne, gdyż w czasie rozruchu spadki napięcia w sieci zasilającej zwiększają się i
pogarszają się warunki zasilania rozpatrywanego silnika; jak również innych odbiorników. Czas
trwania rozruchu jest zależny od momentu obciążającego wał silnika i momentu znamionowego
silnika. Gdy wartość ilorazu Mobc/MN jest niewielka, rozruch trwa najwyżej kilka sekund. Gdy
natomiast Mobc/MN > l, wówczas, rozruch może trwać kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt sekund.
Prąd rozruchowy silnika klatkowego można zmniejszyć, obniżając w czasie rozruchu napięcie
zasilające uzwojenia stojana. Stosuje się kilka sposobów zmniejszania tego napięcia, z których
najczęściej spotyka się załączanie silnika za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt. Rozruch z
przełącznikiem gwiazda-trójkąt polega na tym, że uzwojenia stojana, przeznaczone normalnie do
pracy w połączeniu w trójkąt, na czas rozruchu łączy się w gwiazdę. Dopiero po osiągnięciu przez
silnik odpowiednich obrotów uzwojenia te przełącza się w trójkąt. Uzyskuje się to w wyniku
zmniejszenia napięcia fazowego "3 razy w stosunku do napięcia znamionowego. Prąd rozruchowy
zmniejsza się wtedy 3-krotnie w stosunku do prądu rozruchowego występującego przy rozruchu
bezpośrednim. Jednocześnie jednak występuje zjawisko, które może okazać się niekorzystne, a
mianowicie moment rozruchowy silnika zmniejsza się 3-krotnie. Przebieg zależności momentu
obrotowego i prądu pobieranego przez silnik podczas rozruchu przełącznikiem gwiazda-trójkat
pokazano na rys. 4.10.
Rys. 4.10. Przebieg momentu obrotowego i prÄ…du podczas rozruchu silnika klatkowego za
pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt, w zależności od prędkości obrotowej
Innymi sposobami zmniejszania prądu rozruchowego silników klatkowych jest obniżanie na
czas rozruchu napięcia zasilającego, poprzez włączenie szeregowo autotransformatorów
rozruchowych lub dodatkowych rezystorów, a ostatnio coraz częściej tyrystorowych regulatorów
napięcia (przekształtników tyrystorowych) w obwody zasilające stojany silników. W odróżnieniu
od rozruchu za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt, sposoby te umożliwiają wielostopniową
4/ 15
regulację napięcia. Otrzymuje się wtedy rodziny charakterystyk mechanicznych zapewniających
większą płynność rozruchu. Ze względu na znaczny koszt takich urządzeń rozruchowych mają one
ograniczony zakres zastosowania.
4.3.4. Zmiana kierunku wirowani
Przebieg momentu obrotowego i prądu rozruchowego - w zależności od prędkości
obrotowej silnika przy skokowym, czterostopniowym zmniejszaniu rezystancji rozrusznika
połączonego z uzwojeniami wirnika (rys.4.10) - można regulować dobierając odpowiednią wartość
maksymalną rezystancji i liczbę stopni rozruchowych (aż do regulacji płynnej). Silniki
pierścieniowe umożliwiają wprawdzie skuteczne zmniejszenie prądu rozruchowego, lecz ich
zastosowanie jest ograniczone. Wynika to stąd, że silniki te - w porównaniu z silnikami klatkowymi
- mają bardzo złożoną budowę, są kosztowniejsze, a ich rozruch jest bardziej skomplikowany.
W silnikach indukcyjnych kierunek wirowania zależy od kolejności przyłączenia faz
uzwojenia stojana do odpowiednich faz sieci zasilajÄ…cej. ZmianÄ™ kierunku wirowania uzyskuje siÄ™
zamieniając między sobą dwa dowolne przewody zasilające, przyłączane do tabliczki zaciskowej
silnika (rys. 4.12)
Rys.4.12. Połączenie uzwojeń stojana: a) w gwiazdę; b) w trójkąt
4.3.5. Regulacja prędkości obrotowej
Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę liczby par biegunów jest możliwa tylko przy
zastosowaniu silników indukcyjnych o specjalnej budowie, zwanych silnikami wielobiegunowymi.
Silniki te umożliwiają skokową regulację prędkości, tzn. uzyskanie dwu, trzech, a nawet czterech
prędkości znamionowych. W najczęściej spotykanych silnikach dwubiegowych uzwojenie stojana
jest takie samo jak uzwojenie silnika jednobiegowego, z tym, że na tabliczkę zaciskową silnika są
wyprowadzone: początek, koniec i środek uzwojeń każdej fazy. Uzwojenie trójfazowe ma, więc
dziewięć zacisków przyłączowych. Przy zasilaniu jedynie początku i końca uzwojenia każdej fazy,
silnik wytwarza pole magnetyczne dwubiegunowe (p = 1). Przy wzajemnym połączeniu obu
końców uzwojeń i zasileniu jednego z tych końców oraz środka uzwojenia, silnik będzie
5/ 15
wytwarzał pole magnetyczne czterobiegunowe (p = 2), a prędkość jego obrotów zmniejszy się
dwukrotnie.
Silniki o większej liczbie biegunów niż dwa są prawie zawsze budowane z dwoma lub więcej
niezależnymi przełączalnymi uzwojeniami stojana. Regulację taką stosuje się tylko w silnikach
klatkowych. Wynika to stąd, iż praca silnika indukcyjnego jest możliwa tylko wówczas, gdy liczba
par biegunów stojana i wirnika są sobie równe, co w silnikach klatkowych wielobiegowych nie
wymaga zmiany konstrukcji wirnika w porównaniu z konstrukcją silników klatkowych
jednobiegowych. Dla silników wie1obiegowych pierścieniowych należałoby wykonać większą
liczbę pierścieni i szczotek, co spowodowałoby zwiększenie wymiarów silnika i dodatkowy wzrost
jego ceny.
Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego stojan
wymaga dodatkowo regulacji amplitudy napięcia zasilającego. Wynika to stąd, że moment
maksymalny silników indukcyjnych jest proporcjonalny do kwadratu napięcia i odwrotnie
proporcjonalny do kwadratu częstotliwości w uzwojeniach stojana.
Zmiana tylko częstotliwości napięcia zasilającego prowadziłaby do zmiany momentu
maksymalnego, a więc zmiany przeciążalności silnika. Dlatego też silnik indukcyjny
(asynchroniczny), którego prędkość obrotowa ma być regulowana zmianą częstotliwości i napięcia
powinien być zasilany z osobnego regulowanego z
ródła napięcia. Do niedawna do tego celu
stosowano elektromechaniczne wirujące przetworniki częstotliwości. Przetworniki te są
kłopotliwe w eksploatacji i w stosunku do silnika - kosztowne. Ograniczało to znacznie zakres
zastosowania tej metody regulacji. Obecnie, w zwiÄ…zku z pojawieniem siÄ™ statycznych
przetworników częstotliwości, jakimi są tyrystorowe przemienniki częstotliwości, omawiany
sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest coraz częściej stosowany, choć
wciąż jeszcze nie jest on powszechny.
Regulację prędkości obrotowej przez zmianę poślizgu można uzyskać w wyniku
włączenia dodatkowej rezystancji w obwód wirnika. Regulacja taka jest, zatem możliwa jedynie w
silnikach pierścieniowych. Bardzo istotną wadą takiego sposobu regulacji prędkości, ograniczającą
zakres jego stosowania, jest powstawanie w obwodzie wirnika dodatkowych strat cieplnych
(energia zamieniona na ciepło w obwodzie wirnika jest proporcjonalna do poślizgu). Dlatego też
regulację taką stosuje się tylko wówczas, gdy zmiana obrotów jest wymagana w małym zakresie
lub tylko przejściowo (w niewielkich przedziałach czasu pracy silnika).
6/ 15
4.3.6. Automatyczny rozruch silnika asynchronicznego
Wiele napędów z indukcyjnymi silnikami klatkowymi wciąż jest opartych na klasycznych
rozwiązaniach, takich jak załączenie na napięcie znamionowe, na napięcie obniżone czy na
niesymetryczny układ napięć. Często z powodów ekonomicznych zachodzi konieczność
skorzystania z tańszych i prostszych rozwiązań. W takiej sytuacji można zastąpić
półprzewodnikowe urządzenia rozruchowe (softstarty, itp.) metodami sterowania opartych na
przekaz
nikach elektromagnetycznych.
Przyłączenie do sieci nieruchomego silnika klatkowego powoduje pojawienie się problemu
dużego prądu płynącego w jego uzwojeniach. Uderzenie prądowe przy bezpośrednim podłączeniu
silnika do sieci jest od 5 do 8 razy przewyższa wartości prądu znamionowego. Taki prąd nie
powoduje uszkodzeń silnika, lecz przyczynia się do powstawania znacznych spadków napięć na
linii zasilającej, większych start mocy silnika oraz przyrostów temperatury uzwojeń przy rozruchu.
W związku z tym stosuje się klasyczne metody "załączania na napięcie obniżone". Polegają one na
zmniejszeniu napięcia podawanego na zaciski silnika w momencie rozruchu, co powoduje
zmniejszenie prądu rozruchowego oraz momentu obrotowego. Wpływa to ujemnie na właściwości
mechaniczne silnika, ponieważ znacznie obniża moment naciągowy. Należy, więc dążyć do tego,
aby moment obrotowy osiągnął wartość większą niż moment obciążenia. Jedną z metod "załączania
na napięcie obniżone" jest przełączenie gwiazda-trójkąt. Należy pamiętać, że przełączenie gwiazda-
trójkąt można stosować wyłącznie w przypadku silników niskiego napięcia,
których uzwojenia stojana są przy napięciu znamionowym połączone w trójkąt, tak aby napięcie
międzyprzewodowe było równe fazowemu napięciu znamionowemu silnika.
W początkowej fazie rozruchu uzwojenia fazowe łączy się w gwiazdę. To powoduje, że prąd
pobierany z sieci oraz moment obrotowy są ponad trzykrotnie mniejsze niż w przypadku załączenia
silnika do sieci przy połączeniu uzwojeń w trójkąt. Bardzo ważny jest czas rozruchu, ponieważ
zastosowanie przełączenia gwiazda-trójkąt należy wykonać w chwili, gdy silnik przy połączeniu w
gwiazdę osiągnie prędkość obrotową bliską prędkości znamionowej - punkt "b". Jeżeli przełączenie
nastąpi wcześniej to może pojawić się niekorzystne uderzenie prądu - punkt "a". Bardzo często
stosuje się ręczne przełączniki gwiazda-trójkąt mające za zadanie odpowiednie przełączenie
uzwojeń silnika. O czasie przełączenia decyduje najczęściej operator maszyny, w której mamy do
czynienia z tego typu rozruchem, a to powoduje pojawianie się niepożądanych niedokładności
zwłok przy przełączaniu. Jednak w wielu aplikacjach napędowych wykorzystuje się automatyczne
przełączenie uzwojeń silnika za pomocą styczników sterowanych czasowym układem
przekaz
nikowym. W tym przypadku znakomite zastosowanie znajduje prosty jednofunkcyjny
przekaz
nik czasowy T-R4
7/ 15
Rys. 4.13. Przebieg prądu rozruchowego przy rozruch gwiazda-trójkąt.
Jak widać na poniższym rysunku, bezpośrednią realizację przełączenia gwiazda-trójkąt
wykonują styczniki: S1 (odpowiedzialny za załączenie silnika do sieci), S2 (odpowiedzialny za
połączenie uzwojeń w gwiazdę) oraz S3 (odpowiedzialny za połączenie uzwojeń w trójkąt).
Rys.4.14. Schemat układu rozruchowego gwiazda-trójkąt.
W układzie sterującym stycznikami można wykorzystać dwa przekaz
niki czasowe T-R4.
Pierwszy może realizować pracy silnika z uzwojeniami połączonymi w gwiazdę. Opóz
nienie to
może wahać się do kilku do kilkunastu sekund w zależności od mocy silnika oraz momentu
8/ 15
obciążenia. Drugi przekaz
nik T-R4 odpowiadałby za przerwę pomiędzy przełączeniem uzwojeń z
gwiazdy na trójkąt. W zależności od rodzaju napędu, w którym ma być zastosowany rozruch
gwiazda-trójkąt należy wziąć pod uwagę pewną niewielką zwłokę pomiędzy przełączeniami
przekaz
ników S2 i S3 (50-100ms). Ma to na celu wyeliminowanie stanów nieustalonych takich jak
Å‚uk elektryczny.
Rys.4.15. Przebieg czasowy rozruchu gwiazda-trójkąt.
Przekaz
niki T-R4 produkowane sÄ… w czterech wykonaniach: T-R4-E - realizowanie
opóz
nionego zadziałania; T-R4-Wu - realizowanie odmierzania nastawionego czasu zadziałania; T-
R4-Bi - praca cykliczna rozpoczynająca się od zadziałania; T-R4-Bp - praca cykliczna
rozpoczynajÄ…ca siÄ™ od przerwy. Typem odpowiednim do zastosowania przy rozruchu gwiazda-
trójkąt jest wykonanie z opóz
nionym zadziałaniem lub odmierzaniem czasu zadziałania.
Rys. 4.16. Przykładowy sposób połączenia dwóch przekaz
ników T-R4 do wysterowania styczników
rozruchowych.
9/ 15
Przekaz
nik czasowy T-R4 jest wykonywany z czterema zestykami przełącznymi, ponieważ w
obwodzie wykonawczym znajduje się znany i doceniany na rynku pod względem jakości
przekaz
nik R4 będący w ofercie firmy RELPOL. Jest on odpowiednio sterowany czasowym
modułem elektronicznym, którego zadaniem jest realizacja funkcji czasowych. Szeroki zakres
doboru nastawy czasu załączeń, oraz dokładność elektronicznego modułu czasowego pozwala
dostosować układ rozruchowy do różnego rodzaju napędów. Liczba zestyków przekaz
nika T-R4
umożliwia wysterowanie styczników rozruchu dla maksymalnie trzech napędów startujących
jednocześnie o podobnych charakterystykach rozruchowych (układ pomp, sprężarek itp.). Pozwala
to na znaczne zredukowanie kosztów układu rozruchowego, w przypadku, kiedy mamy do
czynienia z większą liczbą napędów załączanych jednocześnie.
Sprawozdanie:
Napisać programy dla różnych wariantów sterowania w trzech postaciach oraz skomentować
postać STL !!!
Program ćwiczenia:
1. Rozruch na obrotach lewych.
2. Rozruch na obrotach przeciwnych.
3. Sterowanie silnika asynchronicznego z hamowaniem dynamicznym
Ad3.
Tabela zmiennych może wyglądać następująco:
10/ 15
Program w postaci STL skomentuj !
Network 1 // zerownie znaczników w pierwszym cyklu
LD SM0.1
MOVB 0, MB0
Network 2 // załączenie znacznika prawych obrotów
LD I0.1
AB= 0, MB0
S M0.7, 1
Network 3 // sprawdzenie warunków działania (autotest) prawe
LD I0.1
O Q0.3
O Q0.1
O T37
AN Q0.4
A I0.7
A M0.7
= M0.1
Network 4 // sprawdzenie warunków działania (autotest) lewe
LD I0.0
O Q0.0
O Q0.1
O T37
AN Q0.4
A I0.7
AN M0.7
= M0.0
Network 5 // detekcja hamowania awaryjnego
LD I0.7
ED
S M0.2, 1
Network 6 // załączenie uzwojenia w gwiazdę
LD M0.0
O M0.1
TON T37, +30
11/ 15
AN T37
= Q0.1
Network 7 // opóz
nione załączenie zasilania gwiazdy
LD Q0.1
LD M0.0
O M0.1
ALD
TON T34, +100
Network 8 // opóz
nienie załączenia obwodu trójkata
LD T37
AN Q0.1
LD M0.0
O M0.1
ALD
TON T35, +100
Network 9 // załączenie obwodu trójkąta
LD T35
TON T38, +100
AN T38
= Q0.2
Network 10 // opóz
nione załączenie zasilania trójkąta
LD Q0.2
LD M0.0
O M0.1
ALD
TON T36, +100
Network 11 // załączenie / wyłączenie zasilania lewych
LD T34
O T36
A M0.0
AN T38
= Q0.0
Network 12 // załączenie / wyłączenie zasilania prawych
LD T34
O T36
12/ 15
A M0.1
AN T38
= Q0.3
Network 13 // detekcja hamowania
LDN T38
ED
S M0.3, 1
Network 14 // opóz
nione hamowanie / hamowanie awaryjne
LD M0.3
LD M0.2
AN Q0.0
OLD
TON T39, +5
Network 15 // hamowanie / wyłączanie hamowania
LD T39
LPS
AN T40
= Q0.4
LPP
TON T40, +20
Network 16 // zerowanie znaczników hamowania
LD Q0.4
ED
R M0.2, 1
R M0.3, 1
R M0.7, 1
13/ 15
Uwaga !!!
Dopisać brakujące komentarze oraz programy
realizowane na początku zajęć oraz wnioski !!!
14/ 15
1. Model linii produkcyjnej
Model przedstawia fragment układu transportowego typowej linii produkcyjnej.
Uwaga !!!
Dopisać brakujące komentarze oraz programy
realizowane na początku zajęć !!!
15/ 15