PRACA SILNIKA PIERŚCIENIOWEGO Z TYRYSTOROWYM REGULATOREM REZYSTANCJI W OBWODZIE WIRNIKA SZEREGOWYM

Najprostsza i najczęściej stosowana metoda regulacji prędkoś­ci obrotowej silnika indukcyjnego pierścieniowego polega na zmia­nie rezystancji włączonej w obwód wirnika silnika. Zmiana tej rezystancji powoduje zmianę prędkości silnika w zakresie od zera do prędkości znamionowej przy równoczesnym zmniejszeniu prądu rozruchowego i w pewnych granicach zmian rezystancji, zwiększe­niu momentu rozruchowego, a także wzrost współczynnika mocy. W nowoczesnych rozwiązaniach układów napędowych do płynnej regula­cji rezystancji wykorzystuje się elementy elektroniczne, najczęściej tyrystory.

Zasadę regulacji prędkości silnika indukcyjnego pierścienio­wego przy użyciu tyrystorowego regulatora rezystancji wyjaśnia rys. 1. Rezystor R_d służący do zmiany poślizgu silnika M ,znajduje się w obwodzie prądu stałego prostownika mostkowego zbudo­wanego przy użyciu diod od Dl do D6. Prostownik zasilany jest napięciem wirnika silnika M. Rezystancja R_d jest cyklicznie za­łączana i wyłączana z obwodu prostownika (układ szeregowy rys. l). W stosowanych w praktyce układach okres impulsowania jest za­zwyczaj stały i powinien być mały w stosunku do elektromechanicz­nej stałej czasowej silnika.

Zmiana wartości rezystancji R_d dokonywana jest przez zmianę względnego czasu pracy tyrystora głównego - tyrystorowego regu­latora rezystancji (TRR). Względny czas pracy określony jest za­leżnością:

(1.1)

gdzie: t _p - czas przewodzenia tyrystora głównego TRR,

t_o - czas przerwy w przewodzeniu tyrystora głównego TRR.

Wyrażenie: t_p + t_o = T stanowi okres impulsowania TRR. (1.2)

Rys 1. Schemat silnika indukcyjnego z tyrystorowym regulatorem rezystancji; układ szeregowy

Szeregowy układ TRR umożliwia regulację rezystancji w zakresie:

R_d < R_dm < ∞ (1.3)

Z rysunku 2. widać, że szeroki zakres regulacji prędkości się gdy rezystancja R_d w układzie szeregowym jest mała.

Tyrystorowy regulator rezystancji wirnika silnika pierścieniowego stanowi najczęściej łącznik tyrystorowy o komutacji pojemnościowej.

Rys. 2. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego pierścieniowego współpracującego z tyrystorowym regulatorem rezystancji wirnika

Rys. 3. Silnik indukcyjny pierścieniowy z szeregowym regulatorem poślizgu

Rys. 4. Przebieg napięcia na rezystorze R_d i tyrystorze Tl w układzie z rys. 3

Rysunek 3 przedstawia tyrystorowy regulator po­ślizgu. Tyrystor T2 oraz elementy C_K R_K stanowią elementy komutacyjne umożliwiające wprowadzenie w stan blokowania przewodzącego tyrystora głównego T1

Przebieg napięcia na rezystorze R_d szeregowego układu TRR i na tyrystorze głównym Tl podano na rys. 4. Opis działania układu rozpoczynamy od momentu, gdy przewodzi tyrystor główny Tl i do obwodu wyjściowego prostownika dołączony jest rezystor R_d, na którym występuje napięcie U_z , a kondensator C_k naładowany jest do napięcia U_p /plus na prawej okładce/. Po upływie czasu t_p zo­staje podany impuls sterujący do obwodu bramki tyrystora T2, ty­rystor wchodzi w stan przewodzenia powodując przyłączenie nała­dowanego kondensatora do obwodu tyrystora Tl, co powoduje jego przejście w stan blokowania. Kondensator przeładowuje się do napięcia U_z /plus na lewej okładce/. W pierwszym momencie przewo­dzenia tyrystora T2 na rezystorze R_d wzrasta napięcie na skutek dodawania się napięcia kondensatora i napięcia U_z. Po przełado­waniu się kondensatora tyrystor Tl znajduje się w stanie bloko­wania i napięcie na nim wynosi U_z ; przez rezystor R_d prąd nie płynie, w związku z czym silnik M nie rozwija momentu. Płynie na­tomiast prąd przez tyrystor T2 ze źródła pomocniczego U_p. Po upływie czasu t następuje załączenie tyrystora Tl i zablokowanie tyrystora T2.

Przy określaniu charakterystyk mechanicznych silnika M pomi­ja się zazwyczaj energię związaną a ładowaniem i rozładowaniem kondensatora C_k zakładając, że R_k C_k << t_p+ t_o. Przy takim zało­żeniu można określić wielkość rezystancji w obwodzie obciążenia prostownika dla układu szeregowego:

(1.5)

Zależność między rezystancją R_dm włączoną w obwód obciążenia prostownika, a odpowiadającą jej rezystancją R_dw włączoną w fazę wirnika silnika pierścieniowego, można określić na podstawie równości mocy po stronie prądu stałego i zmiennego:

(1.6)

gdzie: R_w - rezystancja fazy wirnika silnika,

I₂ - prąd fazowy wirnika /wartość skuteczna/,

I_S - prąd w obwodzie obciążenia prostownika /wartość średnia/.

Przekształcając powyższe równanie otrzymamy:

(1.7)

Dla prostownika trójfazowego mostkowego stosunek skutecznej wartości prądu przemiennego do średniej wartości prądu stałego wynosi
. Uwzględniając tę zależność otrzy­muje się:

(1.8)

Chcąc wyznaczyć analitycznie wielkość momentu rozwijanego przez silnik indukcyjny, pracujący w układzie jak na rys. 3. na­leży wyjść z ogólnego równania na moment elektromagnetyczny:

(1.9)

gdzie: c - stała,

m - liczba faz,

E₂ - napięcie fazy wirnika,

I₂ - prąd fazowy wirnika,

ϕ₂- kąt fazowy wirnika.

Jeżeli w obwodzie wirnika silnika znajduje się prostownik, to poza okresami komutacji prąd fazowy wirnika płynie tylko w dwóch fazach, w związku z czym we wzorze (1.9) należy za m podstawić liczbę 2. Wartość średnia momentu dla jednej trzeciej okresu na­pięcia wirnika wyraża się zależnością:

(1.10)

gdzie: ω₀ - prędkość synchroniczna silnika,

θ- kąt bieżący,

γ- kąt komutacji.

Rozwiązanie równania (1.10) jest możliwe przy założeniu, że prąd w obwodzie wirnik ma przebieg trapezowy, co w praktyce ma miejsce przy dużych wartościach indukcyjności dławika Dł.

Przy tym założeniu:

(1.11)

(1.12) gdzie: X_w- reaktancja fazy silnika sprowadzona do obwodu wirnika.

Wstawiając wyrażenie /1.12/ do /1.11/ otrzymuje się:

(1.13)

Prąd I_S zależy od napięcia wyprostowanego i od wielkości obcią­żenia. Wyprostowane napięcie wirnika E_2P określone jest zależ­nością:

(1.14)

gdzie: E₂₀ - napięcie fazowe wirnika dla ω=0,

s - poślizg silnika.

Napięcie E- równoważone jest przez spadki napięć w obwodzie sil­nika i prostownika, do których należy zaliczyć:

- spadek napięcia na reaktancji X_W ,

- spadek napięcia na rezystancjach,

- spadek napięcia na zaworach.

Napięcie to określa zależność:

(1.15)

gdzie: R^'₁ - sprowadzona na stronę wirnika rezystancja fazy stojana,

ΔU - spadek napięcia na zaworach.

Wyznaczając z zależności /1.15/ prąd I_s i wstawiając go do wzo­ru /1.13/, otrzymuje się zależność na moment rozwijany przez silnik:

(1.16)

Wprowadzone we wzorze /1.16/ stałe a, p i q określone są nastę­pująco:

(1.17)

(1.18)

(1.19)

ELEKTRONICZNY UKŁAD STEROWANIA TYRYSTOROWEGO REGULATORA REZYSTANCJI

Układ sterowania tyrystorów powinien zapewnić poprawną pracę TRR w szerokim zakresie zmian względnego czasu pracy przy wyso­kiej częstotliwości impulsowania.

Rys. 1.5. Schemat blokowy układu zapłonowego TRR

Praca układu sterowania synchronizowana jest napięciem trój­fazowym, co zapewnia stałość częstotliwości impulsowania. Do syn­chronizacji wykorzystuje się wyprostowane dwupulsowo napięcie trójfazowe, dzięki czemu częstotliwość pracy układu wynosi 300 Hz. Są wyjściu układu synchronizacji otrzymuje się napięcie pro­stokątne o częstotliwości 300 Hz i współczynniku wypełnienia bli­skim jedności. Napięcie to doprowadzone jest do układu kształtu­jącego impuls sterujący dla tyrystora komutacyjnego T2, który po wzmocnieniu podawany jest do obwodu bramki tego tyrystora. Czas trwania impulsu sterującego tyrystora T2 wynosi około 100 μs. Napięcie z układu synchronizacji podawane jest także do obwodu generatora napięcia piłokształtnego, wymuszając jego pracę z czę­stotliwością 300 Hz.

Napięcie wyjściowe generatora piłokształtnego U_B doprowadzone jest do komparatora, w którym porównywane jest z napięciem zadającym względny czas pracy U_Z . Sygnał 2 kom­paratora pojawiający się w momencie zrównania się napięcia piłokształtnego z napięciem U_z steruje pracą układu kształtowania im­pulsów tyrystora głównego.

Zmiana napięcia U_z powoduje przesuwanie impulsów sterujących tyrystora głównego /położenie impulsów tyrystora komutacyjnego jest stałe względem napięcia sieci/, co prowadzi do zmiany wzglę­dnego czasu pracy układu TRR.

Przebiegi napięć na wyjściu poszczególnych bloków układu z rys. 5 pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Przebiegi napięć na wyjściu poszczególnych bloków kładu sterowanie TRR

LITERATURA:

1. Chmielnicki J., Schab R., Szlachta A. : Układ łącznika tyrystorowego o komutacji

Wewnętrznej.

2. Luciński J. : Układy tyrystorowe. WNT Warszawa 1976.

3. Schab R. : Napęd i automatyka napędu elektrycznego.

4. Tunia H., Winiarski B. : Podstawy energoelektroniki. WNT ,Warszawa 1975.

STEROWANIE NAPĘDAMI ELEKTRYCZNYMI

PROJEKT

Temat: Praca silnika pierścieniowego z tyrystorowym regulatorem
rezystancji w obwodzie wirnika ; szeregowym

Wykonał:

Konrad Pykosz IV EDPM

Sterowanie napędami elektrycznymi - projekt

­R_d

DŁ

R

T

S

M

sterowanie

TRR

­U_P

­T₂

­T₁

­R_d

M

R_d

ω

charakterystyka naturalna

DŁ

R

Wzmacniacz

mocy

T

S

M

­R_k

­C_k

Układ

Kształtowania

impulsów

komparator

Gen. napięcia

piłokształtnego

Układ

synchroniza-

cji

Wzmacniacz

mocy

Układ kształtowa-

nia impulsów

R

S

T

U_Z

T₂

T₁

t

t

U_Rd

t_p

U_T1

t₀

t

t

t

t

t

U_a

U_b

U_c

U_d

U_e

U_Z