Ćwiczenie 10

SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO ZASILANY

Z PRZEKSZTAŁTNIKA TRANZYSTOROWEGO

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem i właściwościami układu

napędowego złożonego z silnika obcowzbudnego prądu stałego i przekształtnika

tranzystorowego. Zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie charakterystyk statycznych

układu napędowego, przebiegów czasowych wielkości elektrycznych występujących

w układzie oraz wpływu nastaw parametrów regulatorów na właściwości napędu.

2. WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Wśród metod regulacji prędkości obrotowej w układzie napędowym z silnikiem

obcowzbudnym prądu stałego najkorzystniej jest regulować napięcie zasilające wirnik

silnika. Energoelektronicznym źródłem napięcia stałego może być prostownik

tyrystorowy lub przekształtnik tranzystorowy. Prostownik tyrystorowy stosuje się

w układach większej mocy, natomiast przekształtnik tranzystorowy zapewnia lepsze

właściwości dynamiczne układu napędowego.

Do zalet przekształtnika tranzystorowego należą:

• szeroki zakres, płynność i duża dokładność regulacji,

• bardzo małe stałe czasowe układu regulacji,

• możliwość uzyskania szybkiego nawrotu za pomocą pojedynczego

przekształtnika,

• praca w czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość,

• małe wymiary i niewielki ciężar urządzeń,

• mniejszy niż w przypadku prostownika tyrystorowego dodatkowy dławik

wygładzający prąd,

• duża sprawność układu.

Napęd elektryczny

Do wad przekształtnika tranzystorowego należy zaliczyć:

• małą przeciążalność prądową i napięciową przekształtnika,

• potrzebę stosowania prostownika diodowego na wejściu przy zasilaniu

układu napędowego z sieci,

• potrzeba stosowania układów rozpraszania energii przy zasilaniu z sieci,

• niekorzystny kształt prądu wejściowego przekształtnika przy zasilaniu

z sieci zasilającej,

• tętnienia prądu i napięcia zasilającego silnik, co powoduje powstawanie

dodatkowych strat w silniku.

2.1. Budowa i działanie przekształtnika tranzystorowego

Struktury przekształtnika tranzystorowego, stosowane w układach napędowych

z silnikiem prądu stałego przedstawiono na rys. 10.1. Rozwiązanie, pozwalające

na pracę w I i IV ćwiartce układu współrzędnych moment - prędkość (co odpowiada

zasilaniu z prostownika tyrystorowego), przedstawiono na rys. 10.1.a. Znajduje ono

zastosowanie w układach, w których moment obciążenia ma jeden określony kierunek.

Rewersja prędkości jest możliwa w napędach z aktywnym momentem obciążenia (np.

w dźwignicach). Rozwiązanie pokazane na rys. 10.1.b stosowane jest w układach

napędowych pracujących w I i II ćwiartce układu współrzędnych. Znajduje ono

zastosowanie w napędach trakcyjnych, gdzie wymagana jest rewersja momentu,

natomiast pojazd porusza się w jednym kierunku. Pracę we wszystkich czterech

ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość zapewnia przekształtnik

pokazany na rys. 10.1.c.

a) b) c)

T1

UDC

M

T2

Rys. 10.1 Przekształtniki tranzystorowe w układach napędowych z silnikiem obcowzbudnym:

a) przekształtnik z rewersją prędkości, b) przekształtnik z rewersją momentu,

c) przekształtnik czterokwadrantowy

Silnik obcowzbudny prądu stałego zasilany z przekształtnika tranzystorowego

3

Przekształtnik ten zbudowany jest z czterech tranzystorów i zapewnia oba

kierunki przepływu prądu między źródłem zasilania i silnikiem obcowzbudnym

oraz

pozwala

na

zmianę

polaryzacji

napięcia

zasilającego

silnik.

Budowa przekształtnika jest identyczna jak jednofazowego falownika napięcia,

a regulację wartości średniej napięcia silnika uzyskuje się poprzez różne czasy

załączeń poszczególnych tranzystorów.

Strukturę obwodów mocy przekształtnika tranzystorowego badanego w ćwiczeniu

pokazano na rys. 10.2. Trójfazowy prostownik diodowy służy do zasilania obwodu

pośredniczącego, tranzystory T1 – T4 służą do zasilania silnika, natomiast

tranzystor TH wraz z rezystorem hamującym R H służą do rozpraszania energii

w przypadku hamowania odzyskowego silnika obcowzbudnego.

Rys. 10.2 Obwody główne badanego w ćwiczeniu przekształtnika tranzystorowego

czterokwadrantowego

O poziomie tętnień w prądzie silnika i średniej częstotliwości przełączeń

tranzystorów decyduje metoda sterowania tranzystorami w przekształtniku.

Wśród metod

sterowania

można

wyróżnić

sterowanie

symetryczne

oraz niesymetryczne. Metody sterowania wraz z przebiegami napięć i prądów silnika

przedstawiono na rys. 10.3. W metodzie symetrycznej tranzystory T1 i T4 przełączane

są na przemian z tranzystorami T2 i T3, co powoduje, że do zacisków silnika

podłączane jest na przemian dodatnie i ujemne napięcie. Wartość średnią napięcia,

przy założeniu idealnych tranzystorów, określa zależność:

T

− T

U = U

T1,T4

T2,T3 = U D

d

DC

DC

,

(10.1)

T

+ T

T1,T4

T2,T3

gdzie:

T T1,T4, T T2,T3 –odpowiednio czasy załączenia poszczególnych tranzystorów,

D – wypełnienie.

Napęd elektryczny

Przełączanie par tranzystorów powoduje ,że na zaciskach silnika obcowzbudnego

powstaje bipolarne napięcie, które powoduje stosunkowo duże tętnienia w prądzie

silnika. Przy takim sterowaniu prąd silnika zachowuje ciągłość w każdych warunkach.

W przypadku sterowania niesymetrycznego (rys. 10.3.b) przełączają się jedynie

dwa tranzystory (tu T1, T2), a stany dwóch pozostałych zależą od znaku napięcia

wyjściowego z przekształtnika. Napięcie zasilające silnik ma kształt unipolarny, co

prowadzi do mniejszych tętnień w prądzie silnika. Niesymetryczne sterowanie

zaworami powoduje, że tranzystory nagrzewają się nierównomiernie. Równomierne

nagrzewanie się zaworów w metodzie niesymetrycznej można zapewnić poprzez

cykliczne przełączanie sygnałów sterujących modulowanych i niemodulowanych

pomiędzy pary tranzystorów T1, T2 oraz T3, T4. Dalsze rozważania będą prowadzone

dla sterowania symetrycznego.

a) b)

Rys. 10.3 Sygnały sterujące tranzystorami oraz prąd i napięcie wyjściowe przy sterowaniu:

a) symetrycznym, b) niesymetrycznym

2.2. Charakterystyka mechaniczna napędu z przekształtnikiem tranzystorowym

Charakterystyka

mechaniczna

silnika

obcowzbudnego

zasilanego

z przekształtnika tranzystorowego opisana jest zależnością:

M

U

D − ( R + R )

− 2∆

U

D − ( R + R ) I − 2 U

DC

T

d

∆

DC

T

d

d

Z

ϕ

U Z

k

ω =

=

ϕ

, (10.2)

k

ϕ

k

gdzie:

Silnik obcowzbudny prądu stałego zasilany z przekształtnika tranzystorowego

5

R T – rezystancja wirnika silnika,

R d – zastępcza rezystancja reprezentująca dodatkowe straty,

∆ U Z – spadek napięcia na pojedynczym zaworze energoelektronicznym.

Prędkość biegu jałowego zależy od wypełnienia D. Przy zwiększającym się

momencie obciążenia (prądzie silnika) prędkość silnika zmniejsza się (rys. 10.4).

Wynikająca ze struktury przekształtnika ciągłość prądu silnika powoduje, że

charakterystyki mechaniczne mają kształt zbliżony do charakterystyki naturalnej

sinika. Ich większe nachylenie wynika ze spadków napięć na zaworach

energoelektronicznych oraz z dodatkowych strat związanych z przełączaniem

zaworów i tętnieniami w prądach silnika. Ze względu na stosunkowo wysoką

częstotliwość przełączeń tranzystorów w układzie napędowym najczęściej nie

zachodzi potrzeba stosowania dodatkowych dławików wygładzających prąd.

Rys. 10.4 Charakterystyka mechaniczna silnika obcowzbudnego zasilanego z przekształtnika

tranzystorowego

2.3. Układ regulacji napędu z przekształtnikiem tranzystorowym

Przedstawione na rys. 10.4 charakterystyki mechaniczne dotyczyły przypadku,

gdy układ sterowania przekształtnikiem tranzystorowym, zasilającym silnik

obcowzbudny, nie wykorzystywał żadnych sprzężeń ani regulatorów (układ otwarty).

W takim przypadku zadawane jest wypełnienie, które w sposób bezpośredni

realizowane jest w układzie sterowania. Zamknięty układ regulacji napędu posiada

typową strukturę kaskadową (szeregową), pokazaną na rys. 10.5. Napięcie zasilające

Napęd elektryczny

silnik obcowzbudny zależy od wypełnienia realizowanego za pomocą wyjść PWM

układu sterowania przekształtnikiem tranzystorowym. Napięcie to zadawane jest

w proporcjonalno-całkującym regulatorze prądu silnika Reg. I. Zadana wartość prądu

wypracowywana jest natomiast w zewnętrznym regulatorze prędkości Reg. n

w oparciu o sygnał zadany prędkości n Z i prędkość mierzoną w tachoprądnicy TG.

Dodatkowy układ stosowany na wejściu zadanej wartości prędkości regulatora Reg. n

ogranicza szybkość zmian sygnału zadawanego w celu ochrony przeregulowaniem

przy nastawie regulatora prędkości zgodnie z kryterium optimum symetrycznego oraz

pozwala ograniczyć moment dynamiczny związany ze zmianą prędkości obrotowej.

Zastosowanie regulatorów proporcjonalno-całkujących (PI) w układzie sterowania

pozwala na uzyskanie stałej wartości prędkości obrotowej przy zmianach momentu

obciążenia silnika oraz powoduje, że charakterystyki mechaniczne silnika są idealnie

sztywne. Odpowiednie ograniczenia sygnałów wyjściowych z regulatorów zapewniają

ochronę układu napędowego przed nadmiernym przeciążeniem.

Rys. 10.5 Struktura kaskadowa układu regulacji silnika obcowzbudnego zasilanego z

przekształtnika tranzystorowego

Właściwości dynamiczne układu zależą przede wszystkim od częstotliwości

przełączeń tranzystorów. Częstotliwość ta determinuje maksymalną dynamikę

zamkniętego układu regulacji, która dodatkowo zależy od nastaw regulatorów. Przy

doborze nastaw regulatorów przyjmuje się, że przekształtnik tranzystorowy z układem

generacji impulsów sterujących jest wzmacniaczem z opóźnieniem równym połowie

okresu przełączeń tranzystorów T I:

k

K

( s)

sTPE

PE

=

−

k

e

≈

,

(10.3)

PE

PE

sTPE +1

gdzie:

k PE – wzmocnienie układu sterowania i przekształtnika tranzystorowego,

Silnik obcowzbudny prądu stałego zasilany z przekształtnika tranzystorowego

7

T PE – średni (najbardziej prawdopodobny) czas opóźnienia przekształtnika

( T PE = ½ T I lub T PE = ½ T I + T P).

W celu uproszczenia syntezy często korzysta się z przybliżenia opóźnienia za

pomocą inercji I rzędu (zależność 10.3). W przypadku realizacji mikroprocesorowej

układu sterowania należy dodatkowo uwzględnić opóźnienie związane z

wykonywaniem obliczeń w mikroprocesorze T P (od chwili dokonania pomiarów za

pomocą przetworników analogowo-cyfrowych do chwili rozpoczęcia realizacji

zadanej wartości wypełnienia przez wyjścia PWM). Powoduje to zmniejszenie

dynamiki całego układu regulacji, niemniej jednak jest ona zdecydowanie lepsza niż

w przypadku zastosowania prostownika tyrystorowego.

2.4. Oddziaływanie napędu na sieć zasilającą

Występujący na wejściu przekształtnika tranzystorowego prostownik diodowy

z kondensatorem powoduje, że oddziaływanie układu napędowego na sieć zasilającą

jest identyczne jak w przypadku przemienników częstotliwości. Prąd sieciowy jest

silnie odkształcony (impulsy ładujące kondensator obwodu pośredniczącego napięcia)

o wysokim udziale wyższych harmonicznych oraz niewielkim przesunięciu fazowym

w stosunku do napięcia sieci. W celu minimalizacji wpływu przekształtnika na sieć

zasilającą możliwe jest zastosowanie dodatkowych dławików wejściowych

ograniczających dynamikę zmian prądu wejściowego lub prostowników PWM

zapewniających quasi-sinusoidalny kształt prądu sieciowego.

3. STANOWISKO LABORATORYJNE

Stanowisko pomiarowe składa się z silnika obcowzbudnego prądu stałego

sprzężonego z silnikiem indukcyjnym klatkowym. Silnik prądu stałego zasilany jest

z czterokwadrantowego przekształtnika tranzystorowego o strukturze jak na rys. 10.2.

Przekształtnik umożliwia regulację wypełnienia, prądu i prędkości. Przy regulacji

wypełnienia napęd pracuje w układzie otwartym. Przy regulacji prądu wykorzystuje

się sprzężenie od prądu silnika, natomiast przy regulacji prędkości obrotowej sygnał

zwrotny z tachoprądnicy. Przy pracy hamulcowej napędu energia z obwodu

pośredniczącego rozpraszana jest w dodatkowym układzie tranzystora z rezystorem,

podobnie jak w przemiennikach częstotliwości z falownikami napięcia.

Silnik asynchroniczny klatkowy (pełniący rolę obciążenia) zasilany jest

z przemiennika częstotliwości, który może być sterowany ze sterownika

dedykowanego (wybór sterowania wewnętrznego) lub ze sterownika nadrzędnego

Napęd elektryczny

(wybór sterowania zewnętrznego). W niniejszym ćwiczeniu należy wybrać sterowanie

zewnętrzne, przy którym sterownik dedykowany pełni rolę układu zabezpieczeń,

a sterownik nadrzędny zapewnia regulację momentu silnika klatkowego. Moment

zadawany jest z potencjometru, a jego wartość wyświetlana jest na wyświetlaczu.

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA

4.1. Wyznaczanie charakterystyk statycznych napędu

W

ramach

ćwiczenia

wyznaczane

są

charakterystyki

mechaniczne

oraz charakterystyki wybranych wielkości elektrycznych. Charakterystyki wyznacza

się w funkcji zmieniającego się momentu obciążenia. Charakterystyki wyznacza się

dla napędu pracującego w układzie otwartym (dla kilku zadanych wypełnień)

oraz w układzie zamkniętym (dla kilku zadanych prędkości obrotowej).

Przy wyznaczaniu charakterystyk należy odczytywać: prędkość obrotową n, moment

elektromagnetyczny M, prąd silnika obcowzbudnego I d, napięcie silnika

obcowzbudnego U d oraz moc czynną P pobieraną z sieci zasilającej.

Przy wyznaczaniu charakterystyk należy uwzględnić, że moment elektromagnetyczny

silnika obcowzbudnego ma przeciwny znak niż obciążenia (silnika klatkowego).

Na

podstawie

pomiarów

w sprawozdaniu

należy

wyznaczyć

następujące

charakterystyki (charakterystyki mocy P i sprawności η2 wyznaczyć tylko dla pracy

silnikowej napędu):

• dla zadanych wypełnień (układ otwarty) oraz prędkości (układ zamknięty):

M

n = f( M), I d = f( M), U d = f( M), P = f( M),

= ω

η

= f ( ) - praca silnikowa

1

M

UI

UI

M

lub η =

= f ( ) - hamowanie odzyskowe,

= ω

η

=

1

M

f (

)

2

M

Mω

P

• dla wybranych momentów elektromagnetycznych (układ zamknięty):

I

η =

d = f( n), U d = f( n), P = f( n),

f ( n) - praca silnikowa i hamowanie.

1

4.2. Rejestracja przebiegów czasowych wybranych wielkości w układzie

napędowym

Wielkościami rejestrowanymi oscyloskopową są przebiegi czasowe napięcia,

prądu silnika oraz prędkości obrotowej. Rejestracja dotyczy pracy w stanie ustalonym,

przy zadanej prędkości obrotowej, zadanym momencie obciążenia oraz stanów

przejściowych, takich jak, rozruch silnika obcowzbudnego, nawrót napędu i reakcja

Silnik obcowzbudny prądu stałego zasilany z przekształtnika tranzystorowego

9

na skokową zmianę momentu obciążenia. Dodatkowo ćwiczący badają wpływ nastaw

regulatorów na przebiegi czasowe w układzie napędowym.

5. LITERATURA

1. Tunia H., Kaźmierkowski M. P.: Automatyka napędu przekształtnikowego,

PWN, Warszawa 1987.

2. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika, Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998.