Snížení transientního jevu při přechodu asynchronního motoru napájeného z měniče kmitočtu na napájení ze sítě
Praha, srpen 2012
Prof. Ing. Jiří Pavelka, DrSc., Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. Ing. Vít Hlinovský, CSc., Ing. Tomáš Haubert
Obsah příspěvku •Formulace problému •Analýza elektromechanického a elektromagnetického děje při vypnutí AM •Simulace přechodných dějů v MATLAB Simulink •Zkušební pracoviště •Výsledky experimentů s přepínáním AM mezi měničem a sítí •Závěry
Úvod Moderní způsob pohonu asynchronním motorem používá pro napájení tohoto motoru nepřímý měnič frekvence s napěťovým nebo proudovým meziobvodem, který je mezi napájecí síť a asynchronní motor zapojen trvale. To umožňuje měnit otáčky asynchronního motoru podle požadavků poháněného technologického zařízení a zajistit při tom rozběh motoru proudem, nepřesahujícím jmenovitý proud motoru i v případě tzv. těžkého rozběhu se jmenovitým zatěžovacím momentem v celém rozsahu otáček. Pokud se ale od asynchronního motoru požaduje trvalý chod při jmenovitých otáčkách, představují ztráty v nepřímém měniči frekvence nezanedbatelné zhoršení účinnosti celého pohonu. Proto je pro takové aplikace požadován rozběh asynchronního motoru se jmenovitým zatěžovacím momentem z nulových na jmenovité otáčky a po dosažení jmenovitých otáček překlenutí nepřímého měniče frekvence stykačem – „bypassem“ a tak přechod na přímé napájení asynchronního motoru z napájecí sítě. Přitom mohou vzniknout nežádoucí přechodné děje.
Formulace problému 1.Je požadován plynulý rozběh pohonu s asynchronním motorem 2.Po rozběhu je potřeba bez patrného mechanického rázu přepnout napájení AM z frekvenčního měniče na síť 3.Obě předchozí operace je nutné provádět jak s pasivní, tak aktivní zátěží pohonu (Prakticky se jedná o obousměrný rozjezd nezatíženého a zatíženého eskalátoru)
Blokové schéma zapojení analyzovaného problému K2 U1 f1
K3
A1
K1
U2 f2
AM
Jednopólové schéma napájení asynchronního motoru z měniče frekvence s „bypassem“
Přepnutí z K1 na K2 musí respektovat požadavky na namáhání výstupního obvodu střídače a zároveň měnící se vzájemné natočení fázorů síťového napětí a fázorů indukovaného napětí na svorkách AM
PŘECHODNÝ DĚJ PO VYPNUTÍ ASYNCHRONNÍHO MOTORU Tento přechodný děj se skládá z •elektromechanického přechodného děje •elektromagnetického přechodného děje. Elektromechanický přechodný děj pohybová rovnice (1) kde
M ML Jc
je hnací moment motoru je zatěžovací moment je celkový moment setrvačnosti celé rotující mechanické soustavy je okamžitá mechanická úhlová rychlost v čase t.
Po přechodu na poměrné jednotky normalizací jmenovitými veličinami dostaneme vztah pro časovou závislost poměrných otáček rotoru na čase po vypnutí napájení AM
ust
pj M Lust t TN
Kde poměrné otáčky rotoru
M
pj Lust
TN
poměrný moment motoru v ustáleném stavu
normální doba rozběhu
Elektromagnetický přechodný děj Počáteční posuv δ0 mezi odpovídajícími fázory sítě a polohou rotoru lze vyjádřit vztahem
X 1 I1 cos x1 i1 0 cos U1 u1 a jeho okamžitá hodnota po odepnutí AM od sítě se bude měnit dle vztahu pj M Lust t2 2 f syn 1 ust t 0 TN 2
čemuž bude odpovídat i úhlová odchylka mezi příslušnými fázory indukovaného napětí na statorovém vinutí a fázory síťového napětí, po odepnutí motoru od sítě
Po odepnutí motoru od napájení se otáčejí fázory napětí sítě stále stejnou úhlovou rychlostí (Uu, Uv, Uw), avšak indukované napětí na statoru vlivem doznívání mag. pole rotoru se snižuje co do velikosti i kmitočtu (Uu´, Uv´, Uw´). V důsledku toho se v čase zvětšuje i rozdílový úhel δ .
Počítačová simulace přechodných dějů v oblasti momentu, otáček a proudu Parametry simulovaného AM: Jmenovitý výkon 160 kW, Jmenovité napětí 3x380 V, Jmenovité otáčky 997 min‐1. Jmenovitý proud I1n = 300 A, cosn = 0,88, Účinnost n = 0,91, Odpor statorového vinutí RS = 0,0453 , Momentová přetížitelnost Mmax/Mn = 2,3 Proud naprázdno I10 = 130 A, Napětí rotoru UR = 310 V, Proud rotoru IR = 350 A, Odpor rotoru RR = 0,00935
Tabulka zátěží pohonu Zátěžný moment ML
Režim práce Jízda nahoru Jízda dolu Jizda naprázdno
Moment setrvačnosti J
Normální doba rozběhu TN
[Nm]
[p.j.]
[kgm2]
[s]
1628
0,862
43,99
2,44
‐1075
‐0,57
43,99
2,44
120
0,064
41,92
2,33
Úhel natočení rotoru = f(t) čas [s] -1080 -900 -720 natočení [stupn
-540 -360 -180 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 180 360 540 720 900 1080 nahoru
dolu
naprázdno
Časový průběh změny polohy rotoru δ vůči točivému poli sítě pro časový rozsah do 0,5 sec
Úhel natočení rotoru = f(t) čas [s] -180 -150 -120 natočení [stupn
-90 -60 -30 0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0 30 60 90 120 150 180 nahoru
dolu
naprázdno
Detail časového průběhu změny polohy rotoru δ vůči točivému poli sítě pro prvých 140 ms po odepnutí AM od napájení
Nesynchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 100 ms (jízda s plným zatížením nahoru) MOMENT
otáčky
3
0,99 0,98
2
0,97 0,96
0 2,4
2,6
2,8
3
-1 -2
3,2
3,4
otáčky [pj]
m om ent [pj]
1
0,95 0,94 0,93 0,92 0,91
-3
0,9
-4
0,89 2,4
-5 čas [s] MOMENT
2,6
2,8
3 čas [s] otáčky
3,2
3,4
Nesynchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 100 ms (jízda s plným zatížením nahoru) proud 6 5
proud [pj]
4 3 2 1 0 2,4
2,6
2,8
3 čas [s] proud
3,2
3,4
Nesynchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 100 ms (jízda s plným zatížením dolů) otáčky
MOMENT 2,5
1,07
2
1,06
1,5
1,05
0,5 0 -0,5
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
otáčky [pj]
m om ent [pj]
1 1,04 1,03 1,02
-1 1,01
-1,5
1
-2
2,4
-2,5 čas [s] MOMENT
2,6
2,8
3 čas [s] otáčky
3,2
3,4
Nesynchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 100 ms (jízda s plným zatížením dolů) proud 6 5
proud [pj]
4 3 2 1 0 2,4
2,6
2,8
3
-1 čas [s] proud
3,2
3,4
Synchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 40 ms (jízda s plným zatížením nahoru) otáčky
MOMENT
0,978
2,5
0,976 2
0,974 0,972 otáčky [pj]
mom ent [pj]
1,5 1
0,97 0,968 0,966
0,5
0,964 0,962
0 2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
0,96 2,4
-0,5 čas [s] MOMENT
2,6
2,8
3 čas [s] otáčky
3,2
3,4
Synchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 40 ms (jízda s plným zatížením nahoru) proud 2,5 2
proud [pj]
1,5 1 0,5 0 2,4
2,6
2,8
3
-0,5 čas [s] proud
3,2
3,4
Synchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 40 ms (jízda s plným zatížením dolů) otáčky
MOMENT
1,024
0,2
1,022
0 -0,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
1,02 1,018 otáčky [pj]
moment [pj]
-0,4 -0,6 -0,8 -1
1,016 1,014 1,012
-1,2
1,01
-1,4
1,008
-1,6
1,006
-1,8
2,4 čas [s] MOMENT
2,6
2,8
3 čas [s] otáčky
3,2
3,4
Synchronizovaný postup přepínání s bezproudovou prodlevou 40 ms (jízda s plným zatížením dolů) proud 1,8 1,6 1,4
proud [pj]
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2
2,4
2,6
2,8
3 čas [s] proud
3,2
3,4
Experimentální výsledky z měření na zkušebním stanovišti s motorem 90 kW Jednopólové schéma experimentálního pracoviště v laboratoři H26
A2
K4
K2 U1
A1
f1 K1
K3 rozvaděč BREMA
U2
U1
f2
f1
AM
dynamometr
SD
SM
řídící soustrojí
AG
Specifikace použitého zařízení A1 Frekvenční měnič ABB typ ACS 800‐01‐0140‐5+E200 A2 synchronizační jednotka RSYC‐01 KIT a řídící jednotka RSYC‐01 AM asynchronní motor 4ДНК 280М‐8У31p, 90 kW, 3x380 V, 180 A, 720 min‐1 SD dynamometr MEZ Vsetín MS 2821‐4, 83 kW, 440V, 210A, 3000 min‐1 SM řídící dynamo MEZ Vsetín M 3123‐4, 93 kW, 440V, 211A, 1430 min‐1 AG asynchronní motor MEZ Vsetín Sa 50‐4, 110 kW, 3x380V, 204A, 1465 min‐1
Oscilogramy 3 fázových proudů a jednoho sdruženého napětí na svorkách měřeného motoru
Časová prodleva přepnutí 107 ms
Časové průběhy proudů ve třech fázích a sdruženého napětí při prodlevě 107 ms a chodu motoru naprázdno
Časové průběhy proudů ve třech fázích a sdruženého napětí při prodlevě 107 ms a motorovém zatížení
Časová prodleva 27 ms
Časové průběhy proudů ve třech fázích a sdruženého napětí při prodlevě 27 ms a chodu naprázdno
Časové průběhy proudů ve třech fázích a sdruženého napětí při prodlevě 27 ms a motorovém režimu
Časové průběhy proudů ve třech fázích a sdruženého napětí při prodlevě 27 ms a generátorovém režimu
Závěry Teoretické i experimentální výsledky potvrdily správnost hypotézy o možnosti minimalizace proudového a momentového rázu na motoru v případě dostatečně rychlého a správně synchronizovaného sepnutí bypassu a odepnutí výstupu frekvenčního měniče . A to jak v motorickém, tak generátorickém režimu. Speciální úpravou spínací operace se podařilo zkrátit bezproudovou pauzu v napájení motoru při přepínání na 27 ms , což je méně než polovina spínací doby použitých stykačů.
Děkuji za pozornost
