Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
Napędy falownikowe w pojazdach elektrycznych
1. Wstęp
W napędach pojazdów elektrycznych poszukiwano rozwiązań pozwalających w łatwy
sposób sterować prędkością obrotową silników przy utrzymaniu wymaganych parametrów
trakcyjnych. W systemach prądu stałego jako silniki napędowe powszechnie wykorzystuje się
silniki szeregowe ze względu na bardzo dobre własności trakcyjne, korzystną charakterystykę
silnika szczególnie przydatną w napędach wielosilnikowych.
Rozwój sterowalnych półprzewodnikowych przyrządów mocy (p.p.m.) pozwolił na
zastosowanie silników prądu przemiennego w pojazdach zasilanych napięciem stałym – z
sieci napowietrznej lub z własnego źródła energii (tzw. pojazdy autonomiczne). Podstawą
napędów trakcyjnych stały się silniki asynchroniczne klatkowe wraz z falownikami napięcia.
W ostatnim czasie wzrasta zainteresowanie zastosowaniem silników synchronicznych z
magnesami trwałymi w napędach trakcyjnych, szczególnie w autonomicznych pojazdach
elektrycznych.
Dla pojazdów małych i średnich mocy stosowane są w przekształtnikach tranzystory
IGBT, dla dużych mocy (lokomotywy, zespoły trakcyjne) – tyrystory GTO. Sterowanie
układami napędowymi realizowane jest w nowoczesnych pojazdach wyłącznie w technice
mikroprocesorowej, co umożliwia realizację przez sterownik dodatkowych funkcji (min.
kontrola i diagnostyka).
W pojazdach elektrycznych wykorzystuje się najczęściej trójfazowe falowniki mostkowe.
Schemat ogólny przedstawiono na poniższym rysunku:
T1
T3
T5
T2
T6
T4
generator PWM
C
M
3f
Rys.1 Widok ogólny falownika napięcia
Zastosowanie falowników opartych na sterowalnych p.p.m pozwoliło na budowę pojazdów
wielosystemowych, zasilanych zarówno z sieci prądu przemiennego, jak i stałego. Schemat
takiego pojazdu przedstawiono na rysunku 2.
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
SAK
SAK
SAK
3 kV
DC
, 15 kV 16 2/3 Hz, 25 kV 50 Hz
transformator
prostownik
falowniki
napięcia
silniki
trakcyjne
obwód
pośredniczący
odbierak pradu
Rys.2. Schemat ogólny pojazdu wielosystemowego
2. Charakterystyka układów napędowych
2.a. Silniki asynchroniczne
Zasada
działania falownika napięciowego z modulacją PWM opiera się na
odpowiedniej sekwencji zamykania i otwierania poszczególnych kluczy elektronicznych
(T1-T6), takiej, aby na wyjściu z falownika uzyskać trójfazowe napięcie przemienne o
kształcie zbliżonym do sinusoidy. Algorytm sterowania napędem z silnikiem
asynchronicznym opiera się na zasadzie stałego stosunku napięcia i częstotliwości
wyjściowej.
const
f
U =
Interpretacja graficzna tego sposobu sterowania została przedstawiona na rysunku 3.
Rysunek 3a) przedstawia charakterystykę podstawową, dla której stosunek U/f=const jest
utrzymywany tylko w pewnym zakresie częstotliwości. Powyżej częstotliwości granicznej f
gr
,
napięcie jest utrzymywane na stałym poziomie, zwiększana zostaje tylko częstotliwość,
rysunek 3b) pokazuje charakterystykę liniową, która charakteryzuje się stałością stosunku U/f
w całym przedziale częstotliwości, natomiast na rysunku 3c) została przedstawiona
charakterystyka wentylatorowa (kwadratowa).
a) b)
c)
U [V]
f [Hz]
f
max
U
max
f
gr
U [V]
f [Hz]
f
max
U
max
U [V]
f [Hz]
f
max
U
max
f
gr
Rys.3. Charakterystyki wyjściowe U(f) - a) podstawowa - b) liniowa - c) kwadratowa
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
2.b Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
Dynamiczny rozwój technologii wytwarzania magnesów trwałych spowodował wzrost
zainteresowania tego typu silnikami w napędach przekształtnikowych, również w napędach
trakcyjnych. Początkowo głównym kierunkiem zainteresowania było zastosowanie silników
bezszczotkowych prądu stałego (DC brushless) i prądu przemiennego (Permanent Magnet
Synchronous Motors) w autonomicznych pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Pojawiają
się również próby zastosowania silników synchronicznych z magnesami trwałymi w
napędach tramwajowych i pojazdach większych mocy.
Bardzo często parametry trakcyjne porównywane są z parametrami silników DC. Do zalet
silników synchronicznych zaliczyć można:
• dużą przeciążalność momentem - powyżej 2
• wysoką sprawność
• szeroki zakres prędkości obrotowej (typowo od 0 do około 6000 obr/min)
• korzystny wskaźnik mocy jednostkowej - powyżej 1 kW/kg (niewielkie gabaryty)
•
duża niezawodność (brak komutatora).
W odróżnieniu od silników asynchronicznych, do poprawnego sterownia kluczami
elektronicznymi przez mikroprocesorowy układ sterowania wymagana jest znajomość
aktualnego położenia i prędkości kątowej wirnika. Wymagane są więc czujniki do pomiaru
położenia i prędkości. W napędach trakcyjnych rolę tą pełni rezolwer. Sterowanie silnikami
synchronicznymi opiera się na algorytmach w trybie regulacji momentu lub prędkości,
opartymi na sterowaniu wektorowym FOC (ang. Field Oriented Control). Schemat ogólny
napędu z silnikiem synchronicznym i charakterystyka silnika został przedstawiony na rys4.
PMSM
DSP
generator PWM
U
DC
i
A
i
B
ω
θ
RDC
B
R
3f
M
ω
stały moment
stała moc
ω
a
b
ω
Rys.4. Schemat ogólny napędu z silnikiem synchronicznym oraz charakterystyka wyjściowa
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest:
a)
poznanie struktury przekształtnika – obwód mocy, obwód sterowania,
sterownika mikroprocesorowy, na przykładzie układu laboratoryjnego o mocy
15 kW,
b) zapoznanie
się ze sposobami zadawania parametrów napędowych,
c)
pomiary i rejestracja prądów i napięć w charakterystycznych punktach napędu
falownikowego o mocy 5,5 kW ,
d)
wyznaczenie charakterystyki wyjściowej falownika o mocy 15 kW.
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
4. Opis badanych układów
4.1. Przekształtnik laboratoryjny o mocy 15 kW
Przemiennik częstotliwości składa się z trzech części:
a) obwodu mocy, w którym poprzez prostownik niesterowany następuje prostowanie
napięcia przemiennego sieci zasilającej, jego filtracja na kondensatorze o dużej
pojemności i przekształcanie w falowniku napięcia z modulacją PWM na napięcie
trójfazowe o zadanej wartości i częstotliwości,
b) sterownika bramkowego, który jest układem pośredniczącym służącym do nadania
sygnałom sterującym parametrów wymaganych przez tranzystory IGBT oraz
pełniącym funkcję izolacji galwanicznej pomiędzy obwodem mocy a
mikroprocesorowym układem sterownia, spełniający również funkcję
zabezpieczającą,
c) układ sterowania i kontroli – oparty na mikrokontrolerze 87C196KC układ
realizujący w czasie rzeczywistym algorytmy sterowania, posiadający
wyspecjalizowane układy wejść/wyjść – cyfrowych i analogowych. Układ ten
realizuje metodę sterowania wektorem napięcia.
4.2. Wielomaszynowy zespół napędowy
Układ badany oparty jest na trzech silnikach połączonych wspólnym wałem: silniku
indukcyjnym, silniku bocznikowym prądu stałego i silniku synchronicznym z magnesami
trwałymi. Schemat układu został przedstawiony na rysunku 5, gdzie: SAK – silnik klatkowy,
SOPS – silnik obcowzbudny prądu stałego, PMSM – silnik synchroniczny z magnesami
trwałymi, LEM – przetworniki pomiarowe, E – kierunek przepływu energii, L1.........PE – sieć
zasilająca o parametrach przemysłowych, Bat – akumulatory.
SAK
SBPS
PMSM
U, f = var
U, f = const
LEM
LEM
LEM
L1 L2 L3 N PE
LEM
L1 L2 L3 N PE
E
E
E
LEM
LEM
LEM
U, f = var
BAT
Rys. 5. Schemat zespołu wielomaszynowego
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
Każdy z silników posiada własny układ zasilający oparty na przemysłowych
przekształtnikach firmy ..............., za wyjątkiem silnika PMSM, dla którego układ
zasilający jest w trakcie budowy.
4.2.1 Parametry układów przekształtnikowych
a)
Silnik indukcyjny klatkowy:
Typ silnika – .....................
Moc znamionowa – 5,5 kW
Napięcie znamionowe – 380 V
Prąd znamionowy – 20 A
Układ połączenia – trójkąt
Obroty znamionowe – 2950 obr/min
Chłodzenie – własne
Czujnik położenia – encoder
Przekształtnik ............ 690 N
Moc znamionowa – 5,5 kW
Mikroprocesor - ................................
Brak opcji hamowania dynamicznego
Zadawanie parametrów trakcyjnych:
- panel
operatora
- sterownik
programowalny
- komputer PC (przez złącze RS 485)
b)
Silnik obcowzbudny pradu stałego:
Typ silnika – .....................
Moc znamionowa – 5,5 kW
Napięcie znamionowe – 400 V
Prąd znamionowy – 35 A
Obroty znamionowe – 2950 obr/min
Chłodzenie – wymuszone
Czujnik położenia – encoder
Przekształtnik ............ 590 N
Moc znamionowa –
Mikroprocesor - ................................
Hamowanie ze zwrotem energii do sieci
zasilającej (4QS)
Zadawanie parametrów trakcyjnych:
- panel
operatora
- sterownik
programowalny
- komputer PC (przez złącze RS 485)
c)
Silnik synchroniczny z magnesami
trwałymi:
Typ silnika – ............................
Moment znamionowy – 12 Nm
Napięcie znamionowe – 3*220 V
Prąd znamionowy – 20 A
Układ połączenia – gwiazda
Obroty znamionowe – 4000 obr/min
Chłodzenie – własne
Czujnik położenia – rezolwer
Przekształtnik – w trakcie budowy
Moment znamionowy – do 20 Nm
Mikroprocesor – ADMC401
Zasilanie z baterii akumulatorów
- hamowanie ze zwrotem energii
Zadawanie parametrów trakcyjnych:
- panel
operatora
- komputer PC (przez złącze RS 485)
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
5. Przebieg
ćwiczenia
Ćwiczenie laboratoryjne składa się z dwóch części:
1) Ustawienie trybów i parametrów pracy przemiennika o mocy 15 kW oraz
pomiar charakterystyk wyjściowych U(f),
2) Pomiar prądów i napięć w wybranych punktach napędu przekształtnikowego
o mocy 5,5 kW.
Część pierwsza
Parametry i tryb pracy przemiennika ustawiane są za pośrednictwem potencjometrów
P1... P7, przełączników SW1, SW2 oraz zworek JP1, JP2 – patrz rys. 6. Umożliwiają one
elastyczny dobór parametrów napędu. Potencjometr zadający umieszczony jest na zewnątrz
przemiennika.
P 1
P 2
P 3
P 4
P 5
P 6
P 7
SW 1
SW 2
INTEL
87C196KC
JP1 JP2
JP3
LED
zielona
LED
czerwona
WYŚWIETLACZ
Rys. 6. Widok ogólny płytki kontrolere 87C196KC
W celu wyznaczenia charakterystyk U(f) (podstawowa, liniowa i kwadratowa) należy
ustawić odpowiednio przełączniki SW1 i SW2 wg tablicy 1 i 2. Następnie należy co
określony przedział częstotliwości należy odczytywać wartość napięcia wyjściowego.
Wyniki umieścić w tabeli.
Przełącznik SW1
Tablica 1
OZNACZENIE FUNKCJA
SW1-1/2
Wybór charakterystyki U=f(f)
SW1-1 SW1-2
ON ON normalna (podstawowa)
ON OFF kwadratowa
OFF ON liniowa
OFF OFF nastawialna wg potencjometru P7
SW1-3/4
Wybór zakresu częstotliwości:
SW1-4 SW1-3
ON ON 1-100 Hz
ON OFF 1-120 Hz
OFF ON 1-200 Hz
OFF OFF 1-200 Hz
Katedra Trakcji Elektrycznej
Laboratorium Pojazdów Elektrycznych
SW1-5
Wybór zakresu dynamiki zwiększania częstotliwości od zera do częstotliwości
maksymalnej:
ON – dynamika normalna (duża), OFF – dynamika zmniejszona
SW1-6
Wybór zakresu dynamiki zwiększania częstotliwości od częstotliwości
maksymalnej do zera:
ON – dynamika normalna (duża), OFF – dynamika zmniejszona
SW1-7
Tryb hamowania (reakcja na sygnał „STOP”):
ON – przez wybieg, OFF – zmniejszanie częstotliwości do zera (zgodnie z
zadaną dynamiką), dohamowanie przez wstrzykiwanie prądu w czasie 0,1 s.
SW1-8
Opcja z rezystorem hamowania:
ON – brak rezystora hamowania,
OFF – dołączony zewnętrzny rezystor hamowania
Przełącznik SW2
Tablica 2
OZNACZENIE FUNKCJA
SW2-1
Sposób zasilania silnika na postoju:
ON silnik niezasilany (niehamowany)
OFF silnik zasilany (hamowany) prądem stałym (tzw. wstrzykiwanie prądu)
SW2-2
Sposób zadawania częstotliwości:
ON normalna charakterystyka zadawania
OFF odwrócona charakterystyka zadawania
SW2-3
Wykorzystanie łącza szeregowego:
ON łącze szeregowe nieaktywne
OFF łącze szeregowe aktywne
SW2-4
Przyjęty dla łącza szeregowego protokół transmisji:
ON protokół uproszczony (zadawanie łączem tylko częstotliwości zadanej
oraz sygnałów START/STOP)
OFF wszystkie parametry zadawane łączem
SW2-5
Zakres sygnału zadającego częstotliwość pracy
ON 0-10 V lub 0-10mA
OFF 2-10 V lub 4-20 mA
SW2-6
Wartość wyświetlana na zespole wyświetlaczy 7-segmentowych:
ON częstotliwość wyjściowa,
OFF wartość skalowana (np. prędkość obrotowa, wydajność, itp.)
SW2-7
Tryb wyświetlania parametru wyjściowego:
ON wyświetlanie normalne,
OFF wyświetlana wartość 10-krotnie zwiększona (przesunięta kropka
dziesiętna)
SW2-8
Liczba zainstalowanych układów (cyfr) w zespole wyświetlaczy:
ON 4 kostki wyświetlacza
OFF 2 kostki wyświetlacza
Część druga
Punkty pomiarowe układu wielomaszynowego zostaną wyprowadzone na stanowisko
pomiarowe (stół laboratoryjny). Pomiarów wybranych przebiegów dokonać za pomocą
rejestratora HIOKI 8831 i oscyloskopu cyfrowego HP54520A. Należy przynieść ze sobą
dyskietkę.