Serwonapędy w automatyce i robotyce
advertisement
Serwonapędy w automatyce i robotyce Wykład 10 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Urządzenia energoelektroniczne Urządzenia energoelektroniczne poprzez regulację napięcia , prądu i częstotliwości umoŜliwiają bezstopniową regulacji wielkości fizycznych, np. ◦ prędkości obrotowej, ◦ momentu obrotowego. W tym celu energia sieci zasilającej przekształcana jest w urządzeniu energoelektronicznym, a następnie zostaje doprowadzona do urządzenia odbiorczego (silnika). Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2 Urządzenia energoelektroniczne Styczniki półprzewodnikowe Styczniki półprzewodnikowe umoŜliwiają szybkie i bezgłośne załączanie trójfazowych silników prądu przemiennego i obciąŜeń rezystancyjnych. Włączanie następuje automatycznie do optymalnego punktu czasowego eliminując tym samym niepoŜądane szczytowe wartości prądu. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 Urządzenia energoelektroniczne Układy łagodnego rozruchu Sterują one napięciem sieciowym regulując jego wartość od ustawialnej wartości początkowej do 100%. Dzięki temu następuje łagodny rozruch silnika. W porównaniu do normalnego momentu rozruchowego silnika, redukcja napięcia prowadzi do obniŜenia momentu w silniku proporcjonalnie do kwadratu napięcia. Softstartery nadają się szczególnie do rozruchu obciąŜeń o kwadratowym przebiegu momentu w funkcji prędkości obrotowej (np. pompy albo wentylatory). Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4 Urządzenia energoelektroniczne Przemienniki częstotliwości Przemienniki częstotliwości wykorzystując sieć 1- lub 3-fazową prąd przemiennego o stałej wartości napięcia i częstotliwości tworzą nową sieć prądu przemiennego o regulowanej wartości napięcia i częstotliwości z której zasilany jest silnik. Sterowanie napięciem i częstotliwością umoŜliwia bezstopniową regulację prędkości obrotowej silników trójfazowych. Dzięki temu napęd moŜe być uruchomiony ze znamionowym momentem równieŜ przy niewielkich prędkościach obrotowych. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Urządzenia energoelektroniczne o sterowaniu skalarnym (konwencjonalne) - w rozwiązaniu tym utrzymywany jest stały stosunek pomiędzy napięciem wejściowym do falownika U, a częstotliwością wyjściową f. Stosowane są one w układach, gdzie nie wymaga się duŜej precyzji kąta oraz mamy do czynienia z niewielką dynamiką (pompy, wentylatory, podajniki), o sterowaniu wektorowym (strumienia i ewentualnie momentu) - cechuje je duŜa precyzja, doskonała dynamika i sukcesywnie wypierają one napędy prądu stałego. W wektorowym przemienniku częstotliwości regulacja następuje dzięki pozbawionej czujników regulacji pola elektromagnetycznego w silniku. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6 Przemienniki częstotliwości Budowa 1 – Prostownik 2 – Obwód pośredni napięcia stałego 3 – Falownik 4 – Układ sterowania Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Przemienniki częstotliwości Przemiennik częstotliwości przekształca trójfazowe (jednofazowe) zmienne napięcie sieciowe o stałej częstotliwość w napięcie stałe (prostownik). Napięcie stałe słuŜy do wytworzenia trójfazowej sieci o zmiennym napięciu i zmiennej częstotliwości (falownik). Przemiennik częstotliwości pobiera z sieci zasilającej praktycznie tylko moc czynną (cosφ ~ 1). Obwód pośredni napięcia stałego - dostarcza moc bierną Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8 Przemienniki częstotliwości Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Przemienniki częstotliwości Moment obrotowy M rozwijany przez silnik asynchroniczny jest proporcjonalny do prądu IW i strumienia ϕ: M ≈ φ × IW Do optymalizacji momentu obrotowego silnika, strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej silnika musi być utrzymany na stałym poziomie. φ≈ U f Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10 Przemienniki częstotliwości Kiedy silnik jest obciążony i pracuje w zakresie małych prędkości – f < 10Hz, występuje duży spadek napięcia na rezystancji uzwojeń stojana. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Przemienniki częstotliwości Przykład. Silnik o mocy P=1,1kW, napięciu nominalnym U=3×400V f=50Hz o rezystancji uzwojenia stojana R (jednej fazy) wynoszącej około 8 Ω, pobiera prąd 3A przy nominalnym obciąŜeniu. Spadek napięcia na rezystancji uzwojenia stojana w tym przypadku wynosi 24V. Napięcie ok. 40V przy 5 Hz jest odpowiednim napięciem do sterowania silnika wg charakterystyki U/f. Jeśli obciąŜymy silnik nominalnie i pobierze on prąd do 3A, wtedy napięcie o wartości około 24V powoduje jedynie powstawanie strat. WaŜne jest, Ŝe tylko napięcie o wartości 16V jest wykorzystywane do magnesowania silnika. Gdy silnik jest niedomagnesowany to wytwarza mniejszy moment napędowy. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12 Przemienniki częstotliwości Aby utrzymać stały strumień, silnika spadek napięcia na rezystancji uzwojeń silnika musi być kompensowany: ◦ zwiększenie napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości w zakresie małych prędkości silnika przez wykorzystanie otwartej pętli sterowania. ◦ regulacja napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości poprzez wykorzystanie oddziaływania na wartość składowej czynnej prądu wyjściowego przemiennika. Określenia: ◦ ◦ ◦ ◦ kompensacja I x R, podbicie napięcia (ang. boost), zwiększenie momentu (ang. torque raising), kompensacja startu (ang. start compensation). Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Przemienniki częstotliwości Przemienniki częstotliwości automatycznie kontrolują parametry kompensacyjne na podstawie częstotliwości, napięcia i prądu silnika. Parametry kompensacyjne umoŜliwiają zapewnienie optymalnego magnesowania i tym samym maksymalnego momentu, zarówno przy starcie silnika jak i od małych do maksymalnie dopuszczalnych prędkości silnika. Napięcie przemiennika otrzymuje odpowiednie napięcie dodatkowe, które efektywnie kompensuje wpływ spadku napięcia na rezystancji uzwojeń przy niskich częstotliwościach Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14 Przemienniki częstotliwości ZaleŜne od obciąŜenia parametry wpływające na wartość napięcia dodatkowego napięcia kompensacji start i kompensacja poślizgu, zaleŜą od dokładności pomiaru prądu obciąŜenia - składowej czynnej tego prądu. Parametr napięcie startu, nie zaleŜy od obciąŜenia i zapewnia optymalną wartość momentu w zakresie małych prędkości silnika. Jeśli kilka silników jest dołączonych do jednego przemiennika częstotliwości - praca równoległa, funkcje kompensacji napięcia zaleŜne od obciąŜenia powinny być wyłączone. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Przemienniki częstotliwości Poślizg w silnikach asynchronicznych jest zaleŜny od obciąŜenia i wynosi około 5% prędkości nominalnej silnika. Np. dla dwubiegunowego silnika poślizg będzie wynosić 150 obr./min. Przy sterowaniu silnika przemiennikiem częstotliwości poślizg moŜe wynosić ok. 50% w zakresie małych obrotów np. 300 obr./min. (tj. 10% wartości nominalnej). Jeśli przemiennik częstotliwości steruje pracą silnika w zakresie 5% wartości nominalnej prędkości obrotowej przy pełnym obciąŜeniu, to silnik moŜe nie ruszyć. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16 Przemienniki częstotliwości Poślizg - zjawisko niekorzystne, moŜe być w pełni skompensowane przez przemiennik częstotliwości poprzez efektywny pomiar składowej czynnej prądu fazowych prądów silnika. Kompensacja poślizgu jest realizowana przez odpowiednie zwiększenie częstotliwości napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości - czynna kompensacja poślizgu (ang. active slip compensation). Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Przemienniki częstotliwości Przemiennik ogranicza prąd silnika przez zmniejszanie napięcia i częstotliwości wyjściowej. Poziom ograniczenia prądowego jest regulowany i gwarantuje, Ŝe silnik nie będzie pobierał zbyt duŜego prądu przez dłuŜszy czas, co mogłoby doprowadzić do jego uszkodzenia. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18 Przemienniki częstotliwości Charakterystyki momentu silnika zawierają się w obszarze prądów znamionowych przemiennika częstotliwości. Zaleta: przemiennik częstotliwości umoŜliwia zwiększenie momentu silnika ponad jego moment znamionowy, np. uzyskanie 160% wartości momentu znamionowego przez dłuŜszy lub krótszy okres czasu. Przemiennik częstotliwości umoŜliwia pracę silnika przy prędkościach większych od jego prędkości synchronicznej - prędkości nadsynchroniczne w zakresie ok. 200% nominalnych obrotów. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Przemienniki częstotliwości Przemiennik nie jest w stanie dostarczyć wyŜszego napięcia niŜ napięcie sieci, z której jest zasilany, co prowadzi do zmniejszania się stosunku napięcia zasilania silnika do częstotliwości przy przekraczaniu prędkości znamionowych. Wówczas pole magnetyczne słabnie i moment wytwarzany na wale silnika zmniejsza się w stosunku 1/n. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20 Przemienniki częstotliwości Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Przemienniki częstotliwości Maksymalny prąd na wyjściu przemiennika częstotliwości pozostaje niezmieniony (Is = const.). To prowadzi do utrzymania stałej mocy silnika w przedziale prędkości od nominalnej do ok. 200% ponad prędkość nominalną. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22 Przemienniki częstotliwości Prędkość silnika: ◦ w obrotach na minutę - rpm, ◦ w hercach - Hz, ◦ w procentach nominalnej prędkości silnika - %. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Przemienniki częstotliwości Zmiana stosunku napięcia do częstotliwości ma wpływ na przebieg charakterystyk momentu obrotowego silnika. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24 Przemienniki częstotliwości Zalety cyfrowych urządzeń stosowanych w napędach: ◦ polepszenie powtarzalności i stabilność parametrów sterowania, ◦ łatwiejsze sterowanie układami pomiarowymi, ◦ elastyczność urządzeń w zastosowaniach do nietypowych aplikacji, ◦ precyzyjniejsze sterowanie, takŜe z większych odległości np.: łącza modemowe RS485, itp.. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Przemienniki częstotliwości Wybór rodzaju przemiennika częstotliwości: jest rozwaŜenie przebiegu charakterystyki obciąŜenia silnika funkcji prędkości. Cztery metody wyznaczania wymaganych osiągów wyjściowych przemiennika częstotliwości, wybór metody zaleŜy od danych silnika: ◦ Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie nominalnego prądu silnika. ◦ Wybór przemiennika częstotliwości bazujący na wartości mocy pozornej SM. ◦ Wybór przemiennika częstotliwości w zaleŜności od mocy czynnej na wale silnika. ◦ Wybór przemiennika na podstawie na podstawie standardowych serii silników Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26 Przemienniki częstotliwości Charakterystyki obciąŜenia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Przemienniki częstotliwości OdróŜnienie charakterystyk obciąŜenia: ◦ kiedy prędkość pomp odśrodkowych i wentylatorów wzrasta, moc równieŜ wzrasta proporcjonalnie do prędkości w trzeciej potędze P = f(n3), ◦ podczas normalnej pracy pomp odśrodkowych i wentylatorów prędkość jest regulowana w zakresie 5090% prędkości znamionowej. ObciąŜenie wzrasta w kwadracie prędkości obrotowej silnika i moŜe przykładowo kształtować się na poziomie 30-80%. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 28 Przemienniki częstotliwości Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie prądu IM, który pobiera silnik. JeŜeli silnik nie jest w pełni obciąŜony, prąd silnika moŜe zostać zmierzony w podobnym napędzie pracującym przy pełnej wydajności. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 29 Przemienniki czestotliwości Przykład: Silnik 7,5kW/3x400 V pobiera prąd 14,73 A. Na podstawie danych technicznych przemiennika, moŜemy stwierdzić, Ŝe powinien on zostać wybrany na ciągły prąd wyjściowy wyŜszy albo równy 14,73 A dla stało momentowej lub zmiennej w kwadracie prędkości charakterystyki momentu obciąŜenia. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 30 Przemienniki częstotliwości Wybór przemiennika częstotliwości na podstawie mocy pozornej SM pobieranej przez silnik i dostarczanej z przemiennika częstotliwości. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 31 Przemienniki częstotliwości Przykład: Silnik 7.5kW/3x400V pobiera prąd 14.73 A SM = UJ 3 = 10,2kVA 1000 Na podstawie danych technicznych przemiennika częstotliwości wybieramy przemiennik, którego maksymalna ciągła wyjściowa moc pozorna jest wyŜsza lub równa 10,2kVA przy stałej albo zmiennej w kwadracie w funkcji prędkości charakterystyce momentu. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 32 Przemienniki częstotliwości Wybór przemiennika wg mocy czynnej PM wytwarzanej przez silnik. JednakŜe, poniewaŜ cos φ i sprawność η silnika zmieniają się wraz z obciąŜeniem, to ta metoda jest nieprecyzyjna. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 33 Przemienniki częstotliwości Przykład: Silnik o mocy 3kW ze sprawnością η = 0.8 i cos φ = 0.81 Sm = PM = 4,6kVA η cos ϕ Przemiennik jest dobierany – na podstawie jego danych technicznych, na maksymalną wyjściową ciągłą moc czynną większą lub równą 4.6kVA stałej lub kwadratowej charakterystyce momentu. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 34 Przemienniki częstotliwości Z praktycznych przyczyn moc znamionowa większości przemienników jest specyfikowana dla standardowych serii - typoszeregu silników asynchronicznych. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 35
