Pehmeäkäynnistin. Mitä haittoja arvelet staattorijännitteen leikkaamisesta olevan momentin pienenemisen lisäksi (Vihje: mieti, onko virta sinimäistä)?

Transkriptio

1 Pehmeäkäynnistin 1 TEL-1400 Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt TTY/TEL Pehmeäkäynnistin P. Puttonen J. Alahuhtala 1 Johdanto Pehmeäkäynnistintä käytetään teollisuudessa monipuolisesti kohteissa, joihin moottorin suora verkkoon käynnistäminen ei sovellu. Tällaisia kohteita ovat erilaiset pumppu- ja puhallinkäytöt, sekä teollisuuden kuljetinkäytöt. Esim. pumppukäytöissä pystytään kovia paineesta aiheutuvia iskuja pienentämään käyttämällä pehmeäkäynnistintä. Erityisen hyvin pehmeäkäynnistin soveltuu erilaisiin kuljetin- ja hissikäyttöihin, joissa tasainen liikkeellelähtö ilman nykäisyä on tärkeä. Lisäksi suurilla tehoilla saadaan käynnistimen avulla aikaan pienempi käynnistysvirta, jolla on merkitystä mm. suojauslaitteiden mitoituksen kannalta. Pehmeäkäynnistin kuitenkin eroaa taajuudenmuuttajasta mm. siten, että se ei pysty tuottamaan täyttä momenttia pyörimisnopeudesta riippumatta. Tässä työssä on tarkoituksena tutustua pehmeäkäynnistimen erilaisiin ominaisuuksiin. Työ tehdään sähkökonehallissa Siemensin Sikostart 3RW22 pehmeäkäynnistimellä. 2 Esiselostus 2.1 Pehmeäkäynnistimen toimintaperiaate Erityisen hyödyllinen pehmeäkäynnistin on silloin, kun halutaan rajoittaa moottorin käynnistyksessä ottamaa virtaa ja halutaan aikaansaada hallitut kiihdytys- ja pysäytysominaisuudet. Tämä on yleensä toteutettu vastarinnankytketyillä tyristoripareilla staattorijännitettä leikkaamalla. Tyristoripareja voi olla joko yhdessä, kahdessa tai kaikissa kolmessa vaiheessa käynnistimestä riippuen. Yleisimmin on käytössä laitteita, joissa tyristoriparit ovat jokaisessa vaiheessa. Staattorijännitteen leikkaamisen seurauksena moottorin käynnistysvirta pienenee. Kuorman momentin kannalta on kuitenkin tärkeää huomioida se, että momentti on verrannollinen jännitteen neliöön, jolloin jännitettä leikattaessa momentti pienenee nopeasti. Tämä saattaakin olla joissain tilanteissa laitteen käyttöä rajoittava tekijä. Mitä haittoja arvelet staattorijännitteen leikkaamisesta olevan momentin pienenemisen lisäksi (Vihje: mieti, onko virta sinimäistä)? Nykyisin pehmeäkäynnistimien ohjaus ja säätö on lähes poikkeuksetta toteutettu mikrokontrollereilla. Laitteen toiminta on esitetty lohkokaaviona kuvassa 1. Mikrokontrollerin laskentayksikköön tuodaan mittaustiedot moottorivirrasta ja -jännitteestä muunnettuna digitaaliseksi. Kontrolleri vertaa

2 Pehmeäkäynnistin 2 mitattuja arvoja ohjearvoihin, ja ohjaa vertailun perusteella pehmeäkäynnistimen tyristoriparien sytytyskulmia eli säätää syöttöjännitettä, jolloin myös virta säätyy. Kontrollerin tyristoreille antamat sytytyssignaalit täytyy vahvistaa, koska kontrolleri ei suoraan pysty antamaan riittävän suuria virtapulsseja. Erillinen sytytyspiiri hoitaa vahvistettujen virtapulssijonojen oikea-aikaisen tuottamisen tyristoreille. Kun moottori on kiihtynyt täyteen nopeuteen, voidaan tyristorit ohittaa erityisellä ohituskontaktorilla, joka on kytketty laitteen rinnalle. Tällä menetelmällä pystytään vähentämään tyristoreissa tapahtuvia tehohäviöitä. Jos moottoria kuitenkin halutaan käyttää esim. alennetulla jännitteellä, ei ohituskontaktori luonnollisestikaan toimi. Jännitemittausta tarvitaan mm. sytytyspulssien ajoittamiseen ja erilaisiin suojaustoimintoihin. Sytytyspulssien vahvistus Sytytyspulssit Mikrokontrolleriyksikkö Ohjearvot potentiometreiltä tai PC:ltä Jännitteen mittaus A/D-muunnin Virran mittaus 3~ M Kuva 1. Pehmeäkäynnistimen toimintaperiaate lohkokaaviona. 2.2 Pehmeäkäynnistimen ominaisuuksia ja suojauksia Mainitse kolme mielestäsi tärkeintä pehmeäkäynnistimen ominaisuutta. (manuaali, luku 4) Mitä eri suojauksia pehmeäkäynnistimestä löytyy? (manuaali, luku 4) 2.3 Pehmeäkäynnistimen käyttökohteita Teollisuuden käyttökohteissa momentti on verrannollinen pyörimisnopeuden neliöön (M ~ n 2 ), kääntäen verrannollinen pyörimisnopeuteen (M ~ 1/n), vakio (M = vakio) tai momentti muuttuu lineaarisesti pyörimisnopeuteen nähden (M ~ n). Mainitse kustakin tapauksesta käyttöesimerkki ja

3 Pehmeäkäynnistin 3 tyypilliset ongelmat ilman pehmeäkäynnistintä sekä kerro miten ko. ongelma voidaan poistaa pehmeäkäynnistintä käyttämällä (vihje: manuaali, luku 2). M ~ n 2 : M ~ 1/n: M = vakio: M ~ n:

4 Pehmeäkäynnistin Käynnistystapoja Piirrä periaatteelliset jännitteen ja virran käyrämuodot käytettäessä ruudukoissa mainittuja käynnistystapoja (vihje: manuaali, luku 4).

5 Pehmeäkäynnistin Energiansäästötoiminto osakuormituksella Mihin toiminto perustuu? Miten pehmeäkäynnistin toimii / tarkkailee moottorin kuormaa kyseisessä moodissa? 2.6 Pysäytystapoja Selvitä pehmeäkäynnistimen eri pysäytystavat. Miten moottori pysäytetään eri pysäytystavoilla? Onko pysäytystavoissa jotain erityistä huomioitavaa käytön mitoituksen kannalta? Soft stop: Pump stop: DC-braking: 2.6 Laitteistoon tutustuminen Tutustu etukäteen työssä käytettävään laitteistoon.

6 Pehmeäkäynnistin 6 3 Mittaukset laboratoriossa Mittauksissa käydään läpi erilaisia moottorin käynnistys tapoja sekä ilman pehmeäkäynnistintä, että käynnistimen avulla. Pehmeäkäynnistimen syöttöjohdot kytketään työpaikkakaapin alaosassa oleviin verkko tunnuksella oleviin naparuuveihin ja pehmeäkäynnistimeltä lähtevät johtimet moottori tunnuksella oleviin naparuuveihin. 3.1 Suora verkkoon käynnistys Suoritetaan moottorin suora verkkoon käynnistys käyttämällä moottorinohjauspöydässä olevaa kytkintä S3 ja mitataan skoopilla moottorin jännitteen ja virran tehollisarvon käyrämuodot, sekä koneen kehittämä momentti ja koneen pyörimisnopeus. Jännitteen tehollisarvo u kytketään kanavaan 1, virran tehollisarvo i kanavaan 2, momentti t m kanavaan 3 ja pyörimisnopeus n kanavaan 4. Kanavaa 1 suodatetaan 30 hz:n alipäästösuodattimella (ohjauspulpetin piirturisuodin). Asetetaan kuorman suuruudeksi Ja 10 Nm (= 1 kierros), eli puolet moottorin nimellisestä ja hitausmomentin säätöpotentiometri J asetetaan minimiin. 3.2 Tähti-kolmio käynnistys Suoritetaan moottorin tähti-kolmiokäynnistys käyttämällä moottorinohjauspöydässä olevaa kytkintä S4 ja mitataan oskilloskoopilla jännitteen ja virran tehollisarvot, sekä koneen kehittämä momentti ja koneen pyörimisnopeus. Kuorma-arvot ovat samat kuin edellä. Mitä etuja/haittoja tähti-kolmiokäynnistyksellä on verrattuna suoraan käynnistykseen? 3.3 Käynnistys jänniterampilla Suoritetaan moottorin käynnistäminen käyttäen jänniteramppia (jännitteen tehollisarvo kasvaa ramppimaisesti kohti täyttä arvoaan). Asetetaan käynnistimen start voltage potentiometri noin kello 11:een ja current limit asetetaan maksimiin. Mitataan samat suureet kuin aiemmin. Käynnistys tapahtuu pehmeäkäynnistimen demolaitteiston etulevyssä olevalla kytkimellä start/stop. 3.4 Käynnistys jänniterampilla, jossa virtaraja Tässä käynnistyksessä moottorin ottaman virran kasvua rajoitetaan käynnistyksen loppuosassa. Pidetään kuorma-arvot edelleen samoina. Potentiometri start voltage edelleen noin klo 11:ssä ja current limit asetellaan noin klo 10:een. Mitattavat suureet samat kuin aiemmin.

7 Pehmeäkäynnistin Käynnistys virtarajalla Tässä käynnistysmuodossa käynnistin rajoittaa moottorin virran tiettyyn maksimiin käynnistyksen alusta asti. Kuorma-arvot ovat edelleen samat kuin edellä. Käännetään start voltage noin klo 1:een ja current limit on edelleen noin klo 10:ssä. Mitataan skoopilla edellä mainitut suureet. Mitä etuja/haittoja ramppi- tai rajakäynnistyksellä on verrattuna suoraan käynnistykseen? 3.6 Vaihejännitteen ja vaihevirran mittaaminen Mitataan skoopin kanavilla 1 ja 2 vaihejännite u 1 ja vaihevirta i 1 ilman suodatusta. Kuorma-arvot ovat samat kuin aikaisemmissa mittauksissa. Tutkitaan mitattavien suureiden käyrämuotoja sekä käynnistyksen alkuhetkellä että lopussa. Samoin tutkitaan käyrämuotoja pysäytyksen aikana. Start voltage asetetaan noin klo 11-12:een ja current limit noin klo 11:een. Mitä voit sanoa virran käyrämuodosta käynnistyksen alussa ja lopussa? Miksi virran käyrämuoto on sellaista kuin se on? 3.7 Energiansäästömoodin käyttö osittaisella kuormituksella Jännitteen tehollisarvo u kytketään kanavaan 1, ja momentti t m kanavan 2. Kanvaille 3 ja 4 viedään vaihejännite u 1 ja vaihevirta i 1 ilman suodatusta. Muutetaan edellisen kohdan kuorma-arvoja siten, että asetetaan kuorman suuruudeksi Ja 2,5 Nm (= 1/4 kierros), eli kahdeksasosa moottorin nimellisestä kuormasta. Laitetaan oskilloskoopin toiseen ruudukkoon jännite ja momentti, sekä toiseen ruutuun jännitteen ja virran käyrämuodot. Aseta DIP4 asentoon ON ja vaihtokytkin energiansäästö asetoon ON. Suorita käynnistys ja tarkastele moottorin jännitteen käyrämuotoa. Mitä voit sanoa staattorijännitteen käyrämuodosta?

8 Pehmeäkäynnistin 8 Kasvata kuorman suuruutta puoleen nimellisestä kiertämällä Ja 10 Nm (= koko kierros). Miten jännitteen käyrämuoto muuttuu? 3.8 Tasavirtajarrutus Asetetaan DIP1 asentoon OFF ja DIP2 asentoon OFF, jolloin suora pysäytys on kytkettynä toimintaan. Asetetaan vielä Stop Time potentiometri klo 12:een. Aseta hitausmomentti J moottorinohjauspenkistä asentoon I käännä potentiometri klo 9:ään ja aseta kuorman momentti Jm nollaan. Poista edellisessä kohdassa asetettu energiansäästömoodi pois käytöstä. Käynnistä moottori nimellisellä kuormalla. Käynnistymisen jälkeen suorita pysäytys. Mitä voit sanoa pysäytyksen kestosta? Aseta nyt tasavirtajarrutus päälle asettamalla kytkin DIP2 asentoon ON. Suorita käynnistys ja pysäytys. Pysäytyksen aikana tutki vaihevirran käyrämuotoa kanavassa 1. Miten asetus vaikutti moottorin pysähtymiaikaan? Mitä voit sanoa virran käyrämuodosta? Entä virran suuruudesta?