AKADEMIA MORSKA W GDYNI Elektromechaniczne systemy napędowe
Imię i nazwisko
Mateusz Tocha

Wstęp: Układ elektromechaniczny do badania przekładni w układzie napędowym.

Rys 1. Poglądowy schemat układu napędowego z silnikiem asynchronicznym, przekładnią oraz prądnicą synchroniczną z magnesami trwałymi.

Układ napędowy badany w laboratorium składał się z:

- Tablicy rozdzielczej zasilającej silnik przez przekształtnik częstotliwości, tablica posiada zawierała zabezpieczenia zwarciowe krótko-zwłoczne oraz wyłącznik różnicowo prądowy.

Na wyjściu z tablicy rozdzielczej otrzymujemy napięcie przemienne, trójfazowe.

- Falownik realizujący sterowanie silnikiem z wykorzystaniem strategii U/f = const., oznacza to że przy częstotliwości ustawionej na znamionową silnika 50 Hz otrzymamy napięcie znamionowe falownika w tym wypadku 400V.

-Maszyna asynchroniczna, działająca w charakterze napędu w układzie napędowym, sterowana jest przez falownik, metoda sterowania U/f const. zapewni nam ‘względnie’ stały moment na wale.

- Przekładnia w tym ćwiczeniu jest głównym obiektem badań, zależy nam aby określić współczynnik przekładni, zinterpretować czy jest on stały dla wszystkich prędkości wału, czy sprawność całego układu może spaść poprzez zastosowanie przekładni

- Prądnica synchroniczna z magnesami trwałymi wytwarza sinusoidalne pole magnetyczne, przenikające cewki uzwojeń stojana, indukując tym samym napięcie. Napięcie z zacisków prądnicy podawane jest dalej na prostownik na którego wyjściu podłączone są w szereg dwa rezystory symulujące obciążenie prądnicy.

Zadanie 2.

Pomiar dwóch prędkości na wale:

- od strony maszyny napędowej – w naszym przypadku maszyny asynchronicznej zasilanej z falownika (przed przekładnią)

- od strony maszyny napędzanej – maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi (za przekładnią)

Częstotliwość Zadana (hz)	Prędkość maszyny asynchronicznej (obr/ min) n1	prędkość maszyny synchronicznej (obr/min) n2	przekładnia n1/n2
10	309	83	3,72
15	450	123	3,66
20	608	164	3,71
25	750	205	3,66
30	907	240	3,78
35	1054	285	3,70
40	1205	326	3,70
45	1355	368	3,68
50	1504	408	3,69

Na wykresach powyżej jesteśmy w stanie stwierdzić że prędkości zależą liniowo od częstotliwości zatem metoda sterowania U/f const. zastosowana została prawidłowo. Prędkość n1 jest większa od prędkości n2 i zależność ta również jest liniowa. Stosunkiem prędkości n1/n2 nazywam przełożeniem.

Odczytując wartości przekładni możemy dojść do wniosków że nie jest ona stała jak być powinna, głównym odstępstwem jest błąd odczytu pomiaru prędkości, jednakże przy częstotliwości 30 hz zauważyliśmy że przekładnia wpada w rezonans co mogło skutkować zwiększonym błędem odczytu. Błędy występują tutaj na poziomie 0.1 od wartości średniej, dlatego z powodzeniem możemy przyjąć że przekładnia posiada stałe przełożenie.

Zadanie 3

Zadanie polegało na zbadaniu zachowania sprawności układu elektromechanicznego połączonego przekładnią, w momencie zmiany jego prędkości na wale po stronie napędowej (częstotliwości falownika zasilającego maszynę asynchroniczną)

Parametry pomierzone	Parametry obliczone
Pomiary po stronie falownika	Pomiary po stronie prądnicy
f[Hz]	U[V]
25	204
30	244
35	284
50	403

Z wykresu jesteśmy wstanie wywnioskować że sprawność układu rośnie wraz z prędkością obrotową, przy czym nachylenie linii trendu nie jest duże zatem poprawa sprawności układu przy zmianie prędkości o 25 hz jest na poziomie 5 %.

Podobnie sytuacja wygląda dla sprawności przy zmianie napięcia w obwodzie stojana, nie ma w tym nic dziwnego gdyż współczynnik U/f powinien być const.

Zadanie 4

Naszym kolejnym celem jest zbadanie w jaki sposób wpływa obciążenie maszyny roboczej na sprawność całego układu przy stałej częstotliwości zasilania maszyny asynchronicznej pełniącej dalej role maszyny napędowej.

Zmianę obciążenia dokonaliśmy za pomocą dwóch rezystorów podłączonych do prądnicy za mostkiem prostowniczym.

Częstotliwość zasilania : 50 hz , prędkośc obrotowa 1504 obr/min

Maszyna asynchronicza		Maszyna z magnesami trwałymi		Układ
Ifalownika [A]	Ppobrane [kW]	U	Moment [Nm]
6,5	3,28	406	20,83
7,3	3,78	407	24,01
8,2	4,36	405	27,69
9,2	4,95	403	31,441
10,2	5,53	402	35,12
11,3	6,17	400	39,19

P = ω * T

Dla maszyny asynchronicznej przy 50 hz

$$n = 1504\frac{n*2*\pi}{60\ } = \frac{1504*2*\pi}{60} = 157,41$$

$$T = \frac{P}{\omega} = \frac{3280}{157,41\text{\ \ }} = 20,83$$

Dla maszyny synchronicznej przy 50 hz

$$n = 408\frac{n*2*\pi}{60\ } = \frac{1504*2*\pi}{60} = 42,70$$

$$T = \frac{P}{\omega} = \frac{2425}{42,70\ \ } = 56,78$$

Jak zauważyliśmy moment oraz moce nie są takie same po obu stronach przekładni, zatem występują straty na przekładni, straty te generowane są przede wszystkim w łożyskach, zazębieniach, uszczelnieniach, oraz tarcia. Należy zwrócić uwagę że sprawność nie zależy silnie od obciążenia co prawda przy wzroście obciążenia sprawność układu napędowego spada ale jest to spadek niewielki.

Z wykresy oraz z obliczonych wartości, widzimy że przy dwukrotnym zwiększeniu prądu obciążenia sprawność układu maleje o 10% , nie jest to wartość duża ale w niektórych systemach może okazać się kluczowa, aby zwiększyć sprawność należałoby dobrać przekładnie która lepiej przenosi momenty na wale, najlepiej byłoby ją przewymiarować.

Innym ważnym czynnikiem jest prawidłowe eksploatowanie przekładni , należy dbać żeby zęby przylegały odpowiednio, oraz koła zębate były odpowiednio położone względem siebie i nie powodowały niepotrzebnych momentów nacisku, kluczowym elementem może okazać się prawidłowe smarowanie przekładni, które niweluje tarcie ruchomych elementów.

Ostatecznie możliwe jest zamiana maszyny roboczej lub maszyny napędowej na taka która posiada większą moc i tym samym spadki momentów na wale po stronie maszyny roboczej będą mniej odczuwalne.

Zadania dodatkowe:

Wyjaśnij co to jest Passive Front End.

Układ Passive Front End jest to zespół napędowy rozumiany jako przemiennik częstotliwości (falownika) oraz napęd. Układ ten na wejściu posiada mostek diodowy niesterowany , poprzedzony filtrem harmonicznych złożony z 3 indukcyjności mający na celu zniwelowaniu oddziaływania przekształtnika na sieć.Na wyjściu tranzystory, które kluczują zapewniając tym samym określoną częstotliwość oraz napięcie zasilające maszynę napędową.

Istotną wadą takiego rozwiązania jest fakt braku możliwości zwrotu energii do sieci z powodu zastosowania wcześniej wspomnianego 3 fazowego mostka diodowego. Dodatkową wadą jest fakt że układ w momencie hamowania powoduje powstanie napięcia wstecznego które może doprowadzić do zniszczenia kondensatora elektrolitycznego(posiadającego odpowiednią polaryzację) włączonego równolegle w obwód pośredniczący.

Aby uchronić układ stosuje się dodatkowy tranzystor wraz rezystorem w jednej gałęzi obwodu pośredniczącego.

Podukład ten sterowany jest osobno i spełnia rolę choppera zapewniającego możliwość kontrolowania prądu przekazywanego podczas hamowania odzyskowego który będzie płyną poprze rezystor rozładowczy.

Podaj przykłady wielopoziomowych falowników:

Rys. Prosty model falownika 4 poziomowego, z tak zwanym flying capasitor, którego pominąłem ze względu na uproszczenie modelu.

Układ ten zbudowany jest z 6 tranzystorów w gałęzi, jak widać każdy z tranzystorów posiada własną parę –sygnał wychodzący z jednego z komparatorów trafia na dwa tranzystory z czego jeden przewodzi drugi jest zatkany i tak od środka gałęzi po wewnątrz.

Zasada działania polega na porównaniu sygnału sinusoidalnego do trzech poziomów sygnału odniesienia czyli piły powodujący tym samym wygenerowanie sygnału PWM.

Jeżeli generowana piła znajduje się pośrodku warstw sygnałów referencyjnych to praktycznie te tranzystory będą przewodzić cały czas, tylko w momencie przejścia sinusa przez zero będą modulowane, możemy to zaobserwować na poniższym przebiegu przykładowym.

Falowniki takie charakteryzują się bardzo dobry współczynnikiem THD, dzięki czemu że kształt sinusoidalny jest dużo bardziej zbliżony do sygnału generowanego w modulatorze. Jednak istotnym minusem jest fakt ceny takiego układu oraz w danym rozwiązaniu fakt „pływającego kondensatora” co może doprowadzić do jego ziszczenia w pojawienia się na nim nieprawidłowego napięcia.