Laboratorium Elektrokonstrukcji Pojazdów Trakcji Elektrycznej

Temat:

Badanie przekształtnika zasilającego silnik szeregowy

w pojazdach trakcyjnych.

Zakład Trakcji Elektrycznej

IME PW 2013

1

1.

Wprowadzenie

Jednym z zasadniczych powodów stosowania tyrystorowych przekształtników DC/DC w

układach napędowych pojazdów były możliwości stosowania bezoporowej regulacji napięcia

zasilającego silniki, co, poza znacznym uproszczeniem struktury obwodów głównych

pojazdów trakcyjnych pozwalało na zmniejszenie strat rozruchowych. Stosowanie tego typu

układów umożliwia ponadto na istotne polepszenie własności regulacyjnych układu

napędowego. Klasyczne rozwiązanie układu zasilania maszyny prądu stałego z

wykorzystaniem przerywacza prądu stałego wykorzystywanego do regulacji napięcia

zasilającego silnik prądu stałego, można przedstawić w postaci jak na rys. 1. Elementem

regulującym napięcie zasilające silnik jest przerywacz prądu stałego PPS. Przy zasilaniu z

sieci trakcyjnej na wejściu układu znajduje się dolnoprzepustowy filtr LC. Podstawowe

rozwiązanie układu przerywacza z komutacją pojemnościową, jest pokazane na rys 2.

Parametry filtru dobierane są zwykle na podstawie dopuszczalnych tętnień napięcia na

wejściu układu przekształtnika i dopuszczalnych tętnień prądu w linii zasilającej. Parametry

przekształtnika dobierane są na podstawie zakładanych maksymalnych wartości prądu

obciążenia i napięcia zasilającego. Pojemność komutacyjna jest wyznaczana na podstawie

znanych, lub zakładanych wartości czasów wyłączania tyrystorów i minimalnej wartości

napięcia zasilającego.

L

F

C

F

D

0

R

s

L

s

E

s

PPS

I

F

I

s

I

s

I

0

I

s

Rys. 1.Schemat zastępczy obwodu głównego pojazdu trakcyjnego z silnikiem szeregowym.

2

Zmiany prądu wejściowego

i

t

we

( ) i wyj

ś

ciowego i

t

wy

( ) a tak

ż

e napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

u

t

wy

( ) i wej

ś

ciowego u

t

we

( ) s

ą

zale

ż

ne s

ą

od wypełnienia impulsów doprowadzanych do

odbiornika,

wielko

ś

ci

pojemno

ś

ci

komutacyjnej,

indukcyjno

ś

ci

układu,

siły

elektromotorycznej indukowanej w silniku oraz parametrów filtru wej

ś

ciowego o parametrach

zale

ż

nych od zakładanych lub dopuszczalnych t

ę

tnie

ń

napi

ę

cia i pr

ą

du wej

ś

ciowego układu.

W czasie, gdy ł

ą

cznik PPS jest zamkni

ę

ty (przewodzi pr

ą

d), na silniku szeregowym (

obci

ąż

eniu) wyst

ę

puje napi

ę

cie w przybli

ż

eniu równe napi

ę

ciu zasilania U

z

( oprócz chwili

wyst

ę

powania procesu komutacji). Po wył

ą

czeniu ł

ą

cznika PPS ( ł

ą

cznik otwarty-nie

przewodzi pr

ą

du) napi

ę

cie odbiornika jest równe zeru ( dla obci

ąż

enia indukcyjnego, kiedy

jest dioda zwrotna D

o

i zamyka si

ę

przez ni

ą

pr

ą

d obci

ąż

enia napi

ę

cie odbiornika jest równe

napi

ę

ciu przewodzenia diody). Silnik szeregowy jest odbiornikiem o charakterze

rezystancyjno-indukcyjnym, to dla unikni

ę

cia przepi

ę

cia przy przerywaniu pr

ą

du nale

ż

y

zastosowa

ć

diod

ę

rozładowcz

ą

D

o

. Dioda ta w przedziale czasu, gdy ł

ą

cznik znajduje si

ę

w

stanie blokowania, przewodzi pr

ą

d silnika płyn

ą

cy pod wpływem energii elektromagnetycznej

zgromadzonej w silniku. Napi

ę

cie

ś

rednie odbiornika, zasilanego przez cykliczne zał

ą

czany i

wył

ą

czany ł

ą

cznik - przerywacz pr

ą

du stałego (czoper) - jest proporcjonalne do napi

ę

cia

ź

ródła zasilaj

ą

cego i do wzgl

ę

dnego czasu przewodzenia pr

ą

du przez ł

ą

cznik.

U

o

=U

z

*(t

p

/T) (1)

gdzie: U

o

- warto

ść

ś

rednia napi

ę

cia na odbiorniku, T- okres przebiegu impulsowego napi

ę

cia

odbiornika, t

p

-czas przewodzenia pr

ą

du przez ł

ą

cznik w jednym cyklu pracy ł

ą

cznika.

Zmieniaj

ą

c warto

ść

stosunku t

p

/T ( tzw. wypełnienie impulsu) zmienia si

ę

jednocze

ś

nie

warto

ść

ś

redni

ą

napi

ę

cia na silniku.

2.

Przerywacz tyrystorowy z szeregowym układem komutacyjnym

W układzie przerywacza tyrystorowego z szeregowym układem komutacyjnym

,

obwód komutacyjny poł

ą

czony jest szeregowo z obci

ąż

eniem. Uproszczony schemat układu

przedstawiony jest na rys 2. Prac

ę

układu wyja

ś

niaj

ą

przedstawione na rysunku 3 wykresy

przebiegów napi

ęć

i pr

ą

dów w jednym cyklu. Praca układu rozpoczyna si

ę

od wł

ą

czenia

3

tyrystora pomocniczego Ty2 (tylko przy pierwszym cyklu pracy układu gdy napięcie na

kondensatorze ma wartość zero). Następuje wówczas naładowanie kondensatora C

k

poprzez

obwód silnika do wartości napięcia źródła U

z

i biegunowości zaznaczonej na rys. 2 (bez

nawiasów). Praca układu w kolejnym cyklu odbywa się następująco: W chwili t

1

włączony

zostaje tyrystor główny Ty1. Przejmuje on prąd i

s

silnika zamykający się uprzednio w

obwodzie zwartym diodą

D

0

.

Jednocześnie z włączeniem tyrystora Ty1 następuje oscylacyjne

przeładowanie kondensatora C

k

poprzez indukcyjność L

p

i diodę D1. Przeładowanie

kondensatora C

k

do biegunowości zaznaczonej na rys. 2 (w nawiasach) odbywa się w

przedziale czasu t

1

–t

2

, który stanowi połowę okresu drgań oscylacyjnych obwodu

przeładowania. W chwili t

3

włączony zostaje tyrystor Ty2, który dzięki odpowiedniemu

ładunkowi kondensatora C

k

powoduje przyłożenie do zacisków tyrystora Ty1 napięcia o

odwrotnej biegunowości niż napięcie źródła. Prąd z tyrystora Ty1 zostaje natychmiast przejęty

przez gałąź zawierającą kondensator C

k

i tyrystor Ty2. W rezultacie w chwili t

3

zanika prąd w

tyrystorze Ty1. W dalszej części cyklu w przedziale czasu t

3

–t

5

zachodzi proces ponownego

ładowania kondensatora C

k

do wartości napięcia źródła. W przedziale czasu t

5

–t

6

prąd w

silniku utrzymuje się dzięki uprzednio zmagazynowanej w jego polu magnetycznym energii i

zamyka się w obwodzie diody D

o

. W następnych cyklach pracy procesy te powtarzają się.

Ty

1

T

y2

D

1

D

0

L

s

R

s

C

k

U

Z

U

CK

i

2

i

k

i

0

i

s

E

s

= c i

s

Ω

[+]

[-]

L

p

U

S

U

ty1

U

D1

(+)

(-)

Rys. 2. Schemat ideowy przekształtnika z szeregowym układem komutacyjnym; S — silnik,

Do — dioda bocznikująca silnik, Ty1—tyrystor główny, Ty2—tyrystor komutacyjny, D1—

dioda pomocnicza, Lp — indukcyjność przeładowcza,

C

k

— kondensator komutacyjny, Uz

— napięcie zasilające

4

2.1 Analiza zależności w idealnym przekształtniku.

Analizie poddano schemat wg rys. 2 i przebiegi wg. rys.3. W celu uproszczenia obliczeń i

wyeliminowania z nich czynników nie mających istotnego wpływu

na zależności

obowiązujące w przekształtniku, można wprowadzić następujące założenia:

–

tyrystory i diody są łącznikami idealnymi, tzn. o rezystancji równej zeru dla stanu

przewodzenia i rezystancji nieskończenie dużej dla stanu zaworowego,

–

rezystancja cewki przeładowczej R

p

= 0,

–

pulsacja prądu w silniku jest znikomo mała i pomijalna.

W przedziale czasu t

1

– t

2

mamy:

u

Ty1

= 0, u

s

= U

z

, i

Do

= 0, i

z

= I

s

, i

Ty2

= 0, u

D1

= 0.

Dla pozostałych wielkości w obwodzie obowiązują następujące równania:

.

0

dt

du

C

i

,

0

dt

di

L

u

i

I

i

Ck

k

1

D

1

D

p

Ck

1

Ty

s

1

D

=

+

=

+

=

+

(2a,b,c)

Rozwiązując równania (2) względem U

Ck

otrzymujemy

0

U

dt

u

d

Ck

2
0

2

Ck

2

=

ω

+

(3)

gdzie

k

p

0

C

L

1

=

ω

.

Równanie charakterystyczne dla zale

ż

no

ś

ci (3) ma pierwiastki

0

2

,

1

ω

j

p

±

=

.

(4)

Wida

ć

wi

ę

c,

ż

e przebieg w przedziale czasu t

1

– t

2

ma charakter oscylacyjny.

Z warunków pocz

ą

tkowych

0

)

(

2

1

=

=

t

t

Ty

i

z

t

t

Ck

U

u

=

=

)

(

1

5

wynikają rozwiązania równań (2) dla

2

1

t

t

t

≤

≤

:

(

)

1

0

p

k

z

1

D

t

t

sin

L

C

U

i

−

ω

=

,

(5)

(

)

1

0

p

k

z

s

1

Ty

t

t

sin

L

C

U

I

i

−

ω

+

=

(6)

(

)

1

0

z

Ck

t

t

sin

U

u

−

ω

=

.

(7)

Proces przeładowania kondensatora ze względu na obecność w obwodzie oscylacyjnym diody

D1 zostaje zakończony po 1/2 okresu oscylacji i wówczas dla chwili t = t

2

, prądy i

Ck

oraz i

D1

osiągają wartość równą zeru, a zatem

k

p

1

2

1

C

L

t

t

t

π

=

−

=

∆

(8)

Z równa

ń

(5) i (??/?) wynika,

ż

e w chwili t = t

2

b

ę

dzie

s

1

Ty

I

i

=

,

z

Ck

U

u

−

=

,

Warto

ś

ci i

Ty1

oraz u

Ck

pozostaj

ą

stałe do czasu t = t

3

, tj. do chwili wł

ą

czenia tyrystora Ty2.

Czas t

3

- t

1

jest to podstawowy cykl pracy układu.

Ponadto w przedziale czasu t

2

– t

3

obowi

ą

zuj

ą

nast

ę

puj

ą

ce warto

ś

ci:

u

Ty1

=0, u

s

= U

z

, i

z

= I

s

i

D0

= 0,

i

Ty2

= 0, u

Ty2

= U

z

, u

D1

= U

z

, u

D0

= U

z

.

Długo

ść

przedziału czasowego

∆

t

2

= t

3

– t

2

jest zale

ż

na od cz

ę

stotliwo

ś

ci pracy układu.

Wobec tego czas, w którym tyrystor Ty1 pozostaje w stanie przewodzenia, wynosi

2

k

p

2

1

z

t

C

L

t

t

t

∆

+

π

=

∆

+

∆

=

(9)

W nast

ę

pnym przedziale czasu

∆

t

3

= t

5

– t

3

odbywa si

ę

proces komutacji po wł

ą

czeniu

tyrystora Ty2. W przedziale tym stałe s

ą

nast

ę

puj

ą

cej wielko

ś

ci:

i

Ty1

= 0, i

D0

= 0, i

D1

= 0, i

Ty2

= I

s

,

i

z

= I

s

, u

D1

= 0.

Dla pozostałych wielko

ś

ci obowi

ą

zuje nast

ę

puj

ą

cy układ równa

ń

:

u

Ck

+ u

s

= U

z

,

U

ty1

= U

Ck

,

6

s

Ck

k

I

dt

du

C

=

(10)

Wartość napięcia kondensatora komutującego C

k

w chwili t

3

, wynosi

u

Ck

= -U

z

a w przedziale czasu t

3

– t

5

mamy

)

t

t

(

C

I

U

2

u

3

k

s

z

s

−

−

=

(11)

z

3

k

s

ck

U

)

t

t

(

C

I

u

−

−

=

(12)

W chwili t

5

u

Ck

= U

z

.

Przedział czasu

∆

t

3

, można określić z zależności (12):

s

k

z

3

5

3

I

C

U

2

t

t

t

⋅

=

−

=

∆∆∆∆

(13)

Czas t

j

, w którym tyrystor Ty1 powinien odzyskać zdolność blokowania, wynosi połowę

czasu

∆

t

3

i musi być większy od czasu wyłączania tyrystora t

q

a więc

q

s

k

z

j

t

I

C

U

t

f

=

(14)

W kolejnym przedziale czasowym

∆

t

4

= t

6

– t

5

rozpatrywane wielko

ś

ci wynosz

ą

:

i

ty1

= 0, u

Ty1

= U

z

, u

Ck

= U

z

, i

Ty2

= 0, u

Ty2

= 0, u

s

= 0, i

D0

= I

s,

u

D0

= 0,

i

z

= 0

W chwili t

6

nast

ę

puje zako

ń

czenie cyklu pracy.

Suma czterech charakterystycznych przedziałów czasu stanowi okres T:

T =

∆

t

1

+

∆

t

2

+

∆

t

3

+

∆

t

4

(15)

Na podstawie wykresów z rys. 4 mo

ż

na okre

ś

li

ć

warto

ś

ci

ś

rednie napi

ę

cia silnika i pr

ą

du

zasilania w czasie jednego cyklu:

(

)

( )

3

z

3

z

z

s

t

T

U

t

t

T

U

U

∆

≈

∆

+

=

(16)

(

)

( )

3

s

3

z

s

z

t

T

I

t

t

T

I

I

∆

≈

∆

+

=

(17)

Oprócz powy

ż

szych zale

ż

no

ś

ci nale

ż

y mie

ć

na uwadze,

ż

e w idealnym przekształtniku, który

rozpatrujemy, a w którym nic wyst

ę

puj

ą

ż

adne straty energii, obowi

ą

zuje zale

ż

no

ść

:

7

U

z

I

z

= U

s

I

s

(18)

Rys. 3. Uproszczone wykresy przebiegów napięć i prądów dla poszczególnych elementów

układu wg. Rys 2. (i

BTy1

, i

BTy2

– impulsy bramkowe tyrystorów T

y1

,T

y2

, -t

1

..t

6

– chwile

czasowe wg. objaśnień w tekście.

8

3. Przebieg ćwiczenia

TPF

Rys. 4 Schemat stanowiska laboratoryjnego

Schemat stanowiska laboratoryjnego przedstawiony jest na rys. 4. W skład stanowiska

wchodzą: 1)-układ TPF, transformator trójfazowy, prostownik mostkowy, filtr. 2)- przerywacz

tyrystorowy PT. 3)- odbiornik układ rezystorów R

o

(R1 i R2) oraz indukcyjność L

o

. 4)- układy

pomiarowo rejestrujące.

Pomiary miernikami analogowymi: U1-wartość średnia napięcia zasilania czopera. I1-wartość

ś

rednia prądu zasilania czopera. U2-wartość średnia napięcia na odbiorniku. I2-wartość

ś

rednia prądu odbiornika. W szereg z amperomierzem I2 włączony jest dodatkowo

amperomierz cyfrowy.

Rejestracja napięć dokonywana przez oscyloskop cyfrowy może być tylko realizowana z

wykorzystaniem układów hallotronowych (separacja galwaniczna oscyloskopu od masy

obiektu). Odczyty wskazań z oscyloskopu z uwagi, że pomiar odbywa się za pomocą

separatorów galwanicznych należy pomnożyć przez współczynnik skali dla pomiaru

napięcia i prądu.

Punkt 1.

Dla rezystancji obciążenia R1 i R2 dokonaj pomiarów w funkcji wypełnienia

wielkości określonych w tabeli 1 i dokonaj obliczeń wg podanych wzorów, wyniki wpisz do

tabeli 2.

9

U1-wartość średnia napięcia zasilania czopera. I1-wartość średnia prądu zasilania czopera.

U2-wartość średnia napięcia na odbiorniku. I2-wartość średnia prądu odbiornika.

Tabela 1

Lp

t

1

[ms]

t

2

[ms]

t

3

[ms]

t

4

[ms]

t

5

[ms]

t

6

[ms]

U1

[V]

I1

[A]

U2

[V]

I2

[A]

f=1/(t

6

-t

1

)

[Hz]

Obliczenia

γ

1=U2/U1 ;

γ

1

teo

=( t

3

- t

1

)/T (gdzie T=t

6

-t

1

); U

ś

r1

=U1*

γ

1

teo

Moc wejściowa P

we

= U1*I1;

P

wyj.

=U2*I2

Tabela 2

LP

γ

1

γ

1

teo

U

ś

r1

[V]

U2

z tabeli 1

P

we

[W]

P

wyj

[W]

1

2

Punkt 2

Dla wypełnienia

γ≈

0.3 i

γ≈

0.6 dla dwóch rezystancji obciążenia R1 i R2 narysuj przebieg

napięcia wyjściowego, określ jego parametry (min. wartość maksymalną , czas przebiegu, itp),

w szczególności zbocze narastające. Narysuj dokładnie to zbocze ( zwiększ częstotliwość

generatora podstawy czasu), czy jego przebieg zależy od wartości obciążenia.

Przedstaw

wnioski z przeprowadzonych pomiarów i obserwacji.

.................................................................................................................................................

Punkt 3

Dla wypełnienia

γ≈

0.3 i

γ≈

0.6 i obciążenia R1 L

o

narysuj przebieg napięcia wyjściowego ,

określ jego parametry (wartość maksymalną , czas przebiegu). Porównaj przebiegi dla

obciążenia (R1 L

o

)i R1 , wyjaśnij różnice w kształcie przebiegu.

10

Punkt 4

Dla obciążenia R1 i R2 oraz

γ≈

0.3 i

γ≈

0.6 narysuj przebieg napięcia na kondensatorze w

czasie przeładowania rezonansowego, określ parametry ( amplitudę częstotliwość) , uzasadnij

wyniki pomiarów.

4. Pytania

1. Wyjaśnij zasadę pracy tyrystorowego przerywacza prądu stałego.

2. W przypadku gdy tyrystor główny Ty1 zastąpimy tranzystorem to czy ulegnie

zmianie przebieg napięcia wyjściowego (jego kształt) , a jeżeli tak to dlaczego?

3. Dlaczego w pojeździe trakcyjnym do zasilania silnika szeregowego stosujemy przerywacze

(czopery)?

4. Jaki parametry i dlaczego wpływają na ograniczenie częstotliwości pracy

przerywacza oraz amplitudę prądu ?

5.

Literatura

Kacprzak J. , Koczara W. Podstawy napędu elektrycznych pojazdów trakcyjnych WKŁ

Warszawa 1960

Kaźmierkowski M., Tunia H. Automatyka napędu przekształtnikowego. PWN Warszawa

1987

Podoski J., KacprzakJ,. Mysłek J. Zasady trakcji elektrycznej.

,