DINAMIČKA STANJA ASINHRONOG MOTORA UPRAVLJANOG ENERGETSKIM PRETVARAČEM NAPONA I FREKVENCIJE ABB ACS-800

Transcription

1 UNIVERZITET U SARAJEVU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET SARAJEVO DINAMIČKA STANJA ASINHRONOG MOTORA UPRAVLJANOG ENERGETSKIM PRETVARAČEM NAPONA I FREKVENCIJE ABB ACS-800 -DIPLOMSKI RAD- Mentor: Van. prof. dr. Šemsudin Mašić, dipl.el.ing. Kandidat: Bosović Adnan

2 UNIVERZITET U SARAJEVU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET SARAJEVO DINAMIČKA STANJA ASINHRONOG MOTORA UPRAVLJANOG ENERGETSKIM PRETVARAČEM NAPONA I FREKVENCIJE ABB ACS-800 -DIPLOMSKI RAD- Mentor: Van. prof. dr. Šemsudin Mašić, dipl.el.ing. Kandidat: Bosović Adnan 2

3 SAŽETAK Glavni nedostatak asinhronih motora, i decenijama prepreka za njihovu širu primjenu, je bila mala mogućnost podešavanja brzine vrtnje. Razvojem energetske elektronike i energetskih pretvarača, postalo je moguće u širokom opsegu upravljati brzinom vrtnje asnihronih motora, efikasno i sa malo gubitaka. To je omogućilo primjenu asinhronih motora na širok spektar industrijskih procesa i pogona, u kojima je istosmjerna (DC) mašina zbog velikih mogućnosti podešavanja brzine vrtnje dugo vremena bila nezamjenljiva. Daljim razvojem energetskih pretvarača i novih metoda regulacije poput vektorskog upravljanja, asinhroni motori počinju da zamjenjuju DC motore i u pogonima gdje je potrebna izuzetno precizna regulacija brzine vrtnje. U okviru ovog diplomskog rada praktično je ispitivana dinamika asinhronog motora, i razmatrane su prednosti upravljanja motorom pomoću savremenog energetskog pretvarača napona i frekvencije ABB ACS 800, koristeći metodu direktnog upravljanja momentom (Direkt Torque Control DTC) zasnovanoj na vektorskom upravljanju. Komunikacija sa pretvaračem je vršena preko računarskog programa Drive Window 2.2. razvijenog u firmi ABB, koji omogućava jednostavno i efikasno podešavanje parametara pretvarača i snimanje grafika karakterističnih veličina motora. Na osnovu snimljenih grafika analizirane su prijelazne pojave zaleta, protustujnog i elektrodinamičkog kočenja, i reverziranja asinhronog motora... ABSTRACT The main deficiency od asynchronous motor, and for decades the major obstacle for their wider usage, was their inability to control the speed in wide range. With the development of power electronics and power converters, it has become possible for the speed of asynchronous motors to be efficiently controled in a wide range. That led to greater usage of asynchronous motors in various industrial processes, instead of previously predominant direct current (DC) motors. With further development of advanced control methods like vector control, asynchronous motors are starting to replace DC motors even in the processes which require highly precise speed control. The dinamics of asynchronous motor, and the advantages of using power converter to control the motor, have been analised in this diploma thesis. The control method used was Direct Torque Control (DTC) which is based on vector control. Communication with the power converter was realized via computer program Drive Window 2.2, developed by ABB, which enabled simple and effective adjustment of the motor parameters, and graph drawing of the motor variables. From the drawn graphs the following dynamic states of motor have been analysed: start-up, counter-current braking and dynamic braking with resistors 3

4 SADRŽAJ Sažetak / Abstract...3 Sadržaj...4 Uvod...5 Postavka diplomskog rada ASINHRONI MOTOR Uvod Kostrukcijska izvedba Osnovni principi rada asinhronog motora Karakteristične veličine Mehanička karakteristika i režimi rada motora Podešavanje brzine vrtnje ENERGETSKI PRETVARAČI Uvod Prednosti korištenja pretvarača frekvencije Princip rada energetskog pretvarača UPRAVLJANJE I REGULACIJA Razlika izmeñu upravljanja i regulacije Usporedba metoda upravljanja i regulacije DC i AC motora Teorija vektorskog upravljanja Energetski pretvarač ABB ACS REZULTATI PRAKTIČNOG RADA Korištena oprema Analiza dobivenih rezultata...37 ZAKLJUČAK...45 PRILOG 1. UPUTSTVO ZA KORIŠTENJE PROGRAMA DRIVE WINDOW PRILOG 1.1. Lista naredbi...46 PRILOG 1.1. Detaljnije uputstvo za korištenje programa Drive Window LITERATURA

5 UVOD U diplomskom radu razmatrane su dinamičke karakteristike (zalet, protustrujno kočenje i reverziranje) trofaznog asinhronog motora. Motor je bio napajan preko energetskog pretvarača ACS-800, firme ABB. Za komunikaciju sa pretvaračam korišten je odgovarajući računarski program Drive Window 2.2. praktični dio rada urañen je u Laboratoriji za električne mašine Elektrotehničkog fakulteta. U okviru prvog poglavlja iznesena je osnovna teorija asinhronih motora. Pored konstrukcijske izvedbe i mehaničke karaktersitike asinhronih motora, predstavljeni su i osnovni pricipi rada te načini podešavanja brzine vrtnje. Razmatrani su nedostatci tradicionalnih metoda upravljanja, i prednosti upravljanja pomoću promjene ulaznog napona i frekvencije. Drugo poglavlje se fokusira na energetske pretvarače koji omogućavaju upravljanje asinhronim motorom u širokom opsegu brzina vrtnje. Pored detaljnijeg razmatranja prednosti upotrebe energetskih pretvarača, objašnjena je i struktura savremenih pretvarača frekvencije i napona. Svaka od četiri osnovne komponente je detaljnije razrañena. U trećem poglavlju su, nakon definisanja razlike izmeñu upravljanja i regulacije, razmatrane metode upravljanja i regulacije istosmjernih (DC) i asinhronih (AC) motora, te njihovih prednosti i nedostataka. Razmotene su osnove teorije vektorskog upravljanja AC motora. Fokus četvrtog poglavlja je analiza karakteristika dinamičkih stanja asinhronog motora snimljenih tokom praktičnog dijela ovog diplomskog rada. U četvrtom poglavlju dat je popis i karakteristike opreme korištene u praktičnom dijelu rada. U prilogu na kraju je dato kratko uputstvo na bosanskom jeziku za korištenje računarskog progama Drive Window 2.2., sa ciljem olakšavanja svakog budućeg rada sa ovim pogonom. 5

6 UNIVERZITET U SARAJEVU Elektrotehnički fakultet Sarajevo Odsjek za elektroenergetiku Predmeti: Električne mašine i Elektromotorni pogoni Sarajevo, god. POSTAVKA DIPLOMSKOG RADA Tema diplomskog rada: Dinamička stanja asinhronog motora upravljanog energetskim pretvaračem napona i frekvencije ABB ACS-800 U diplomskom radu potrebno je: 1. Opisati sve komponente modernog elektromotornog pogona s asinhronim motorom: motor, energetski pretvarač i radni mehanizam. 2. Razmotriti načine upravljanja asinhronih motora napajanih iz pretvarača napona i frekvencije: skalarno i vektorsko upravljanje. 3. Usporediti i analizirati metode upravljanja i regulacije istosmjernih (DC) i izjeničnih (AC9 motora: sličnosti i razlike. 4. Pokazati mogućnosti i način korištenja energetskog pretvarača ABB ACS Izvršiti snimanja dinamičkih stanja (zalet, reverziranje i protustrujno kočenje) asinhronog motora s različitim (zadatim) vremenom trajanja razmatranih prijelaznih pojava. Komentirati dobivene rezultate. 6. Opisati karakteristike i pokazati praktičnu primjenu softvera Drive Window 2.2. Za rješavanje zadataka postavljenih u diplomskom radu koristiti laboratorijski model sastavljen od asinhronog motora i energetskog pretvarača ABB ACS-800, sa softverom Drive Window 2.2. u laboratoriji za elektične mašine i elektormotorne pogone. Mentor: V. prof. dr. Šemsudin Mašić, dipl.el.ing. 6

7 1. ASINHRONI MOTOR 1.1. Uvod Asinhrone mašine su elektromagnetni ureñaji za pretvaranje električne energije u mehaničku i obratno. Kad rade u motorskom režimu rada pretvaraju električnu energiju u mehaničku, a mehanička energija se pretvara u električnu kad rade kao generatori. Prelazak iz motorkog u generatorski režim rada se kod asinhronih motora ostvaruje privoñenjem izvora mehaničke snage umjesto tereta. Naravno, potrebni su i odgovarajući ureñaji za regulaciju i upravljanje. Asinhrone mašine se rijetko koriste kao generatori zbog toga što sinhroni generatori u području velikih snaga imaju bolje performanse. Asinhroni generatori se jedino koriste u situacijama gdje nije moguće koristiti sinhrone generatore. To je na primjer slučaj kod proizvodnje električne energije pomoću energije vjetra, jer varijabilnost brzine vjetra ne dozvoljava korištenje sinhronih generatora, jer zahtijevaju izvor mehaničke snage koji je moguće regulirati. Asinhroni generatori o ovom slučaju na izlazu daju promjenjivi napon i frekvenciju. Pomoću ureñaja energetske elektronike se osigurava napon propisane vrijednosti napona i frekvencije. Asinhroni motori su najčešće korištena vrsta električnih mašina, i predstavljaju pogonsku snagu industrije. Za manje snage se koriste jednofazni asinhroni motori koji se priključuju na napon električne mreže od 230 V. Proizvode se u velikim serijama i imaju široku upotrebu u različitim vrstama kućanskih aparata. Za područje srednjih i velikih snaga koriste se trofazni asinhroni motori, i priključuju se na trofaznu mrežu napona. Imaju široku primjenu u industriji, pogotovo u pogonima koji ne zahtijevaju izuzetno precizno i brzo upravljanje, gdje su istosmjerni (DC) motori i dalje dosta zastupljeni. Asinhroni motori u odnosu na ostale vrste motora imaju slijedeće prednosti: Jednostavna konstrukcijska izvedba Jednostavno održavanje Mali trošak proizvodnje Glavni nedostatak asinhronih motora, i decenijama prepreka za njihovu širu primjenu, je bila mala mogućnost podešavanja brzine vrtnje. Brzina vrtnje asinhronog motora se mijenja u vrlo malom opsegu u zavisnosti od tereta, i bliska je sinhronoj brzini vrtnje koja je čvrsto vezana za frekvenciju mreže. Razvojem energetske elektronike i energetskih pretvarača, postalo je moguće u širokom opsegu upravljati brzinom vrtnje asinhronih motora, efikasno i sa malo gubitaka. To je omogućilo primjenu asinhronih motora na širok spektar industrijskih procesa i pogona, u kojima je DC mašina zbog velikih mogućnosti podešavanja brzine vrtnje dugo vremena bila nezamjenljiva. 7

8 1.2. Kostrukcijska izvedba Asinhroni motor se sastoji iz dva osnovna dijela: Stator Rotor Slika 1.1. Konstrukcijska izvedba asinhronog motora Stator je dio asinhronog motora koje je fiksiran i ne okreće se. Dijelovi statora su (slika 1.1): Kućište statora (1) Klizni ležajevi koji omogućavaju vrtnju rotora (2) Nosač ležajeva (3) Ventilator (4) Kućište ventilatora (5) Kutija za električne priključke (6) Kućište statora, napravljeno od željeza, služi za mehaničku zaštitu statora motora. Rotor je u kontaktu sa statorom samo preko kliznih ležajeva koji omogućavaju mali otpor trenja i time smanjuju gubitke. Klizni ležajevi su na kućište statora pričvršćeni pomoću nosača ležajeva. Za hlañenje motora se koristi dio mehaničke energije motora. Hlañenje se vrši pomoću ventilatora koji je direktno pričvršćen na osovinu motora, i vrti se brzinom vrtnje rotora. Ventilator je zaštićen kućištem ventilatora. Na kućište statora su izvedeni priključci za vanjski napon, a u slučaju klizno-kolutnih motora i zvjezdište rotora. Unutar kućišta statora se nalazi jezgra statora, koja je sastavljena od tankih željeznih limova, koji su meñusobno povezani i čine statorski paket. Limovi imaju utisnute utore u koje se postavlja namot. Namoti 8

9 i jezgra statora čine elektromagnet, koji stvara elektromagnetno polje kad njegovim namotom proteku struje. Brzina vrtnje elektromagnetnog polja zavisi od broja pari polova na statoru. Rotor (9) se takoñer pravi u formi paketa željeznih limova sa utisnutim utorima u koje se postavlja namot. On je pokretni dio motora i pričvršćen je na pogonsku osovinu (10). Rotor osim preko kliznih ležajeva ne smije dodirivati stator, ali u isto vrijeme zračni raspor izmeñu statora i rotora treba da bude što manji. Postoje dvije vrste rotora: Namotani rotor Kavezni rotor Kod namotanog rotora se, kao i kod statora, vodiči namotavaju kroz utore i spajaju u spoj zvijezda na krajevima. Zvijezdište obično nije pristupačno, a namot se obično izvodi kao trofazni. Počeci namota su preko tri klizna prstena i metalno grafitnih četkica izvedeni na kućište. Kod rada motora, da bi struja mogla proteći namotima rotora, počeci namota moraju biti ili direktno kratko spojeni, ili spojeni preko odgovarajućih otpornosti. Utori kaveznog rotora se popunjavaju provodnim šipkama koje se pomoću prstenova na krajevima kratko spajaju, a pristup spojnim prstenovima izvana nije moguć. Naravno, treba napomenuti da se limovi i statora i rotora premazuju lakom ili slojem oksida, da bi se meñusobno izolovali i time spriječila pojava vrtložnih struja, koje dovode do gubitaka u željeznoj jezgri Osnovni principi rada asinhronog motora Kada se motor priključi na mrežu simetričnog trofaznog napona frekvencije f 1, kroz statorski namot proteku struje. Trofazna naizmjenična struja kroz stator, na kojem su ose namota pomjerene za 120, stvara trofazno obrtno magnetno polje. Magnetno polje rotira u malom zračnom rasporu izmeñu statora i rotora. Za obrtno magnetno polje, kao i za sva promjenjiva magnetna polja, je karakteristično da se sve veličine magnetnog polja mijenjaju u svakoj tački zračnog raspora. Kod trofaznog magnetnog polja je specifično da se tri polja, koja nastaju djelovanjem tri fazno pomjerene struje, superponiraju i stvaraju jedinstveno simetrično okretno magnetno polje. Amplituda ovog okretnog polja, to jest osnovni harmonik, je 1.5 puta veća od amplitude polja pojedinačnih trofaznih struja. U slučaju da je stator izveden sa samo jednim parom polova trofazno okretno magnetno polje se vrti električnom ugaonom brzinom: (1.1.) Izvoñenje dodatnih pari polova direktno utiče na smanjenje mehaničke ugaone brzine, koja se naziva i sinhronom brzinom vrtnje ω s. Sinhrona brzina vrtnje je jednaka količniku električne ugaone brzine ω 1 i broja pari polova statora p: (1.2.) 9

10 U inžinjerskoj praksi se češće koristi mehanička sinhrona brzina n s nego mehanička ugaona brzina ω s. Ugaona i mehanička sinhrona brzina vrtnje pocezane su relacijom: (1.3.) Nakon uvrštavanja relacije (1.3.) u relaciju (1.2), dobija se da je mehanička brzina vrtnje okretnog polja statora n s jednaka: Nakon što kroz vodiče proteče struja, formira se okretno magnetno polje koje zatim inducira napon u svim namotima rotora. Rotor se u tom trenutku ne kreće, i stoga vodiči miruju. Usljed toga što se vodiči nalaze u promjenjivom magnetnom polju dolazi do induciranja napona u vodičima usljed elektromagnetne indukcije. S obzirom na to da su vodiči spojeni u namote koji su zatvoreni, usljed induciranog napona, struja počinje teći vodičima. Pored struja u statoru koje uzrokuju okretno magnetno polje, struje protiču i u rotoru i uzrokuju pojavu magnetnog polja rotora. Ono se takoñer nalazi u zračnom rasporu izmeñu statora i rotora, i superponira se sa okretnim magnetnim poljem. Još jedna posljedica induciranja napona u vodičima rotora je i pojava mehaničke sile koja djeluje na sve (1.4.) Slika 1.2. Moment motora je jednak proizvodu sile i kraka sile sile vodiče rotora. Sila nastaje usljed toga, što se u obrtnom magnetnom polju nalaze vodiči rotora kroz koje protiče struja. Sve sile na pojedinačne vodiče, koji su direktno umetnuti u željeznu jezgru rotora, se prenose na osovinu rotora i sabiraju čineći ukupni moment rotora. Usljed toga što se rotor može samo kretati oko svoje ose, mehanička sila se prenosi na osovinu u vidu momenta sile u odnosu na tu osovinu (Slika 1.2.). Ako je ukupni moment na rotoru veći od momenta tereta rotor se počinje okretati. Ubrzavajući postepeno rotor sustiže brzinu vrtnje okretnog magnetnog polja n s. Vrijednosti induciranog napona u rotoru, a time i struje, sile i momenta zavise od razlike ove dvije brzine. Razlika izmeñu sinhrone brzinu vrtnje okretnog magnetnog polja n s i brzine vrtnje rotora n, je ujedno i brzina kojom se magnetno polje vrti u odnosu na vodiče rotora. Bitno je naglasiti da što je brzina vrtnje rotora bliža sinhronoj brzini vrtnje, manji je efekat indukcije i stoga su manje i sve prethodno pobrojane veličine. Stacionarna tačka se dostiže kad je ukupni proizvedeni moment na osovini rotora jednak momentu tereta. Ovisnost momenta motora od brzine vrtnje i klizanja je data na slici

11 Slika 1.3. Izgled mehaničke karakteristike motora Brzina vrtnje rotora je uvijek manja od sinhrone brzine vrtnje, jer u protivnom ne bi dolazilo do pojave induciranja napona. Ovo je čak slučaj i kad nemamo tereta na rotoru, za slučaj rada motora u režimu praznog hoda, jer je tad prisutan neizbježni moment trenja i ventilacije. Zbog ove razlike u stvarnoj i maksimalnoj brzini vrtnje su ove mašine i dobile naziv asinhrone. Potrebno je naglasiti da se obje ove brzine definiraju u odnosu na neku nepokretnu tačku na statoru. Pošto se kod klizno-kolutnih motora može pristupiti rotorskom krugu, dodavanjem dodatnih otpornosti možemo direktno uticati na struje u rotoru a samim tim i na moment motora. Ovo je jedan od načina podešavanja mehaničke karaktersitike motora Karakteristične veličine Ako uzmemo da je n brzina vrtnje rotora, a n s brzina vrtnje okretnog magnetnog polja (sinhrona brzina), klizanje možemo izraziti kao procenat sinhrone brzine koji je ostvario rotor: (1.5.) Pošto smo već objasnili zašto mehanička brzina vrtnje rotora ne može biti jednaka brzini vrtnje okretnog magnetnog polja, zaključujemo da stoga klizanje ne može dostići vrijednost nula. Iz relacije 1.5. slijedi da se mehanička brzina vrtnje rotora može izraziti kao: Frekvencija induciranih napona i struja u rotoru je: (1.6) f 2 = s f 1 (1.7.) Kao što smo i ranije spomenuli moment na osovini je jednak proizvodu sile i kraka: 11

12 Mehanički moment i snaga na osovini povezani su relacijom: M = F x r (1.8.) (1.9.) 1.5. Mehanička karakteristika i režimi rada motora Najznačajnija karateristika za svaki asinhroni motor je zavisnost momenta od brzine vrtnje, koju nazivamo još i mehaničkom karakteristikom. Ako se moment predstavi u zavisnosti od klizanja, za klizno-kolutne motore se mehanička karakteristika može aproksimirati Klossovom relacijom: (1.10) U praksi se često mehanička karakterstika predstavlja kao zavisnost momenta od brzine vrtnje. Nakon uvrštavanja relacije (1.6.) u relaciju (1.10.) karakteristika dobiva oblik kao na slici 1.6. Slika 1.6. Mehanička karakteristika M e = f(n) Na dijelu karakteristike od 0 < n < n s mašina radi u motorskom režimu rada i proizvodi mehanički moment. Klizanje poprima vrijednosti od s = 1 do s = 0, s tim što ne može dostići vrijednost 0. 12

13 Za n > n s motor radi u generatorskom režimu rada, a brzina vrtnje je veća od sinhrone brzine vrtnje, usljed toga što je na osovinu motora privedena mehanička snaga iz vanjskog izvora. Klizanje je u ovom slučaju manje od nule (s < 0). U oba režima za male vrijednosti klizanja, i u pozitivnom i negativnom smislu, vrijednost momenta se mijenja linarno sa promjenom brzine vrtnje. Za negativne vrijednosti brzine vrtnje, motor ulazi u režim elektromagnetne kočnice. Motor uzima snagu iz električne mreže, a na osovinu se privodi snaga iz vanjskog izvora s tim što vanjski moment preovladava. Klizanje je veće od 1 (s > 1). Ovaj režim se može koristiti kao jedan od efikasnih načina kočenja motora. Ako se pri pozitivnoj brzini vrtnje zamjene priključne stezaljke motora, smjer momenta motora se mijenja usljed promjene smjera okretnog polja, i motor usporava. Ako se ne isključi pri brzini n = 0, motor nastavlja da ubrzava u negativnom smjeru brzine vrtnje sve do brzine n n (slika 1.7.). Ovaj vid kočenja se naziva i protustrujno kočenje. Slika 1.7. Mehanička karakteristika kod protustrujnog kočenja Radni režim motora se prema slici (1.6.), u odnosu na tačku prekretnog momenta može podijeliti na dvije oblasti: Područje nestabilnog rada Područje stabilnog rada motora Područje nestabilnog rada je za vrijednosti brzine vrtnje n < n pr, a stabilno područje za n pr < n < n s. Brzina n pr je brzina za koju motor ostvaruje prekretno klizanje M pr, i naziva se prekretna brzina. Od trenutka pokretanja motora do postizanja stacionarne radne tačke motor prolazi kroz nestabilno područje rada. Stacionarna radna tačka nalazi se na stabilnom dijelu mehaničke karakteristike Polazni moment motora se označava sa M p, i jednak je momentu koji motor razvija pri nazivnoj frekvenciji i naponu za brzinu vrtnje n=0. Prekretni moment M pr je maskimalni moment koji motor može razviti, pri nazivnoj frekvenciji i naponu. Nazivni moment motora je moment koji motor razvija pri nazivnim vrijednostima električnih i mehaničkih parametara. 13

14 1.6. Podešavanje brzine vrtnje Mehanička brzina vrtnje motora može se zapisati u obliku:: 60 f (1 s) n = (1.11) p Iz relacije (1.11) je moguće zaključiti da se brzina vrtnje može mijenjati promjenom: Broja pari polova Frekvencije Klizanja Slika 1.8. Mogući načini promjene brzine vrtnje motora Podešavanje brzine vrtnje pomoću promjene pari polova se koristi rijetko jer zahtijeva skuplju i komplikovaniju konstrukcijsku izvedbu namota motora. Na klizanje je moguće uticati djelovanjem na stator i rotor. Sa strane rotora za klizno-kolutne motore, koji imaju izvedeno zvjezdište ne kućište motora, je moguće mijenjati karakteristiku motora dodavanjem dodatnih otpornosti u rotorski krug, ili uvoñenjem u rotorski krug napona iste frekvenciju f 2 koju ima inducirani napon u rotoru. Takoñer je moguće u rotorski krug spojiti ispravljač, elektroničku sklopku i dodatnu otpornost, koji zajedno mogu zamijeniti dodatne otpornosti u sve tri faze. Meñutim zbog superiornosti u performansama upravljanja brzinom motora pomoću promjene napona statora i frekvencije, ostale metode se rijetko koriste. Mi ćemo se u ovom diplomskom radu takoñe fokusirati na upravljanje pomoću promjene napona i frekvencije statora. 14

15 Promjena napona statora Da bi se mijenjala brzina vrtnje pri regulaciji i upravljanju motora se simultano mijenja promjena napona i frekvencije. Prvo je razmotran pojedinačan uticaj promjena ovih veličina na mehaničku karakteristiku motora. Moment motora zavisi od kvadrata napona i stoga vrijednost momenta motora opada sa smanjenjem napona napajanja. U vrlo rijetkim situacijama je moguće upravljati brzinom vrtnje povećanjem napona napajanja iznad nazivne vrijednosti, jer to zahtijeva poseban izvor napona. Kao i kod početne mehaničke karakteristike vrijednost brzine, pri kojoj se ostvaruje prekretni moment, je ista bez obzira na napon na statoru (slika 1.9.). Vrijednosti prekretnog i polaznog momenta zavise od vrijednosti napona. Stoga se stabilan rad može samo ostvariti za vrijednosti brzine vrtnje od n pr do n s. Slika 1.9. Podešavanje brzine vrtnje promjenom napona statora Promjena frekvencije napona napajanja Razvojem ureñaja energetske elektronike postalo je moguće mijenjati brzinu vrtnje asinhronog motora promjenom frekvencije napajanja. To daje mogućnost promjene brzine vrtnje u širokom opsegu. Promjena frekvencije direktno utiče na promjenu magnetnog fluksa po relaciji: Φ U1 U = k1 4,44 ( ξ N ) f f s s (1.12.) Na stator je doveden napon amplitude U 1 i frekvencije f 1, gdje je magnetni tok označen sa Φ, a k 1 je konstrukcijska konstanta motora. Da bi se moment motora održao konstantnim, simultano sa naponom je potrebno mijenjati i frekvenciju, čije smanjenje utiče na povećanja momenta i time balansira uticaj napona na moment (slika 1.10.). Magnetni fluks je direktno proporcionalan iznosu napona, a obrnuto proporcionalan iznosu frekvencije. Magnetni tok se u motoru drži konstantnim linearnom promjenom obje veličine. Konstantan odnos je moguće samo održati za vrijednosti brzine vrtnje n < n s, jer nije moguće povećavati napon iznad vrijednosti napona preuzetog iz mreže. Mehanička karakteristika je data na slici

16 Slika Mehanička karakteristika pri upravljanju naponom i frekvencijom Pošto je sa energetskim pretvaračima nemoguće povećavati napon napajanja, regulacije brzine iznad vrijednosti n > n s se vrši povećanjem frekvencije, pri čemu se narušava konstantni magentni tok i prekretni moment opada. Motor se bez većih mehaničkih poteškoća može pogoniti pri brzinama do dvostruke vrijednosti nazivne brzine n = 2n s pa i više. Pri pokretanju motora pomoću pretvarača frekvencije i napona potrebno je voditi računa o vrijednosti stuje koju motor vuče pri startu. Zato se motor pokreće pri malim frekvencijama, a frekvencija kod pokretanja se odreñuje prama maksimalnoj dozvoljenoj struji koju motor može kratkotrajno podnijeti. Nakon što su predstavljene osnove teorije asinhronih motora u narednom poglavlju će biti razmatrane osnove rada energetskih pretvarača koji se koriste za upravljanje i regulaciju asinhronih motora. 16

17 2. ENERGETSKI PRETVARAČI 2.1. Uvod Razvojem i padom cijena komponenti energetske elektronike je postalo moguće efikasno i jeftino regulirati brzinu asinhronog motora pomoću energetskih pretvarača frekvencije i napona. Energetski pretvarač frekvencije i napona je elektronički ureñaj koji omogućava upravljanje brzinom vrtnje asinhronog motora, pretvarajući napon fiksne amplitude i frekvencije u napon promjenjive amplitude i frekvencije. Savremeni energetski pretvarači imaju dobre performanse, malu cijenu, veliku pouzdanost, dobro i precizno upravljanje i monitoring, te dobru efikasnost. Iz tih razloga potiskuju konvencionalne i tradicionalne metode regulacije pogona i procesa u proizvodnji. Napretkom energetskih pretvarača asinhroni motori su u pogonima počeli uveliko da zamjenjuju istosmjerne DC motore. Danas su se DC motori zadržali uglavnom u procesima i pogonima gdje je potrebna izuzetno precizna regulacija brzine, ali daljim razvojem energetskih pretvarača i novih metoda regulacije poput vektorskog upravljanja asinhroni motori počinju da zamjenjuju DC motore i u ovim pogonima Prednosti korištenja pretvarača frekvencije Mnogobrojne su prednosti korištenja energetskih pretvarača za regulaciju brzine vrtnje asinhronih motora: a) Ušteda energije Uzmimo za primjer slučaj regulacije pogona pomoću ventila, na izlazu iz centrifugalne pumpe pokretane asinhronim motorom (Slika 2.1.). Protok se u tom slučaju smanjuje zavrtanjem ventila, ali to dovodi do gubitaka energije na samom ventilu. Ovo je slučaj jer pumpa i motor i dalje rade punom snagom, samo je ventil u slijedećem koraku ragulira. Ako bismo uspjeli eliminisati ventil i regulirati izlaznu snagu motora i time pumpe, očigledno bismo štedili energiju svaki put kad pogon ne radi pod punom snagom. Dobra analogija da bi se ovo dočaralo je da bi to bilo kao kad bismo ubrzavali i usporavali auto pritiskajući i popuštajući kočnicu, dok sve vrijeme držimo puni gas. Ovo je značajno jer se u praksi od motornih pogona vrlo često ne zahtijeva maksimalna izlazna snaga, nego ona zavisi od trenutne potrebe. U slučaju centrifugalnih pumpi i pogona sa ventilatorskom karakteristikom ovo je posebno izraženo jer utrošena energija zavisi od kvadrata brzine. U ovom slučaju to znači da ako motor radi pri 50% maksimalne brzine, sa energetskim pretvaračem trošimo samo 12.5% energije koju bismo trošili da se ista regulacija vrši pomoću ventila. 17

18 Slika 2.1. Regulacija pogona pomoću ventila i pogona sa asinhronim motorom Meñutim upotreba energetskih pretvarača je opravdana samo u slučaju ako oni rade sa velikim stepenom efikasnosti. Efikasnost savremenih pretvarača je razvojem ovih ureñaja postala izuzetno velika, i ima tendenciju da se znatno povećava i u budućnosti. Iako su energetski pretvarači znatno skuplji od konvencionalnih metoda regulacije, početna investicija se izuzetno isplati usljed uštede energije. b) Optimizacija procesa Jasna prednost korištenja energetskih pretvarača je mogućnost optimiziranja procesa i preciznog podešavanja brzine vrtnje asinhronog motora. U velikim industrijskim kompleksima ovo rezultuje povećanjem proizvodnje, smanjenjem zastoja i kašnjenja u proizvodnji, itd. c) Pokretanja i kočenja motora Kao i sve mašine, i asinhroni motori imaju rok trajanja jer materijal od kojeg su napravljene njegove komponente, u zavisnosti od uslova korištenja, vremenom degradira. Korištenjem blažeg pokretanja i zaustavljanja motora, time izbjegavajući pokretanje i zaustavljanje uz maksimalni moment ubrzanja, štedi se materijal od nepotrebnog stresa i preopterećenja. To direktno utiče na produženje radnog vijeka motora. 18

19 d) Smanjeni troškovi odžavanja Energetski pretvarač ne zahtijeva konstantno održavanje. Takoñer indirektno utiče na životni vijek ukupnog pogona. Na primjer, u slučaju pumpi sa priključenim cijevnim sistemom, upotrebom energetskih pretvarača se mogu izbjeći neželjeni efekti nastali udarcima vode na cijevi, koji nastaju naglim puštanjem u rad motora i pumpe. e) Bolja i sigurnija radna sredina Upotrebom energetskih pretvarača može se precizno podešavati brzina kretanja pokretnih traka, konrolisati sila usisavanja u pogonoma sa velikim ventilatorima i time smanjivati opasnost ljudskih povreda nastalih ovih putem. Brzina kretanja se takoñer može optimizarati da bi se postigla što manja buka. f) Mogućnost podešavanja mehaničke karakteristike Energetski pretvarači omogućavaju brzo i efikasno podešavanje mehaničke karakteristike motora. Ovo omogućava motoru da za isti moment tereta razvije različite brzine vrtnje umjesto samo jedne. Takoñer motor može razviti moment veći od nazivnog prekretnog momenta motora, te polazni moment veći od nazivnog polaznog momenta. Zadnje je izuzetno bitno u pogonima sa velikim momentima tereta koji su konstantni bez obzira na brzinu vrtnje Princip rada energetskog pretvarača Svi pretvarači frekvencije i napona, kao i većina savremenih energetskih pretvarača ima strukturu prikazanu na slici 2.2., koja se sastoji od četiri komponente: Ispravljač Istosmjerni meñukrug Invertor Elektroničko kolo za regulaciju Slika 2.2. Šema pretvarača frekvencije i napona 19

20 a) Ispravljač Ispravljač je prvi u nizu komponenti energetskog pretvarača, i direktno je priključen na napon mreže konstantne amplitude i frekvencije. Iako se ispravljači mogu praviti i za priključak na jednofazni napon, mi ćemo u okviru ovog diplomskog rada isključivo obrañivati trofazne ispravljače. Ispravljač može biti napravljen od dioda, tiristora ili kombinacije ovih ureñaja. Stoga on može biti neupravljiv ako se sastoji od dioda, upravljiv ako se sastoji od tiristora, ili poluupravljiv ako se sastoji od kombinacije ovih komponenti. Prednost tiristorskih ispravljača je što se energija može vraćati u mrežu, dok je mana to što u odnosu na diodne pretvarače stvaraju mnogo veće gubitke. Ispravljač na izlazu daje pulsirajući DC napon, koji u zavisnosti od toga da li su korištene diode ili tiristori ima oblik dat na slikama 2.3. i 2.4. Slika 2.3. Izlazni napon iz neupravljvog diodnog ispravljača 20

21 Slika 2.4. Izlazni napon iz upravljivog tiristorskog ispravljača b) Istosmjerni meñukrug Istosmjerni meñukrug je neophodan u pretvaračima jer nije moguće efikasno i direktno, pomoću jedinstvane elektroničke šeme, pretvarati napon jedne amplitude i frekvencije u napon druge amplitude i frekvencije. Zato je pretvarač frekvencije u suštini spoj tri elektronička kola, ispravljača, istosmjernog meñukruga i invertora, uz zasebno elektroničko kolo koje je zaduženo za upravljanje ovim kolima. Ispravljač ispravlja naizmjenični napon u istosmjerni, dok invertor pretvara istosmjerni napon u naizmjenični. Time se dobija napon na izlazu iz invertora druge amplitude i frekvencije od napona na ulazu u ispravljač. Uloga istosmjernog meñukruga je da smanji pulzacije istosmjernog napona, koji je na izlazu iz ispravljača pulsirajući, jer bi u protivnom izlazni naizmjenični napon iz invertora imao izuzetno velike vrijednosti viših harmonika što bi bilo nepovoljno po motor. c) Invertor Invertor je posljednji elektronički sklop u procesu pretvaranja frekvencije i napona i na izlaznu je direktno spojen sa motorom. Zadatak mu je da iz istosmjernog napona kojeg dobiva sa istosmjernog meñukruga osigura trofazni simetrični naizmjenični napon tražene frekvencije i amplitude na izlazu. Od istosmjernog meñukruga može primati: Konstantan DC napon Promjenjivi DC napon Promjenjivu DC struju 21

22 U slučaju da prima konstantan napon invertor je zadužen da obezbijedi promjenjivu frekvenciju i napon, a u slučaju da prima promjenjiv napon ili struju, zadužen je samo da obezbijedi promjenjivu frekvenciju. Tranzistori u invertorima se uključuju i isključuju velikom frekvencijom, i u zavisnosti od iznosa frekvencije prekidanja izlazni napon iz invertora je prikazan na slici 2.5. Slika 2.5. Uticaj frekvencije prekidanja tranzistora na izlazni napon iz invertora Primjećujemo da što je veća frekvencija prekidanja tranzistora, napon ima manje pulzacije, manji je iznos viših harmonika u naponskom valu. d) Elektroničko kolo za regulaciju. Osnovni zadaci elektroničkog kola za regulaciju su:: Upravljanje svim poluprovodničkim komponentama pretvarača frekvencije (diode, tiristori, tranzistori) Razmjena informacija izmeñu pretvarača frekvencije i vanjskog interfejsa Registrovanje i izvještavanje o greškama Izvršavanje zaštitnih funkcija motora i energetskog pretvarača 22

23 Sa razvojem i upotrebom mikroprocesora izuzetno je povećana brzina kola za regulaciju. Pošto su mikroprocesori u stanju obraditi veliki broj podataka i operacija u malom vremenskom okviru, savremeni energetski pretvarači su u stanju proračunati optimalnu strukturu upravljanja za motor u svakom trenutku. U ovom dijelu energetskog pretvarača se vrše svi proračuni koji su neophodni za korištenje naprednih metoda upravljanja, kao što su skalarno i vektorsko upravljanje. Elektroničko kolo za regulaciju je takoñer zaduženo za obradu povratnog signala o trenutnoj brzini vrtnje i poziciji rotora, ili izračunavanje trenutne brzine vrtnje i pozicije rotora iz vrijednosti mjerenih električnih veličina na statoru motora (napon i struja). Nakon toga se proračunava potrebna korekcija kojom se postiže željena brzina vrtnje motora. Nakon što su u ovom poglavlju iznešeni osnovni principi rada energetskih prevarača i njihovih komponenti, u narednom poglavlju će biti riječi o upotrebi energetskih retvarača u svrhe upravljanja i regulacije i raznim metodama kojim se to izvodi. 23

24 3. UPRAVLJANJE I REGULACIJA 3.1. Razlika izmeñu upravljanja i regulacije Iako se termini upravljanje i regulacija često naizmjenično koriste, postoji jasna razlika izmeñu ova dva pojma. Upravljanje je podešavanje brzine vrtnje zadavanjem referentne brzine vrtnje koju motor treba da postigne, ali bez povratnog signala i informacije da li je motor doista dostigao tu vrijednost brzine. Za razliku od upravljanja, pri regulaciji energetski pretvarač dobiva povratni signal o brzini vrtnje motora. Pošto je u svakom trenutku poznata tačna vrijednost brzine vrtnje, moguće je u slučaju da motor nije dostigao željenu brzinu, izvršiti potrebnu korekciju da bi se ona podesila na željenu vrijednost. Povratni signal se može slati pomoću tahogeneratora (mjerača brzine vrtnje motora), ili kao što je slučaj u savramenim energetskim pretvaračima indirektno proračunavati na osnovu izmjerenih električnih veličina na statoru motora. Slika 3.1. Razlika izmeñu upravljanja i regulacije 24

25 3.2. Usporedba metoda upravljanja i regulacije DC i AC motora DC pogon Brzinom vrtnje i mehaničkim momentom se kod istosmjernih (DC) motora upravlja na jednostavan način. Za istosmjerne motore vrijede relacije: (3.1.) (3.2.) Kod istosmjernog motora sa nezavisnom pobudom, magnetni tok Ψ f proizvodi struja koja protiče uzbudnim krugom, a preko napona uzbudnog kruga u f se direktno upravlja njegovim iznosom. Magnetni tok se nastoji održavati konstantnim. Momentom motora m e se upravlja diretno pomoću struje armaturnog kruga i a (3.1.), nezavisno od upravljanja momentom. Slika 3.2. Šema regulacije DC pogona Glavna osobina DC pogona je što se brzina vrtnje i moment, dvije najbitnije veličine za krajnjeg korisnika, reguliraju direktno preko vrijednosti armaturne struje. Prednosti DC pogona su: Precizno i brzo upravljanje momentom Dobar dinamički odziv brzine vrtnje Jednostavan princip regulacije Zbog ovih razloga su DC motori dugo bili dominantni u odnosu na asinhrone motore, u pogonima koji zahtijevaju brz i precizan dinamički odziv momenta i brzine vrtnje. Meñutim, nedostatci DC pogona uglavnom potiču od nedostataka DC mašine: Mala pouzdanost motora zbog sistema kolektora i četkica Zahtijevaju konstantno održavanje Velika cijena motora Potreban enkoder brzine za povratni signal 25

26 Zbog ovih nedostataka DC motora, veliki trud je uložen u razvijanje ureñaja i metoda za brzu i preciznu regulaciju AC motora. AC pogon Skalarno upravljanje Za razliku od DC motora, momentom i brzinom vrtnje asinhronog motora je moguće upravljati putem ulaznih električnih veličina motora kao što su napon i frekvencija. Ova metoda upravljanja se naziva skalarno upravljanje. Željena vrijednost napona odreñene frekvencije se dobiva pomoću pretvarača napona i frekvencije, na čiji je izlaz priključen stator motora. Ova metoda ne koristi enkoder brzine vrtnje, i stoga ne posjeduje povratni signal o trenutnoj vrijednosti brzine vrtnje. Prednosti ove metode upravljanja su: Slika 3.3. Šema skalarnog upravljanja AC motora Niska cijena ureñaja za upravljanje Nije potreban enkoder brzine Ovaj vid upravljanja je pogodan za pogone koji ne zahtijevaju preciznu regulaciju brzine. Meñutim ovaj metod posjeduje i značajne nedostatke: Nepoznavanje trenutne vrijednosti veličina u motoru Nemogućnost upravljanja momentom Sporo upravljanje Veličinama se ne upravlja direktno AC pogon Vektorsko upravljanje Vektorsko upravljanje je najsavremenija metoda upravljanja asinhronih motora. Kod asinhronog motora ne postoje veličine pomoću kojih se može direktno upravljati momentom i brzinom vrtnje motora. Pomoću naprednih matematskih modela zapisanih u vektorskom obliku, se proračunavaju veličine kojima se direktno i nezavisno upravlja magnetnim tokom i momentom. Ovakav vid upravljanja je postao moguć tek razvojem najbržih hardvera za obradu signala. Vektorskim upravljanjem se ostvaruju dobre performanse i brzina odziva, bez potrebe za enkoderom brzine vrtnje (Slika 3.4.). To je rezultat toga što se, kao kod DC motora, upravlja veličinama koje direktno i nezavisno utiču na magnetni tok i moment motora. 26

27 Slika 3.4. Pojednostavljena šema vektorskog upravljanja Proračun bitnih veličina motora se vrši na osnovu vrijednosti struja i napona na ulazu u stator asinhronog motora. Ova metoda upravljanja omogućava upravljanje AC motorima brže i preciznije nego DC motorima. Uzimajući u obzir i konstrukcijske prednosti AC motora, jasna je tendencija postepene zamjene DC pogona sa asinhronim pogonima sa vektorskim upravljanjem. Prednosti su: Dobar odziv pri promjeni opterećenja Precizna regulacija brzine vrtnje Moguć maksimalni prekretni moment pri brzini vrtnje n = 0 Performanse usporedive sa DC motorima 3.3. Teorija vektorskog upravljanja U ovom odjeljku je predstavljena teorijska podlogu za metodu vektorskog upravljanja asinhronih motora. Iz razloga što je ova savremena metoda po prvi put omogućila asinhronim motorima da u pogonima dostignu performanse DC motora, te iz razloga što se ova metoda u literaturi rijetko pokriva detaljno, u ovom diplomskog radu će biti opširnije obrañena. Meñutim zbog ograničene prirode ovog diplomskog rada najviše ćemo se fokusirati na sam matematski model vektorskog upravljanja, dok će matematska transformacija koordinatnih sistema općeg modela asinhronog motora biti preuzeta iz literature. 27

28 Slika 3.5. Opće šeme klizno-kolutnog asinhronog motora Veličine asinhronog motora u dinamičkim režimima se opisuju sistemom jednačina. Sistem se sastoji od diferencijalnih jednačina statora i rotora. Za klizno-kolutni motor jednačine se mogu zapisati u obliku: - Naponske jednačine statora (3.3.) (3.4.) - Naponske jednačine rotora (3.5) (3.6.) (3.7.) (3.8.) 28

29 - Mehanička jednačina kretanja (3.9.) Oznake električnih i mehaničkih veličina u jednačinama koje predstavljaju opšti matematski model mašine su: Naponske jednačine statorskog električnog kruga su zapisane u mirujućem trofaznom koordinatnom sistemu abc, a naponske jednačine rotorskog električnog kruga su zapisane u trofaznom koordinatnom sistemu ABC vezanom za rotor, koji se okreće ugaonom brzinom vrtnje rotora ω. Očigledan nedostatak ovog sistema jednačina je što se ne može rješavati analitički, jer su odnosi meñu veličinama vrlo komplikovani. Ulančeni tokovi svake od faza zavise od tokova svih ostalih faza, a moment motora zavisi od svih magnetnih tokova i struja u motoru. Ovaj matematski model se, nakon proračunavanja induktivnosti i meñuinduktivnosti statora i rotora, može zapisati i u matričnom obliku: (3.10.) (3.11.) (3.12.) 29

30 Matrice u jednačinama ( ) su: Očigledan nedostatak ova dva sistema predstavljanja matematskog modela je što se jednačine statora i rotora predstavljaju u dva odvojena trofazna koordinatna sistema, od kojih jedan miruje a drugi se vrti brzinom vrtnje rotora motora. Da bi se ovaj sistem jednačina mogao riješiti, potrebno je sve jednačine predstaviti u jedinstvenom sistemu koordinata koji će se vrtiti proizvoljnom brzinom vrtnje ω k. Ovaj postupak se naziva transformacija koordinata. Da bi se mogla izvršiti ova transformacija, prvo je potrebno predstaviti jednačine sistema (3.10.) - (3.12.) u vektorskom zapisu, u jedinstvenom dvoosnom kompleksnom dq koordinatnom sistemu. Koordinatni sistem u kojem su zapisane jednačina rotora vrti se brzinom vrtnje rotora, a koordinatni sistem statora miruje. Matematski model u vektorskom obliku, zapisan preko komponenti struja i ulančenih magnetnih tokova u zajedničkom kompleksnim dq koordinatama, koji se vrti proizvoljnom brzinom vrtnje ω k, izgleda: (3.13.) (3.14.) (3.15.) (3.16.) (3.17.) 30

31 Sa stanovišta upravljanja i regulacije najbitnija je relacija za moment motora. Ona se može napisati u mnogo oblika, a mi ćemo u svrhe razmatranja vektorskog upravljanja koristiti oblik: (3.18.) Uvrštavajući u jednačinu (3.18.) izraze za vektore struja statora i ulančenog toka rotora, te njihovih konjugovanih vrijednosti: (3.19.) (3.20.) Dobiva se pojednostavljeni izraz za moment motora: gdje su: (3.21.) (3.22.) (3.23.) Uglovi φ i i φ Ψ predstavljaju uglove izmeñu realnih osa statora i rotora respektivno, i realne ose jedinstvenog sistema koji se vrti ugaonom brzinom ω k. Izraz za moment motora (3.21.) predstavlja skalarni proizvod vektora statorske struje i ulančenog toka rotora. Ako ovu relaciju predstavimo grafički, elektromagnetni moment motora će biti srazmjeran površini paralelograma kojeg formiraju moduli vektora i. Proizvoljno je odabrano da se vektor ulančenog toka rotora uvijek nalazi u realnoj d osi. Grafički prikaz ovog koordinatnog sistema prikazan je na slici 3.6. Slika 3.6. Grafički prikaz jednačine za moment motora 31

32 S obzirom na to da vrijedi: r i sf = i s sinϕ Izraz za moment može se zapisati u obliku: Ψ r r = Ψ rd (3.24.) Odmah na prvi pogled se da primijetiti da smo dobili jednačinu sličnu jednačini za moment DC motora. Meñutim, očigledna razlika je što veličine i sq i Ψ rd kojim se upravlja momentom nisu direktno dostupne, a i ne mogu se direktno mjeriti. Da bismo bili u stanju direktno i nezavisno upravljati momentom asinhronog motora, potrebno je naći način na koji možemo u svakom trenutku dobivati informaciju o amplitudi i položaju vektora magnetnog toka rotora vektora rotorske struje. Amplitudu vektora magnetnog toka rotora možemo dobiti eliminisanjem iz jednačina: (3.25.) (3.26.) Pošto smo vektor ulančenog magnetnog toka postavili u d osu jedinstvanog koordinatnog sistema, vrijedi da je Ψ rq = 0, te uzimajući da je: dobivamo: (3.27.) (3.28.) (3.29.) Ako ovu jednačinu zapisanu preko vektora, napišemo preko komponenti u dq sistemu koordinata dobivamo sistem jednačina: (3.30.) (3.31.) 32

33 Posmatrajući jednačinu za moment motora (3.24.) i sistem jednačina ( ), primjećujemo da se došlo do veličine čijom se promjenom može direktno i nezavisno uticati na iznos elektromagnetnog momenta asinhronog motora. Upravljanje rotorskim magnetnim tokom Podešavanjem d komponente struje statora i sd (3.30), direktno utičemo na iznos d komponente magnetnog toka. Treba još jednom naglasiti da stavljanjem vektora ulančenog magnetnog toka u d osu jedinstvanog koordinatnog sistem, postigli smo da je Ψ rq = 0, i da je amplituda magnetnog toka rotora uvijek jednaka iznosu d komponente vektora magnetnog toka Ψ rd. Stoga podešavanjem struje i sd možemo neovisno i direktno upravljati amplitudom rotorskog toka. Nakon što dostigne željenu vrijednost magnetni tok rotora se nastoji održati konstantnim. Očigledna je sličnost sa načinom upravljanja magnetnog toka putem pobudnog napona kod istosmjernih mašina. U oba slučaja podešavanje se dogaña sa kašnjenjem prvog reda (Slika 3.7.) Upravljanje momentom motora Iz jednačina (3.24.) i (3.31.) se vidi da podešavanjem imaginarne q komponente struje statora (i sq ) utičemo na vrijednost elektromagnetnog momenta motora te preko iznosa apsolutnog klizanja ω i na vrijednost brzine vrtnje motora (3.31). Momentom motora se može direktno i nezavisno upravljati iz razloga što se d komponenta struje drži konstantnom, a stoga i vrijednost rotorskog magnetnog toka. Vidljiva je sličnost sa upravljanjem momenta DC motora, koje se vršilo podešavanjem vrijednosti armaturne struje i a. Za razliku od upravljanja magnetnim tokom, upravljanje momentom se vrši bez kašnjenja. Vizuelna usporedba šema formiranja momenta motora kod upravljanja DC i AC motora je predstavljena grafički na slici 3.7. Slika 3.7. Usporedba šema formiranja elektromagnetnog momenta kod AC i DC motora Korištenjem opisane metode upravljanja moguće je upravljati momentom motora i magnetnim tokom rotora nezavisno i direktno. Pošto se razmatrani način vektorskog upravljanja temelji na dinamičkom modelu motora, postalo ga je moguće koristiti tek razvojem savremenih digitalnih energetskih pretvarača sa mikroprocesorima. 33

34 Da bi se mogla vršiti regulacija a ne samo upravljanje motora potrebno je imati povratnu informaciju o trenutnom stanju rotora u vidu neke od veličina. Jedan od načina je pomoću inkrementalnog enkodera, koji daje informaciju o brzini vrtnje rotora, i ova metoda upravljanja se zove indirektno vektorsko upravljanje. Direktno vektorsko upravljanje sa zasniva na mjerenju magnetnog toka u zračnom rasporu pomoću iznosa magnetne indukcije. Za dobivanje podatka o magnetnoj indukciji koriste se dva senzora koji se postavljaju u zračni raspor motora, u poprečnoj i podužnoj osi rotora. Meñutim, očigledan nedostatak ovih metoda je što zahtijevaju da motori posjeduju ugrañene senzore, i nisu primjenjive na standardne verzije asinhronih motora. Pretvarač koji je korišten u praktičnom dijelu ovog diplomskog rada koristi varijantu indirektnog vektorskog upravljanja, gdje se povratna informacija o stanju rotora dobiva na osnovu proračuna mjerenih statorskih struja, koje motor vuče iz energetskog pretvarača. Time je u potpunosti zaobiñen rotor, koji je nepristupačan i čije je veličine teško mjeriti, a sve potrebne veličine se proračunavaju iz veličina statora koje su lahko dostupne i mjerljive. U ovom slučaju je potrebno detaljno poznavanje i unos parametara motora prije priključenja na energetski pretvarač. Potrebne podatke obezbjeñuje proizvoñač motora i obično su dostupni u uputstvima za korištenje, koja se isporučuju zajedno sa motorom. 34

35 3.5. Energetski pretvarač ABB ACS-800 Pretvarač frekvencije ACS firme ABB je predstavnik moderne generacije energetskih pretvarača. Korištenjem novih tehnologija u oblasti energetske elektronike i automatskog upravljanja, on mogućava odlične performanse pri upravljanju asinhronih motora. Serija ACS 800 je namijenjena za upotrebu u industrijskim pogonima i procesima, i omogućava upravljanje motora malih i srednjih snaga. Iako je moguće motorom upravljati i pomoću skalarnog upravljanja, osnovna karakteristika ovog pretvarača je Direktno Upravljanje Momentom (DTC Direct Torque Control) zasnovano na vektorskom upravljanju. Energetski pretvarač pomoću struja koje motor vuče na izlazu iz pretvarača, proračunava povratnu informaciju o trenutnom stanju veličina rotora. Ovaj metod omogućava brzo i precizno upravljanje brzinom vrtnje i momentom motora. Takoñer omogućava veliki moment pri startanju motora. Najznačajnije prednosti ovog pretvarača su: Kompaktnost - pretvarač ne zahtijeva ugrañivanje nikakvih dodatnih komponenti, senzora i sl. Ugrañen filter viših harmonika - na izlazu iz pretvarača je ugrañen filter viših harmonika izlaznog napona, što osigurava sigurniji i bolji rad motora Ugrañen elektronički čoper za elektrodinamičko kočenje - nema potrebe za ugradnjom dodatnih komponenti u svrhu kočenja motora Široke mogućnosti komunikacije sa vanjskim ureñajima - omogućava daljinsko upravljanje i monitoring motora, putem interneta ili mreže Velik stepen programabilnosti - adaptivno programiranje omogućava programiranje novih funkcija pretvarača po specifičnim potrebama kupca User-friendly softver - omogućava jednostavno upravljanje putem računara Sve prednosti DTC tehnologije koje su ranije navedene Multi drive opcija - mogućnost upravljanja sa više motora u isto vrijeme Energetskim pretvaračem je moguće upravljati upravljačkim panelom ili pomoću računara. Za svrhe ovog diplomskog rada je korišteno upravljanje preko računara radi mnogih prednosti, od kojih je najznačajnija snimanje grafika karakterističnih veličina motora. Kratko uputstvo za korištenje računarskog programa Drive Window 2.2., pomoću kojeg se upravlja energetskim pretvaračem, je dato u Prilogu 1. Nakon izlaganja osnovih teoretskih postavki asinhronih motora, energetskih pretvarača, te metoda upravljanja i regulacije, u narednom poglavlju ćemo analizirati grafike dinamičkog odziva asinhronog motora, koji su snimljeni pomoću programa Drive Window

36 4. REZULTATI PRAKTIČNOG RADA 4.1. Korištena oprema U praktičnom dijelu ovog diplomskog rada je korištena slijedeća oprema (Slika 4.1.): Trofazni asinhroni motor Energetski pretvarač ABB ACS 800 Laptop računar IBM Slika 4.1. Oprema korištena u praktičnom dijelu ovog seminarskog rada a) Nazivni podaci trofaznog motora su Nazivna snaga 0.2 KW Nazivna mehanička brzina vrtnje 1400 o/min Nazivni napon 220/380 V Nazivna struja 0.58 A Nazivna frekvencija 50 Hz 36

37 Faktor snage cos φ = 0.73 Spoj namota stator/rotor / Y b) Nazivni podaci energetskog pretvarača ABB ACS 800 su: Ulaz spoj na mrežu: Trofazni napon U 3N = V, ± 10% Frekvencija Hz Faktor snage cos φ = Izlaz spoj na motor: Trofazni napon 0 U 3N Frekvencija 0 ± 300 Hz Uslovi korištenja i održavanja: Dozvoljena vanjska temperatura skladištenja -40 do +70 C Dozvoljena vanjska tempretura pri radu 0 do +50 C Dozvoljena relativna vlažnost 5 do 95 %, kondenzacija nije dozvoljena c) Karaktersitike laptopa korištenog za svrhe ovog diplomskog rada su: CPU Intel Pentium GHz 512 MB RAM Windows 2000 service pack Analiza dobivenih rezultata Praktični dio ovog diplomskog rada je rañen u Laboratoriji za električne mašine, na Elektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Sarajevu. Asinhronim motorom je upravljano pomoću energetskog pretvarača ABB ACS-800. Računarski program Drive Window 2.2. je korišten za upravljanje energetskim pretvaračem. Snimljene su karakteristike brzine vrtnje, elektromagnetnog momenta i efektivne struje statora motora u zavisnosti od vremena. Brzina vrtnje je data u okretajima u minuti (o/min), elektromagnetni moment u procentima maksimalnog momenta, a struja u amperima. Snimljene karakteristike za režim zaleta motora, sa odgovarajućom razmjerom na ordinatnoj osi su date na slikama

38 Slika 4.2. Brzina vrtnje pri zaletu motora u praznom hodu n = f(t) Slika 4.3. Elektromagnetni moment pri zaletu motora u praznom hodu M = f(t) [%] Slika 4.4. Efektivna struja statora motora u praznom hodu I ef = f(t) [A] Na slici 4.2. ordinatna osa za brzinu vrtnje motora je , jer je zadata vrijednost brzine vrtnje pri zaletu 1500 o/min. Na slici 4.3. vrijednosti na ordinatnoj osi su 0-100, jer je elektromagnetni moment izražen u procentima nominalnog momenta, i u stacionarnom 38

39 režimu rada moment potreban za savladavanje momenta trenja i ventilacije iznosi 7.59 %. Za efektivnu struju jedne faze statora motora vrijedi da poprima vrijednosti od 0A do 0.58A, koliko iznosi i nazivna struja motora, pa je ordinatna skala 0-1 (Slika 4.4.). Da bi se veličine različite po iznosu mogle predstaviti na istom grafiku, uzeta je ordinatna osa brzine vrtnje kao referentna. Stoga se iznos brzine vrtnje može direktno očitati sa ordinatne ose, dok su grafici ostale dvije veličine predstavljeni u razmjerama. Njihove stvarne vrijednosti se mogu očitati sa vertikalnog presjeka stvarnih vrijednosti. Numerička oznaka, razmjera, i boja snimanih veličina na zajedničkim graficima su: [1] Brzina vrtnje x 1 [2] Moment motora x 100 [3] Efektivna struja jedne faze statora x 1000 Slika 4.5. Brzina vrtnje, elektromagnetni moment motora i efektivna struja statora motora pri maksimalno brzom zaletu motora u praznom hodu Prvo dinamičko stanje koje je razmatrano je zalet motora u praznom hodu. Snimljeni su grafici karakterisitčnih veličina motora (Slike ), za tri vrijednosti vremena trajanja zaleta (t = 1s, t = 5 s, t = 10 s). Trajanje prelazne pojave zavisi od momenta ubrzanja, koji je u praznom hodu jednak razlici elektromagnetnog momenta motora i momenta trenja i ventilacije. Rotor motora dostiže zadatu brzinu vrtnje od 1500 o/min uz asimptotski prelazni proces. Za slučaj sa slike 4.2. motor je pušten u pogon za najmanje moguće vrijeme zaleta. U ovom slučaju se razvija najveći moment od sva tri slučaja, ali pošto motor radi u praznom hodu, on ne razvija maksimalni moment motora. Za slučaj da je na osovinu motora priključen teret, maksimalno brzi zalet motora dovodi do razvijanja velikih vrijednosti elektromagnetnog momenta. Takvi udarci momenta na osovinu motora mogu dovesti do kvara i negativno utiču na životni vijek motora. Uloga energetskih pretvarača je da osigura da se sve veličine motora za vrijeme njegovog pogona nalaze u okviru propisanih granica. Energetski pretvarač ABB ACS-800, omogućava podešavanje vrijednosti maksimalnog dozvoljenog momenta pri zaletu motora. Sa slika se primjećuje da nakon što motor dostigne zadanu vrijednost brzine vrtnje, moment motora se stabilizuje, i on je u stacionarnom režimu rada praznog hoda jednak iznosu momenta trenja i ventilacije koji iznosi 7.50 % nazivnog momenta motora. U slučaju sa slike 4.4. je postignuto da je moment motora tokom zaleta i rada u stacionarnog režimu rada približno isti. 39

40 Monitor [1] [2] Time (s) Slika 4.6. Brzina vrtnje i moment motora pri srednje brzom zaletu motora 1600 Monitor [1] [2] Time (s) Slika 4.7. Brzina vrtnje i moment motora pri sporom zaletu motora Na slikama su prikazani grafici brzine vrtnje motora i elektromagnetnog momenta motora za tri vrijednosti vremena trajanja kočenja. Vrijeme trajanja kočenja se na sličan način kao kod zaleta motora, podešava pomoću odgovarajućeg parametra na energetskom pretvaraču. Najbrže kočenje se ostvaruje protustrujnim kočenjem (Slika 4.8.), dok je u ostala dva slučaja upotrebljavano elektrodinamičko kočenje pomoću otpornika. 40

41 Monitor [1] [2] Time (s) Slika 4.8. Brzina vrtnje i moment motora pri maksimalno brzom kočenju motora [1] Monitor [2] Time (s) Slika 4.9. Brzina vrtnje i moment motora pri srednje brzom kočenju motora 41

42 Monitor [1] [2] Time (s) Slika Brzina vrtnje i moment motora pri sporom kočenju motora Na slikama i se prikazuju zalet i reverziranje motora bez mometna opterećenja na osovini. Pored brzine vrtnje i elektromagnetnog momenta motora, prikazana i efektivna struja jedne faze statora. Moment motora i struja statora dostižu stacionarnu vrijednost prije brzine vrtnje. Efektivna vrijednost struje jedne faze statora je uvijek pozitivna, bez obzira na predznak elektromagnetnog momenta. Maksimalna vrijednost struje koju motor vuče pri startu nije velik jer motor radi u režimu praznog hoda. Ako se motor ubrzava uz značajan moment tereta na osovini, maksimalna vrijednost struje koju motor vuče pri startu je veoma velika, što negativno utiče na mrežu i na motor. U tom slučaju se pristupa sporijem zaletu motora. Slika Grafici veličina motora pri skokovitom zadavanju brzine vrtnje (n = 0, 1500, 0 o/min) 42

43 Sa slike na kojoj su prikazani grafici veličina motora za dvostruko zadavanje brzine vrtnje, primjećujemo da su momenti pri ubrzanju od n = 0 do n = 1500 o/min i pri ubrzanju od n = 1500 do n = 3000 o/min približno jednaki. Ovo je slučaj jer je vrijeme trajanja zaleta u oba slučaja isto, pa stoga i vrijednost momenta ubrzanja. Iako se pomoću energetskog pretvarača može upravljati motorom i za vrijednosti brzine vrtnje iznad dvostruke vrijednosti nazivne brzine vrtnje, mi smo se radi mehaničke sigurnosti ograničili na upravljanje do n = 3000 o/min. Slika Grafici veličina motora pri dvostrukom stepu (n = 0, 1500, 3000,1500, 0 o/min) Kod reverziranja (Slika 4.13.) je karakteristično da se pojavljuje maksimalni moment kočenja usljed zamjene stezaljki priključnih faza na statoru. Razvijeni moment motora djeluje u suprotnom smjeru, što dovodi do usporavanja motora. Negativni moment motora će nakon što motor postigne brzinu vrtnje nula, dovesti do ubrzavanja motora do zadate vrijednosti brzine vrtnje u negativnom smjeru. Slika Grafici veličina motora pri reverziranju (n = 0, 1500, , 0 o/min) 43

44 S obzirom na to da na osovini motora nije bilo priključeno opterećenje, u diplomskom radu su razmatrane samo prelazne pojave zaleta i reverziranja u praznom hodu. Na slici 4.14 prikazane su vremenske promjene n = f(t), m e = f(t), i = f(t) pri zaletu motora sa opterećenjem koje je simulirano ručno pri maloj brzini vrtnje. Primjećuje se da je trajanje prelaznih pojava duže u odnosu na odgovarajuće trajanje u praznom hodu. Slika Grafici veličina motora pri zaletu uz teret na osovini 44

45 ZAKLJUČAK Upotrebom energetskih pretvarača i savremenih metoda upravljanja kao što je vektorsko upravljanje, asinhronim motorima je postalo moguće upravljati u širokom opsegu brzina, brzo i precizno kao DC motorima. Upravljanje energetskim pretvaračem pomoću računarskog programa je jednostavno i brzo, te pruža mnoge mogućnosti u odnosu na lokalno upravljanje pomoću upravljačkih panela. Jedna od najznačajnijih je snimanje grafika, pomoću kojih je u ovom diplomskom radu razmatrana dinamika asinhronog motora i prednosti upotrebe energetskih pretvarača. Pošto je u okviru ovog diplomskog rada, za upravljanje asinhronim motorom pomoću energetskog pretvarača u Laboratoriji za elektične mašine, prvi put korišten program Drive Window Korištenje ovog programa je prvi korak u nizu budućih ispitivanja na ovom pogonu. Mogući pravci daljeg rada bi obuhvatali ispitivanje dinamike asinhronog motora sa momentom tereta na osovini, te programiranje složenijih upravljačkih algoritama pomoću PLC kontrolera. Takoñer program Drive Window 2.2. je kompatibilan za komunkaciju sa velikim brojem ABB-ovih pretvarača, te ga je moguće koristiti i u drugim pogonima. Osim toga pomoću energetskog pretvarača ABB ACS-800 je moguće upravljati i asinhronim motorima mnogo većih snaga nego što je motor koji je korišten u okviru ovog diplomskog rada. 45

46 PRILOG 1. UPUTSTVO ZA KORIŠTENJE PROGRAMA DRIVE WINDOW 2.2 Ovaj prilogu je kratko uputstvo na bosanskom jeziku za korištenje programa DriveWindow 2.2., koji nam omogućava komunikaciju sa energetskim pretvaračam putem laptopa. Prilog je pisan s ciljem da olakša budući rad sa programom i energetskim pretvaračem u Laboratoriji za električne mašine Elektrotehničkog fakulteta u Sarajevu. PRILOG 1.1. Lista naredbi Naredbe koje je potrebno izvršiti da bi se snimio grafik neke od veličina asinhronog motora su: 1. Uključiti napajanje energetskom pretvaraču 2. Na upravljačkom panelu prebaciti mod upravljanja sa lokalnog na daljinsko (Slika P1.1.) 1 3. Pokrenuti program Drive Window Odabrati opciju ABB.SMP (Slika P1.2.) 5. Preuzeti kontrolu nad motorom (Slika P alatka 3) 6. Uključiti napajanje motora (Slika P alatka 9a) 7. Nakon pristupanja motoru, u podmeniju Parameters odabrati listu signala 01:ACTUAL SIGNALS (Slika P prozor 1) 8. Iz liste ponuñenih parametara (Slika P prozor 2) odabrati veličine motora koje želimo snimati i dodati u alat Monitor (Slika alatka 1) 9. Podesiti željeni izgled grafika i opseg ordinatnih osa (Slika P prozor 3) 10. Zadati referentnu vrijednost brzine vrtnje (Slika alatka 5) 11. Uključiti snimanje grafika (Slika alatka 2) 12. Dati naredbu motoru da dostigne zadatu vrijednost brzine vrtnje (Slika alatka 7) 13. Zaustaviti motor (Slika alatka 9b) 14. Zaustaviti snimanje grafika (P alatka 3) 15. Dodatno prilagoditi izgled grafika i opseg ordinatnih osa snimljenom grafiku (Slika P prozor 3) 16. Kopirati grafik desnim klikom na grafik (Slika P prozor 4) i odabirom opcije copy 17. Izbrisati grafik sa ekrana radi snimanja novog (Slika alatka 5) 18. Ponoviti postupak od tačke 10. za snimanje novog grafika 1 U slučaju da se nakon pokretanja energetskog pretvarača na panelu pojavi greška 800: Panel Loss, prebaciti upravljanje sa lokalnog na daljinsko, te potom isključiti napajanje energetskom pretvaraču. Pri sljedećem paljenju, bez zadavanja komandi na upravljačkom panelu, preuzeti kontrolu putem računara. 46

47 PRILOG 1.1. Detaljnije uputstvo za korištenje programa Drive Window 2.2. Prije uključivanja programa, potrebno je pokrenuti energetski pretvarač i na upravljačkom panelu prebaciti upravljanje pretvaračem sa lokalnog na daljinsko. To se vrši pritiskom na dugme LEC REM [7] (Slika P.1.2.), nakon čega se u gornjem lijevom uglu panela oznaka L promijeni u R. Slika P1.1. Upravljački panel Slika P1.2. Odabir OPC servera Instaliranje programa se vrši po standardnom Windows-ovom obrascu. Nakon uključivanja programa pojavljuje se prozor sa slike P1.2. Odabirom opcije ABB.SMP servera pristupamo programu. Pristup sa udaljene lokacije se može ostvariti uključivanja opcije From a Remote PC, uz unošenje IP adrese kompjutera uz pomoć kojeg će se putem interneta ili mreže upravljati pogonom. 47

48 Slika P1.3. Glavni korisnički interfejs programa DriveWindow 2.2. Glavni korisnički interfejs programa DriveWindow 2.2. se sastoji od: 1) Naslovni red 1) Naslovni red 2) Red sa menijima 3) Red za brzi pristup alatkama 4) Statusni red 5) Glavni prozori 6) Scrolleri unutar prozora Naslovni red pokazuje osnovne podatke o stanju programa. 2) Red sa menijima Red sa menijima omogućava pristup svim funkcijama i alatkama ovog programa. Urañen je na klasičan i prepoznatljiv način Windows aplikacija. Klikom na opcije File/Edit/View... se otvaraju padajući meniji pomoću kojih se pristupa nizu ponuñenih opcija. 3) Dio sa brzim pristupom komandama Radi lakšeg i bržeg korištenje ovog programa, neke od najbitnijih funkcija i alatki su direktno izvedene na glavni korisnički interfejs. Njima se na taj način može pristupiti bez pretraživanja padajućih menija. 48

49 Slika P1.4. Red sa standardnim alatkama Red sa standardnim alatkama omogućava pristup opcijama: 1) Provjeri i osvježi status motora 2) Isijeci 3) Kopiraj 4) Zalijepi 5) Briši 6) Zumiraj grafik 7) Odzumiraj grafik 8) Resetuj grafik 9) Dodaj stavku a. Otključaj / zaključaj stavku b. Osvježi vrijednost stavke c. Aktiviraj / deaktiviraj stavku d. Promijeni vrijednost stavke Pod stavkama se podrazumijevaju parametri i veličine motora, koji se pomoću alata Monitor i Datalogger snimaju i ispisuju na grafike. Slika P1.5. Red sa alatkama Monitora (alata za snimanje grafika) Red sa alatkama Monitora omogućava pristup opcijama: 1) Dodaj stavku na grafik 2) Počni / nastavi crtanje grafika 3) Zaustavi crtanje grafika 4) Pauziraj crtanje grafika 5) Obriši sve grafike sa ekrana Bitno je napomenuti da se alat za ispisivanje grafika pomoću alatke 2 sa slike P1.4 mora posebno pokrenuti prije uključivanja motora u rad. Prethodno je potrebno označiti koje će veličine biti iscrtavane dodavajući ih na grafik pomoću alatke 1. Desno od reda sa alatkama Monitora se nalazi i red sa alatkama Dataloggera, koji takoñer ima funkciju da crta grafike veličina. Meñutim razlika je u tome što Monitor iscrtava grafike u trenutku rada motora, dok Datalogger pohranjuje podatke, i po završetku rada motora ih iscrtava na ekran. U ovom seminarksom radu je korišten alat Monitor. 49

50 Slika P1.6. Red sa alatkama za upravljanje motorom Ovaj red alatki nam služi za upravljanje motorom i sadrži slijedeće alatke: 1) Slika statusa motora 2) Naziv motora 3) Preuzmi / Prekini kontrolu nad motorom 4) Očisti arhivu kvarova i grešaka 5) Unos zadane brzine vrtnje 6) Prikaz trenutne zadane vrijednost brzine vrtnje 7) Podesi brzinu vrtnje motora na zadatu vrijednost 8) Počni / Završi step 9) Resetuj grešku a) Uključivanje napajanja motora b) Isključivanje napajanja motora c) Reverziranje d) Početni smjer vrtnje motora e) Zaustavljanje bez kočenja 4) Statusni red Statusni red nam samo pokazuje trenutni status motora. 5) Glavni prozori programa Slika P1.7. Glavni prozori programa DriveWindow