AC.pdf

Laboratorium Nap ħ du Elektrycznego.

Ę wiczenie 2:

Nap ħ d falownikowy silnika indukcyjnego (nap ħ d AC).

Wła Ļ ciwo Ļ ci silnika indukcyjnego.

Silnik indukcyjny klatkowy IM jest maszyn Ģ elektryczn Ģ zasilan Ģ napi ħ ciem pr Ģ du

przemiennego. Pr ħ dko Ļę k Ģ towa W s odpowiadaj Ģ ca cz ħ stotliwo Ļ ci f s napi ħ cia zasilaj Ģ cego

nazywana jest pr ħ dko Ļ ci Ģ synchroniczn Ģ i jest pr ħ dko Ļ ci Ģ wirowania pola wytwarzanego w

stojanie przez napi ħ cie pr Ģ du przemiennego. Pr ħ dko Ļę synchroniczna zale Ň y równie Ň od

liczby par biegunów p b i jest wyra Ň ona wzorem:

2 p

W =

(1)

Po podł Ģ czeniu silnika indukcyjnego do napi ħ cia pr Ģ du przemiennego wirnik wiruje z

pr ħ dko Ļ ci Ģ mechaniczn Ģ W m mniejsz Ģ od pr ħ dko Ļ ci synchronicznej W s . Jest to wynikiem

istnienia oporów ruchu i rezystancji wirnika. W wirniku silnika klatkowego wiruj Ģ cego z

pr ħ dko Ļ ci Ģ synchroniczna W s nie mo Ň e zaindukowa ę si ħ pr Ģ d, gdy Ň nie b ħ dzie zmian pola

wzgl ħ dem przewodnika (pr ħ tów klatki wirnika). Opory ruchu sprawi Ģ , Ň e wirnik zwolni do

pr ħ dko Ļ ci poni Ň ej synchronicznej i zacznie płyn Ģę w wirniku pr Ģ d, który oddziałuj Ģ c z polem

wytwarzanym przez stojan powoduje nap ħ dzanie wirnika. Pr Ģ d wirnika ograniczony jest

przez rezystancj ħ klatki co nie pozwala na osi Ģ gni ħ cie takiego momentu nap ħ dzaj Ģ cego

wirnik aby pr ħ dko Ļę mechaniczna była równa synchronicznej. Ró Ň nic ħ mi ħ dzy pr ħ dko Ļ ci Ģ

synchroniczn Ģ W s a mechaniczn Ģ W m opisujemy za pomoc Ģ wielko Ļ ci zwanej po Ļ lizgiem s.

−

(2)

gdzie, W m jest pr ħ dko Ļ ci Ģ k Ģ tow Ģ mechaniczn Ģ a n s i n m s Ģ odpowiednio pr ħ dko Ļ ci Ģ obrotow Ģ

synchroniczn Ģ i mechaniczn Ģ . Pr ħ dko Ļ ci k Ģ towe wyra Ň one s Ģ w rad/s, a obrotowe w obr/min.

Po Ļ lizg dodatni wyst ħ puje dla pracy silnikowej, natomiast po Ļ lizg ujemny dla pracy

generatorowej. Charakterystyk ħ maszyny indukcyjnej zasilanej ze Ņ ródła o stałej amplitudzie i

cz ħ stotliwo Ļ ci przedstawiono na rysunku 1. Przy pr ħ dko Ļ ci mechanicznej równej zero silnik

indukcyjny zachowuje si ħ jak transformator w stanie zwarcia. W typowym silniku moment

rozruchowy M r rozwijany przy zahamowanym wirniku jest niezbyt du Ň y, natomiast warto Ļę

pr Ģ du, który ma głównie charakter bierny jest kilkukrotnie wi ħ ksza od pr Ģ du znamionowego.

Je Ň eli moment obci ĢŇ enia jest mniejszy od momentu elektromagnetycznego rozwijanego

przez silnik nast ħ puje wzrost pr ħ dko Ļ ci wirnika z jednoczesnym wzrostem momentu

elektromagnetycznego. Maksymalna warto Ļę momentu silnika indukcyjnego M k zwana

momentem krytycznym jest w przybli Ň eniu proporcjonalna do kwadratu amplitudy napi ħ cia

zasilaj Ģ cego i odwrotnie proporcjonalna do sumy reaktancji rozproszenia stojana i wirnika.

(3)

Rys. 1. Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego.

Moment krytyczny M k rozwijany jest przy po Ļ lizgu krytycznym s k , który jest okre Ļ lony

zale Ň no Ļ ci Ģ :

(4)

i mo Ň e by ę równie Ň wyznaczony na podstawie danych katalogowych silnika indukcyjnego:

(

)

−

(5)

przy czym s N jest po Ļ lizgiem znamionowym, a współczynnik przeci ĢŇ alno Ļ ci momentem k M

jest równy:

(6)

Przebieg momentu silnika w funkcji pr ħ dko Ļ ci mechanicznej (charakterystyka mechaniczna)

mo Ň na okre Ļ li ę uproszczon Ģ zale Ň no Ļ ci Ģ :

(5)

Mo Ň na wyró Ň ni ę trzy zakresy pracy silnika indukcyjnego:

1) praca silnikowa od pr ħ dko Ļ ci zero do synchronicznej (kierunek ruchu wirnika jest zgodny

z kierunkiem wirowania pola, a pr ħ dko Ļę silnika jest mniejsza od synchronicznej)

praca generatorowa powy Ň ej pr ħ dko Ļ ci synchronicznej (kierunek ruchu wirnika jest

zgodny z kierunkiem wirowania pola, a pr ħ dko Ļę silnika jest wi ħ ksza od synchronicznej).

3) praca w zakresie tzw. hamowania przeciwwł Ģ czeniem (kierunek ruchu wirnika jest

przeciwny do kierunku wirowania pola).

W zakresie pracy silnikowej mo Ň na wyró Ň ni ę dwie cz ħĻ ci charakterystyki:

1) Stabilny – od pr ħ dko Ļ ci dla której silnik osi Ģ ga moment krytyczny M k do pr ħ dko Ļ ci

synchronicznej.

2) Niestabilny – od pr ħ dko Ļ ci zerowej do pr ħ dko Ļ ci w której silnik osi Ģ ga moment krytyczny.

Ustalony punkt pracy (punkt zrównania si ħ momentu obci ĢŇ enia M o z momentem

rozwijanym przez silnik) musi znajdowa ę si ħ na stabilnej cz ħĻ ci charakterystyki poni Ň ej

znamionowego punktu pracy (M N , W N ) – rys. 2. Równowaga momentów obci ĢŇ enia i silnika

w ka Ň dym innym punkcie powoduje przekroczenie warto Ļ ci znamionowej pr Ģ du silnika co

grozi jego przegrzaniem i uszkodzeniem izolacji. Zmiana momentu obci ĢŇ enia powoduje

nieznaczn Ģ tylko zmian ħ pr ħ dko Ļ ci mechanicznej, a dla ustalonego momentu obci ĢŇ enia nie

mo Ň na regulowa ę pr ħ dko Ļ ci za pomoc Ģ Ņ ródła napi ħ cia o stałej amplitudzie i cz ħ stotliwo Ļ ci.

Rys. 2. Charakterystyka mechaniczna silnika i przykładowego obci ĢŇ enia.

Dla ustalonego momentu obci ĢŇ enia mo Ň liwa jest regulacja pr ħ dko Ļ ci w w Ģ skim

zakresie za pomoc Ģ zmiany amplitudy napi ħ cia zasilaj Ģ cego. Charakterystyki mechaniczne

dla ró Ň nych napi ħę przedstawione s Ģ na rysunku 3, przy czym dla ni Ň szych warto Ļ ci napi ħę

uzyskujemy mniejszy moment rozwijany przez silnik indukcyjny. Dla danego momentu

znamionowego jak na rysunku 3, silnik mo Ň e porusza ę si ħ z pr ħ dko Ļ ci Ģ w zakresie DW m od

pr ħ dko Ļ ci znamionowej W N do pr ħ dko Ļ ci odpowiadaj Ģ cej po Ļ lizgowi krytycznemu s k ,

Rys. 3. Rodzina charakterystyk mechanicznych przy zasilaniu napi ħ ciami o stałej

cz ħ stotliwo Ļ ci i ró Ň nych amplitudach.

Regulacja pr ħ dko Ļ ci za pomoc Ģ jednoczesnej zmiany amplitudy i cz ħ stotliwo Ļ ci daje

du Ň o lepsze efekty ni Ň regulacja za pomoc Ģ zmiany samej amplitudy. Charakterystyki

mechaniczne dla napi ħę zasilaj Ģ cych o ró Ň nych cz ħ stotliwo Ļ ciach pokazano na rysunku 4.

Podstawowa charakterystyka z odpowiadaj Ģ c Ģ jej znamionow Ģ pr ħ dko Ļ ci Ģ synchroniczn Ģ W sN

zaznaczona jest lini Ģ pogrubion Ģ . Dla ka Ň dej cz ħ stotliwo Ļ ci poni Ň ej cz ħ stotliwo Ļ ci

znamionowej amplituda napi ħ cia zasilaj Ģ cego jest proporcjonalna do cz ħ stotliwo Ļ ci aby

spełni ę warunek U/f s = const. Ze wzgl ħ du na izolacj ħ uzwoje ı , amplituda napi ħ cia

zasilaj Ģ cego nie mo Ň e przekracza ę warto Ļ ci znamionowej. W zwi Ģ zku z tym, powy Ň ej

cz ħ stotliwo Ļ ci znamionowej amplituda napi ħ cia jest stała i równa warto Ļ ci znamionowej,

przez co obni Ň a si ħ warto Ļę momentu krytycznego proporcjonalnie do stosunku mi ħ dzy

cz ħ stotliwo Ļ ci Ģ napi ħ cia zasilania a cz ħ stotliwo Ļ ci Ģ znamionow Ģ (Rys.4).

Rys. 4. Charakterystyki mechaniczne przy zasilaniu silnika napi ħ ciem o ró Ň nej cz ħ stotliwo Ļ ci.

We wzorze (1) podano, Ň e pr ħ dko Ļę silnika zale Ň y od liczby par biegunów. Rysunek 5

przedstawia rodzin ħ charakterystyk dla silnika o zmiennej liczbie par biegunów (p b =1,2,3,4).

Istniej Ģ specjalne konstrukcje silników indukcyjnych (silniki wielobiegowe) z przeł Ģ czanymi

uzwojeniami, pozwalaj Ģ ce na osi Ģ gni ħ cie zadanej ilo Ļ ci biegunów, przez co mo Ň liwa jest

skokowa zmiana pr ħ dko Ļ ci synchronicznej a wi ħ c i pr ħ dko Ļ ci mechanicznej. Silniki

wielobiegowe stosowane s Ģ m.in. w starszych konstrukcjach d Ņ wigów osobowych.

p b =4

p b =3

p b =2

p b =1

Rys. 5. Charakterystyki mechaniczne silnika o regulowanej ilo Ļ ci par biegunów.

Nap ħ d falownikowy silnika indukcyjnego

Płynn Ģ regulacj ħ pr ħ dko Ļ ci i momentu zapewnia Ņ ródło o płynnie regulowanej

cz ħ stotliwo Ļ ci i amplitudzie napi ħ cia. Energoelektroniczne przyrz Ģ dy półprzewodnikowe

pozwalaj Ģ na skonstruowanie takiego Ņ ródła napi ħ cia. Schemat blokowy podstawowego

energoelektronicznego układu nap ħ dowego z silnikiem pr Ģ du przemiennego przedstawiony

jest na rysunku 6. Silnik indukcyjny IM zasilany jest z falownika napi ħ cia F

przekształcaj Ģ cego napi ħ cie stałe ze Ņ ródła obwodu po Ļ redniego DC jakim jest kondensator,

na napi ħ cie impulsowe o zmiennym współczynniku wypełnienia. Obwód napi ħ cia stałego

zasilany jest najcz ħĻ ciej z trójfazowej sieci napi ħ cia przemiennego za pomoc Ģ prostownika

diodowego PD.

Rys. 6. Schemat blokowy układu nap ħ dowego z silnikiem pr Ģ du przemiennego.

Prostownik diodowy ma kilka wad. Przede wszystkim ma niekorzystne wła Ļ ciwo Ļ ci ze

wzgl ħ du na niesinusoidalny pr Ģ d pobierany z sieci zasilaj Ģ cej. Ponadto układ z prostownikiem

diodowym PD posiada ograniczone mo Ň liwo Ļ ci pracy generatorowej maszyny. Energia

hamowania wymuszonego prac Ģ falownika musi by ę rozpraszana na rezystorze R wł Ģ czonym

równolegle w obwód DC zał Ģ czanym za pomoc Ģ ł Ģ cznika Ł2. Najcz ħĻ ciej rezystor dobrany

jest na wytracenie energii krótkotrwałego hamowania. Zalet Ģ prostownika diodowego jest

wy Ň sza niezawodno Ļę i mniejsze koszty. W przypadku gdy istnieje potrzeba długotrwałej lub

cz ħ stej pracy generatorowej, w szczególno Ļ ci przy du Ň ych mocach, proponuje si ħ układy jak

na rysunku 7.

Fig. 7. Schemat blokowy układu pozwalaj Ģ cego na długotrwał Ģ prac ħ generatorow Ģ silnika

indukcyjnego.

Prostownik diodowy PD zast Ģ piony jest sterowanym prostownikiem tranzystorowym

PT umo Ň liwiaj Ģ cym oddawanie energii hamowania silnika do sieci zasilaj Ģ cej. Prostowniki

aktywne stosuje si ħ równie Ň w układach nap ħ dowych du Ň ej mocy, w celu wyeliminowania

negatywnego oddziaływania na sie ę zasilaj Ģ c Ģ prostownika diodowego. Odpowiednie

sterowanie prostownikiem aktywnym pozwala na pobieranie pr Ģ du sinusoidalnego pr Ģ du o

jednostkowym współczynniku mocy. Układ prostownika nie jest celem omawianego

ę wiczenia wi ħ c opis jego wła Ļ ciwo Ļ ci zostanie pomini ħ ty w niniejszej instrukcji.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: