Laboratorium Elektrokonstrukcji Pojazdów Trakcji Elektrycznej 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Temat: 

 

 Badanie przekształtnika zasilającego silnik szeregowy  

w pojazdach trakcyjnych. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zakład Trakcji Elektrycznej 

IME PW 2013 

 
 
 
 
 
 

 

1 

 
 
 
 

 

1.

 

Wprowadzenie    

 

Jednym  z  zasadniczych  powodów  stosowania  tyrystorowych  przekształtników  DC/DC  w 

układach napędowych pojazdów były moŜliwości stosowania bezoporowej regulacji napięcia 

zasilającego  silniki,  co,  poza  znacznym  uproszczeniem  struktury  obwodów  głównych 

pojazdów  trakcyjnych  pozwalało  na  zmniejszenie  strat  rozruchowych.  Stosowanie  tego  typu 

układów  umoŜliwia  ponadto  na  istotne  polepszenie  własności  regulacyjnych  układu 

napędowego.  Klasyczne  rozwiązanie  układu  zasilania  maszyny  prądu  stałego  z 

wykorzystaniem  przerywacza  prądu  stałego  wykorzystywanego  do  regulacji  napięcia 

zasilającego  silnik  prądu  stałego,  moŜna  przedstawić  w  postaci  jak  na  rys.  1.  Elementem 

regulującym  napięcie  zasilające  silnik  jest  przerywacz  prądu  stałego  PPS.    Przy  zasilaniu  z 

sieci  trakcyjnej  na  wejściu  układu  znajduje  się  dolnoprzepustowy  filtr  LC.    Podstawowe 

rozwiązanie  układu  przerywacza  z  komutacją  pojemnościową,  jest  pokazane  na  rys  2.  

Parametry  filtru  dobierane  są  zwykle  na  podstawie  dopuszczalnych  tętnień  napięcia  na 

wejściu  układu  przekształtnika  i  dopuszczalnych  tętnień  prądu  w  linii  zasilającej.  Parametry 

przekształtnika  dobierane  są  na  podstawie  zakładanych  maksymalnych  wartości  prądu 

obciąŜenia  i  napięcia  zasilającego.  Pojemność  komutacyjna  jest  wyznaczana  na  podstawie 

znanych,  lub  zakładanych  wartości  czasów  wyłączania  tyrystorów  i  minimalnej  wartości 

napięcia zasilającego. 

 

 
 

L

F

 

C

F

 

D

0

 

R

s

 

L

s

 

E

s

 

PPS

 

I

F

 

I

s

 

I

s

 

I

0

 

I

s

 

 

 

Rys. 1.Schemat zastępczy obwodu głównego pojazdu trakcyjnego z silnikiem szeregowym. 

 

 

2 

Zmiany  prądu  wejściowego 

i

t

we

( )   i  wyj

ś

ciowego  i

t

wy

( )   a  tak

Ŝ

e  napi

ę

cia  wyj

ś

ciowego 

u

t

wy

( )   i  wej

ś

ciowego  u

t

we

( )   s

ą

  zale

Ŝ

ne  s

ą

  od  wypełnienia  impulsów  doprowadzanych  do 

odbiornika, 

wielko

ś

ci 

pojemno

ś

ci 

komutacyjnej, 

indukcyjno

ś

ci 

układu, 

siły 

elektromotorycznej indukowanej w silniku oraz parametrów filtru wej

ś

ciowego o parametrach 

zale

Ŝ

nych  od  zakładanych  lub  dopuszczalnych  t

ę

tnie

ń

  napi

ę

cia  i  pr

ą

du  wej

ś

ciowego  układu. 

W  czasie,  gdy  ł

ą

cznik  PPS  jest    zamkni

ę

ty  (przewodzi  pr

ą

d),  na  silniku  szeregowym  ( 

obci

ąŜ

eniu)  wyst

ę

puje  napi

ę

cie  w  przybli

Ŝ

eniu  równe  napi

ę

ciu  zasilania  U

z

  (  oprócz  chwili 

wyst

ę

powania  procesu  komutacji).  Po  wył

ą

czeniu  ł

ą

cznika  PPS  (  ł

ą

cznik  otwarty-nie 

przewodzi  pr

ą

du)  napi

ę

cie  odbiornika  jest  równe  zeru  (  dla  obci

ąŜ

enia  indukcyjnego,  kiedy 

jest dioda zwrotna D

o 

i zamyka si

ę

 przez ni

ą

 pr

ą

d obci

ąŜ

enia napi

ę

cie odbiornika jest równe 

napi

ę

ciu  przewodzenia  diody).    Silnik  szeregowy  jest  odbiornikiem  o    charakterze 

rezystancyjno-indukcyjnym,  to  dla  unikni

ę

cia  przepi

ę

cia  przy  przerywaniu  pr

ą

du  nale

Ŝ

y 

zastosowa

ć

  diod

ę

  rozładowcz

ą

  D

o

.  Dioda  ta  w  przedziale  czasu,  gdy  ł

ą

cznik  znajduje  si

ę

  w 

stanie blokowania, przewodzi pr

ą

d silnika płyn

ą

cy pod wpływem energii elektromagnetycznej 

zgromadzonej w silniku. Napi

ę

cie 

ś

rednie odbiornika, zasilanego przez cykliczne zał

ą

czany i 

wył

ą

czany  ł

ą

cznik  -  przerywacz  pr

ą

du  stałego  (czoper)  -  jest  proporcjonalne  do  napi

ę

cia 

ź

ródła zasilaj

ą

cego i do wzgl

ę

dnego czasu przewodzenia pr

ą

du przez ł

ą

cznik.  

 

U

o

=U

z

*(t

p

/T)                                                         (1) 

 

gdzie: U

o

- warto

ść

 

ś

rednia napi

ę

cia na odbiorniku, T- okres przebiegu impulsowego napi

ę

cia 

odbiornika,  t

p 

-czas  przewodzenia  pr

ą

du  przez  ł

ą

cznik  w  jednym  cyklu  pracy  ł

ą

cznika. 

Zmieniaj

ą

c  warto

ść

  stosunku  t

p

/T  (  tzw.  wypełnienie  impulsu)  zmienia  si

ę

  jednocze

ś

nie 

warto

ść

 

ś

redni

ą

 napi

ę

cia na silniku.  

 

 

2.

 

Przerywacz tyrystorowy z szeregowym układem komutacyjnym 

 

 

W  układzie  przerywacza  tyrystorowego  z  szeregowym  układem  komutacyjnym

, 

obwód  komutacyjny  poł

ą

czony  jest  szeregowo  z  obci

ąŜ

eniem.  Uproszczony  schemat  układu 

przedstawiony  jest  na  rys  2.  Prac

ę

  układu  wyja

ś

niaj

ą

  przedstawione  na  rysunku  3  wykresy 

przebiegów  napi

ęć

  i  pr

ą

dów  w  jednym  cyklu.  Praca  układu  rozpoczyna  si

ę

  od  wł

ą

czenia 

 

3 

tyrystora  pomocniczego  Ty2  (tylko  przy  pierwszym  cyklu  pracy  układu  gdy  napięcie  na 

kondensatorze  ma  wartość  zero).  Następuje  wówczas  naładowanie  kondensatora  C

k

  poprzez 

obwód  silnika  do  wartości  napięcia  źródła  U

z

  i  biegunowości  zaznaczonej  na  rys.  2  (bez 

nawiasów).  Praca  układu  w  kolejnym  cyklu  odbywa  się  następująco:  W  chwili    t

1

 włączony 

zostaje  tyrystor  główny  Ty1.  Przejmuje  on  prąd  i

s

  silnika  zamykający  się  uprzednio  w 

obwodzie zwartym diodą 

D

0

.

 

Jednocześnie z włączeniem tyrystora Ty1 następuje oscylacyjne 

przeładowanie  kondensatora  C

k

  poprzez  indukcyjność  L

p

  i  diodę  D1.  Przeładowanie 

kondensatora  C

k

  do  biegunowości  zaznaczonej  na  rys.  2  (w  nawiasach)  odbywa  się  w 

przedziale  czasu  t

1

–t

2

,  który  stanowi  połowę  okresu  drgań  oscylacyjnych  obwodu 

przeładowania.  W  chwili  t

3

  włączony  zostaje  tyrystor  Ty2,  który  dzięki  odpowiedniemu 

ładunkowi  kondensatora  C

k

  powoduje  przyłoŜenie  do  zacisków  tyrystora  Ty1  napięcia  o 

odwrotnej biegunowości niŜ napięcie źródła. Prąd z tyrystora Ty1 zostaje natychmiast przejęty 

przez gałąź zawierającą kondensator C

k

 i tyrystor Ty2. W rezultacie w chwili t

3

 zanika prąd w 

tyrystorze Ty1. W dalszej części cyklu w przedziale czasu t

3

–t

5

 zachodzi proces ponownego 

ładowania  kondensatora  C

k

  do  wartości  napięcia  źródła.  W  przedziale  czasu  t

5

–t

6

    prąd  w 

silniku utrzymuje się dzięki uprzednio zmagazynowanej w jego polu magnetycznym energii i 

zamyka się w obwodzie diody D

o

. W następnych cyklach pracy procesy te powtarzają się. 

 

Ty

1

 

T

y2

 

D

1

 

D

0

 

L

s

 

R

s

 

C

k

 

U

Z

 

U

CK

 

i

2

 

i

k

 

i

0

 

i

s 

E

s

 = c i

s

 

Ω

 

[+]

 

[-]

 

L

p

 

U

S

 

U

ty1

 

U

D1

 

(+)

 

(-)

 

 

Rys. 2. Schemat ideowy przekształtnika z szeregowym układem komutacyjnym; S — silnik, 

Do — dioda      bocznikująca silnik, Ty1—tyrystor główny, Ty2—tyrystor komutacyjny, D1—

dioda  pomocnicza,  Lp  —    indukcyjność  przeładowcza,

 C

k

  —  kondensator  komutacyjny,  Uz 

— napięcie zasilające 

 
 

 

4 

 
 
 
2.1 Analiza zaleŜności w idealnym przekształtniku. 
 

Analizie  poddano  schemat  wg  rys.  2  i  przebiegi  wg.  rys.3.  W  celu  uproszczenia  obliczeń  i 

wyeliminowania  z  nich  czynników  nie  mających  istotnego  wpływu

  na  zaleŜności 

obowiązujące w przekształtniku, moŜna wprowadzić następujące załoŜenia: 

 

–

 

tyrystory  i  diody  są  łącznikami  idealnymi,  tzn.  o  rezystancji  równej  zeru  dla  stanu 

przewodzenia i rezystancji nieskończenie duŜej dla stanu zaworowego,  

–

 

rezystancja cewki przeładowczej R

p

 = 0, 

–

 

pulsacja prądu w silniku jest znikomo mała i pomijalna. 

W przedziale czasu t

1

 – t

2

 mamy: 

u

Ty1

 = 0, u

s

 = U

z

 , i

Do

 = 0, i

z

 = I

s

 , i

Ty2

 = 0, u

D1

 = 0. 

Dla pozostałych wielkości w obwodzie obowiązują następujące równania: 

 

 

 

.

0

dt

du

C

i

,

0

dt

di

L

u

i

I

i

Ck

k

1

D

1

D

p

Ck

1

Ty

s

1

D

=

+

=

+

=

+

 

                                               (2a,b,c) 

Rozwiązując równania (2)  względem U

Ck

 otrzymujemy 

    

0

U

dt

u

d

Ck

2
0

2

Ck

2

=

ω

+

                                                           (3) 

gdzie 

                                                   

k

p

0

C

L

1

=

ω

.         

Równanie charakterystyczne dla zale

Ŝ

no

ś

ci (3) ma pierwiastki 

                                       

0

2

,

1

ω

j

p

±

=

. 

 

                                          (4) 

Wida

ć

 wi

ę

c, 

Ŝ

e przebieg w przedziale czasu t

1

 – t

2

 ma charakter oscylacyjny. 

Z warunków pocz

ą

tkowych  

0

)

(

2

1

=

=

t

t

Ty

i

 

z

t

t

Ck

U

u

=

=

)

(

1

 

 

5 

wynikają rozwiązania równań (2) dla 

2

1

t

t

t

≤

≤

: 

  

(

)

1

0

p

k

z

1

D

t

t

sin

L

C

U

i

−

ω

=

,   

 

                         (5) 

(

)

1

0

p

k

z

s

1

Ty

t

t

sin

L

C

U

I

i

−

ω

+

=

 

                                 (6) 

(

)

1

0

z

Ck

t

t

sin

U

u

−

ω

=

. 

 

                                 (7) 

 

Proces przeładowania kondensatora ze względu na obecność w obwodzie oscylacyjnym diody 

D1 zostaje zakończony po 1/2 okresu oscylacji i wówczas dla chwili t = t

2 

, prądy i

Ck

 oraz i

D1 

osiągają wartość równą zeru, a zatem  

k

p

1

2

1

C

L

t

t

t

π

=

−

=

∆

 

 

                                  (8) 

 Z równa

ń

 (5) i (??/?) wynika, 

Ŝ

e w chwili  t = t

2

 b

ę

dzie 

s

1

Ty

I

i

=

, 

z

Ck

U

u

−

=

, 

Warto

ś

ci  i

Ty1

  oraz  u

Ck

  pozostaj

ą

  stałe  do  czasu  t  =  t

3

,  tj.  do  chwili  wł

ą

czenia  tyrystora  Ty2. 

Czas t

3

- t

1

 jest to podstawowy cykl pracy układu. 

Ponadto w przedziale czasu t

2

 – t

3

 obowi

ą

zuj

ą

 nast

ę

puj

ą

ce warto

ś

ci: 

u

Ty1

 =0,   u

s

 = U

z

 ,  i

z

 = I

s

   i

D0 

= 0, 

i

Ty2

 = 0,  u

Ty2

 

= U

z

,   u

D1

 = U

z

 ,   u

D0

 = U

z 

. 

Długo

ść

  przedziału  czasowego 

∆

t

2

  =  t

3

  –  t

2

  jest  zale

Ŝ

na  od  cz

ę

stotliwo

ś

ci  pracy  układu. 

Wobec tego czas, w którym tyrystor Ty1 pozostaje w stanie przewodzenia, wynosi 

 

2

k

p

2

1

z

t

C

L

t

t

t

∆

+

π

=

∆

+

∆

=

                                (9) 

 

W  nast

ę

pnym  przedziale  czasu 

∆

t

3

  =  t

5

  –  t

3

  odbywa  si

ę

  proces  komutacji  po  wł

ą

czeniu 

tyrystora Ty2. W przedziale tym stałe s

ą

 nast

ę

puj

ą

cej wielko

ś

ci: 

i

Ty1

 = 0,   i

D0

 = 0,   i

D1

 = 0,   i

Ty2

 = I

s

 , 

i

z

 = I

s

 ,  u

D1

 = 0. 

Dla pozostałych wielko

ś

ci obowi

ą

zuje nast

ę

puj

ą

cy układ równa

ń

: 

u

Ck

 + u

s

 = U

z

, 

U

ty1

 = U

Ck

 , 

 

6 

s

Ck

k

I

dt

du

C

=

   

 

                                (10)

 

Wartość napięcia kondensatora komutującego C

k

 w chwili t

3

, wynosi 

u

Ck

= -U

z

 

a w przedziale czasu t

3

 – t

5

 mamy  

)

t

t

(

C

I

U

2

u

3

k

s

z

s

−

−

=

 

                                   (11) 

z

3

k

s

ck

U

)

t

t

(

C

I

u

−

−

=

  

                                   (12) 

W chwili t

5

 u

Ck

 = U

z

 .  

Przedział czasu 

∆

t

3

, moŜna określić z zaleŜności (12): 

s

k

z

3

5

3

I

C

U

2

t

t

t

⋅

=

−

=

∆∆∆∆

  

 

                         (13) 

 

 

Czas  t

j

  ,  w  którym  tyrystor  Ty1  powinien  odzyskać  zdolność  blokowania,  wynosi  połowę 

czasu 

∆

t

3

 i musi być większy od czasu wyłączania tyrystora t

q

 a więc  

q

s

k

z

j

t

I

C

U

t

f

=

 

 

                                    (14) 

W kolejnym przedziale czasowym 

∆

t

4

 = t

6

 – t

5

 rozpatrywane wielko

ś

ci wynosz

ą

 : 

i

ty1

= 0,  u

Ty1

 = U

z

,   u

Ck

 = U

z

,    i

Ty2

 = 0,   u

Ty2

 = 0,    u

s

 = 0,    i

D0

 = I

s, 

u

D0 

 = 0,  

i

z

 = 0 

W chwili t

6

 nast

ę

puje zako

ń

czenie cyklu pracy. 

Suma czterech charakterystycznych przedziałów czasu stanowi okres T: 

T =

∆

t

1

 + 

∆

t

2

 + 

∆

t

3

 + 

∆

t

4

  

                                      (15) 

Na  podstawie  wykresów  z  rys.  4  mo

Ŝ

na  okre

ś

li

ć

  warto

ś

ci 

ś

rednie  napi

ę

cia  silnika  i  pr

ą

du 

zasilania w czasie jednego cyklu: 

(

)

( )

3

z

3

z

z

s

t

T

U

t

t

T

U

U

∆

≈

∆

+

=

                                                    (16) 

     

(

)

( )

3

s

3

z

s

z

t

T

I

t

t

T

I

I

∆

≈

∆

+

=

                                                      (17) 

Oprócz powy

Ŝ

szych zale

Ŝ

no

ś

ci nale

Ŝ

y mie

ć

 na uwadze, 

Ŝ

e w idealnym przekształtniku, który 

rozpatrujemy, a w którym nic wyst

ę

puj

ą

 

Ŝ

adne straty energii, obowi

ą

zuje zale

Ŝ

no

ść

: 

 

7 

U

z

I

z

  = U

s

I

s                                                                                                       

(18) 

 

 

 

Rys. 3. Uproszczone wykresy przebiegów napięć i prądów dla poszczególnych elementów 

układu wg. Rys 2. (i

BTy1

 , i

BTy2

 – impulsy bramkowe tyrystorów T

y1

,T

y2

, -t

1

..t

6

 – chwile 

czasowe wg. objaśnień w tekście. 

 

 

8 

 
 
3. Przebieg ćwiczenia  
 
 

TPF

 

 

Rys. 4 Schemat stanowiska laboratoryjnego

 

 

Schemat  stanowiska  laboratoryjnego  przedstawiony  jest  na  rys.  4.  W  skład  stanowiska 

wchodzą: 1)-układ TPF, transformator trójfazowy, prostownik mostkowy, filtr. 2)- przerywacz 

tyrystorowy PT. 3)- odbiornik układ rezystorów R

o

 (R1 i R2) oraz indukcyjność L

o

. 4)- układy 

pomiarowo rejestrujące.  

Pomiary miernikami analogowymi: U1-wartość średnia napięcia zasilania czopera. I1-wartość 

ś

rednia  prądu  zasilania  czopera.  U2-wartość  średnia  napięcia  na  odbiorniku.  I2-wartość 

ś

rednia  prądu  odbiornika.  W  szereg  z  amperomierzem  I2  włączony  jest  dodatkowo 

amperomierz cyfrowy.  

Rejestracja  napięć  dokonywana  przez  oscyloskop  cyfrowy  moŜe  być  tylko  realizowana  z 

wykorzystaniem  układów  hallotronowych  (separacja  galwaniczna  oscyloskopu  od  masy 

obiektu).  Odczyty  wskazań  z  oscyloskopu  z  uwagi,  Ŝe  pomiar  odbywa  się  za  pomocą 

separatorów  galwanicznych  naleŜy  pomnoŜyć  przez  współczynnik  skali  dla  pomiaru 

napięcia i prądu. 

 

Punkt 1. 

 

Dla  rezystancji    obciąŜenia    R1  i  R2  dokonaj  pomiarów  w  funkcji  wypełnienia 

wielkości określonych w tabeli 1 i dokonaj obliczeń wg podanych wzorów, wyniki wpisz do 

tabeli 2.  

 

9 

U1-wartość średnia napięcia zasilania czopera. I1-wartość średnia prądu zasilania czopera. 

U2-wartość średnia napięcia na odbiorniku. I2-wartość średnia prądu odbiornika. 

Tabela 1 

Lp 

t

1

 

[ms] 

t

2

 

[ms] 

t

3

 

[ms] 

t

4

 

[ms] 

t

5

 

[ms] 

t

6

 

[ms] 

U1 

[V] 

I1 

[A] 

U2 

[V] 

I2 

[A] 

f=1/(t

6

-t

1

) 

[Hz] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obliczenia 

γ

1=U2/U1  ; 

γ

1

teo

=( t

3

- t

1

)/T (gdzie T=t

6

-t

1

);  U

ś

r1

=U1*

γ

1

teo

   Moc wejściowa P

we

 = U1*I1; 

P

wyj.

=U2*I2

 

Tabela 2 

 

LP 

γ

1 

γ

1

teo

 

U

ś

r1 

[V] 

U2

 

z tabeli 1

 

P

we

 

[W] 

P

wyj

 

[W] 

1 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

 

 

Punkt 2 

Dla  wypełnienia 

γ≈

0.3  i 

γ≈

0.6    dla  dwóch  rezystancji  obciąŜenia  R1  i  R2  narysuj  przebieg 

napięcia wyjściowego, określ jego parametry (min. wartość maksymalną , czas przebiegu, itp), 

w  szczególności    zbocze  narastające.  Narysuj  dokładnie  to  zbocze  (  zwiększ  częstotliwość 

generatora  podstawy  czasu),  czy  jego  przebieg  zaleŜy  od  wartości  obciąŜenia.

  Przedstaw 

wnioski z przeprowadzonych pomiarów i obserwacji. 

................................................................................................................................................. 

Punkt 3 

Dla wypełnienia 

γ≈

0.3 i 

γ≈

0.6   i obciąŜenia R1 L

o

 narysuj przebieg napięcia wyjściowego , 

określ  jego  parametry  (wartość  maksymalną  ,  czas  przebiegu).  Porównaj  przebiegi  dla 

obciąŜenia (R1 L

o

 )i R1 , wyjaśnij róŜnice w kształcie przebiegu. 

 

 

10 

Punkt 4 

Dla  obciąŜenia  R1  i  R2  oraz   

γ≈

0.3  i 

γ≈

0.6  narysuj  przebieg  napięcia  na  kondensatorze  w 

czasie przeładowania rezonansowego, określ parametry ( amplitudę częstotliwość) , uzasadnij 

wyniki pomiarów.  

  4. Pytania  

1.  Wyjaśnij zasadę pracy tyrystorowego przerywacza prądu stałego. 

2.  W  przypadku  gdy  tyrystor  główny  Ty1  zastąpimy  tranzystorem  to  czy ulegnie 

zmianie   przebieg napięcia wyjściowego (jego kształt) , a jeŜeli tak to dlaczego? 

3. Dlaczego w pojeździe trakcyjnym do zasilania silnika szeregowego stosujemy przerywacze 

(czopery)? 

4.  Jaki  parametry  i  dlaczego  wpływają  na  ograniczenie  częstotliwości  pracy 

przerywacza oraz amplitudę prądu ? 

5.

 

Literatura 

Kacprzak  J.  ,  Koczara  W.  Podstawy  napędu  elektrycznych  pojazdów  trakcyjnych  WKŁ 

Warszawa 1960 

Kaźmierkowski M., Tunia H. Automatyka napędu przekształtnikowego. PWN Warszawa 

1987 

Podoski J., KacprzakJ,. Mysłek J. Zasady trakcji elektrycznej.  

 

 

,