Leszek PAWLACZYK - Politechnika Wrocławska
Transkrypt
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