Leszek PAWLACZYK - Politechnika Wrocławska

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 58
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
energoelektronika, przekształtniki statyczne,
zastosowanie układów energoelektronicznych
Leszek PAWLACZYK *
F
PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE W
ZASTOSOWANIACH PRZEMYSŁOWYCH
Przedstawiono wybrane urządzenia energoelektroniczne wykonane w Instytucie Maszyn,
Napędów i Pomiarów Elektrycznych i wdrożone u różnych odbiorców na przestrzeni wielu lat.
Poszczególne urządzenia przedstawiono w chronologicznym porządku wdrażania ich u odbiorców.
Zakres zastosowania obejmuje urządzenia napędowe z przekształtnikami statycznymi oraz inne
zastosowania urządzeń energoelektronicznych. Przedstawiono uproszczone schematy obwodów
głównych przekształtników oraz podstawowe dane dotyczące sposobu sterowania przekształtnikami i
całymi urządzeniami technologicznymi.
1. WSTĘP
Prace dotyczące zastosowania układów energoelektronicznych prowadzone były w
Instytucie Układów Elektromaszynowych a następnie w Instytucie Maszyn, Napędów
i Pomiarów Elektrycznych począwszy od lat wczesnych lat siedemdziesiątych. Zakres
zastosowań zawierał przekształtnikowe układy napędowe, oraz wiele innych dziedzin
przemysłu i badań naukowych. Na przestrzeni lat wykonano kilkadziesiąt układów o
różnych mocach i zakresie zastosowania. Układy wdrażane były w przemyśle
wydobywczym z którym Instytut posiada wieloletnią tradycję współpracy, przemyśle
chemicznym i farmaceutycznym, przemysłowych i resortowych instytutach naukowo badawczych. W artykule przedstawione zostały wybrane prace wykonane przy udziale
autora i wielu współpracownikach z Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów
Elektrycznych oraz spoza Instytutu. W poszczególnych pracach brali znaczący udział:
dr inż. S. Azarewicz, dr hab. inż. I. Dudzikowski, mgr inż. P. Karwize, mgr inż. W.
Karwize, doc. dr inż. W. Kędzior, dr inż. H. Nessel, mgr. inż. P. Wojtczak, dr inż. A.
Zalas, dr inż. Z. Załoga.
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected],
2. TYRYSTOROWE UKŁADY NAPĘDOWE DOŁOWYCH LOKOMOTYW
KOPALNIANYCH
2.1. UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNKAMI PRĄDU STAŁEGO
Dołowe lokomotywy kopalniane zasilane z przewodu jezdnego posiadają w
większości wypadków rezystorowe nastawniki za pomocą których odbywa się
sterowanie rozruchem oraz regulacją prędkości silników trakcyjnych. Regulacja
prędkości pojazdu odbywa się poprzez dołączenie szeregowych rezystorów
rozruchowych oraz przełączanie silników trakcyjnych z połączenia szeregowego na
równoległe. W zakresie dużych prędkości pojazdu stosowane jest osłabianie strumienia
silników napędowych. Podstawowe wady układu z rozruchem rezystorowym to:
trudności w regulacji prędkości kątowej silników trakcyjnych co spowodowało
konieczność zastosowania rezystorów rozruchowych oraz przełączenia silników z
połączenia szeregowego na równoległe, powiększenie strat rozruchowych i
regulacyjnych w związku ze znacznymi stratami mocy w rezystorach rozruchowych,
potrzeba zastosowania dużej liczby styczników i nastawników przełączających znaczne
prądy, co powoduje szybkie zużycie elementów stykowych, znaczne trudności związane
z automatyzacją procesu rozruchu, jazdy i hamowania pojazdu oraz ograniczenia
przeciążeń silników trakcyjnych zwłaszcza w przypadku zastosowania ręcznych
nastawników, pogorszenie charakterystyk trakcyjnych pojazdu związane ze
zmniejszeniem sztywności charakterystyk elektromechanicznych silników w przypadku
rozruchu rezystorowego a w szczególności przy rozruchu z połączeniem szeregowym
silników, brak możliwości elektrycznego hamowania odzyskowego silnikami prądu
stałego o wzbudzeniu szeregowym, brak możliwości wyrównywania obciążeń silników
trakcyjnych oraz szybkiej likwidacji poślizgu kół pojazdu w przypadku utraty
przyczepności.
Zastosowanie przekształtników impulsowych w napędzie elektrycznym pojazdu
trakcyjnego z silnikami prądu stałego o wzbudzeniu szeregowym pozwalających w
sposób płynny regulować średnią wartość napięcia daje możliwość zlikwidować
większość negatywnych cech układu rezystorowo – stycznikowego. Ułatwia się
regulacja prędkości pojazdu, odpada konieczność przełączania szeregowo –
równoległego silników, zniwelowany zostaje wpływ wahania napięcia sieci trakcyjnej
na pracę silników napędowych, polepszają się warunki hamowania dynamicznego i
pojawia się możliwość hamowania odzyskowego, możliwa jest automatyzacja pracą
elektrowozu i połączenia do pracy wspólnej kilku elektrowozów, zmniejszają się
straty energii elektrycznej w układzie napędowym, zmniejszają się pulsacje siły
pociągowej pojazdu. Ze względu na warunki eksploatacji elektrowozów i częste
awarie silników trakcyjnych spowodowanych przeciążeniami prądowymi przy
osłabionym strumieniu (dużej prędkości pojazdu) w projektowanym napędzie
zrezygnowano z układów osłabiania strumienia co naturalnie ograniczyło maksymalne
2
prędkości lokomotywy i polepszyło warunki komutacji maszyn elektrycznych.
Schemat elektryczny układu głównego elektrowozu LD30 przedstawiono na rys.1.
filtr
S1
D1
S2
napęd osi I
LF
SJ
napęd osi II
SH
R1
SJ
RH 2
D0
D1
SH
D0
UW
CF
DH 1
iW 1
US
T3
T1
M
T4
uT 1
RH 2
Q1
UW
DH 2
T1
RH 1
T3
DH 2
RH 1
M
uT 2
T2
DH 1
iW 2
T4
T2
Q1
Rys.1. Schemat obwodu głównego lokomotywy
Fig.1. The diagram of the main circuit of the engine
Układ składa się z dwóch niezależnych przekształtników układów sterowania
silnikami trakcyjnymi LD055 o mocy Pn{60min) = 41,5 kW , U n = 250V ,
n n = 520 obr/min. Przekształtniki pracują ze stałą częstotliwością modulacji równą
250 Hz. Impulsy sterowania sterownikami Q1 i Q 2 przesunięte są względem siebie o
½ okresu modulacji co powoduje oddziaływanie na filtr wejściowy z podwójną
częstotliwością modulacji co zmniejsza jego gabaryty. Do zmiany kierunku przepływu
prądu twornika w trakcie hamowania i zmiany kierunku jazdy służą tyrystory
T 1 − T 4 . Układ zapewnia elektrodynamiczne hamowanie na sterowany impulsowo
rezystor RH 1 lub hamuje odzyskowo jeżeli rezystor nie jest załączony. Ze względu
na to, że sieć trakcyjna nie posiada możliwości odbioru energii zasadniczo stosowane
jest elektrodynamiczne hamowanie rezystorowe. Dodatkowe rezystory hamowania
przeciwwłączeniem RH 2 zapewniają pewne wzbudzanie się silnika w zakresie pracy
generatorowej. Układ sterowania zapewnia zakres regulacji napięcia równy 1:20 co
pozwala ograniczać prądy rozruchowe do poziomu dopuszczalnego oraz odpowiedni
zakres regulacji prędkości kątowej silników trakcyjnych. W zakresie pracy z prądami
mniejszymi od dopuszczalnych układ pracuje w zakresie stabilizacji średniej wartości
napięcia tworników silników U T co zapewnia powiększoną sztywność charakterystyk
mechanicznych silników i charakterystyk trakcyjnych F (v) i zapobiega powstawaniu
niekontrolowanych poślizgów osi lokomotywy szczególnie często występujących przy
małych prędkościach w początkowej fazie rozruchu rezystorowego z połączonymi
szeregowo silnikami trakcyjnymi. Po osiągnięciu dopuszczalnej wartości prądu silnika
3
stabilizowany jest jego wartość. Filtr wejściowy zmniejsza oddziaływanie
elektrowozu na sieć trakcyjną a szczególnie ogranicza działanie różniczkującego
zabezpieczenia prądowego – wykrywającego zwarcia doziemne.
2.2. UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNKAMI INDUKCYJNYMI
W trakcie prac wdrożeniowych nad lokomotywą z silnikami prądu stałego
prowadzone były prace nad zastosowaniem silników indukcyjnych do napędu
lokomotyw kopalnianych. Wykonano prototypowy układ tyrystorowego falownika
napięcia o zdolności komutacyjnej 100kVA i modulacji szerokości impulsów napięcia
wyjściowego. Opracowano topologie falownika zapewniające odpowiednią zdolność
komutacyjną przy niskim napięciu zasilania (250V) i dużych spadków napięcia w
sieci trakcyjnej do 40%. Przeprowadzono syntezę kilku sposobów modulacji napięcia
wyjściowego falownika zapewniających: maksymalną zdolność komutacyjną
falownika, minimalną wartość częstotliwości modulacji, minimalne straty w układzie
falownik - silnik indukcyjny. Opracowano nadążne układy sterowania prądami
fazowymi falownika i porównano je z nadążnymi układami sterowania chwilową
wartością napięcia fazowego i strumienia skojarzonego ze stojanem. Badania
przeprowadzono z klatkowym silnikiem indukcyjnym o mocy 22kW.
3. ENERGOELEKTRONICZNY UKŁAD STEROWNIA REAKTOREM
CHEMICZNYM
Reaktory chemiczne do produkcji farb, lakierów i impregnatów posiadają
pojemność 5 – 10 m3 i służą do przyrządzania odpowiedniej mieszaniny różnego
rodzaju olei naturalnych i innych składników. Następnie mieszanina poddawana jest
obróbce termicznej. Do nagrzewania reaktora służą najczęściej grzałki oporowe
umieszczone na zewnątrz metalowego zbiornika reaktora. W tracie eksploatacji
pojawia się szereg trudności związanych z odpowiednią izolacją termiczną reaktora
oraz zapewnienia symetrycznego obciążenia trójfazowej sieci zasilającej
wielosekcyjnymi grzałkami oporowymi dużej mocy.
W opracowanym układzie energoelektronicznym zasilania reaktora do grzania
mieszaniny olei służą trzy niezależne sekcje falownikowe zasilające własne uzwojenia
wzbudzenia Z1 , Z 2 , Z 3 (rys. 2). Sekcje uzwojeń wzbudzenia oddzielone są od
ferromagnetycznego zewnętrznego płaszcza reaktora odpowiednio grubą warstwą
izolacji termicznej i chłodzone są naturalnym obiegiem powietrza. Zespół falowników
o mocy czynnej ok. 200 kW zasilany jest bezpośrednio z sieci przemysłowej poprzez
niesterowany prostownik diodowy 6 × D i filtr dolnoprzepustowy Ld , C d
zapewniający poprawną pracę falowników napięcia i ograniczający ich oddziaływanie
4
na sieć zasilającą. Dla wyłączenia ewentualnych stanów awaryjnych (zwarć
gałęziowych) służy szybki wyłącznik prądu stałego WSPS . Falowniki posiadają
topologię mostkową (tyrystory T 1 − T 4 ) z szeregowym rezonansowym obwodem
obciążenia ( Ld 1 − C K − Z1 ). Uzwojenie Z 3 jest uzwojeniem sprzężonym z dennicą i
wykorzystywane jest we wszystkich stanach pracy. Natomiast uzwojenia Z1 i Z 2
wykorzystuje się w zależności od stopnia wypełnienia reaktora.
zespół falowników
Ld 1
I d1
T1
T3
T4
T2
reaktor chemiczny
C K1
Z1
F1
WSPS
Ld
6× D
iZ 1
T ( oC )
Ld 2
Id 2
Cd
T1
CK 2
T3
Z2
F2
Ud
T4 T2
iZ 2
Id
Ld 3
Id3
T1
CK 3
T3
Z3
F3
T4 T2
I d 1;2;3
zespół regulatorów
I
TREF ( C )
T (oC )
RT
PIDD
PREF
p1∗ P
REF
P1
p2∗
P2 RP3
RP 2
I
I
p3∗
f0
iZ 1; 2;3
zabezpieczenie
różnicowe
PLL1
f0
PLL 2
f0
PLL3
układ rozdziału
impulsów i
sterowniki
R P1
o
iZ 3
F1
F2
F3
P3
Rys. 2. Schemat układu sterowania reaktora chemicznego
Fig. 2. The diagram of control structure of chemical reactor
Układ sterownia reaktorem jest układem wieloobwodowym o szeregowej
strukturze regulatorów i posiada nadrzędny regulator temperatury RT . Ze względu na
5
wysoki stopień operatora transmitancji obiektu sterowania dla zapewnienia
odpowiedniej jakości regulacji stosowany jest regulator typu PIDD (z podwójnym
różniczkowaniem). Obwodowi regulacji temperatury podporządkowany jest obwód
regulacji mocy czynnej poszczególnych sekcji falowników. Względną wartość mocy
każdej sekcji zadaje się w zależności od stopnia wypełnienia reaktora (sygnały p1∗ ,
p 2∗ , p3∗ ). Regulatory mocy czynnej RP zadają częstotliwość sterowania tyrystorami
falownika. W celu zmniejszenia oddziaływania na filtr wejściowy impulsy sterowania
poszczególnymi falownikami przesunięte są w fazie względem siebie. Do
odpowiedniej synchronizacji i przesunięcia fazowego służą obwody pętli fazowej
PLL . Zabezpieczenie falownika od zwarć gałęziowych odbywa się zabezpieczeniem
różnicowym chwilowej wartości prądu wejściowego i wyjściowego mostka
tyrystorowego. Zastosowanie metody grzania indukcyjnego zdecydowanie poprawiło
możliwości sterowania mocą dostarczaną do reaktora oraz dzięki uproszczeniu
konstrukcji układu izolacji cieplnej znacznie polepszyło jego sprawność.
4. STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKOWE GRUPĄ GENERATORÓW
STANOWISKA BADAWCZEGO ELEKTROMAGNESU SILNEGO POLA
MAGNETYCZNEGO
Stanowisko do sterowania generatorami prądu stałego zasilającymi elektromagnesy
wytwarzające silne, stałe pola magnetyczne zastało wykonane dla Instytutu Niskich
Temperatur i Silnych Pól Magnetycznych PAN we Wrocławiu. Uproszczony schemat
obwodów mocy układu zasilania elektromagnesu przedstawiono na rys.3. W skład
układu wchodzą generatory prądu stałego GM 1 , GM 2 , GM 3 o mocy znamionowej
ok. 2,5 MW każdy. W zależności od potrzeb włączane są one do pracy pojedynczej
lub równoległej na wspólny odbiornik którym jest jednouzwojeniowy lub
wielouzwojeniowy
elektromagnesy.
Na
rys.3
przedstawiono
zasilanie
jednouzwojeniowego elektromagnesu. Maksymalna wartość prądu wspólnie
pracujących generatorów osiąga wartość I d ≈ 12kA . Pole magnetyczne wytworzone
w sposób ciągły (w czasie ok. 1-2 min.) osiąga wartość indukcji równą B ≈ 20T
(natężenie pola magnetycznego ok. 200 kOe). Wzbudzenia generatorów zasilane są ze
wzbudnic G1 , G 2 i G3 , natomiast obwody wzbudzenia tych generatorów zasilane są
z czterokwadrantowych tranzystorowych przekształtników impulsowych P1 − P 4 . W
układzie zrezygnowano z bezpośredniego zasilania obwodów wzbudzenia
generatorów mocy z przekształtników tranzystorowych ze względu na
nieprzystosowanie tych obwodów do zasilania impulsowego oraz wymaganą dużą
moc wzbudzenia. Obwód prądu stałego przekształtników impulsowych zasilany jest
również z generatora prądu stałego G 0 , takie rozwiązanie pozwoliło na rezygnację z
6
zastosowania rezystora stabilizującego napięcie U 0 w obwodzie zasilania
przekształtników w trakcie szybkiego odwzbudzania generatorów występującego w
stanach dynamicznych. W przypadku potrzeby zmniejszenia tętnień pola
magnetycznego do poziomu nie osiągalnego przy zasilaniu z generatorów prądu
stałego do szyn obwodu mocy dołączany jest energoelektroniczny szeregowy filtr
aktywny zmniejszający tętnienie prądu do dopuszczalnego poziomu. Filtr wykonany
został w Estońskiej Akademii Nauk i stosowany jest zasadniczo dla mniejszych od
maksymalnych wartości prądu I d .
LF 1
T 1.F T 3.F
filtr aktywny
CF 2
C F1
U d1
LF 2
T 4.F T 2.F
TRF
UW 1
I G1
UW 2
GM 1
IG 2
G1
S1
UWW 1
I G3
S2
UWW 2
T3
T1
Ud
UW 3
GM 2
G2
Id
I GM 3
GM 3
G3
S3
UWW 3
I P3
I P2
I P1
przekształtniki sterowania
wzbudzeniem
I GM 2
I GM 1
uzwojenie
elektromagnesu
obwód mocy
T3
T1
T3
T1
C0
G0
U0
T4
T2
P1
T2
T4
P2
T4
T2
P3
Rys.3. Układ zasilania elektromagnesu.
Fig. 3. The supply system of the electromagnet
7
Układ sterowania grupą generatorów zapewnia: stabilizację prądu elektromagnesu
I d , podział prądu I d pomiędzy poszczególne generatory I GM 1 , I GM 2 , I GM 3 według
zadanego procentowego współczynnika, wyrównanie napięć poszczególnych
generatorów przed załączeniem do pracy równoległej, zabezpieczenie elektromagnesu
w stanie awaryjnym poprzez forsowne zmniejszanie prądu elektromagnesu.
Równoległa praca generatorów prądu stałego dużej mocy z małymi rezystancjami
obwodów obciążenia i względnie dużymi stałymi czasowymi (obciążenia i
wzbudzenia) napędzanych silnikami synchronicznymi skłonnymi do kołysania (słabe
obwody klatek tłumiących) prowadzi do pojawienia się oscylacji prądów
poszczególnych generatorów i prądu elektromagnesu silnego pola magnetycznego.
Opis dynamiki wielowymiarowego obiektu sterowania jest względnie wysokiego
rzędu z silnie wyrażonymi sprzężeniami skrośnymi pomiędzy kanałami regulacji, co
prowadziło do wielu nieporozumień w różnych stosowanych wcześniej układach
sterowania. Dodatkowo na pracę układów znaczący wpływ posiadają zmienne
parametry modelu matematycznego głównie zmieniające się wraz z nasyceniem
obwodów magnetycznych wzmocnienia generatorów oraz zmienne w funkcji
temperatury wartości rezystancji generatorów i uzwojenia szczególnie szybko
nagrzewającego się elektromagnesu silnego pola.
Dla zapewnienia stabilnej pracy zastosowano
di
d 2i
x2 ≡ d
x1 ≡ 2d
kaskadową
strukturę
regulatorów
z
dt
dt
wewnętrznymi obwodami regulacji pracującymi
k2
k1
w trybie ślizgowym w tym także z ruchem id
p
T
p
+
1
1
ślizgowym drugiego rzędu. Do odsprzężenia
poszczególnych kanałów regulacji prądu
zastosowano
również
nieliniowe
układy
zawierające elementy różniczkowania pracujące
Rys.4. Schemat strukturalny układu
w trybie ślizgowym tak zwane. Δ - modulatory
różniczkowania.
wraz filtrami. Uproszczony schemat strukturalny
Fig.4. The block diagram of the
elementu różniczkującego przedstawiono na
derivative system
rys. 4. Energoelektroniczny filtr aktywny służy
do eliminacji tętnień o względnie wysokich wartościach częstotliwości, głównie
żłobkowych i obrotowych pulsacji generatorów mocy.
5. SPECJALNE UKŁADY STEROWANIA FAZOWEGO
PRZEKSZTAŁTNIKÓW KOMUTOWANYCH SIECIĄ
W trakcie projektowania i wdrażania wielu urządzeń energoelektronicznych z
przekształtnikami sieciowymi (prostownikami sterowanymi, tyrystorowymi
8
sterownikami napięcia) pojawiła się potrzeba zastosowania specjalnych układów
sterownia fazowego tyrystorami. Podstawową przyczyną potrzeby ich zastosowania
jest zmienna częstotliwość sieci zasilającej prądu przemiennego występująca w
układach autonomicznych powodująca, że klasyczne układy sterowania fazowego
oparte
o
synchronizację
impulsów
względem napięć
piłokształtnych
synchronizowanych z siecią posiadają trudne do wyeliminowania wady (n. p. zależny
od częstotliwości współczynnik wzmocnienia). Jednym ze sposobów wyeliminowania
tych wad jest zastosowanie asynchronicznych układów sterowania fazowego, które
mogą pracować poprawnie przy zmiennej częstotliwości zasilania oraz zachowują
idealną symetrię podawania impulsów wyzwalania tyrystorami wielofazowych
przekształtników. Również w przypadku układów pracujących ze stałą częstotliwością
sieci zasilającej zastosowanie innych sposobów synchronizacji może dać pozytywne
wyniki.
Sterowanie fazowe tyrystorowym regulatorem napięcia polegające na
synchronizacji impulsów sterujących tyrystorami względem prądu silnika
przedstawiono na rys. 5a. Wielkością sterującą jest w tym układzie kąt przerwy
prądowej γ . Natomiast kąt sterowania ϑZ = ϕ + γ , gdzie kąt przesunięcia ϕ = ϕ (ωR )
zależy od poślizgu (prędkości) silnika. Na rys. 5.b. przedstawiono uproszczony
schemat strukturalny sterowania silnikiem za pomocą sterownika tyrystorowego za
pomocą opisanego powyżej sposobu sterowania z synchronizacją względem prądu.
Rozwiązanie takie zapewnia stabilną pracę układu sterownik – silnik indukcyjny w
układzie otwartym w przypadku pracy z małymi obciążeniami (wartościami poślizgu).
a)
b)
u1 ; e S ; i S
ϕ
ϑZ
γ
u1
ϑZ
γ 0 − Δγ (t )
eS
γ
iS
0
sterownik
(u1 − eS )
2π
π
ωt
U1
k1
T0 p + 1
ϕ 0 − Δϕ ( t )
Silnik
indukcyjny
F (s )
ϕ (ω R )
ω R 0 + Δω R
Rys.5. a) Przebiegi w prądowym układzie sterowania fazowego; b) schemat strukturalny układu.
Fig. 5. a) The transients in the phase current control system, b) the block diagram of the system
Opisany układ sterowania fazowego zastosowano w układzie łagodnego rozruchu
agregatów pompowych pomp głębinowych o mocach 7,5-24 kW w kopalni Turów.
9
Przeprowadzone badania wykazały możliwość ograniczenia wartości prądu
rozruchowego do poziomu ok. 2,5 wartości prądu znamionowego, dzięki czemu
silniki poddane są mniejszym narażeniom termicznym i mechanicznym w czasie
rozruchu. Rozwiązanie takie pozwala na zwiększenie liczby dopuszczalnych załączeń
agregatu pompowego co pozwala z większą dokładnością stabilizować poziom wody
w studni. Silniki pracują również stabilnie przy obniżonym sterownikiem napięciu w
przypadku pracy z minimalnym obciążeniem. Taki stan pracy ma celu zapobieganie
mechanicznemu zablokowaniu się pogrążonego w wodzie, długotrwale
unieruchomionego, silnika.
Podobny sposób sterowania tyrystorowym regulatorem napięcia zastosowano w
układzie napędowym bębna wozu kablowego rys. 6.
L1
L3
L2
T 1,2
T 3,4
T 5,6
T 7,8
T 9,10
bęben kablowy
reduktor
kR
MA
RR
RR
uR
RR
przekładnia
łańcuchowa
Δα
− Δα
Rys.6. Układ napędowy wozu kablowego
Fig.6. The drive system of cable drum
Wozy kablowe służą do przedłużania wysokonapięciowych kabli zasilających
maszyny wydobywcze pracujące w kopalniach odkrywkowych. Wóz stanowi
niezależną jednostkę z napędem gąsienicowym na której umieszczony jest bęben o
średnicy D = 3,1[m] i długości L = 6[m] z nawijanym w 2 warstwach kablem. W
zależności od średnicy kabla jego długość osiąga ok. 1km. Celem układu napędowego
bębna wozu jest nawijanie (odwijanie) z odpowiednią prędkością kabla z
zachowaniem naturalnego „zwisu” określonego w przybliżeniu krzywą łańcuchową.
Znamionowa prędkość jazdy wozu kablowego wynosi VN = 6,24[m min ] , natomiast
prędkość maksymalna (ucieczkowa) VMAX = 25[m min] . Wymagany zakres regulacji
prędkości napędu ze stałym momentem wynosi ok. 1:5. Ze względu na warunki
atmosferyczne (zamarznięcie rozwiniętego kabla w błocie) wymagane jest 2 –4 krotne
10
powiększenie momentu rozruchowego. Przeprowadzona analiza wykazała, że ze
względu na wymagania ruchowe najbardziej celowym jest zastosowanie silnika
indukcyjnego pierścieniowego z włączonymi na stałe w obwód wirnika rezystorami RR . Sterowanie momentem i prędkością odbywa się za pomocą tyrystorowego
regulatora napięcia włączonego w obwód stojana powodującego zmianę zarówno
prądu wtórnego jak i strumienia silnika. W znamionowych stanach pracy silnik
zasilany jest obniżonym napięciem zapewniającym odpowiednią wartość momentu
silnika. W tym celu określono optymalną wartość rezystora RR i wartości napięcia
stojana U1 zapewniających minimalne straty cieplne w silniku. Zależność strat
cieplnych w silniku od podstawowej harmonicznej napięcia stojana dla różnych
wartości momentu przedstawiono na rys. 7a. Dla zastosowanego silnika SUDF 200 L8
straty minimalne występują przy napięciu U1 ≈ 86V i są wielokrotnie mniejsze od
strat występujących przy znamionowym strumieniu silnika. Rozwiązanie takie
pozwala na długotrwałą pracę silnika w stanie „stania pod prądem” z wymaganym do
napięcia kabla momentem (ok. 20Nm) bez potrzeby przewietrzania obcego silnika. W
razie potrzeby napęd jest w stanie rozwinąć sześciokrotnie większy moment
rozruchowy zapewniający odpowiednią dynamikę zmian prędkości kątowej bębna
przy przejściu do prędkości ucieczki wozu.
b)
a)
400
200
ΔPMIN
Rα
100 Nm
α REF
40 Nm
20 Nm
U1
0
ωR
kS
TS p + 1
Δα
100
kR
ωB 1 α
p
kω
200
Rys. 7. a) Zależność strat w silniku od napięcia; b) układ sterowania prędkością kątową bębna.
Fig. 7. a) The relationship between motor losses and voltage b) the control system of the drum angular
speed
Do sterowania prędkością bębna wozu stosowany jest nadążny układ regulacji
położenia dźwigni pomiarowej kąta zwisu kabla α (rys. 6.). Celem układu jest
utrzymanie tego kąta wokół zadanego kąta α REF bez względu na kierunek obrotów
bębna (nawijanie lub odwijanie) i wielkości zakłócające jakimi są w tym przypadku
prędkość jazdy wozu i zmienny moment potrzebny do nawijania w różnych
warunkach atmosferycznych. Uproszczony schemat strukturalny układu sterowania
przedstawiono na rys. 7.b. Nieliniowy – trójpozycyjny regulator położenia dźwigni
pomiarowej został wybrany głównie ze względu na konstrukcję mechaniczną czujnika
11
położenia. W rozpatrywanym układzie w trakcie pracy powstają cykle graniczne o
dużych wartościach amplitudy i małej częstotliwości autodrgań. W celu likwidacji
tego zjawiska układ regulacji wprowadzono tryb pracy ślizgowej podając na wejście
regulatora odpowiednią wartość pochodnej uchybu regulacji. Tryb pracy ślizgowej
zapewnia łagodny (praktycznie wykładniczy) przebieg zmian kąta zwisu kabla w
czasie zmian prędkości jazdy wozu i przy zmianach jego kierunku.
6. TRANZYSTOROWE PRZEKSZTAŁTNIKI IMPULSOWE
MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Silniki komutatorowe małej i średniej mocy znajdują zastosowanie w wielu
gałęziach przemysłu oraz masowo w motoryzacji i sprzęcie gospodarstwa domowego.
Rozwój technologii wytwarzania magnesów trwałych o coraz lepszych parametrach a
głównie większej energii (magnesy NeFeB) spowodował, że są one coraz chętniej
stosowane na odwody wzbudzenia silników komutatorowych. W takim przypadku
obwód twornika zasilany jest z regulowanego źródła napięcia stałego. Do zasilania
silnika magnetoelektrycznego doskonale nadają się tranzystorowe przekształtniki
impulsowe. Głównymi zaletami zastosowania przekształtników tranzystorowych są:
wysoka częstotliwość modulacji zapewniająca bliski jedności współczynnik
wykorzystania silnika (stosunek wartości średniej do wartości skutecznej prądu),
doskonałe własności regulacyjne i dynamiczne przekształtnika (praktycznie
bezinercyjny przekształtnik), ograniczony do minimum zakres pracy z nieciągłymi
prądami twornika, zmniejszone oddziaływanie na sieć zasilającą w porównaniu z
prostownikami sterowanymi. Schemat obwodu mocy układu napędowego z
obniżającym przekształtnikiem impulsowym przedstawiono na rys. 8. Przekształtnik
zasilany jest z sieci prądu przemiennego poprzez prostownik diodowy 4 × D i filtr
pojemnościowy Cd . Dla zmniejszenia zakłóceń radioelektrycznych służy filtr
sieciowy. Dla pomiaru prędkości silnika służy prądniczka tachometryczna prądu
przemiennego wzbudzana magnesami. Obciążenie mechaniczne napędu najczęściej
posiada przekładnię mechaniczną k wraz z elementem sprężystym c1, 2 . Moment
obciążenia posiada składową nieliniową związaną z tarciem i składową lepkość
M 0 (ω2 ) oraz składową okresową związaną z kątem obrotu mechanizmu M 0 (α 2 ) .
Typowym układem napędowym takiego rodzaju jest opracowany napęd nowoczesnej
pralki automatycznej.
12
filtr
sieciowy
obwód mocy przekształtnika
silnik
obciążenie mechaniczne
α2
T1
R (T )
Cd
ST
U1
LF , C F
4× D
M o (α 2 )
1/ p
iT
uT
Ud
F (α + π / n)
TG
D0
M
iT
u TG
ω1
k
M o (t )
ω2
M o (ω 2 )
c12
Rys.8. Układ napędowy z przekształtnikiem impulsowym
Fig.8. The drive system with the converter
Pomimo względnej prostoty technicznej spowodowanej minimalizacją kosztów
wytwarzania układ jest skomplikowanym układem elektromechanicznym
wymagającym złożonej analizy działania i wyrafinowanych metod sterowania. W celu
rozszerzenia zakresu regulacji w górę opracowany został układ napędowy z
wejściowym przekształtnikiem podwyższającym napięcie (tranzystor T 2 ).
Dodatkową zaletą jest to, że układ pobiera z sieci prąd o kształcie zbliżonym do
sinusoidalnego zmniejszeniu uległa również pojemność kondensatora filtra. Schemat
układu mocy przekształtnika przedstawiono na rys. 9.
R (T )
4× D
CF1
U1
i1
L1
D1
T1
T2
ST 2
LF , C F
Cd ST 1
Ud
uT
D0
id
M
iT
Rys.9. Przekształtnik podwyższający napięcie
Fig.9. The voltage-raising converter
W normalnych warunkach pracy chwilowa wartość napięcia ud kondensatora filtra
zawiera znaczne tętnienia o podwójnej częstotliwości sieciowej, które przenosi się na
chwilową wartość prądu silnika powodując gwałtowny wzrost prądu skutecznego
twornika i słyszalny szum elektromagnetyczny. W tym celu modulator szerokości
impulsów musi posiadać zdolność kompensacji tej składowej. Doskonale do tego celu
nadają się nadążne układy modulatorów. Na rys. 10. przedstawiono nadążny układ
regulacji siły elektromotorycznej twornika ET z histerezowym regulatorem pełniącym
jednocześnie rolę odpornego na zakłócenia regulatora typu PD .
13
kI
1
E REF
0
kU
T1 p + 1
uT
Ud
iT RT
I o RT
1
TE p + 1
1
TM p
ET
1
0
Rys.10. Nadążny regulator siły elektromotorycznej
Fig.10. The follow-up controller of the electromagnetic force
Dzięki takiemu rozwiązaniu układ posiada rozszerzony zapas stabilności pomimo
wprowadzenia dodatniego sprzężenia prądowego. Układ posiada nadrzędny układ
sterowania mikroprocesorowego zapewniający stabilizację prędkości i wiele
dodatkowych funkcji wymaganych od układu napędowego.
7. PRZEKSZTAŁTNIKOWY UKŁAD HAMOWANIA DYNAMICZNEGO
SILNIKIEM NAPĘDOWYM TAŚMOCIĄGU
Układy napędowe dużej mocy taśmociągów kopalnianych wykonane są najczęściej
w oparciu o silniki indukcyjne pierścieniowe z rezystorowym układem rozruchu.
Hamowanie taśmociągu odbywa się zazwyczaj za pomoc ą hamulca mechanicznego
załączanego po odłączeniu silników układu napędowego. Rozwiązanie takie w
przypadku częstych zatrzymań taśmociągu prowadzi do szybkiego zużycia elementów
ciernych hamulców mechanicznych. Następujące zmiany w technologii wydobycia w
kopalniach odkrywkowych powodują, że coraz większa liczba taśmociągów pracuje z
ujemnym kątem nachylenia, transportując materiał nadkładu „w dół” w celu
zasypywania starych wyrobisk.
14
6× D
TR
SH
D0
BA
L1
id
CF
U
V
W
L2
PI
L3
MA
t0
ωref
ωref
t
zadajnik
prędkości
S4
Ri
id REF
3 × R4
S3
Rω
ω
u
f
3 × R3
id
S2
T
f
3 × R2
S1
styczniki rozruchowe
S1
S2
S3
3 × R1
S4
Rys. 11. Układ hamowania dynamicznego
Fig. 11. The dynamic braking
Problem hamowania w tym przypadku staje się bardzo ostry, ponieważ moment
obciążenia statycznego silników taśmociągu może okazać się bardzo mały lub zmienić
kierunek, co powoduje, że czasy hamowania znacznie się wydłużają a hamulce muszą
generować większe momenty. Najlepszym rozwiązaniem problemu jest zastosowanie
hamowania dynamicznego silników asynchronicznych. Schemat układu sterowania
silnikiem
pierścieniowym
SZUre-136t
o
parametrach
Pn = 1000kW ;
nn = 990 obr/min ; U1n = 6000V ; U 2 n = 1160V uruchomionym w KWB TURÓW
przedstawiono na rys.11. układ zasilany jest z obwodu prądu stałego poprzez
transformator i prostownik diodowy 6 × D i filtr kondensatorowy oraz buforową
baterię akumulatorów BA zapewniającą zdziałanie układu po zaniku napięcia
zasilającego. Do regulacji wartości prądu stałego służy przekształtnik impulsowy PI .
Układ sterowania zapewnia zachowanie stałej wartości opóźnienia w czasie zadanego
czasu hamowania to . Prędkość silnika wyznaczona jest na podstawie częstotliwości
prądu wirnika. Również ten sygnał po porównaniu jego okresu wykorzystywany jest
do zwierania kolejnych rezystorów rozruchowych R1 − R 4 wykorzystywanych w
trakcie hamowania. Nadrzędny regulator prędkości steruje wartością zadaną prądu
stałego podawanego do uzwojenia stojana. Regulator prądu o histerezowej
charakterystyce powala na precyzyjną regulację chwilowej wartości prądu niezależnie
od wahania napięcia w obwodzie prądu stałego i zmian parametrów silnika. Przebiegi
w modelu opracowanego układu przedstawiono na rys. 12. Na rys. 12.a.
15
przedstawiono przebiegi w przypadku „niesterowanego”
wartością prądu stojana I d = const. a załączanymi jedynie
zmniejszającymi rezystancję obwodu wirnika. Natomiast na
układzie w przypadku hamowania „sterowanego” w trakcie
stałego regulowana jest nadrzędnym regulatorem prędkości.
a)
hamowania ze stałą
kolejnymi stycznikami
rys. 12.b. przebiegi w
którego wartość prądu
b)
I d∗ ; M s∗ ;ω ∗ ;Ψ m∗
Ψ m∗ = 1
I d∗ ; M s∗ ; ω ∗ ;Ψ m∗
Ψ
∗
I d∗
m
I d∗ = 1
ω∗
ω∗ = 1
Ψ m∗ = 1
ω∗ = 1
M s∗
M s∗ = −1
M s∗ = −1
Ψ m∗
I d∗
I d∗ = 1
ω∗
M s∗
t[s ]
t[s ]
0
10
20
0
10
20
Rys.12. Przebiegi w układzie a) hamowanie niesterowane, b) hamowanie sterowane.
Fig.12. The system transients of a) non-controlled braking b) controlled braking
Zastosowanie opisanego układu pozwoliło całkowicie wyeliminować z działania
hamulce mechaniczne. Po wykonaniu kilku tysięcy hamowań nie nosiły one śladów
zużycia.
8. ZGRZEWARKA FALOWNIKOWA Z KOMPENSACJĄ UDAROWEGO
POBORU MOCY CZYNNEJ
Zgrzewanie oporowe (rezystancyjne) jest jednym z podstawowych sposobów
spajania metali. W procesie zgrzewania trwałe połączenie uzyskuje się w wyniku
nagrzania obszaru styku elementów łączonych za pomocą przepływającego prądu
elektrycznego, a następnie odkształcenie plastyczne obszaru zgrzewania odpowiednią
siłą nacisku. Zgrzewanie oporowe znalazło powszechne zastosowanie w różnych
gałęziach przemysłu (głównie samochodowym), budownictwie, sprzęcie
gospodarstwa domowego, w produkcji podzespołów elektronicznych oraz elementów
lotniczych i kosmicznych. Rosnące wymagania dotyczące zwiększania wydajności i
jakości zgrzewania oporowego powodują znaczny wzrost zainteresowania
urządzeniami pracującymi z wewnętrzną przemianą częstotliwości. W zgrzewarkach
takiego typu energia elektryczna prądu trójfazowego o częstotliwości 50 Hz
przekształcana jest w prostowniku niesterowanym w prąd stały, a następnie za pomocą
16
jednofazowego tranzystorowego falownika napięcia w napięcie przemienne o
wysokiej częstotliwości (od 1 kHz do 10 kHz). Schemat obwodu mocy
falownikowego układu zgrzewarki przedstawiono na rys.13.
6 × D1
iF
L0
L1
D0
iS
T0
T3
T1
C0
C1
L2
ud
L3
T4
iL 0
iL 0
Ud
ud
i1 T 2
u1
iF
TR
Sterownik
zgrzewarki
i1 REF
iz
R z (T )
T1
T2
T3
T4
Rys.13. Odwód mocy zgrzewarki falownikowej
Fig.13. The power circuit of the converter welder
W skład układu mocy wchodzą: prostownik diodowy 6 × D1 , wejściowy
przekształtnik podwyższający napięcie L0, T 0, D0 , kondensator filtra C 0 , falownik
tranzystorowy T 1 − T 4 , kondensator wyjściowy C1 , transformator zgrzewarki TR ,
elektrody ze zgrzewanymi elementami i ich rezystancją Rz (T ) . Do sterowania
przekształtnikami służą regulatory napięcia obwodu pośredniczącego U d , oraz
regulator prądu pierwotnego transformatora zgrzewarki i1 . Schemat strukturalny
transformatora zasilanego napięciem u1 wraz ze zgrzeiną przedstawiono na rys. 14.
transformator zgrzewarki
u1
1 R1
T1p + 1
i1
1
Cμ p
1
Rμ
zgrzeina
P2
1
L2 p
Ko
To p + 1
i2'
R z (T )
T
R z (T )
1
Lμ p
Rys.14. Struktura transformatora zgrzewarki
Fig.14. The structure of the transformer of the welder
17
Do sterowania podwyższającym przekształtnikiem wejściowym zastosowano układ
z histerezowym regulatorem napięcia pracujący w trybie ślizgowym. Celem układu
jest utrzymywanie chwilowej wartości napięcia kondensatora filtra na poziomie
większym od maksymalnej wartości zasilającego napięcia międzyfazowego. Obwód
regulacji przekształtnika wejściowego jest obiektem drugiego rzędu ze zmiennymi
parametrami i głównym zewnętrznym zakłóceniem sygnałowym w postaci prądu
pobieranego przez falownik iF ≡ f (rys.15). W takim przypadku prąd i L1 płynący
przez dławik L0 i prąd sieci zasilającej is określony jest tylko sposobem sterowania
przekształtnikiem wejściowym T 0, D 0 . Natomiast wahania napięcia kondensatora
spowodowane impulsowym poborem mocy przez falownik zgrzewarki filtra, oraz
zmiany parametrów obwodu obciążenia (głównie rezystancji Rz (T ) ) są w układzie
pracującym w trybie ślizgowym praktycznie kompensowane.
f ≡ iF
U d REF
k e sgnσ
u
b
p + a1p + a 0
Ud
2
Rys.15. Schemat strukturalny układu sterowania zgrzewarką
Fig.15. The block diagram of the welder control system
9. UKŁAD STEROWANIA SYNCHRONICZNYM GENERATOREM
TRAKCYJNYM LOKOMOTYWY SPALINOWO - ELEKTRYCZNEJ
Lokomotywy spalinowo – elektryczne stanowią podstawową grupę lokomotyw
użytkowanych na liniach kolejowych szczególnie niezelektryfikowanych oraz w pracy
przetokowej. Układ regulacji przeznaczony jest do sterowania pracą i formowania
charakterystyk trakcyjnych synchronicznego generatora trakcyjnego LSG − 1200
modernizowanej lokomotywy spalinowo – elektrycznej S − 200 . Uproszczony
schemat funkcjonalny układu sterowania przedstawiono na rys. 16.
18
generator synchroniczny
+ wzbudnica
bezszczotkowa
silnik Diesla z
układem
sterowania
obwody mocy elektrycznego układu napędowego
Id
Ud
Wz
M5
PP 2
M6
M4
SΦ 1 SΦ 2
SΦ 1
RΦ 1 RΦ 2
RΦ 1 RΦ 2
Ud
U0
RΔP
M2
M3
UW
SΦ 1 SΦ 2
SΦ 2
RΦ 1
RΦ 2
9D
ω REF
Δ PREF
PP1
tranzystorowy
sterownik
impulsowy
IT 1 IT 2
SΦ 1
SΦ 2
regulator
ślizgowy
ΔU d ,REF N1
t
ΔU d ,REF
max
Ud
RU
Ud
regulatory podstawowych
parametrów napędu
IT 3
RI
Id
RP
Pd
ω REF
Id
I d ,REF
Pd
Ud
Id
PP 2
N2
U d , REF
Pd ,REF
PP1
N3
ωG
nastawnik
if
S3
IT 3
UW
USD
POPT
S2
IT 2
M1
GS
SD
PREF
S1
IT1
6D
ωG u
f
fG
Rys. 16. Schemat funkcjonalny układu sterowania lokomotywą
Fig.16. The functional diagram of the engine control system
W skład układu mocy wchodzą: silniki szeregowe silniki trakcyjne M 1 − M 6
połączone po dwa szeregowo w napędzie każdego wózka, rezystory osłabienia pola
silników RΦ 1 , RΦ 2 sterowane stycznikami osłabienia pola SΦ 1 , SΦ 2 , synchroniczny
generator trakcyjny z układem bezszczotkowej wzbudnicy oraz z wirującym
prostownikiem diodowym, diodowy prostownik mocy napięcia generatora 6 D .
Generator synchroniczny napędzany jest wysokoobrotowym silnikiem Diesla o mocy
1MW.
Prąd sterujący i f prądnicy synchronicznej regulowany jest impulsowym,
dwukwadrantowym przekształtnikiem tranzystorowym (rys.17). Zastosowanie
przekształtnika dwukwadrantowego pozwala rewersować chwilową wartość napięcia
19
sterującego a tym samym osiągnąć wysoką dynamikę zmian prądu wzbudzenia.
Przekształtnik wzbudzenia zasilany jest z baterii akumulatorowej o napięciu110V.
Do sterowania reżimami pracy generatora
LS
służy zespół regulatorów. Wewnętrzne obwody
T1
D2
stanowią regulatory prądu sterującego i f i
Dr.1
nieliniowy regulator napięcia obwodu prądu
CF
T2
stałego U d pracujący w trybie ruchu
D1 i f
Dr.2
LS
ślizgowego.
Zastosowanie
nieliniowego
regulatora ze ślizgowym trybem pracy pozwala
na pasywną adaptację układu regulacji napięcia
Rys.17. Przekształtnik obwodu
wzbudzenia
konieczną ze względu na duże zmiany
parametrów obiektu regulacji (generatora Fig.17. The converter excitation circuit
synchronicznego i bezszczotkowej wzbudnicy)
w trakcie pracy ze zmienną prędkością kątową i nieliniowym obciążeniem
prostownikiem. Nadrzędne regulatory: mocy RP , napięcia RU i prądu RI formują
wymagane warunkami eksploatacji pojazdu charakterystyki trakcyjne (nieliniowe
bloki zadajników N 2, N 3 ). W celu przejścia do pracy silników trakcyjnych z
osłabionym strumieniem oraz likwidacji poślizgów osi lokomotywy służy odpowiedni
blok sterowania napięciem i prądami generatorów w stanach nieustalonych
powstających podczas procesu likwidacji poślizgu i osłabienia pola. Po zakończeniu
tego stanu układ sterowania przechodzi do normalnego reżimu stabilizacji mocy. W
trakcie pracy lokomotywy nastawnikiem jazdy ustawiana jest na poszczególnych
stopniach zadana wartość prędkości silnika spalinowego SD (i generatora trakcyjnego
GS ) ωREF . Na podstawie tej prędkości zadawana jest wartość mocy przeznaczonej na
potrzeby trakcyjne Pd , REF . W zależności od warunków otoczenia (temperatura,
ciśnienie, wilgotność) oraz obciążenia silnika spalinowego dodatkowymi
urządzeniami (prądnice pomocnicze, sprężarka powietrza, itp.) układ sterowania
silnikiem spalinowym generuje sygnał optymalnego obciążenia POPT określający
wartość obciążenia całkowitego przy którym występuje maksymalna sprawność
silnika spalinowego. Sygnał ten koryguje wartość zadaną mocy przeznaczonej na cele
trakcyjne, utrzymując w stanach pracy ustalonej sumaryczną wartość mocy obciążenia
silnika spalinowego na poziomie optymalnym.
10. FALOWNIKOWE UKŁADY ZASILANIA ZE STEROWANIEM
ŚLIZGOWYM
Zastosowanie
nowoczesnych
przyrządów
półprzewodnikowych
mocy
pozwalających na pracę z dużymi częstotliwościami modulacji spowodowało szybki
20
rozwój urządzeń energoelektronicznych bazujących na strukturze autonomicznych
falowników napięcia z modulacją szerokości impulsów – PWM. Falowniki takiego
typu są powszechnie stosowane w układach napędowych prądu przemiennego,
źródłach zasilania bezprzerwowego (UPS), filtrach aktywnych i wzmacniaczach
mocy. Znalazły one również zastosowanie w autonomicznych źródłach zasilania
sinusoidalnym napięciem przemiennym odbiorników zarówno o liniowym jak i
nieliniowym charakterze. Zasilanie przekształtnika w takim przypadku odbywa się
najczęściej ze „słabej” sieci prądu stałego. Na rys.18 przedstawiono układ
jednofazowego falownika napięcia o mocy 5kVA z filtrem wyjściowym sterowany
regulatorem pracującym w trybie pracy ślizgowej. Falownik został opracowany do
zasilania napięciem przemiennym o częstotliwości 50Hz urządzeń pomocniczych
pojazdów trakcyjnych.
id 1
iF
T3
T1
i0
LF 2
Ld 1
Rd 1
u1
Cd 1
CF
E1
T2
K2
Cd 0
Rd 0
R0
LF 2
iF
i CF
I
T1
T2
T3
T4
L0
i CF
TR
T4
2 × T1
u0
LF1
4× D
LF
K3
c
e1
e2
obciążenie
1
CF
K1
u0
ωU Z∗
cos ωt
U Z∗ sin ωt
U Z∗
ω
Rys. 18. Falownik ze sterowaniem ślizgowym
Fig. 18. The sliding-mode control converter
Układ falownika zasilany jest z baterii akumulatorów pokładowych o napięciu
znamionowym równym 110V, które ze względu na ograniczoną moc i podłączanie
odbiorników o dużych wartościach prądów rozruchowych (sprężarki, pompy, układy
rozruchu silnika spalinowego i.t.p.), podlega bardzo silnym wahaniom. Zastosowanie
ślizgowego trybu pracy powoduje, że układ regulacji chwilowej wartości napięcia
wyjściowego falownika zapewnia: dokładne śledzenie chwilowej wartości napięcia
wyjściowego, praktyczną inwariantność układu na zakłócenia parametryczne, bardzo
dobre tłumienie zakłóceń ze strony obciążenia o nieliniowym charakterze. Nadrzędne
regulatory chwilowej (lub skutecznej) wartości napięcia wyjściowego pracują w
liniowym zakresie pracy zapewniając odpowiednie parametry statyczne układu
regulacji.
21
Przebiegi w układzie dla skokowej zmiany sygnału zadającego przedstawiono na
rys.19. Natomiast na rys.19. przedstawiono przebiegi w obwodzie filtra wyjściowego
dla sinusoidalnego sygnału zadającego.
a)
uz
b)
1
; u0 ; V
ku
uz
200
100
uZ
200
u0
u0
100
uZ
0
0
−100
1
; u0 ; V
ku
−100
2 ms
−200
2 ms
−200
t
t
Rys.19. Przebiegi w obwodzie wyjściowym falownika a) dla skokowych zmian sygnału zadającego, b)
dla sinusoidalnego sygnału zadającego.
Fig.19. The transients in converter output circuit a) for jump changes of the reference signal b) for
sinusoidal reference signal
Przeprowadzona analiza i badania jednofazowego falownika z modulacją
szerokości impulsów pracującego w trybie ruchu ślizgowego pozwoliły potwierdzić
następujące oczekiwane parametry: układ posiada doskonałe właściwości dynamiczne
dla sygnałów zadających odtwarzając je bezinercyjnie, zakłócenia ze strony
nieliniowego obciążenia likwidowane są w sposób praktycznie „czasooptymalny” po
wejściu układu sterowania w nieliniowy tryb pracy, wprowadzenie sterowania
ślizgowego pozwoliło całkowicie zlikwidować niekorzystne zjawiska rezonansowe w
obwodzie filtra wyjściowego i zlikwidować wpływ wahań napięcia zasilania prądu
stałego, nadrzędny ciągły układ regulacji napięcia wyjściowego pozwala na poprawną
pracę układu ze sterowaniem ślizgowym bez potrzeby wyznaczania pochodnej
sygnału zadającego. Opracowana została również trójfazowa wersja falownika
zasilającego urządzenia pomocnicze pracująca w trybie ślizgowym.
11. FALOWNIK DO BADAŃ IZOLACJI ZWOJOWEJ
Urządzenie do badań wytrzymałości dielektrycznej izolacji międzyzwojowej
wykorzystywane jest do badań wytrzymałości izolacji poddanej działaniu wysokiego
napięcia i wysokiej częstotliwości. Urządzenia wytwarza na wyjściu impulsy o
przebiegu prostokątnym i regulowanej częstotliwości w zakresie 2 − 30kHz oraz
wartości napięcia wyjściowego do U 2 = 3kV . Wyjściowe napięcie o kształcie
22
prostokątnym podawane jest wysokonapięciowymi przewodami na skrętkę
przewodów pokrytych badaną izolacją. i umieszczonych najczęściej w piecu
laboratoryjnym w którym utrzymywana jest odpowiednia wartość temperatury.
Badania prowadzone są najczęściej do momentu wystąpienia przebicia izolacji co
wykrywane jest pomiarem prądu wyjściowego urządzenia rejestrowany jest również
czas do momentu wystąpienia przebicia izolacji. Schemat funkcjonalny urządzenia
przedstawiono na rys. 20.
L1 L 2 L3
C1
Falownik 1
R1
u F1
skrętka
przewodów
TR1
C2
u2
Falownik 2
TR 2
uF 2
i2
Rys.20. Schemat funkcjonalny urządzenia
Fig.20. The block diagram of the machine
W skład urządzenia wchodzą dwa identyczne falowniki zasilane ze wspólnej sieci
prądu przemiennego i połączone szeregowo na wyjściu. Do wspólnego wyjścia
dołączone są poprzez pasywny (filtr ) R1, C1, C 2 o charakterze różniczkującym
pierwotne uzwojenia transformatorów podwyższających napięcie ( TR1, TR 2 ).
Wyjściowe napięcia transformatorów połączone są szeregowo i wyprowadzone do
badanej skrętki przewodów.
TR
T 1.1
6 × D1
T1
T3
L1
L2
L3
C0
LF
uF
CF
T 1 .2
T4
T2
Rys.21. Schemat układu falownika.
Fig.21. The block diagram of the converter
Schemat układu pojedynczego falownika przedstawiono na rys.21. Falownik
zasilany jest z sieci prądu przemiennego poprzez transformator separacyjny TR i
prostownik niesterowany 6 × D1 . Do regulacji napięcia w obwodzie prądu stałego
służy dwukwadrantowy przekształtnik impulsowy T 1.1, T 1.2 zasilający filtr LF , CF .
23
Zastosowanie dwukwadrantowego przekształtnika pozwoliło uniknąć pracy w stanie
prądów przerywanych filtra i zapewnić liniowość sterowania napięciem kondensatora
filtra w zakresie bardzo małych prądów obciążenia.
LITERATURA
[1] PAWLACZYK L., Częstotliwościowe sterowanie silników indukcyjnych dołowych lokomotyw
kopalnianych, Rozprawa doktorska, Raport Inst. Masz. i Napęd. Elektr. PWroc. Ser. PRE nr7, 1990
Wrocław.
[2] PAWLACZYK L., DUDZIKOWSKI I., Analiza porównawcza układów napędowych o różnych
strukturach sterowania do pralek automatycznych, Raport Inst. Masz. i Napęd. Elektr. PWroc. Ser.
SPR nr31, 1996 Wrocław.
[3] AZAREWICZ S., KARWIZE W., NESSEL H., PAWLACZYK L., WOJTCZAK.P, Opracowanie i
wdrożenie nastawników nastawników tyrystorowych w lokomotywach kopalnianych, Raport Inst. Ukł.
Elektromasz. PWroc. Ser. SPR nr7, 1982 Wrocław.
[4] GÓRNICKA B., GÓRECKI L., PAWLACZYK L., Wyniki badań laboratoryjnych przekształtnika do
badań izolacji międzyzwojowej, Raport Inst. Masz. i Napęd. Elektr. PWroc. Ser. SPR nr 99, 1999
Wrocław.
[5] PAWLACZYK L., Elektryczny układ napędowy bębna wozu kablowego, Mech. Autom. Gór. 2005 nr
7 s. 86-91.
W pracach udział brali: S. Azarewicz, I. Dudzikowski, B. Górnicka, L. Górecki, P. Karwize, W. Karwize,
W. Kędzior, H. Nessel, M. Sekula, P. Wojtczak, A. Zalas, Z. Załoga.
POWER CONVERTERS IN INDUSTRIAL APPLICATION
The selected power electronic devices designed and made in Institute of Electrical Machines Drives
and Measurements and applied in commercial consumers through many years are presented. The
chronological time-table of particular applications is shown. The breakdown includes the electrical drives
and others power electronic systems. The simplified diagrams of main circuits and basic data pertaining
to control methods of power converters and whole technological processes are presented.
24