Napędy energoelektroniczne
prądu stałego
1
K. Gierlotka
1
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Xs
L1
L2
Ed
L3
M
N
K. Gierlotka
2
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Praca prostownikowa
PT
Id
Xs
~
U
EM
Ed
Rg
Lg
_
Praca falownikowa
Ed = Ed 0 cosÄ…
q Ä„
Ed 0 = 2U sin
Ä„ q
Ä…"<0,Ä„/2> Ô! Ed>0  praca prostownikowa
Ä…"<Ä„/2,Ä„> Ô! Ed<0  praca falownikowa
K. Gierlotka
3
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Praca prostownikowa PT  praca silnikowa napędu
PT
Id
M
~
U
EM
Ed
L Rg
g
_
P
P
e
s
Praca falownikowa PT  hamowanie odzyskowe napędu
K. Gierlotka
4
P
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Komutacyjne spadki napięcia
q
"Uk = X Id
s
2Ä„
Przewodzenie przerywane prostownika tyrystorowego
K. Gierlotka
5
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Charakterystyki mechaniczne silnika obcowzbudnego zasilanego z PT
Ńw
q (ux (Ń) - EM )dŃ
Id =
+"
2Ä„ Rg
Ńz
Ńw
q
Id = ( 2U sinŃ - kÕÉ)dŃ
+"
2ĄRg Ńz
2Uq kÕÉ
ëÅ‚
Id = (cosŃz - cosŃw)- (Ńw -Ńz )öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
2Ä„Rg 2U
íÅ‚ Å‚Å‚
(cosÄ… - cosÄ…w) 2Ä„
z
2U - Id Rg
Ńw -Ńz q(Ńw -Ńz )
É =
kÕ
K. Gierlotka
6
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Charakterystyki mechaniczne silnika obcowzbudnego zasilanego z PT
(cosŃz - cosŃw) 2Ą
2U - Id Rg
Ńw -Ńz q(Ńw -Ńz )
É =
kÕ
Przewodzenie ciągłe
q
2Ä„
Rz = Rg + X Id
Ńw = Ńz +
s
2Ä„
q
ëÅ‚ öÅ‚
ëÅ‚ 2Ä„ öÅ‚÷Å‚
ìÅ‚
ìÅ‚cosŃz - cosìłŃz + q ÷Å‚÷Å‚q
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
2U - Id Rz
2Ä„
É =
kÕ
ëÅ‚Ä„ Ä„ öÅ‚
Ńz = Ä… + Å‚ = Ä… + ìÅ‚ - ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
2 q
íÅ‚ Å‚Å‚
Ed 0 cosÄ… - Id Rz Ed 0 cosÄ… MRz
q Ä„
É = = -
Ed 0 = 2U sin
Ed = Ed 0 cosÄ…
kÕ kÕ
Ä„ q
(kÕ)2
K. Gierlotka
7
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Charakterystyki mechaniczne silnika obcowzbudnego zasilanego z PT
Przewodzenie ciągłe
Ed 0 cosÄ… - Id Rz Ed 0 cosÄ… MRz
É = = -
kÕ kÕ
(kÕ)2
q
q Ä„
Rz = Rg + X
k
Ed 0 = 2U sin
2Ä„
Ä„ q
Przewodzenie przerywane
(cosŃz - cosŃw) 2Ą
2U - Id Rg
Ńw -Ńz q(Ńw -Ńz )
É =
kÕ
ed max (Ä…) - "U
z
É0 =
kÕ
Ä„
Ä… " 0,
ed max = 2U
dla
q
ëÅ‚ Ä„ Ä„ öÅ‚
Ä„
ed max = 2U sinìÅ‚Ä… + - ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
dla Ä… >
2 q
íÅ‚ Å‚Å‚
q
K. Gierlotka
8
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Charakterystyki mechaniczne silnika obcowzbudnego zasilanego z PT
Granica między przewodzeniem ciągłym a przerywanym
Ä„ Ä„
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
2
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
ëÅ‚ öÅ‚
2U kÕÉ
ìÅ‚1- q ÷Å‚sinÄ… = 2U ìÅ‚1- q ÷Å‚
Igr = 1- ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
ÉLg tan Ä„ ÉLg tan Ä„ Ed
íÅ‚ 0 Å‚Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
q q
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
K. Gierlotka
9
Rewersja momentu silnika zasilanego z
prostownika tyrystorowego
Id
Metody rewersji momentu
L1
- M = kÕ(- Id ) - rewersja w obwodzie wirnika
Ed
M
L2
L3
1.1. Układ z przełącznikiem kierunku prądu wirnika
1.2. Układ z prostownikiem nawrotnym
- M = k(-Õ)Id - rewersja w obwodzie wzbudzenia
2.1. Układ z przełącznikiem kierunku prądu wzbudzenia
1.2. Układ z prostownikiem nawrotnym w obwodzie
wzbudzenia
K. Gierlotka
15
Rewersja momentu silnika zasilanego
z prostownika tyrystorowego
1.2. Układ z przełącznikiem kierunku prądu wirnika
IdPT a
a b
b
t
Id
t
M
a
b
min
max
t
2 1
1 tn
4
2
3
M
tn od 100 do 300 ms
Id
3
2
4
1
min
max
< < < ....
K. Gierlotka
min 1 2 16
Rewersja momentu silnika zasilanego z
prostownika tyrystorowego
1.2.a. Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika tyrystorowego nawrotnego
o sterowaniu rozdzielonym
PT1
IPT1
min
max
+
2 1
1
4
-
Id
2
3
M
PT2 M
+ Id
3
2
IPT2
-
4
1
min
max
< < < ....
min 1 2
tbl - kilka milisekund
tn  od kilkunastu do kilkudziesięciu milisekund
K. Gierlotka
17
Rewersja momentu silnika zasilanego z
prostownika tyrystorowego
2. Rewersja momentu w obwodzie wzbudzenia
2.1. Układ z przełącznikiem 2.2. Układ z prostownikiem
kierunku prÄ…du nawrotnym w
wzbudzenia obwodzie wzbudzenia
PT
Id
M
Iw
PTW1 PTW2
IPW1
IPW2
K. Gierlotka
19
Rewersja momentu silnika zasilanego z
prostownika tyrystorowego
2. Rewersja momentu w obwodzie wzbudzenia.
PT
2 1
Id
M
Iw
PTW1 PTW2
IPW1
IPW2
tn  od kilkuset milisekund
(forsowanie wzbudzenia)
K. Gierlotka
20
Silnik obcowzbudny zasilany z prostownika
tyrystorowego
Zalety napędu z silnikiem obcowzbudnym zasilanym z prostownika tyrystorowego
- wysoka sprawność napędu wynikająca z wysokiej sprawności przekształtnika tyrystorowego,
- mo\
liwość płynnego sterowania prędkości silnika w szerokim zakresie jej zmian,
- dobre właściwości dynamiczne napędu,
- mo\
liwość hamowania ze zwrotem energii do sieci zasilającej,
- mo\
liwość pracy rewersji momentu i prędkości w układach nawrotnych.
Wady napędu z silnikiem obcowzbudnym zasilanym z prostownika tyrystorowego
- pobór z sieci zasilającej prądu niesinusoidalnego,
- niski współczynnik mocy,
- du\
e koszty inwestycyjne (silnik DC),
- problemy eksploatacyjne (komutator)
K. Gierlotka
21
Silnik obcowzbudny zasilany z przekształtnika
tranzystorowego
Przekształtnik tranzystorowy jednokwadrantowy
tz tz
Ed = Uc = Uc = Uc
tz + to Ti
Uc - Id Rg Uc MRg
É = = -
kĆ kĆ
(kĆ)2
K. Gierlotka
22
Silnik obcowzbudny zasilany z przekształtnika
tranzystorowego
Przekształtnik tranzystorowy czterokwadrantowy
t1 - t2 t1 - t2
Ed = Uc = Uc = Uc
t1 + t2 Ti
Uc - Id Rg Uc MRg
É = = -
kĆ kĆ
(kĆ)2
K. Gierlotka
23
Silnik obcowzbudny zasilany z przekształtnika
tranzystorowego
Przekształtnik tranzystorowy czterokwadrantowy
t1 - t2 t1 - t2
Ed = Uc = Uc = Uc
t1 + t2 Ti
Uc - Id Rg Uc MRg
É = = -
kĆ kĆ
(kĆ)2
1
2
Mh
1a
K. Gierlotka
24
Silnik obcowzbudny zasilany z przekształtnika
tranzystorowego
Zalety napędu z przekształtnikiem tranzystorowym w porównaniu do napędu
z prostownikiem tyrystorowym
- większa częstotliwość przełączania zaworów i wynikające z tego lepsze
właściwości dynamiczne,
- prostsza struktura napędu czterokwadrantowego, brak czasu blokady przy
rewersji momentu silnika, co znacznie poprawia dynamikę napędu z
przekształtnikiem tranzystorowym w porównaniu do prostownika tyrystorowego
nawrotnego o sterowaniu rozdzielonym
Wady napędu z przekształtnikiem tranzystorowym w porównaniu do napędu
z prostownikiem tyrystorowym
- brak mo\
liwości zwrotu energii do sieci zasilającej w przypadku układu z
prostownikiem diodowym na wejściu,
- obydwa układy cechują się poborem z sieci prądu odkształconego
(niesinusoidalnego)
K. Gierlotka
25
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Przekształtnik energoelektroniczny jako wzmacniacz mocy
Wzmocnienie przekształtnika
d(Ed )
kPT =
dUs
1. Prostownik tyrystorowy
Ed = Ed 0 cosÄ… = Ed 0 cos( f (Us ))
a) sterowanie liniowe Ä…=f(Us)
Ä… = c1 - c2Us
2. Przekształtnik tranzystorowy
kPT = c2Ed 0 sinÄ…
Ed =Uc
kPT = f (Ä… ) - wzmacniacz nieliniowy
 = c1 + c2Us
b) sterowanie nieliniowe Ä…=f(Us)
kPT = c2Uc
Ä… = arccos(c3Us + c4)
kPT = const. - wzmacniacz liniowy
kPT = c3Ed 0
kPT = const. - wzmacniacz liniowy
K. Gierlotka
29
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Przekształtnik energoelektroniczny jako wzmacniacz mocy
Model dynamiczny przekształtnika
1. Przekształtnik tyrystorowy
Ts 1
Ä0 = =
2q 2qfs
Typ 1-fazowy 3-fazowy 3-fazowy 12-
prostownika mostkowy zerowy mostkowy pulsowy
Model przekształtnik jako wzmacniacza
z opóz
nieniem
q 2 3 6 12
Ed (s)
Ä0 [ms] 5,0 3,33 1,67 0,84
GPT (s) = = kPT e-sÄ0
Us (s)
2. Przekształtnik tranzystorowy
Ä0  wartość najbardziej prawdopodobna
Ti 1
(średnia) czasu opóz
nienia przekształtnika
Ä0 = =
2 2 fi
K. Gierlotka
30
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Przekształtnik energoelektroniczny jako wzmacniacz mocy
Model dynamiczny przekształtnika
Model przekształtnik jako wzmacniacza
z opóz
nieniem
Ed (s)
GPT (s) = = kPT e-sÄ0
Us (s)
Model przekształtnik jako wzmacniacza
z inercjÄ…
kPT kPT
GPT (s) = kPT e-sÄ0 = =
esÄ0 sÄ0 (sÄ0)2 +L
1+ +
1! 2!
Ed (s) kPT
GPT (s) = =
Us (s) 1+ sÄ0
K. Gierlotka
31
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Schemat blokowy napędu dla przewodzenia ciągłego
Dla prostownika tyrystorowego
q Lg
Rz = Rg + X
Tg =
s
2Ä„
Rz
JRz
Tm =
(kÕ)2
Dla przekształtnika tranzystorowego
Rz = Rg
K. Gierlotka
32
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Właściwości dynamiczne napędu w zakresie przewodzenia przerywanego
Załączenie PT przy przewodzeniu ciągłym
Załączenie PT przy przewodzeniu przerywanym
K. Gierlotka
33
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Właściwości dynamiczne napędu w zakresie przewodzenia przerywanego
dÉ
Ro(Éx, Idy ) = -kÕ
É=Éx
dId
Id =Idy
JRo
Tmo =
(kÕ)2
K. Gierlotka
34
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Wnioski
Przy przejściu z przewodzenia ciągłego do
przerywanego zmienia siÄ™ transmitancja
silnika (obiektu regulacji):
" znika elektromagnetyczna stała czasowa,
" rezystancja Ro w schemacie blokowym
zale\
y od punktu pracy napędu.
Silnik DC zasilany z prostownika
tyrystorowego jest więc obiektem regulacji
silnie nieliniowym.
K. Gierlotka
35
Właściwości dynamiczne napędu z silnikiem DC zasilanym
z przekształtnika energoelektronicznego
Metody ograniczania wpływu nieliniowości
związanej z wejściem w obszar
przewodzenia przerywanego:
1. niedopuszczanie do wejścia silnika w
zakres przewodzenia przerywanego
" dobór indukcyjności dodatkowego
dławika, tak by napęd nie wchodził
w zakres przewodzenia
przerywanego: M(Igr)" osÅ‚abianie strumienia Õ przy
bardzo małej wartości momentu
rozwijanego przez silnik, tak by
I(M,Õ)>Igr
2. zastosowanie adaptacyjnego
regulatora prÄ…du silnika
K. Gierlotka
36