Loading

Możliwość zastosowań sterowanego układu pracy współbieżnej silników asynchronicznych

dr inż. Andrzej Szlachta
Zakład Maszyn Elektrycznych Politechniko Rzeszowska

"Trakcja i Wagony" Nr.11-12/1980

UKD:62 9.42 3.31:621.313.333

W grupie złożonych napędów elektrycznych eksponowane miejsce zajmują układy pracy współbieżnej silników asynchronicznych, zwane również wałami elektrycznymi. Stosuje się je w tych dziedzinach techniki, w których jest wymagany współbieżny ruch obrotowy dwóch lub więcej osi. Jeżeli ze względów technicznych nie można połączyć tych osi bezpośrednio za pomocą wału mechanicznego lub przekładni mechanicznych, to ich synchroniczny ruch obrotowy można osiągnąć na drodze elektrycznej przez zastosowanie tzw. wału elektrycznego. Ideę zastąpienia wału mechanicznego przez elektryczny układ napędowy (wał elektryczny) wyjaśnia rysunek 1.
Wał elektryczny znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu i gospodarki narodowej, w szczególności zaś w mechanizmach budowli hydrotechnicznych, w przemyśle metalurgicznym, w napędach maszyn rotacyjnych; przemysłu poligraficznego itp.

Rys. 1. Układy współbieżnego ruchu obrotowego -mechanizmów

a -wal mechaniczny,
b -wał elektryczny,
SA1, SA2 - silniki asynchroniczne pierścieniowe,
M1, M2 - momenty obciążenia
Również w kolejnictwie istnieje możliwość zastosowania wału elektrycznego. Przykładem mogą być mechanizmy dźwigowe (urządzenia jazdy mostu bramowego z osobnymi silnikami dla każdej podpory przy dużej ich rozpiętości), podnośnika wielosilnikowe nadwozi lokomotyw lub wagonów, stosowane przy remontach i wymianil zespołów jezdnych itp. W podnośnikach, dla umożliwienia jednoczesnego sterowania kilksl ma silnikami z zachowaniem równych prędkości podnoszenia przy asymetrii obciążenia, celowe jest połączenie silników w wieloniaszynowy układ wału elektrycznego. 

Klasyczne układy wałów elektrycznych

Z zastosowaniem silników asynchronicznych pierścieniowych realizuje się dwa podstawowi rodzaje wałów elektrycznych:
- wał elektryczny z silnikami pomocniczymi (rys. 2),
- wał elektryczny uproszczony, zwany tefl elektrycznym wałem roboczym (rys. 3).
W układzie z rysunku 2, przy symetryczna] obciążeniu silników głównych SG1 i SG2, w oi wodzie wirników identycznych maszyn pomocniczych SP1 i SP2 prąd nie płynie, gdyż suma geometryczna napięć indukowanych w wirnikach jest równa zeru. W obwodach stojanów maszyn pomocniczych płyną nieduże prądy stanu jałowego i maszyny te nie rozwijają momentów napędowych.

 

Rys. 2. Schemat wału elektrycanego z silnikami pomocniczymi

Jeżeli wystąpi różnica obciążeń (np. Mml > Mm2), wirnik silnika bardziej obciążonego (SG1) opóźni się względem wirnika silnika SG2 o pewien kąt niezgodności .

 

Rys. 3. Schemat łuproszczoinego wału elektrycznego

Powstanie wówczas różnica geometryczna napięć wirników , pod której wpływem nastąpi przepływ prądu wyrównawczego Iw.Maszyny pomocnicze rozwijają wówczas własne momenty napędowe [1]:

Z zależności (1) wynika, że przy małych kątach i małych poślizgach silniki pomocnicze rozwijają nieduże momenty. W celu powiększenia momentów silników SP1 i SP2, należy stworzyć warunki do pracy tych silników przy dużych poślizgach. Uzyskuje się to przez ustalenie przeciwnego kierunku pola wirującego maszyn pomocniczych w stosunku do kierunku wirowania silników SG1 i SG2 lub przez dobranie silników pomocniczych o mniejszej liczbie par biegunów niż silniki główne.
Uproszczenie układu pracy współbieżnej i zmniejszenie kosztów inwestycyjnych uzyskuje się przez zastosowanie silników asynchronicznych pierścieniowych z dodatkowymi rezystorami włączonymi do wspólnego obwodu wirników, tworząc tzw. uproszczony wał elektryczny (rys. 3).
Przy symetrycznym obciążeniu jednakowych maszyn SA1 i SA2 magnetyczne wirników pokrywają śa prądy obu wirników przepływają przezrezystor dodatkowy. W przypadku powstania niesymetrii obciążenia, w obwodzie wirników popłynie dodatkowy prąd wyrównawczy, który omijając rezystor dodatkowy będzie płynął między wirnikami silników. Wytworzony w wyniku asymetrii obciążeń moment wyrównawczy, zwany momentem synchronizującym, jest proporcjonalny, do wartości rezystancji R i sinusa kąta niezgdności

Z tego wynika, że w obwodzie wirników musi być stale załączona pewna rezystancja dodatkowa, alloment wyrównawczy. Przy kącie występuje granica zakresu biegu synchronicznego układu. Rezystancja R w obwodzie wirników jest źródłem strat mocy i dlatego wał uproszczony ustępuje pod względem energetycznym układowi z maszynami pomocniczymi.

Układy pracy współbieżnej ze sterowaniem prędkości kątowej

Równolegle ze współbieżnością ruchu obrotowego często jest wymagana regulacja prędkości kątowej silników tworzących wał elektryczny. Zastosowanie urządzeń energoelektronicznych umożliwia realizację nowych wersji sterowanego wału elektrycznego. Sterowanie prędkości kątowej wału elektrycznego jest związane z oddziaływaniem na obwód stojanów lub obwód wirników silników indukcyjnych i dotyczy zmiany napięcia, częstotliwości lub impedancji tych obwodów.

Sterowanie napięciowe wału elektrycznego

Oddziaływanie na obwód stojana silnika indukcyjnego przy sterowaniu prędkości kątowej dotyczy zmiany wartości napięcia, częstotliwości lub jednoczesnej zmiany obu tych parametrów. Sterowanie częstotliwościowe silników indukcyjnych wymaga złożonych przekształtników tyrystorowych zawierających dużą liczbę tyrystorów. Duże znaczenie praktyczne mają proste układy sterowania napięciowego, pomimo ograniczonego zakresu regulacji prędkości silnika. Regulację wartości skutecznej napięcia zasilania uzwojeń stojanów silników indukcyjnych realizuje się przez zastosowanie sterownika tyrystorowego ST prądu przemiennego (rys. 4).
Sterownik odwrotnie równoległy, zawierający trzy pary tyrystorów połączonych odwrotnie równolegle, stanowi nienawrotny układ regulacji prędkości kątowej wału elektrycznego (rys. tta). Dla uzyskania rewersji pola wirującego wprowadza się dodatkowo dwie pary tyrystorów: T7 - T8 i T9 - T10, otrzymując w ten sposób układ nawrotny (rys. 4b). Dla zwiększenia zakresu regulacji prędkości i zapewnienia warunków powstawania momentu wyrównawczego, w obwód wirników dołącza się dodatkową rezystancję R, której wartość można zmieniać - np. przez zastosowanie regulacji impulsowej.

 

Rys. 4. Wał elektryczny ze sterownikiem odwrotnie równoległym

a - sterownik nienawrotny,
b - sterownik rewersyjny
Inną wersję sterowania napięciowego przedstawiono na rysunku 5 [2]. W układzie tym końce uzwojeń stojanów są połączone ze sobą jednoimiennymi zaciskami i dołączone do trójfazowego mostka prostowniczego MP. Wyjście stałoprądowe mostka jest zwierane okresowo za pomocą łącznika tyrystorowego ŁT o komutacji wewnętrznej ze stałą częstotliwością.

 

Rys. 5. Sterowanie prędkości kątowej wału elektrycznego za pomocą łącznika tyrystorowego o komutacji wewnętrznej

Podczas przewodzenia tyrystora głównego TG uzwojenia stojanów są połączone w gwiazdę i zasilane napięciem sinusoidalnym z sieci trójfazowej. W czasie zablokowania tyrystora TG punkt gwiazdowy uzwojeń stojanów pozostaje rozwarty, co odpowiada przerwie w zasilaniu. W celu uzyskania symetrii napięć i prądów fazowych silników, praca łącznika jest zsynchronizowana z napięciem sieci zasilającej. Charakterystyki mechaniczne silników pracujących w tym układzie są podobne do charakterystyk otrzymanych w układzie sterownika odwrotnie równoległego. Zaletą tego układu jest mniejsza liczba tyrystorów i prostszy sposób ich sterowania.

Sterowanie wału elektrycznego przez zmianę rezystancji w obwodzie wirników

Zmianę rezystancji dodatkowej w obwodzie wirników wału elektrycznego można przeprowadzić w układzie regulacji impulsowej. Na rysunku 6 przedstawiono zastosowanie klasycznego modulatora rezystancji do sterowania prędkości kątowej wału elektrycznego. Przez regulację względnego czasu e przewodzenia tyrystora zwierającego rezystancję R otrzymuje się zmianę średniej wartości rezystancji modulowanej zgodnie z zależnością [3]:

W układzie tym występuje jednak niekorzystny wpływ mechanizmu przewodzenia, zaworów mostka na kształt prądu wirników, co w konsekwencji powoduje wzrost strat mocy i zmniejszenie momentu silników. Ograniczenie wpływu procesów komutacyjnych prostownika PW na pracę silników uzyskuje się w układzie przedstawionym na rysunku 7 [4]. W układzie tym rezystancja modulowana jest przeniesiona do obwodu prądu przemiennego mostka prostowniczego i zwierana jest cyklicznie za pomocą łącznika tyrystorowego z komutacją kondensatorową. W czasie przewodzenia tyrystora TG rezystory R są zwarte przez zawory mostka i tyrystor TG. W okresie przewodzenia tyrystora komutacyjnego TK mostek PW jest rozwarty i w obwodzie wirników występuje symetryczna rezystancja R.

 

Rys. 6: Wał elektryczny z tyrystorowym modulatorem rezystancji w obwodzie wirników

Rys. 7. Wał elektryczny ztyrystorową regulacją rezystancji w obwodzie prądu przemiennego.

W obu stanach pracy jest zapewnione symetryczne połączenie obwodu wirników z obwodem zewnętrznym.

Sterowanie wału elektrycznego przez wprowadzenie regulowanego napięcia do obwodu wirników

Zasadę regulacji prędkości kątowej wału elektrycznego, przez zmianę dodatkowego napięcia w obwodzie wirników, można zrealizować w układzie z kaskadą inwertorową (rys. 8). Energia poślizgu silników jest oddawana w tym układzie do sieci zasilającej przez wysterowany do pracy falowniczej prostownik sieciowy PS (inwertor). Zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu tyrystorów inwertora powoduje zmianę napięcia Obwodu wirników, a tym samym regulację prędkości kątowej silników.
Sterowanie prędkości kątowej wału elektrycznego, przez zmianę napięcia dodatkowego w obwodzie wirników, uzyskuje się również w układzie z maszynami dodawczymi prądu stałego [5] (rys. 9). Moc poślizgu silników indukcyjnych nie zostaje oddawana w omawianym układzie do sieci, lecz w postaci mocy mechanicznej jest przekazywana przez silniki obco-wzbudne (maszyny dodawcze) na wspólny wał.

 

Rys.8 Wał elektryczny z kaskadą inwertorową

Regulację prędkości kątowej układu przeprowadza się przez zmianę prądu wzbudzenia silników prądu stałego, np. przy użyciu prostownika sterowanego PT małej mocy. Odmianą tego układu może być równoległa konfiguracja połączeń silników dodawczych.

Podsumowanie

Zaproponowane układy sterowania prędkości kątowej wału elektrycznego, mogącego mieć zastosowanie w kolejowych mechanizmach o napędzie elektrycznym (podnośniki wielosilnikowe, dźwignice itp.), pozwalają na:
- poprawę właściwości statycznych mechanizmów roboczych (np. eliminacja "skoszeń" suwnic bramowych, równomierne podnoszenie ciężaru itp.),
- płynną zmianę prędkości kątowej układu w szerokim zakresie, z zapewnieniem synchronicznego ruchu obrotowego,
- możliwość automatyzacji układu przez sto- -t sowanie sprzężeń zwrotnych (np. układy z ograniczeniem prądu jako ochrona przed przeciążeniami, stabilizacja prędkości kątowej itp.).

 

Rys. 9. Wał elektryczny z maszynami dodawczymi prądu stałego

Bibliografia:

[1] Andrdejew W. P., Sabinin A. J.: Podstawy napadu elektrycznego. Warszawa WNT 1966
[2] Chmielecki J., Szlachta A.: Układ łącznika tyrystorowego o komutacji wewnętrznej do regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego trójfazowego. Patent PRL nr 200544
[ty Szlachta A.: Metoda analizy układu pracy współbieżnej silników asynchronicznych z regulowaną rezystancją w obwodzie wirników. Rozprawy Elektrotechniczne 1979 r
[4] Szlachta A.: Praca współbieżna silników asynchronicznych z przekształtnikami tyrystorowymi w obwodzie urirników. Rozprawa doktorska Instytut Elektrotechniki PW Warszawa 1979
[5] Szlachta A.: Układ pracy współbieżnej silników asynchronicznych pierścieniowych z regulowaną prędkością obrotową. Patemt PRL nr 200545
[6] Uingiruh F., Jordan H.: Gleichlaufschaltungen von Asynchronmotoren. Brounschweig 1964