1 UKŁADY I METODY STEROWANIA ŁAGODNYM ROZRUCHEM SILNIKÓW INDUKCYJNYCH DUŻEJ MOCY Krzysztof PIEŃKOWSKI Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych

2 Plan wystąpienia Wprowadzenie Układy łagodnego rozruchu z tyrystorowymi sterownikami napięcia Metody i układy sterowania procesem łagodnego rozruchu Układy łagodnego rozruchu z dyskretnym sterowaniem częstotliwości Układy łagodnego rozruchu z przekształtnikami o komutacji wymuszonej Podsumowanie

3 Klasyfikacja układów łagodnego rozruchu  Układy łagodnego rozruchu z tyrystorowymi sterownikami napięcia o sterowaniu fazowym;  Układy łagodnego rozruchu z dyskretnym sterowaniem częstotliwości  Układy łagodnego rozruchu z przekształtnikami o komutacji wymuszonej;

4 Przekształtnikowe układy łagodnego rozruchu o sterowaniu fazowym Przekształtnikowe układy łagodnego rozruchu o sterowaniu fazowym: a), b) - układy In Line; c) - układ In Delta

5 Zasada sterowania fazowego Zasada sterowania fazowego polega na generacji impulsów wyzwalania tyrystorów w chwilach czasowych odpowiadających kątowi fazowemu, mierzonemu względem napięcia fazowego sieci. Stopniowe zwiększanie kąta fazowego zapewnia stopniowy wzrost wartości skutecznej napięcia zasilania silnika, czyli łagodny rozruch silnika.

6 Tyrystorowe układy łagodnego rozruchu napędów wielosilnikowych a)do jednoczesnego rozruchu 2 silników; b)układ zintegrowany z dwoma sterownikami we wspólnej obudowie

7 Konstrukcja rozrusznika tyrystorowego średniego napięcia PM - Moduł mocy MC - Moduł sterowania FN - Nadajnik sygnałów światłowodowych FO - Odbiornik sygnałów światłowodowych PP - Przekładnik prądowy

8 Wykonania przemysłowe układów łagodnego rozruchu  Układy łagodnego rozruchu silników indukcyjnych średniego napięcia (MV) są dostępne w wykonaniach: 2.3 kV; 3.3 kV; 4.16 kV; 6 kV i 6.6 kV; 10kV; 11kV; 13.2 kV, 13.8 kV i 15kV.  Standardowy zakres prądów rozruchowych: 60 – 3000 A.  Standardowy zakres mocy znamionowych silnika: 200 kW – 50 MW.

9 Układy połączeń tyrystorów w sterownikach AC średniego napięcia

10 Metody sterowania tyrystorowych układów łagodnego rozruchu a)sterowanie z zadaną rampą napięcia silnika, b)sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od prądu rozruchowego silnika, c)sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od momentu rozruchowego silnika, d)sterowanie z adaptacją przyśpieszenia kątowego silnika

11 Sterowanie z zadaną rampą napięcia Czas t Rampa standardowa Rampa z funkcją KickStart

12 Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od prądu rozruchowego silnika a)Rozruch z utrzymywaniem zadanej wartości prądu rozruchowego silnika; b)Rozruch ze sterowaniem prądu rozruchowego silnika wg zadanej rampy prądowej; a)b)

13 Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od momentu rozruchowego silnika 1)Rozruch z zadaną stałą wartością momentu rozruchowego; 2)Rozruch z zadaną liniową rampą momentu rozruchowego; 3)Rozruch z zadaną paraboliczną rampą momentu rozruchowego;

14 Sterowanie adaptacyjne rozruchem silnika – ( Adaptive Acceleration Control ) 1)Rozruch z dużym przyśpieszeniem początkowym; 2)Rozruch ze stałym przyśpieszeniem początkowym; 3)Rozruch z małym przyśpieszeniem początkowym;

15 Metoda łagodnego rozruchu z dyskretnym sterowaniem częstotliwości Sterownik AC do łagodnego rozruchu Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy sterowaniu napięcia: M = c∙ U 2 Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy sterowaniu częstotliwościowym: M = k ∙ U/f

16 Zasada dyskretnego sterowania częstotliwości przez sterownik AC f = 50/8 = 6,25 Hz f = 50/5 = 10 Hz f = 50/3 = 16,7 Hz

17 Porównanie metod rozruchu SoftStart z konwencjonalnym sterowaniem fazowym SoftStart z dyskretnym sterowaniem częstotliwości: 12,5 / 16,7 / 25 / 50 Hz Prąd stojana i s (t):

18 Układy łagodnego rozruchu z przekształtnikami o komutacji wymuszonej a) układ pełny, b) układ uproszczony c) możliwe układy klucza energoelektronicznego o dwukierunkowym przewodzeniu

19 Układy łagodnego rozruchu z przekształtnikami o komutacji wymuszonej Układ pełnyUkład uproszczony

20 Metody sterowania przekształtnikami o komutacji wymuszonej W układach łagodnego rozruchu z przekształtnikami o komutacji wymuszonej mogą by stosowane następujące metody sterowania elementów energoelektronicznych:  Nowe metody sterowania fazowego – sterowanie z zachowaniem częstotliwości sieciowej;  Sterowanie impulsowe PWM – sterowanie o dużej częstotliwości (rzędu kilku – kilkunastu kHz);

21 Nowe metody sterowania fazowego Konwencjonalna metoda sterowania fazowego Zmodyfikowana metoda sterowania fazowego (wymuszanie napięć zerowych) Metoda sterowania fazowego kątem wyłączania Metoda symetrycznego sterowania fazowego kątem załączania i wyłączania

22 Metody sterowania impulsowego przekształtnikami o komutacji wymuszonej Konwencjonalne sterowanie impulsowe Sterowanie impulsowe PWM z zadanym przebiegiem piłokształtnym

23 Przebiegi dla układu łagodnego rozruchu o komutacji wymuszonej Prąd fazowy silnika is(t) Napięcie fazowe silnika us(t)

24 PODSUMOWANIE - Zalety stosowania układów łagodnego rozruchu  Zmniejszenie prądu rozruchowego i spadków napięć w sieci zasilającej;  Płynne zmiany przyspieszeń eliminują powstawanie udarów sił i momentów;  Wydłużenie żywotności elementów mechanicznych i elektrycznych układu napędowego ;  Zmniejszenie częstości okresowych przeglądów i konserwacji;  Zmniejszenie kosztów eksploatacji układu napędowego.

25 PODSUMOWANIE  Przekształtnikowe układy łagodnego rozruchu o sterowaniu fazowym zapewniają płynny rozruch silników indukcyjnych klatkowych z żądanym ograniczeniem prądu rozruchowego. Układy nie zapewniają pożądanego przebiegu rozruchu przy dużych momentach oporowych maszyn roboczych.  Przekształtnikowe układy łagodnego rozruchu z dyskretnym sterowaniem częstotliwości zapewniają płynny rozruch silników indukcyjnych klatkowych wymagających dużej wartości momentu rozruchowego. Układy wymagają dość złożonego układu sterowania.  Przekształtnikowe układy łagodnego rozruchu o sterowaniu impulsowym PWM (o komutacji wymuszonej) zapewniają płynny rozruch silników indukcyjnych klatkowych przy zmniejszonym oddziaływaniu przekształtnika na siec zasilającą.

26 Dziękuję za uwagę.

27

28 Porównanie Moment elektromagnetyczny Me(t) Konwencjonalny SoftStart SoftStart z dyskretnym sterowaniem częstotliwościowym: 12,5 / 16,7 / 25 / 50 Hz

29

30

31

32

33 Zgodnie z charakterystykami, przy rozruchu bezpośrednim i rozruchu gwiazda-trójkąt, występują udary prądu względnie udar momentu, powodujące zwłaszcza w silnikach średnich i dużych mocy, niekorzystne oddziaływania: wysokie obciążenie mechaniczne maszyny szybsze zużycie wyższe koszty serwisowe wysokie koszty przygotowania przez zakłady energetyczne (obliczanie wartości szczytowych prądu) wysokie obciążenie sieci względnie generatora przepięcia łączeniowe, które oddziaływają niekorzystnie na innych odbiorców energii. Pożądany jest zatem bezudarowy przyrost momentu obrotowego i specjalna redukcja prądu w fazie rozruchu. Umożliwia to rozrusznik elektroniczny. Steruje on bezstopniowo napięciem zasilania silnika trójfazowego w fazie rozruchu. Dzięki temu silnik trójfazowy dopasowany zostaje do zachowań pracującej maszyny. Unika się udarów mechanicznych a wartości szczytowe prądów zostają obniżone.

34

35

36 Rysunek 2 pokazuje przebieg charakterystyki mechanicznej silnika klatkowego w funkcji napi«cia zasilaj.cego. Przy sta¸ej cz«stotliwoæci moment zmienia si« z kwadratem napi«cia. Stopniowy wzrost napi«cia ogranicza wartoæci momentu i pr.du w czasie rozruchu i chroni przed chwilowymi udarami pr.dowymi. Rysunek 1 pokazuje zmiany momentu przy ograniczaniu pr.du rozruchowego. Ograniczenie pr.du rozruchowego do nastawionej wartoæci Is1 ma wp¸yw na wielkoæ momentu rozruchowego Ms1, kt.ry w praktyce zmniejsza si« tyle razy, ile wynosi stosunek kwadrat.w pr.d.w Is1 oraz Is.

37 i Pr.d rozruchowy Nastawialny w granicach od 2 do 5 wartoæci pr.du znamionowego i Moment rozruchowy Zmienny od 0.15 momentu znamionowego do pe¸nej jego wartoæci

38

39

40 Advanced motor control Digistart IS provides industry leading motor control, featuring constant current, current ramp and adaptive control start methods. Adaptive control is an innovative control method that not only controls motor current but also acceleration. It allows the user to select between early, constant or late acceleration/deceleration depending upon the application requirements. Adaptive control then monitors motor performance by analysing each start and adjusting accordingly to maintain optimum control. Adaptive control can benefit many applications. A principle example is pumping where it can be used to eliminate water hammer by allowing the engineer to select the most appropriate deceleration profile for the system.

41

42 Metody sterowania tyrystorowych układów łagodnego rozruchu

43 XLR-8 Adaptive Control Using XLR-8 Adaptive Acceleration Control, the EMX3 learns your motor’s performance during start and stop, then adjusts control to optimize performance. Simply select the profile that best matches your load type and the soft starter automatically ensures the smoothest possible acceleration for your load.

44

45

46

47

48