SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO ZASILANY
Z PRZEKSZTAŁTNIKA TRANZYSTOROWEGO
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem i właściwościami układu
napędowego złoŜonego 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 moŜe 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 naleŜą:
• szeroki zakres, płynność i duŜa dokładność regulacji,
• bardzo małe stałe czasowe układu regulacji,
• moŜliwość uzyskania szybkiego nawrotu za pomocą pojedynczego
przekształtnika,
• praca w czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość,
• małe wymiary i niewielki cięŜar urządzeń,
• mniejszy niŜ w przypadku prostownika tyrystorowego dodatkowy dławik
wygładzający prąd,
• duŜa sprawność układu.
Napęd elektryczny
Do wad przekształtnika tranzystorowego naleŜy zaliczyć:
• małą przeciąŜalność 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 obciąŜenia ma jeden określony kierunek.
Rewersja prędkości jest moŜliwa w napędach z aktywnym momentem obciąŜenia (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 róŜne czasy
załączeń poszczególnych tranzystorów.
Strukturę obwodów mocy przekształtnika tranzystorowego badanego w ćwiczeniu
pokazano na rys. 10.2. Trójfazowy prostownik diodowy słuŜy do zasilania obwodu
pośredniczącego, tranzystory T1 – T4 słuŜą do zasilania silnika, natomiast
tranzystor TH wraz z rezystorem hamującym R H słuŜą 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
moŜna
wyróŜnić
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, Ŝe do zacisków silnika
podłączane jest na przemian dodatnie i ujemne napięcie. Wartość średnią napięcia,
przy załoŜeniu idealnych tranzystorów, określa zaleŜność:
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 ,Ŝe na zaciskach silnika obcowzbudnego
powstaje bipolarne napięcie, które powoduje stosunkowo duŜe tętnienia w prądzie
silnika. Przy takim sterowaniu prąd silnika zachowuje ciągłość w kaŜdych warunkach.
W przypadku sterowania niesymetrycznego (rys. 10.3.b) przełączają się jedynie
dwa tranzystory (tu T1, T2), a stany dwóch pozostałych zaleŜą od znaku napięcia
wyjściowego z przekształtnika. Napięcie zasilające silnik ma kształt unipolarny, co
prowadzi do mniejszych tętnień w prądzie silnika. Niesymetryczne sterowanie
zaworami powoduje, Ŝe tranzystory nagrzewają się nierównomiernie. Równomierne
nagrzewanie się zaworów w metodzie niesymetrycznej moŜna zapewnić poprzez
cykliczne przełączanie sygnałów sterujących modulowanych i niemodulowanych
pomiędzy pary tranzystorów T1, T2 oraz T3, T4. Dalsze rozwaŜania 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 zaleŜnością:
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 zaleŜy od wypełnienia D. Przy zwiększającym się
momencie obciąŜenia (prądzie silnika) prędkość silnika zmniejsza się (rys. 10.4).
Wynikająca ze struktury przekształtnika ciągłość prądu silnika powoduje, Ŝe
charakterystyki mechaniczne mają kształt zbliŜony 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 Ŝadnych sprzęŜeń 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 zaleŜy 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
obciąŜenia silnika oraz powoduje, Ŝe charakterystyki mechaniczne silnika są idealnie
sztywne. Odpowiednie ograniczenia sygnałów wyjściowych z regulatorów zapewniają
ochronę układu napędowego przed nadmiernym przeciąŜeniem.
Rys. 10.5 Struktura kaskadowa układu regulacji silnika obcowzbudnego zasilanego z
przekształtnika tranzystorowego
Właściwości dynamiczne układu zaleŜą przede wszystkim od częstotliwości
przełączeń tranzystorów. Częstotliwość ta determinuje maksymalną dynamikę
zamkniętego układu regulacji, która dodatkowo zaleŜy od nastaw regulatorów. Przy
doborze nastaw regulatorów przyjmuje się, Ŝe 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 przybliŜenia opóźnienia za
pomocą inercji I rzędu (zaleŜność 10.3). W przypadku realizacji mikroprocesorowej
układu sterowania naleŜy 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 niŜ
w przypadku zastosowania prostownika tyrystorowego.
2.4. Oddziaływanie napędu na sieć zasilającą
Występujący na wejściu przekształtnika tranzystorowego prostownik diodowy
z kondensatorem powoduje, Ŝe 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 wyŜszych harmonicznych oraz niewielkim przesunięciu fazowym
w stosunku do napięcia sieci. W celu minimalizacji wpływu przekształtnika na sieć
zasilającą moŜliwe 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
sprzęŜonego z silnikiem indukcyjnym klatkowym. Silnik prądu stałego zasilany jest
z czterokwadrantowego przekształtnika tranzystorowego o strukturze jak na rys. 10.2.
Przekształtnik umoŜliwia regulację wypełnienia, prądu i prędkości. Przy regulacji
wypełnienia napęd pracuje w układzie otwartym. Przy regulacji prądu wykorzystuje
się sprzęŜenie 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 obciąŜenia) zasilany jest
z przemiennika częstotliwości, który moŜe być sterowany ze sterownika
dedykowanego (wybór sterowania wewnętrznego) lub ze sterownika nadrzędnego
(wybór sterowania zewnętrznego). W niniejszym ćwiczeniu naleŜy 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 obciąŜenia. 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 naleŜy 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 naleŜy uwzględnić, Ŝe moment elektromagnetyczny
silnika obcowzbudnego ma przeciwny znak niŜ obciąŜenia (silnika klatkowego).
Na
podstawie
pomiarów
w sprawozdaniu
naleŜy
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 obciąŜenia 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 obciąŜenia. 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 inŜyniera energoelektronika, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998.