Váltakozóáramú hajtások Dr. TARNIK István 2006

Váltakozóáramú hajtások

Dr. TARNIK István 2006

AUTOMATIZÁLT VILLAMOS HAJTÁSOK

Váltakozó áramú hajtások 1. Aszinkron gépek elvi felépítése.


1.1. Az aszinkron gépek működése. 2. Aszinkron gépek fordulatszám változtatása. 2.1. Póluspárok számának változtatása.

Pollack Mihály Műszaki Kar Villamos Hálózatok Tanszék Dr. TARNIK István docens

1. Aszinkron gépek elvi felépítése

3. Frekvencia változtatással működő szabályozott felvonóhajtások. 3.1. Az állórészköri frekvencia változtatása. 3.2. Fluxusvektor szabályozás. 3.3. Frekvenciaváltós hajtások féküzeme.

Az álló- és forgórész egymáshoz csapágyazott, közöttük néhány tized milliméteres légrés van. A forgórész alapvetően kétféle kialakítású lehet :

Az aszinkron gép – mint minden villamos forgógép – két főrészből, az állórészből és a forgórészből áll. Az állórész fő részei : az állórészház (kisebb gépeknél

a) Csúszógyűrűs (tekercselt) forgórésznél a szigetelt hornyokban az állórészhez hasonlóan, rendszerint csillagkapcsolású, ugyancsak háromfázisú tekercselés helyezke-

öntvény, nagyobbaknál hegesztett acélszerkezet), a benne

dik el. A fázistekercsek szabad végeit egy-egy csúszógyű-

rögzített lemeztest és a lemeztest hornyaiban elhelyezkedő

rűhöz vezetik ki. A csúszógyűrűket a tengelyen úgy rögzítik,

háromfázisú tekercselés, amely lehet csillag- vagy három-

hogy azok egymástól és a tengelytől szigeteltek legyenek. A

szög kapcsolású.

csúszógyűrűkhöz keféken keresztül csatlakoztatható a több

A hengeres forgórész a tengelyből, a hozzá rögzített le-

fokozatú, csillagkapcsolású indító-ellenállás, amely indítás

meztestből és az annak hornyaiban lévő vezetőrendszerből

közben egyrészt csökkenti az indítási áramfelvételt, más-

áll.

részt megnöveli a motor indítónyomatékát.

A felfutás után a csúszógyűrűkön keresztül a forgórésztekercselést rövidrezárjuk.

1.1. Az aszinkron gépek működése Az aszinkron gépek lemezelt állórészének hornyaiban

b) Rövidrezárt (kalickás) forgórésznél a hornyokba csu-

többfázisú, a leggyakrabban háromfázisú tekercselés van.

pasz rézvezetőket (rudakat) helyeznek el, és ezeket a for-

Ha ezt a tekercselést megfelelő fázisszámú hálózatra kap-

górész mindkét végén egy-egy rézgyűrűhöz forrasztva rö-

csoljuk, akkor a tekercsekben meginduló áramok forgó

vidrezárják. Főleg kisebb gépeknél réz helyett alumínium

mágneses mezőt létesítenek.

kalickarendszert készítenek. Ilyen esetben a forgórészrudakat és a rövidrezáró gyűrűket centrifugálöntéssel egybeöntik. A felvonóhajtásoknál megkövetelt nagy indítónyomatékot és a felfutás alatt közel állandó motornyomatékot kétkalickás illetve mélyhornyú forgórész kialakítással érik el.

A fázisok egymástól villamosan 120°-ra helyezkednek el a térben. Bennük egymástól időben 120°-ra

eltolt áramok

folynak. Ebből adódóan a forgórész kerületén az eredő mágneses mező "körbehalad", kialakul az úgynevezett forgó mágneses mező.

1



A forgó mágneses tér percenkénti fordulatszáma, azaz a szinkron fordulatszám:

n0 

f1 p

1 s 

n0 

60  f1 p

1 min 

ahol p a póluspárok száma. (Pl. ha 2p=4, n0=1500 1/min) A forgó mágneses mező indukcióvonalai metszik az állórész tekercselését és a forgórész vezetékeit is. Az indukcióvonal-metszés következtében az álló- és a forgórészben feszültség indukálódik. Az állórészben indukált feszültség egyensúlyt tart a hálózati feszültséggel. A hálózati feszültség és az állórészben indukált feszültség különbsége hozza létre az állórész tekercsek áramát.

A forgórészben indukált feszültség hatására a forgórész

Mozgó mező által indukált feszültség és keltett erőhatás.

vezetékeiben áram indul meg. A tekercselt forgórészű gépek forgórészében csak akkor, ha áramkörüket a csúszó-

B

gyűrűk keféire kapcsolt ellenállásokon keresztül, vagy közvetlenül rövidrezárjuk.

U i  l  (B  v )

Az állórész forgó mágneses mezejének és a forgórész vezetőiben folyó áramoknak a kölcsönhatása nyomatékot létesít. Ez a motorként működő gép hajtó (forgató) nyomatéka (Mh). A hajtó nyomaték – a motor tengelyére ható terhelő nyomaték (Mt) ellenében – a forgórészt a mágneses mező forgásirányával megegyező irányba forgatja. Így érvényesül ugyanis a Lenz törvénye, mely szerint az indukált feszültség által létesített áram a hatásával mindig akadályozza a feszültséget indukáló (előidéző) okot. A forgórészben azért indukálódik feszültség, mert a forgó mágneses mező metszi a forgórész vezetőit. Ez az indukáló ok.

V

F l I B

N

Ha a forgórész a mezővel azonos irányban forog, akkor csökken a mező és a forgórész viszonylagos fordulatszáma és ezért lassul az indukcióvonal metszés. A forgórész fordulatszáma üzemszerűen nem érheti el a szinkron fordulatszámot, azaz a forgórész nem foroghat együtt a forgó mágneses mezővel. Ha ugyanis együtt forognának, akkor nem lenne indukcióvonal-metszés, nem indukálódna feszültség, a forgórészben nem folyna áram és ezért nem jönne létre forgató nyomaték sem. Kis hajtó nyomatékra még akkor is szükség van, ha a gép tengelyvége szabad, hiszen a gépben mindig fellép a csapágyakból adódó súrlódási és a ventillációs veszteség is.

2



A motor forgórésze tehát a szinkronnál kisebb fordulatszámmal (n) jár. Szokás ezt aszinkron fordulatszámnak is nevezni. Ha a motor tengelyére ható terhelő nyomatékot (Mt) növeljük, akkor növekednie kell a hajtó nyomatéknak is. Nagyobb nyomatékot csak nagyobb forgórészáram létesíthet. Nagyobb áramot csak nagyobb indukált feszültség képes létrehozni. Nagyobb feszültség csak úgy indukálódhat, ha a forgó mező indukcióvonalai nagyobb sebességgel metszik a

A szinkron fordulatszám és a gép üzemi fordulatszáma közti eltérésre jellemző a szlip. A szlip megmutatja, hogy mialatt a forgó mágneses mező megtesz egy teljes fordulatot, azalatt a forgórész mennyivel (a teljes fordulat hányad részével) tesz meg kevesebbet. A forgórész percenként (n0 – n) fordulattal forog a szinkron fordulatszámnál kevesebbel. A viszonylagos fordulatszámnak a mező egy fordulatára eső része a szlip.

s

forgórész vezetőit. A forgó mező viszonylagos fordulatszámának tehát meg kell növekednie. Ez csak úgy követ-

Százalékos értékben :

kezhet be, ha a forgórész lassul.

Ha a motor tengelyére nem hat terhelő nyomaték, akkor a forgórész majdnem szinkron fordulatszámmal forog, tehát a szlip elenyészően kicsi. A motort névleges nyomatékkal terhelve szlipje 0,04…0,07-re (azaz 4…7%-ra) növekszik.

n0  n 100 n0

Ugyanis, ha csökken az állórész mezeje, akkor csökken az állórészben indukált feszültség, emiatt növekszik a hálózati feszültség és az indukált feszültség különbsége, és ez nagyobb áramot indít meg az állórész tekercselésében, mely a mezőt közel eredeti értékére állítja vissza. Tehát, ha

A szlip ismeretében a fordulatszám:

f n  n0  s  n0  n0 1  s   1 1  s  p

s %  

n0  n n0

 s 1

növekszik a motor terhelése, azaz a forgórészének az árama, akkor növekszik az állórész árama is. A

motor

terhelésének

növekedése

a

fordulatszám

csökkenésével és a hálózati áramfelvétel növekedésével Az aszinkron motor forgórésze is hoz létre mágneses mezőt. Ez az állórész mezejét csökkenti, de nem jelen. tősen.

jár. Az aszinkron indukciós gépnél többféle üzemállapot alakulhat ki.

Mivel a forgórész fordulatszáma a mágneses mezőhöz

Ha a forgórészt külső energia segítségével a forgó mágneses mező fordulatszámával ellentétes irányba forgatjuk,

képest

akkor a gép a tengelyén mechanikai energiát vesz fel.

n  n0  n

A forgó mágneses mező a forgórészt vele megegyező

Motoros üzemről beszélünk, ha 0 < n < n0, azaz 0 < s < 1. Ha külső beavatkozással az aszinkron gép forgórészének fordulatszámát a szinkron fordulatszám

fölé emeljük,

generátorüzembe jutunk. Generátoros üzemben tehát n > n0, akkor a szlip negatív lesz, azaz s < 0. ilyenkor a gép tengelyén mechanikai

irányba akarja forgatni, ehhez a hálózatból szintén energiát vesz fel. A mindkét oldalról felvett energia az aszinkron gépben hővé alakul. Ezt az üzemet ellenáramú féküzemnek nevezzük. Féküzemben tehát a forgórész fordulatszáma negatív és a szlip s > 1.

teljesítményt vesz fel és azt a tekercseken keresztül villamos teljesítmény formájában - a hálózat felé továbbítja.

3



Az aszinkron gép nyomaték - fordulatszám (szlip) jelleggörbéje a különböző üzemmódokban

A felvonóüzem szempontjából ez a nyomaték – fordulatszám jelleggörbe nem ideális, mert egyrészt kicsi az indítónyomaték, másrészt kedvezőtlen a motor nyomatékának nagymértékű változása a felfutás közben. A nagyobb indítónyomaték elérése végett a forgórész ellenállását kell megnövelni, de lehetőleg csak az indítás ideje alatt. Ez kétkalickás (két különböző ohmos ellenállású és induktivitású kalicka, melyben az áram indításkor főként a nagyobb ellenállású külső kalickában folyik) vagy mélyhornyú (szín hatás miatti ellenállás növekedés az indítás alatt) kivitellel valósítható meg. Az egyes gyártók un. felvonómotor kialakításokat is gyártanak.

Kéttekercses felvonómotor M – n jelleggörbéje

Egytekercses felvonómotor M – n jelleggörbéje

M i  2  M n  10%

I i  3,2  3,6  I n

2. Aszinkron gépek fordulatszám változtatása

M i  2, 2  M n  10% I i  3, 2  3,6  I n

kis pólusszámnál

M i  1,6  M n  10%

nagy pólusszámnál

I i  1,6  1,8  I n

2. 1. Póluspárok számának változtatása. Kéttekercses felvonómotorok esetén alkalmazható. Két

Az aszinkron motorok fordulatszáma a háromfázisú

diszkrét fordulatszámérték állítható be. A gyakorlatban

gerjesztés hatására a légrésben kialakuló forgó mágneses

leginkább előforduló tekercselések 4/16, 6/24 illetve 6/36

tér fordulatszámától és a forgórésznek a forgó mágneses

pólusúak. Ezekkel a motorokkal megvalósíthatóak az un.

tértől való elmaradásától - a szliptől - függ.

kétsebességes felvonóhajtások, melyek maximum 1,2 m/s

n  n0  s  n0  n0 1  s  

 

f1 1  s  1 s p

s

n0  n n0

ahol n az aszinkron motor fordulatszáma, n0 a forgó

sebességig elégítik ki az utazási komfort igényeket. A motorok az alacsony póluspárszámú (gyors) tekercseléssel indulnak, sebességváltási távolságra átkapcsolódnak a nagypólusszámú (lassú) tekercselésre.

Ekkor generá-

mágneses tér fordulatszáma, amely az f1 állórészköri

torosan fékeznek, majd az un. gurulósebességgel haladnak

frekvenciától és a p póluspárok számától függ. Az s az

a lekapcsolási távolságig. Itt a motor lekapcsoljuk a háló-

aszinkron motorok szlipje.

zatról és befog a mechanikus fék.

4



Kéttekercses aszinkron motoros szabályozatlan felvonóhajtások menettulajdonságai a forgó mozgás alapegyenlete alapján határozhatóak meg. M m  M t  M d      

d Nm dt

ahol az egyes időben változó mennyiségek : Mm a motor villamos nyomatéka [Nm] Mt a motor tengelyére redukált terhelés nyomatéka [Nm] Md a dinamikai nyomaték ε a motor tengelyének szöggyorsulása [1/s2]

 a motor tengelyének szögsebessége [1/s] Θ = Θm+ Θr az eredő tehetetlenségi nyomaték [kgm2]

Kétsebességes felvonóhajtás nyomaték - fordulatszám jelleggörbéje

Kétsebességes felvonóhajtás sebesség - út jelleggörbéje

M i 6 p  2,2  M n  10% M i 24 p  1,6  M n  10% M f  2  M n  10%

Kétsebességes felvonóhajtás sebesség - idő jelleggörbéje a gyorsítási- és az állandósult sebességű szakasz esetén

Kétsebességes felvonóhajtás sebesség - idő jelleggörbéje a fékezési- és a guruló sebességű szakasz esetén

Nagyobb menetsebességek esetén a gyorsulásokban és

Nagyobb menetsebességek esetén a lassulásokban és a

a gyorsítási időkben lényeges eltérés van a terhelés függ-

lassítási időkben lényeges eltérés van a terhelés függ-

vényében.

vényében.

5



Kétsebességes felvonóhajtás sebesség - idő jelleggörbéje egyszintes (rövid) menet esetén

A növekvő utazósebességeknél a kéttekercses aszinkron motoros szabályozatlan felvonóhajtások zavaró tulajdonságai egyre erősödnek. Ezek : a be- és kikapcsolásoknál és a mechanikus fékezéskor – szélső terhelési esetekben – a fellépő nagy forgatónyomaték ugrások miatti nagy gyorsulás változások nagy rándításokat eredményeznek, melyek egyre kellemetlenebb érzést váltanak ki az utasokból és a szervezetre károsak. a fékezési folyamat terhelésfüggése miatt a gurulóutakban és az azok megtételéhez szükséges időkben jelentős

Nagyobb menetsebességek esetén rövid menet alkalmával jelentősen megnövekszik a gurulósebességgel megtett

különbségek adódnak – különösen rövid egyszintes meneteknél -, melyek számottevően megnövelik az utazási időt.

útszakaszhoz tartozó utazási idő.

1,2 m/s menetsebesség fölött a kétsebességes felvonóhajtásokat a hátrányos tulajdonságai miatt nem alkalmaz-

3. Frekvencia változtatással működő szabályozott felvonóhajtások. Két csoportra oszthatók :

zák. A kellemetlen hatások csökkentésére korábban

- U1/f1 változtatással működő szabályozott hajtások (Ezek

- a fékezés kezdetének időbeli eltolását (átkapcsolás

főképp az ipari frekvenciaváltókból átvett típusok, melyek

késleltetés) alkalmaztak, mely csak a gurulóutakban mutat-

felvonó hajtásokra csak korlátozottan kb. 1,2m/s sebességig

kozó különbséget küszöböli ki, de a kellemetlen lassulási

használhatóak.)

értékeken nem változtat,

- Fluxusvektor

szabályozással

(mezőorientált)

működő

- a motor fékezőnyomatékának a terheléstől függő

szabályozott felvonóhajtások, mely lehetővé teszi, hogy az

változtatása esetén a gurulóutak azáltal egyenlítődnek ki,

aszinkron gépek a kiváló szabályozhatóságú külső gerjesz-

hogy a fékezőnyomaték a mindenkori felvonóterheléshez

tésű egyenáramú gépekhez hasonló módon viselkedjenek

igazodik és ezáltal a lassulás értéke a terheléstől füg-

és álló állapotban is rendelkezésre álljon a teljes motor-

getlenül közel állandó.

nyomaték.

3.1. Az állórészköri frekvencia változtatása

Az aszinkron motorok állórészére kapcsolt háromfázisú váltakozó feszültség f1 frekvenciájánák változtatásával

Az aszinkron motorok fordulatszáma a háromfázisú

változtatható a forgó mágneses mező n0 szinkron fordulat-

gerjesztés hatására a légrésben kialakuló forgó mágneses

száma és ezzel együtt a forgórész fordulatszáma is. Ez a

tér fordulatszámától és a forgórésznek a forgó mágneses

módszer veszteségmentes fordulatszám-változtatást tesz

tértől való elmaradásától - a szliptől - függ.

lehetővé.

n  n0  s  n0  n0 1  s  

 

f1 1  s  1 s p

s

n0  n n0

A forgómező n0 fordulatszámmal metszi az állórész U i1  4, 44 f1 N11

tekercseit, azokban

ahol n az aszinkron motor fordulatszáma, n0 a forgó

belső feszültséget indukál. Ha elhanyagoljuk az állórész

mágneses tér fordulatszáma, amely az f1 állórészköri

tekercselésben fellépő feszültségeséseket, akkor a gép

frekvenciától és a p póluspárok számától függ. Az s az

kapocsfeszültsége közelítőleg egyenlő a forgó mágneses

aszinkron motorok szlipje.

mező által az állórészben indukált feszültséggel.

6



U1  U i1  4, 44 f1 N11 ahol

U1 az állórész fázisfeszültség effektív értéke f1 a primér frekvencia N11 az állórész fázisonkénti effektív menetszáma

 a fluxus. A névleges állapothoz tartozó fluxust célszerű megtartani, lefelé történő eltérésnél a gép kihasználása, míg felfelé történő eltérésnél a telítődés szab határt. Állandó fluxus úgy valósítható meg, hogy a gép kapocsfeszültségét a frekvenciával arányos módon kell változtatni. 

U1  állandó f1

A nyomaték kialakulásának fizikai képéből következik, hogy adott  fluxus és adott n0–n fordulatszám eltérés esetében a nyomaték ugyanakkora, bármekkora is a forgómező n0 abszolút fordulatszáma. A korábbiak szerint az aszinkron motor nyomatéka a forgó mágneses tér fluxusának négyzetétől függ : M m   2  állandó 

Mm 

U12 f12

Ha a frekvenciát (f1) a névleges fölé növeljük, akkor a telítődés miatt állórészköri feszültség effektív értékét (U1) nem növelhetjük, ezért a nyomaték a frekvencia négyzetével fordított arányban csökken.

M(n) jelleggörbe alakulása a kapocsfeszültség (U1) és a tápláló frekvencia (f1) arányos változtatásakor

A tápláló frekvencia (f1) és a kapocsfeszültség (U1) egyidejű változtatására alkalmas félvezetős berendezések bonyolult felépítésűek és többféle kialakításuk lehetséges.

Frekvenciaváltók felépítése

7





Egyenirányítók : - vezérelt - egyfázisú - háromfázisú - nem vezérelt

Egyenirányítók : - vezérelt - egyfázisú - háromfázisú - nem vezérelt Közbenső egyenáramú kör : - induktivitás - induktivitás és puffer kondenzátor - szaggató, induktivitás és puffer kondenzátor



Egyenirányítók : - egyfázisú - háromfázisú


- vezérelt - nem vezérelt

Közbenső egyenáramú kör :


- induktivitás - induktivitás és puffer kondenzátor - szaggató, induktivitás és puffer kondenzátor


Inverter : - áraminverter - feszültséginverter

Inverter : ÁRAMINVERTEREK


- áraminverter - feszültséginverter

PAM INVERTEREK (pulzus amplitudó moduláció)








Inverter : - áraminverter - feszültséginverter

Inverter : PAM INVERTEREK (pulzus amplitudó moduláció)

- áraminverter - feszültséginverter

PWM (ISZM) INVERTEREK (impulzus szélesség moduláció)

8



Inverter felépítése



Inverter működése



9





U

+ _

U

+ _

t

U

U

+

+

t

t

t

_

_


Inverter működése Impulzus szélesség moduláció :

U

+ _

t

U

+ _

U

+

t

U

t

+

_

t

_

PWM (ISZM) inverterek vezérlése. Ezekben a kialakítástól és a gyártótól függően igen sokféle megoldás létezik, melyek nagymértékben befolyásolják a frekvenciaváltók tulajdonságait és a táplált aszinkron motorok jellemzőit. A természetes mintavételezésű rendszerben egy állandó frekvenciájú és amplitúdójú háromszögjelet változó frekvenciájú és amplitúdójú (alapjel jellegű) szinuszhullámmal komparálunk és a metszéspontok határozzák meg az illető fázis átkapcsolási pillanatait, ha a háromszögjel meghaladja a szinuszjelet, akkor a fázist a negatív sínre, ellenkező esetben a pozitívra kötjük.

A szabályos mintavételezésű rendszerben egy állandó frekvenciájú és amplitúdójú háromszögjelet a változó frekvenciájú és amplitúdójú szinuszhullám mintavételezett lépcsős görbéjével komparáljuk. A mintavételezés lehet a háromszögjel mindkét csúcsánál, vagy csak a negatív csúcsnál. Optimalizált vezérlések a vezérlést valamilyen célfüggvény szerint optimalizáljuk. Például : a motoron a kis rendszámú (5., 7. stb.) feszültség felharmonikusok zérusok legyenek. A harmonikus áramok effektív értéke minimális legyen, ezzel a motorban keletkező veszteségeket minimalizáljuk, stb.

10



Az inverterek kapcsoló elemei.

PWM (ISZM) moduláció sematikus elve

Korábban tranzisztorokat alkalmaztak, de ma már szinte kizárólag csak IGBT (Isulated-Gate-Bipolate-Transistor) elemeket használnak. Ezek egyesítik a MOS- és a bipoláris Vivő frekvencia

tranzisztorok előnyös tulajdonságait. Ezekből un. IPM (Intelligent Power Modules) modult építenek fel, mely tartalmazza a hat IGBT elemet, a védődiódákat és a vezérlési és

PWM kimeneti hullámforma

védelmi kapcsolásokat is. Ez a frekvenciaváltók gyártását Kimeneti feszültség alapharmonikusa

nagymértékben megkönnyíti, de a szervizt és a javítást megdrágítja, mivel csak komplett IPM elemet lehet cserélni, mely a frekvenciaváltó egyik legdrágább építőeleme.

Frekvenciaváltós hajtások megbízhatósága Félvezetők kapcsolási tulajdonságai :

U = ~ 600 V I=~0 P=~0

U

U=~1V I = ~ 100 A P = ~ 100 W t

Frekvenciaváltós hajtások megbízhatósága


Félvezetők kapcsolási tulajdonságai :

Félvezetők kapcsolási tulajdonságai :

U = ~ 600 V I=~0 P=~0

U

U = ~ 300 V I = ~ 50 A P = ~ 15 kW !!!

U=~1V I = ~ 100 A P = ~ 100 W

U = ~ 600 V I=~0 P=~0

U

t

U = ~ 300 V I = ~ 50 A P = ~ 15 kW !!!

U=~1V I = ~ 100 A P = ~ 100 W

t

P

t

11





Félvezetők disszipációja :

Félvezetők disszipációja :

P

P t

t

T t

Kapcsoló frekvencia megválasztása

Frekvenciaváltós hajtások megbízhatósága Félvezetők (IPM modulok) várható élettartama :

várható élettartam

Várható élettartam

motor veszteségei

10 kHz

0

7 kHz

2-3 év

5 kHz

4-5 év

félvezetők veszteségei 6-7 év

Háromfázisú PWM (ISZM) frekvenciaváltó

t

0

5

10

15

20

f [kHz]

Az aszinkron gép fluxusai

Hálózati feszültség és áram függvény

Elvi kapcsolás vázlat

12



Az aszinkron gép egy fázisának helyettesítő vázlata az idő

forgórész

állórész R1  R2'  4% ;

Az aszinkron gép egy fázisának helyettesítő vázlata átalakítás után az idő tartományban

tartományban.

X 1  X 2'  10% ;

X m  300% ;

Az állórész és a forgórész kapcsolási vázlata az átalakítás

Rv  10 X m ;

után egymással összeköthető.

Az aszinkron gép háromfázisú kapcsolási vázlata da u a  ia Ra  ; dt

Háromfázisú feszültség az időtartományban.

dra u ra  ira Rra  dt

u b  ib Rb 

db ; dt

urb  irb Rrb 

drb dt

u c  ic Rc 

dc ; dt

u rc  irc Rrc 

drc dt

a, b és c az egyes tekercsek teljes tekercsfluxusa, tartalmazza a szórási és fő mezőkből származó kapcsolódásokat. R egy-egy fázistekercs ellenállása

Az időtartományból olyan tartományba kell áttérni, ahol kevesebb és könnyen megoldható egyenleteket kapunk.

Háromfázisú feszültség és áram ( = 30º) az időtartományban.

Háromfázisú feszültség, áram ( = 30º) és teljesítmény az időtartományban.

13



Háromfázisú feszültség, áram ( = 30º) és teljesítmény fáziskimaradáskor az időtartományban.

3/2 transzformáció. Áttérés térben forgó vektorokra. A háromfázisú periódikusan változó villamos mennyiségek három időfüggvénnyel írhatók le az idő (t) tartományban. Ezen időfüggvények kifejezhetőek a komplex számsíkon a (j) tartományban három forgó vektorral. Ezen három forgó vektorokból képezhető egyetlen térben forgó vektor. Ez az un. térvektor, vagy Park-vektor. Az esetek zömében, ha nincs zérus sorrendű összetevő, akkor

j

2 3

j 1 3 ; a2  e   j 2 2

2 3

1 3   j ; 2 2

Az áram Park-vektora a három fázisáramot egyetlen mennyiséggel összefoglalva jellemzi és nemcsak időben szinuszos mennyiségekre használható. Az eredő áramvektor minden pillanatban az eredő gerjesztés

térbeli

irányába mutat. A Park-vektor nagy-

2 i  (ia  a ib  a 2 ic ) ahol ia , ib és ic a fázisáramok pillanatértékei 3 ae

Háromfázisú feszültség az időtartományban.

komplex egységvekt orok

sága és sebessége is változhat és akár ugrásokat is tartalmazhat.

2/3 transzformáció. Visszatérés az időtartományba.

Példa az időfüggvény meghatározására. (Tranziens)

Az esetek zömében nincs zérus sorrendű összetevő, ekkor az egyetlen térben forgó vektor (a Park-vektor) illető fázistengelyre vetett vetülete az adott fázisban az aktuális pillanatértéket adja az idő (t) tartományban. ia  Re[i ] ; ib  Re[ a 2 i ] ; ic  Re[a i ] ahol ia , ib és ic a fázisáramok pillanatértékei 2 3

j 1 3 ; a2  e   j 2 2 komplex egységvekt orok

ae

j

2 3

1 3   j ; 2 2

14



Koordináta transzformáció. A háromfázisú térvektor (Parkvektor) kifejezhető a derékszögű összetevőivel is és könnyen transzformálható más koordináta rendszerbe is.

áttérés a forgóba i   ie  jxk a szög xk  val kisebb

visszatéré s i  i  e jxk a szög xk  val nagyobb Az állórész változók transzformálása a közös koordináta rendszerbe.

Koordináta transzformáció. Az állórész koordináta rendszere

A frekvencia változtatás néhány vezérlési módja

álló (x-y), a közös egy szinkron forgó (-) koordináta rendszer, mely a mezővel együtt forog.

A számítások a háromfázisú térvektorok (Park-vektorok) segítségével a komplex operátor tartományban végezhetőek el. A forgórész változók transzformálása a közös koordináta rendszerbe.

U1/f1 illetve U/f1 = áll. vezérlési mód. (IR kompenzáció)

Itt a differenciálegyenlet rendszer helyett csak algebrai egyenleteket kell megoldani.

U1/f1 illetve U/f1 = áll. vezérlési mód. (IR kompenzáció)

Terhelés kompenzálást

alkalmazva

biztosítható, hogy a nyomatéki

jelleg-

görbe alakja a kis frekvenciákon sem torzul. Az állórészköri ellenállás értékét

ismerni

Egyszerűbb soknál dást ad.

jó

kell. hajtá-

megol-

U/f vezérlési jelleggörbe.

15



Mechanikai jeggörbe U/f1 = állandó esetén.

U/f1 = áll. vezérlési módú frekvenciaváltó blokkvázlata.

Ha nincs IR kompenzáció, kis frekvenciákon hajtási állapotban a nyomaték az R1 ellenálláson eső feszültség

négyzetével

arányosan csökken.

Az R ellenállás nagyságát be kell állítani, vagy a frekvenciaváltónak meg kell tudni mérni.

r = állandó vezérlési mód. (Forgórészköri fluxusvektor szabályozás) Az aszinkron gép tranziens üzemét a rövidrezárt forgórész

Ezzel a megoldással az aszinkron motor szabályozását szétcsatoltuk két független szabályozókörre, az egyik az

és a vele kapcsolódó fluxus alakulása nagymértékben meg-

áramvektor valós (forgórészfluxus), a másik az áramvektor

határozza. Emiatt precíziós, gyors működésű hajtásoknál

képzetes összetevőjét (nyomaték) szabályozza. Ilyenkor a

célszerű a gép forgórész fluxusát tranziens üzemben is a

motorban az elektromágneses tranziens folyamatokat elke-

maximálisan megengedhető értéken állandónak tartani. Ez

rüljük és az aszinkron motor az egyenáramú külső gerjesz-

az un. mezőorientált szabályozási elv.

tésű motorhoz hasonlóan viselkedik.

Ekkor az állórészáram szabályozását úgy kell megoldani, hogy a r forgórészfluxushoz rögzített (szinkron szögsebességgel forgó)

koordináta rendszerben az áram valós

összetevője állandó értéken maradjon. Ez határozza meg a forgórészfluxus nagyságát. A képzetes összetevője a kívánt nyomatékkal legyen arányos.

Átszámítás az állórészhez rögzített álló (x-y) és a

Az aszinkron motorok mezőorientált szabályozásakor, ha a forgórészfluxus állandó marad, a motor nyomatékát csak az állórészáram képzetes összetevője határozza meg. (A mezőorientált szabályozás elve az alapharmonikus mennyiségekre korlátozódik.)

Az aszinkron gép áram-vektordiagramja (motoros üzemben) állandó forgórész fluxusú (r = állandó) táplálásnál a

forgórész fluxushoz rög-

forgórész fluxushoz rögzített szinkron szögsebességgel for-

zített szinkron szögsebes-

gó (-) koordináta rendszerben.

séggel forgó (-) koor-

Tr0=Lr/Rr a forgórész-

dináta rendszerben felírt

kör időállandója nyitott

mennyiségek között.

állórészkapcsok mellett.

Áttérés a forgóba (α  β) i   ie  j Visszatérés az állóba (x  y ) 

ii e

j

Az áram hatásos öszszetevője a forgórész fluxussal,

a képzetes

összetevője a nyomatékkal arányos.

16



Mezőorientált szabályozás elvi vázlata.

A tényleges forgórészfluxust közvetlenül számító egység blokkvázlata.

Fluxus szabályozó Inverz koordináta transzformáció

Nyomaték szabályozó

Koordináta transzformáció

Forgórészfluxus alapjel. (Mezőgyengítés a névleges frekvencia feletti tartományban.

Az i áram szabályozó (PI) a fluxust, az i áram szabályozó (PI) a nyomatékot szabályozza.

Mezőorientált szabályozás közvetlen fluxus számítással. Szögsebesség szabályozó

Mechanikai jeggörbe mezőorientált szabályozásnal.

Nyomaték szabályozó

Mezőorientált

szabá-

lyozás esetén az aszinkron motor az egyenáramú külső gerjesztésű motorhoz hasonlóan viselkedik.

Igen jók a követési tulajdonságok és a hajtás a szervoFluxus alapjel

Fluxus szabályozó

3.3. Frekvenciaváltós hajtások féküzeme. M m  M t  M d      

MÜF

d Nm dt

MTF

hajtásokat megközelítő szabályozástechnikai jellemzőkkel rendelkezik.

Ha a tápláló frekvenciát lecsökkentjük, akkor a hajtás fékeződni fog. (Az Md dinamikai nyomaték negatív lesz.) A fékezés során az

aszinkron motor generátoros üzembe

kerül és energiát táplál vissza a közbülső körbe. Ekkor a közbülső kör feszültsége megemelkedik, melyet adott értékek között kell tartani. Ez megtehető pl. a közbülső kör ellenálláson keresztül történő kisütésével. Ekkor a fékezési energia az ellenálláson hővé alakul. A fékcsopper a szabályozó körtől függetlenül működik. A fékcsopper és a fékellenállás teljesítményének megválasztása rendkívül fontos a felvonó biztonságos fékezése szempontjából !!! Az egyes típusok között itt lényeges eltérések vannak.

generátoros üzem

motoros üzem

17



Közbülső kör energiájának felemésztése fékellenállással.

A fékcsopper vezérlése független az egyéb szabályozóktól.

Belső fékcsopperrel Külső fékcsopperrel

Ha a fékcsopper nem képes a közbülső kör feszültségét

Üres fülke Fel irányú menet. Végig fékezni kell !!!

az adott értékek közt tartani vagy túlmelegedett, akkor lekapcsol és hibajelzést ad. Ekkor a frekvenciaváltó is hibajelzést ad és kialakítástól függő késleltetéssel a vezérlés lekapcsol. Ilyenkor mechanikus fékkel kell megállítani a fülkét, mely a szélső szintek közelében nem mindig sikeres. A mechanikus fék sok esetben nem tudja ugyanazt a lassulást produkálni, mint a frekvenciaváltó. Emiatt nagyon lényeges a fékcsopper megfelelő méretezése. Az ipari frekvenciaváltók általában emiatt nem alkalmasak a felvonók biztonságos müködtetésére. Ez főként jó hatásfokú hajtóműveknél pl. planéta hajtómű (kb. 94% mindkét irányba) lényeges.

Közbülső kör energiájának visszatáplálása a hálózatba.

Különálló visszatápláló modul gyakorlati kialakítása.

Nagy teljesítményű kb. 50kW feletti hajtásoknál (pl. METRO mozgólépcső) a fékezési energiát egy 3F2U6Ü teljesen vezérelt ellenpárhuzamosan kapcsolt és inverter üzemállapotba vezérelt áramirányító táp-

Nagy teljesítményű kb. 50kW feletti hajtásoknál a fékezési

lálja vissza a hálózatba. Ez

energiát egy hídkapcsolású teljesen vezérelt ellenpárhuza-

egy

mosan kapcsolt IGBT-kből kialakított váltóirányító táplálja

különálló

egység.

visszatápláló

vissza a hálózatba. Ez egy különálló visszatápláló egység. (REVCON modul).

18



A hálózat egy fázisának feszültség (u1) és áramjel (i1) alakja, betáplálási és visszatáplálási üzemben. (P = 15 kW, n = 1000 f/perc, M = 60 Nm).

Ha a visszatápláló modul nem képes a közbülső kör feszültségét az adott értékek közt tartani vagy túlmelegedett, akkor lekapcsol és hibajelzést ad.

Ekkor a

frekvenciaváltó is hibajelzést

ad és

vezérlés

lekapcsol.

a

Ilyenkor mechanikus Betáplálás motorüzemben

Visszatáplálás generátor üzemben

100 kW-os mozgólépcső hajtás.

Betápláló (hajtó) szekrény

fékkel kell megállni.

100 kW-os mozgólépcső hajtás hálózati jelalakjai betáplálási (hajtási) üzemben.

Visszatápláló (fékező) szekrény

100 kW-os mozgólépcső hajtás hálózati jellemzői betáplálási (hajtási) üzemben.

100 kW-os mozgólépcső hajtás hálózati jelalakjai visszatáplálási (fékezési) üzemben.

19



100 kW-os mozgólépcső hajtás hálózati jellemzői

3.4. Frekvenciaváltós hajtások szabályozása.

visszatáplálási (fékezési) üzemben.

Ezeknél a berendezéseknél állítani lehet, hogy milyen menetdiagramot és milyen állandósult sebességet kívánunk megvalósítani. Képesek nyitott hurokban is működni (szlipkompenzációval), de ekkor a fordulatszám tartás pontatlanabb. A pontos fordulatszám tartáshoz a fordulatszám (szöghelyzet) ellenőrző jelet digitális inkrementális fordulatszám jeladó segítségével vissza kell csatolni. A megfelelő szabályozási paraméterek beállítása jelentős körültekintést kíván meg.

A fordulatszám (szöghelyzet) ellenőrző jelet digitális

inkrementális

fordulatszám jeladó adja. Enélkül a nagyobb menetsebességű

haj-

tások menettulajdonságai nem kielégítőek. (Ez igaz a planéta hajtóműves berendezésekre is,

melyeknél

a

fék

nyitásakor a fülke azonnal megmozdul.)

A

menetdiagram

képző

sebesség-idő

beállítható sebességek feltüntetésével.

függvénye

a

A menetdiagram képző sebesség-idő függvénye a beállítási lehetőségek feltüntetésével.

20



A PI szabályozónál az erősítési tényező és az integrálási

Beállítások

időállandó a GA határ szerint külön állítható.

Rövid beállítás Sebességek Rándítások Idők / Utak Szabályozó Berendezés adatok Kijelzések Ellenőrző / alapjel Ki / bemenetek Hibatároló (10 utolsó) Statisztika Rendszer

Információ

Hálózati zavarok és a felvonó irányítási rendszerek

Bővített menü

A korszerű felvonó vezérlési- és hajtási rendszerek ma

Szinkrongép

már szinte kizárólag mikroszámítógépes kialakításúak és

Nyitott hurok

egyre nagyobb számban un. elosztott intelligenciájú rend-

Menetdiagram

szerek. Ezen egységek között kis energiaszintű soros

Szabályozó

kommunikáció zajlik. Ezek érzékenyek a hálózati zavarokra.

Hibakonfiguráció

A frekvenciaváltós hajtási rendszerek igen érzékenyek a

Ki/Bemenet

hálózati feszültség nagyságára is. A gyártók a készülékek

Felügyelet

helyes működését

Kommunikáció Hibák Frekvenciaváltó

Un=230V +10% -10% tűrésmezőn belül garantálják. A felvonó berendezések általában nagy bekapcsolási áramokkal indulnak nagy vezetett és sugárzott zavarok forrásai. Megfelelően méretezett fővezeték szükséges.

Háromfázisú frekvenciaváltó bekapcsolása

Fázisfeszültségek effektív értéke 2500kg, 1,6m/s, 24kW24kW-os felvonó hajtásnál

21



Hálózati feszültség és áram jelalakja.

Periodikus jelek Fourier spektrumának magyarázata.

Hálózatból felvett teljesítmények

Hálózati feszültségfeszültség- és áram Fourier spektruma

Amplitúdó effektív érték

Frekvenciatartomány Időtartomány Idő

Hálózati feszültség felharmonikusai

Hálózati áram felharmonikusai

22



Hálózati minőség analizátor (0Hz-2,5kHz 50. felharmonikus).

A felharmonikus áramok okozta feszültség torzításnál be kell tartani az MSZ EN 50160:2001 szabvány szerinti előírásokat. (A THDU értéke – beleértve az összes felharmonikust a 40. rendszámig – nem lehet 8%-nál nagyobb. A bemeneti áram felharmonikus tartalma alacsonyfrekvenciás szűrőkkel (nem telítődő fojtótekercsek) csökkenthető. A vezetett zavarokra az MSZ EN 12015:2001 szabvány tartalmaz előírásokat. A vezetett zavarok nagyfrekvenciás szűrőkkel csökkenthetők. (MSZ EN 55011 „A” ipari, „B” lakossági) A sugárzott zavarok csökkentése végett a motorkábelt minden esetben árnyékolni kell !!!

Nagyon lényeges

a

megfelelő földelés kialakítása !!!

EMC optimálisan

24 kWkW-os duplex frekvenciaváltós felvonó

kialakított szerelési elrendezés a gyártói ajánlások szerint. A nagy szivárgó áramok miatt megerősített védővezető szükséges.

33 kWkW-os frekvenciaváltós felvonó hajtás

Külön problémát jelent a motorra jutó feszültség jelalakja, melynél külön intézkedés nélkül a feszültségmeredekség elérheti a 2,5kV/μs értéket. Ezt motorköri fojtókkal max. 1,5kV/μs értékre korlátozni kell! Ellenkező esetben, főként régebbi motoroknál a tekercsben átütés következhet be.

23



A du/dt meredekség

a

EMC optimálisan kialakított kapcsolás a szűrőelemekkel.

frekvencia-

váltón belül

beépí-

tett ferrit gyűrűkön átvezetett motorkábellel csökkenthető az

elviselhető kb.

1,5kV/μs értékre.

Alacsonyfrekvenciás zavarok = felharmonikusok Frekvenciatartomány : 50Hz – 2,5 kHz (50. felh.) Nagyfrekvenciás zavarok = rádiófrekvenciás zaj (RF) Vezetett zavarok : 150kHz – 30MHz Sugárzott zavarok : 30MHz – 1 GHz.

A vezetett zavarjel nagysága MSZ EN 12015 szerint.

EMC minősítő mérővevő (9kHz – 3GHz), vezetett és sugárzott zavarok mérésére

200 A-os négyvezetékes műhálózat vezetett zavarok

„Frekvenciaváltással” megvalósított menetdiagram.

(150kHz – 30MHz) laboratóriumi méréséhez.

24



„Frekvenciaváltós” digitális felvonó hajtásszabályozó.

„Frekvenciaváltással” működő felvonó hajtásszabályozás.

„Frekvenciaváltással” működő motor „Planéta” hajtóművel.

„Frekvenciaváltoztatással” működő berendezések előnyei: Olcsó, mivel egytekercses aszinkron motor használható, a tekercseléssel szemben követelmények vannak (du/dt). 35-45%-os energia megtakarítás érhető el a normál kétsebességes hajtáshoz képest a lendítőtömegek csökkentésével és a jó fázisszöggel. A szabályozó esetleges meghibásodása esetén nem tartható fenn a felvonó üzeme. A hálózatot terhelő felharmonikus áramok jelentősek, előtét fojtótekerccsel csökkenthetőek. A hálózatot terhelő vezetett zavarok jelentősek, lényeges sugárzott zavarokat kelt, árnyékolt motorkábelt kell alkalmazni. Nehezen, javítható és élettartama aránylag alacsony.

Aszinkron és szinkron motor fordulatszámának változtatása a tápfesz. frekvenciájával Aszinkron motor

Szinkron motor

M

no

MT F

n

n MÜ F

MÜ F, TL

f3
A forgó mágneses tér fordulatszáma:

M

M T F, ÜL

 Ui = 4,44 f1 N1ξ1Φmax Φ C U1 / f1

Szinkron gép felépítése

f3
no=f / p A mágneses kölcsönhatás révén a mágneses térrel szinkron forog az egyenárammal gerjesztett vagy állandó mágneses pólusokkal rendelkező forgórész is.

n = no = f 1 / p

Dr. Horváth István


25



Szinkron gép nyomatéka

ZETASYN SM 600 AL hajtás

Hengeres forgórésznél: M= 3 / o ×U×Up / Xd× sin o = 2  no

M=3p/2 ×U×Up/ Xd×sin  × U1 / f1 M = c × U1 / f1

Kiálló pólusú forgórésznél a fenti nyomaték megnövekszik a reluktancia nyomatékkal: Mr= 3 U2 / 2ωo ×(1/Xq -1/Xd) sin2δ n = 95 1/min


P = 5 kW


26

Váltakozóáramú hajtások Dr. TARNIK István 2006

Recommend Documents