Podstawy Automatyzacji i Mechatroniki

(1)

Katedra Automatyki, Biomechaniki i Mechatroniki 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1/15, budynek A22

tel. 42 631 22 25, e-mail: K-16@adm.p.lodz.plwww.abm.p.lodz.pl

Strona 1 z 10

Podstawy

Automatyzacji i

Mechatroniki

Ćw. 3

Układy regulacji silników AC

2017

(2)

Strona 2 z 10

Silnik AC

Budowa silnika prądu przemiennego[1].

Silnik prądu przemiennego [2]– maszyna elektryczna, w której energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.

Silniki zasilane napięciem przemiennym:

1. Jednofazowe:

a. klatkowe, b. szeregowe.

2. Trójfazowe:

a. klatkowe, b. liniowe,

c. pierścieniowe.

3. Zasilane dwustronnie:

a. synchroniczne,

b. asynchroniczne - synchronizowane.

(3)

Strona 3 z 10 Prędkość obrotowa

Prędkość obrotowa jest to liczba obrotów wirnika wykonywanych w danej jednostce czasu (powszechnie przedstawiana w obrotach na minutę). W silnikach synchronicznych prądu przemiennego wirnik obraca się synchronicznie do obrotu pola magnetycznego, zależnego od częstotliwości prądu oraz liczby par biegunów magnetycznych:

gdzie:

– prędkość synchroniczna,

– częstotliwość (liczba cykli zmiany prądu na sekundę), – liczba par biegunów.

Silniki asynchroniczne mają zazwyczaj obroty nieco mniejsze od obrotów pola magnetycznego i określa się je często w stosunku do obrotów synchronicznych:

gdzie:

– prędkość wirowania wirnika, – prędkość synchroniczna, – poślizg.

Zasada działania[1]

Wytworzone przez uzwojenia stojana wirujące pole magnetyczne obraca się wokół nieruchomego wirnika. W wyniku przecinania przez to pole prętów klatki wirnika, indukuje się w nich napięcie (stąd nazwa ”silnik indukcyjny”) i zaczyna płynąć w nich prąd (patrz zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Przepływ prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej (patrz zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej) działającej stycznie do obwodu wirnika, a zatem powstaje także moment elektromagnetyczny. Jeżeli wartość tego momentu jest większa od wartości momentu obciążenia, to wirnik rusza i zaczyna zwiększać swoja prędkość obrotową. Zwiększanie prędkości wirnika, powoduje że pręty jego klatki przecinane są przez pole magnetyczne z coraz mniejszą prędkością, co skutkuje zmniejszeniem wartości indukowanej siły elektromotorycznej i spadkiem wartość prądu płynącego w prętach klatki, a zatem spada również wartość momentu

(4)

Strona 4 z 10 elektromagnetycznego. Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie przyspieszać i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością. Gdyby nie było żadnego momentu oporowego, wirnik osiągnąłby prędkość równą wartości prędkości wirowania pola, a więc prędkości synchronicznej. W takim przypadku pole wirnika byłoby nieruchome względem pola stojana, a więc ustałoby przecinanie prętów klatki przez pole stojana i nie płynęłyby w nich prądy, nie powstałby moment elektromagnetyczny. Sytuacja taka nie jest jednak możliwa do wystąpienia w rzeczywistym silniku, ponieważ zawsze występuje jakiś moment obciążenia, chociażby moment tarcia w łożyskach czy oporów powietrza (chyba że wirnik będzie napędzany mechanicznie przez jakiś inny silnik). Zatem wirnik osiągnie taką prędkość (zwykle niewiele mniejsza od prędkości synchronicznej), przy której momenty elektromagnetyczny silnika i obciążenia będą miały tą samą wartość. Skoro nie jest to prędkość synchroniczna, musi to być prędkość asynchroniczna, której silnik indukcyjny zawdzięcza swoja druga nazwę – “silnika asynchronicznego”.

Falownik[3]

Falownik (ang. power inverter, przetwornik mocy DC/AC) – urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały (ang.direct current, DC), którym jest zasilane, na prąd przemienny (ang. alternating current, AC) o regulowanej częstotliwości wyjściowej.

Jeśli w falowniku zastosuje się modulację szerokości impulsów (PWM), to równocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować wartość skuteczną napięcia wyjściowego.

Charakterystyka

Dawniej stosowane były falowniki tyrystorowe. Obecne w sprzedaży współczesne falowniki to złożone urządzenia sterowane zaawansowanymi procesorami sygnałowymi, kontrolujące szereg parametrów zasilanego silnika. Budowane są przy wykorzystaniu tranzystorów IGBT lub rzadziej, w przypadku niższego napięcia zasilania, tranzystorów polowych.

W zależności od rodzaju źródła zasilania falownika wyróżnia się:

 falowniki napięcia – zasilane ze źródła napięciowego – na wejściu falownika jest kondensator, ew. bateria kondensatorów o dużej pojemności,

 falowniki prądu – zasilane ze źródła prądowego – na wejściu falownika prądu jest dławik.

Podział ze względu na zasilanie przemienników częstotliwości („falowników” – są to przetwornice częstotliwości, tj. AC/AC, błędnie w handlu nazywane falownikami;

rzeczywisty falownik zasilany jest tylko z obwodu prądu stałego):

 przemienniki częstotliwości zasilane 1-fazowo (230 V) z wyjściem 1-fazowym (1 x 230 V) – umożliwiają pracę silników indukcyjnych trójfazowych (zwykle do 3 kW) ze znamionowymi parametrami, tam gdzie nie ma zasilania trójfazowego

(5)

Strona 5 z 10 (wymagają jednak zmiany układu połączeń z typowej dla silników małej mocy

„gwiazdy” na „trójkąt”),

 przemienniki częstotliwości zasilane 3-fazowo z wyjściem 3-fazowym (3 x 400 V).

Podział falowników według metod sterowania

 sterowanie skalarne z charakterystyką liniową U/f = const (taśmociągi, podnośniki itp.) lub charakterystyką kwadratową U/f² = const (wentylatory, pompy odśrodkowe itp.),

 sterowanie wektorowe, np. DTC (ang. Direct Torque Control).

Falowniki skalarne znajdują zastosowanie w systemach napędowych zmiennomomentowych i są bardzo ekonomiczne, ich działanie polega na dostarczaniu do silnika minimalnej możliwej energii tak, aby nie spowodować jeszcze obniżenia się częstotliwości wyjściowej poniżej wartości zadanej.

Falowniki wektorowe stosuje się w systemach napędowych stałomomentowych, charakteryzują się optymalną regulacją momentu obrotowego, stosownie do wymagań stawianych przez maszynę i jej zastosowanie. Jakość dynamiki takiego napędu jest szczególnie widoczna w przypadku niskich prędkości obrotowych.

Falowniki ze sterowaniem DTC posiadają najbardziej zaawansowaną metodę sterowania silnikiem prądu przemiennego, która pozwala na dokładną kontrolę zarówno prędkości obrotowej silnika, jak i momentu obrotowego, bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego w postaci enkodera na wale silnika.

Podział falowników według zasilania

 falowniki 1-fazowe: falowniki zasilane jednofazowo, np. 1 x 230 V z wyjściem trójfazowym 3 x 230 V,

 falowniki 3-fazowe: falowniki zasilane trójfazowo, np. 3 x 230 V z wyjściem trójfazowym 3 x 230 V.

Falowniki zasilane są często z sieci prądu przemiennego przez niesterowany prostownik diodowy lub sterowany prostownik tyrystorowy, ew. prostownik tranzystorowy. Taki układ, czyli prostownik + falownik + obwód pośredniczący z kondensatorem (dla falownika napięcia) lub dławikiem (dla falownika prądu), nazywany jest elektroniczną przetwornicą częstotliwości.

Zastosowanie

Falowniki przemysłowe (nazywane przemiennikami częstotliwości lub inwerterami) stosowane w elektronicznych przetwornicach częstotliwości, służą głównie do regulacji prędkości obrotowej klatkowych silników indukcyjnych. Mają obecnie dość szerokie zastosowanie w przemyśle, stanowią najwydajniejszy sposób regulacji prędkości.

W urządzeniach domowych stosowane są również do regulacji prędkości obrotowej

(6)

Strona 6 z 10 np. pralek. Zgodnie ze wzorem na prędkość obrotową silnika elektrycznego, zmiana częstotliwości zmienia prędkość obrotową silnika.

Wadą falowników, ograniczającą ich powszechne stosowanie, jest dość wysoka cena, wynikająca ze skomplikowanej budowy. Jednak wraz z rozwojem elektroenergetyki i inżynierii materiałowej falowniki stają się coraz bardziej konkurencyjne.

Budowa[3]

Mimo że od budowy pierwszego falownika upłynęło już kilkadziesiąt lat, podstawowy schemat blokowy nie uległ zmianie. Niezależnie od nazwy serii, typu czy producenta, konstrukcyjnie falownik dzielimy na cztery elementy które znajdują się we wszystkich modelach falowników:

 Prostownik - zasilany z jednej lub trzech faz napięcia przemiennego (AC), na wyjściu prostownika generowane jest stałe napięcie pulsacyjne. Prostowniki znajdujące się w falownikach mogą być jako niesterowalne (4, 6 lub 12-sto impulsowe) oraz sterowalne, zbudowane w oparciu o tyrystory lub tyrystorowo- diodowe.

 Stopień pośredni - rozróżniamy trzy rodzaje stopni pośrednich:

o zamieniający napięcie wyprostowane na prąd stały,

o stabilizujący i wygładzający pulsujące napięcie stałe (odfiltrowuje składową przemienną z napięcia wyprostowanego),

o zamieniający stałe napięcie na napięcie stałe o regulowanej wartości.

W stopniu pośrednim znajdują się także kondensatory lub bloki kondensatorów elektrolitycznych w których magazynowana jest energia prądu stałego.

 Stopień końcowy - w stopniu końcowym generowane i kształtowana jest częstotliwość napięcia zasilającego silnik. W stopniu końcowym znajdują się tranzystory mocy (IGBT) przełączane przez sygnały sterujące generowane w obwodzie sterowania i zabezpieczeń przemiennika. Sygnały sterujące pracą elementów mocy falownika mogą być generowane według różnych algorytmów.

(7)

Strona 7 z 10

 Układ sterowania i zabezpieczeń realizuje: sterowanie tranzystorami końcowymi falownika, czasem obwodu pośredniego lub prostownika, - wymiana danych pomiędzy przemiennikiem częstotliwości, a urządzeniami zewnętrznymi, komunikacja sieciowa - zbieranie i sygnalizowanie informacji o błędach i awariach - funkcję ochronną dla obwodu mocy falownika i silnika.

Triak (symistor)[4]

Element należący do rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).

Triak ma trzy końcówki, 2 anody A1 i A2 (oznaczane też MT1 i MT2) oraz bramkę G.

Triaki stosowane są w obwodach prądu przemiennego przewodzą prąd w obu kierunkach, triak włączany jest prądem bramki, wyłącza się gdy natężenie prądu jest równe zero. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy. Triaki bardzo często są sterowane przez diaki.

Schematyczna budowa triaka i symbol

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR). Triak posiada tylko jedną bramkę – włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody). Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki (stan blokowania bądź przewodzenia) – charakterystyka triaka jest symetryczna względem początku układu współrzędnych, a w części dodatniej jest charakterystyką tyrystora.

Sterowanie fazowe i grupowe w układach z triakiem.

Sterowanie fazowe polega na włączeniu tyrystora bądź triaka impulsem synchronicznym w stosunku do napięcia zasilającego w ściśle określonej, regulowanej, części każdego okresu.

W każdej połówce sinusoidy generowany jest impuls wyzwalający, podawany na bramkę triaka. Powoduje to załączenie triaka aż do momentu przejścia przez 0.

(8)

Strona 8 z 10 Załączenie triaka powoduje jego przewodzenie, ale jedynie od momentu zaistnienia impulsu, co powoduje obniżenie wartości skutecznej napięcia. W kolejnej połówce sinusoidy operacja musi zostać powtórzona. Układ taki umożliwia wprowadzenie sterowania fazowego oraz grupowego.

Sterowanie fazowe polega na „cięciu” każdej z połówek sinusoidy, tak aby uzyskać żądaną wartość skuteczną.

Przebiegi w układzie regulacji fazowej[6]

Układy regulacji grupowej [6] zostały wprowadzone do użytku z uwagi na fakt, że układy regulacji fazowej są źródłem zakłóceń radioelektrycznych powstających w chwili przełączania triaka. Metoda grupowej regulacji mocy nie powoduje zakłóceń a więc nie wymaga stosowania skomplikowanych i kosztownych filtrów przeciwzakłóceniowych.

Triak jest wyzwalany w momencie przejścia przez zero napięcia zasilającego, przewodzi do końca półokresu i jest wyzwalany ponownie. Regulacji mocy dokonuje się włączając triak przez pewną określoną liczbę połówek okresu sieci, a następnie wyłączając go na określony czas. Sterowanie grupowe ma zastosowanie do urządzeń

(9)

Strona 9 z 10 cieplnych o dużej bezwładności, w których temperatura nie zmienia się skokowo, lecz przyjmuje pewną ustaloną wartość średnią. Może być także stosowane do sterowania silników o dużej masie wirnika. Sterowanie grupowe nie nadaje się do regulacji mocy w oświetleniu ze względu na widoczne migotanie światła.

Przebiegi w układzie regulacji grupowej[6]

(10)

Strona 10 z 10

Bibliografia

[1]. http://silnikielektryczne.prv.pl/html/asynchroniczne.html [2]. https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_elektryczny

[3]. http://www.falowniki.edu.pl/nauka,1,5,1,budowa-falownika-informacje-ogolne.html [4]. http://silniki-krokowe.com.pl/informacje-techniczne/sterowanie-silnikami-krokowymi/

[5]. http://www.falowniki.ppp.pl/info/52-sterowanie-silnikiem-pwm.html [6]. matel.p.lodz.pl/wee/k23/instrukcje_doc/cw_23/CWICZENIE_23.doc [7]. http://rab.ict.pwr.wroc.pl/~arent/rr/mpr/elektronika2.html [8].

http://www.heilig.up.krakow.pl/mikrokontrolery/Pomoc/Sterowanie%20silnikami%20kr okowymi.pdf

[9]. http://automatykab2b.pl/technika/6465-zastosowanie-techniki-mikrokrokow-w- sterowaniu-silnikami-krokowymi