Laboratorium Elektrokonstrukcji Pojazdów Trakcji Elektrycznej

Temat:

Badanie układu zasilania pojazdu trakcyjnego z silnikiem

asynchronicznym

Zakład Trakcji Elektrycznej

IME PW 2013

1

1.

Wstęp

Pierwsze wykorzystanie silników trójfazowych asynchronicznych do napędu pojazdów

trakcyjnych sięga początków historii trakcji elektrycznej, kiedy to firma BBC (później ABB i

Adtranz) w 1899 roku zbudowała w systemie trójfazowym zasilania pojazdy i całą linię

kolejową o długości 45 km z Burdorf do Thun w Szwajcarii. Wówczas elektryfikacja była

wyzwaniem wobec dominującej trakcji parowej. Firmy na własny koszt opracowały i

dostarczały lokomotywy elektryczne z różnymi systemami napędu elektrycznego, w których

silniki trójfazowe były jedna z możliwych alternatyw. W latach 1899-1903 firmy Siemens i

AEG (dziś Adtranz) prowadziły w Niemczech próby z lokomotywami i wagonami

napędzanymi silnikami trójfazowych na próbnym torze z prędkością 216 km/h. Była to

zawrotna prędkość, którą w owym czasie żaden inny pojazd nie mógł osiągnąć. W następnych

latach wprowadzono system trójfazowy na wielu liniach kolejowych na Węgrzech, we

Włoszech i Szwajcarii. Wraz ze wzrostem mocy lokomotyw, zwiększeniem wielkości

napięcia w sieci trakcyjnej rosły trudności techniczne tak, że zarówno technicy, jak i zarządy

kolejowe były bardziej zainteresowane rozwojem systemu prądu stałego i przemiennego

jednofazowego. Musiało upłynąć pół wieku zanim wyprodukowano półprzewodniki dużych

mocy, jak tyrystory GTO i tranzystory mocy, aby napęd trójfazowy jako najbardziej efektywny

pod względem ekonomicznym i parametrów technicznych stał się nowym standardem na

kolei. Dawne lokomotywy z silnikami trójfazowymi wymagały zasilania tylko z sieci

trakcyjnej trójfazowej. Zwykle prowadzono dwa równolegle izolowane między sobą

napowietrzne przewody trakcyjne stanowiące dwie fazy. Trzecia faza była podłączona do

szyn. Regulacja prędkości odbywała się poprzez przełączenia w silnikach gwiazda-trójkąt i

zmianę ilości biegunów oraz włączenia dodatkowych oporników.

2. Struktura obwodu głównego lokomotywy.

Obecne lokomotywy z napędem trójfazowym mogą być zasilane zarówno z trakcji

prądu stałego, jak i przemiennego jednofazowego, gdyż napięcie trójfazowo jest wytwarzane

wewnątrz lokomotywy. Trójfazowe silniki lokomotywy są zasilane z sieci trakcyjnej za

pośrednictwem urządzenia nazywanego falownikiem. Falownik przekształca stale napięcie

wejściowe na trójfazowe na wyjściu. W przypadku sieci trakcyjnej prądu przemiennego musi

być zastosowany dodatkowo prostownik wewnątrz pojazdu. W sieci prądu

stałego prostownik

jest niepotrzebny i dzięki temu pojazd może być tańszy i prostszy.

Na rys. 1 pokazano prosty

obwód główny pojazdu zasilanego z sieci prądu stałego z napędem trójfazowym

asynchronicznym. Filtr wejściowy FWE złożony z dławika L i baterii kondensatorów C

spełnia tę samą funkcję, jak w pojazdach z regulacją impulsową napędów z silnikami prądu

stałego. Falownik trójfazowy F stanowi podstawowy fragment obwodu głównego. Podczas

rozruchu zamienia napięcie stałe, doprowadzane z filtru wejściowego, na przemienne

trójfazowe na wyjściu zasilające silnik M. Wówczas przepływ mocy ma kierunek od filtru

2

FWE do silnika M.

W czasie hamowania przepływ mocy zostaje odwrócony i ma kierunek od

silnika M do filtru

FWE, zaś falownik zamienia trójfazowe napięcie na silniku na stale doprowadzane do filtru i

układu hamowania. Układ hamowania oporowego UH, złożony z przekształtnika hamowania

PH, diody DH i rezystora hamowania RH, jest impulsowo włączany, gdy podczas hamowania

elektrycznego sieć trakcyjna nie może odebrać wytworzonej energii.

Rys. 1. Schemat prostego obwodu głównego

WG - wyłącznik główny, WE - filtr wejściowy, LIC- indukcyjność i pojemność filtru
wejściowego , UH - układ hamowania oporowego, PH, DH, RH- odpowiednio przekształtnik,
dioda i rezystor hamowania oporowego, F - falownik trójfazowy, T1, D1,.... T6, D6 -
odpowiednio tyrystory i diody falownika, M - silnik trójfazowy asynchroniczny

Wówczas rezystor RH stanowi sztuczne obciążenie i nadmiar energii jest rozproszony w

postaci ciepła. Poprzez zmianę wysterowania przekształtnika PH można zmieniać ilość

energii oddawanej do sieci. Gdy wysterowanie

α

=0 (przekształtnik PH wyłączony), cała

energia przepływa do sieci i jest to pełne hamowanie odzyskowe. Jeśli wysforowanie

α

=1

(przekształtnik PH załączony) cała energia jest rozpraszana w rezystorze RH i jest to pełne

hamowanie oporowe. Dla pośrednich wartości wysterowania 0<

α

<1 jest hamowanie

mieszane, tzn. jednocześnie, choć w różnym stopniu, energia jest doprowadzana do sieci

trakcyjnej i opornika hamowania. Poprzez odpowiednie sekwencje załączania i wyłączania

sześciu tyrystorów w falowniku można wywołać postój, rozruch, wybieg i hamowanie

elektryczne bez żadnego przełączania styków. Falownik spełnia również funkcje nawrotnika.

Tylko 7 impulsów sterujących, tj. 6 do falownika i 1 do przerywacza PH z zachowaniem

odpowiedniej wzajemnej sekwencji, umożliwiają uzyskanie wszystkich stanów rozruchowych

pojazdu. Do wyjścia falownika podłączone jest trójfazowe uzwojenie pierwotne silnika M. W

przypadku użycia większej liczby silników można je łączyć równolegle do jednego wspólnego

falownika lub dla każdego silnika przewidzieć oddzielny falownik, natomiast wejście

falownika (od strony prądu stałego) łączyć równolegle. Silnik jest maszyną trójfazową

indukcyjną bezkomutatorową i ma dwa uzwojenia. Uzwojenie pierwotne jest nieruchome

umieszczone w stojanie i za pomocą zewnętrznych zacisków połączone ze źródłem zasilania

3

(falownik). Uzwojenie wtórne zaś jest ruchome umieszczone w wirniku i najczęściej

wykonane jako klatkowe ze spawanych prętów miedzianych, mosiężnych lub jako odlew w

całości z aluminium bądź jego stopów. W czasie normalnej pracy nie ma dostępu do

uzwojenia wtórnego. Wszystkie parametry i stany pracy silnika, takie jak: kierunek

wirowania, prędkość obrotowa, moment obrotowy, praca silnikowa lub prądnicowa wynikają

z częstotliwości i amplitudy trzech napięć doprowadzanych do trzech zacisków uzwojenia

pierwotnego. Silnik ma bardzo prostą konstrukcję, brak komutatora i wszelkich trących części

przewodzących prąd. W porównaniu z silnikiem prądu stałego jest on zdecydowanie tańszy,

lżejszy, łatwiejszy do zaprojektowania i wykonania, zaś w eksploatacji jest tańszy i trwalszy.

Prędkość obrotowa silnika praktycznie zależy tylko od częstotliwości napięcia zasilającego

podawanego z falownika i jest niemalże równa prędkości wirowania pola magnetycznego

wywołanego tym napięciem wewnątrz silnika. Tę niewielką różnicę prędkości charakteryzuje

parametr s - nazywany poślizgiem. Poślizg zwykle jest bardzo mały i stanowi ułamek procenta

prędkości znamionowej. Jest to ważna właściwość, która w przypadku utraty przyczepności

zestawu kołowego nie pozwala na rozbieganie się silnika w czasie rozruchu lub zablokowaniu

się zestawu kołowego podczas hamowania. Trójfazowy falownik składa się z trzech gałęzi

stanowiących 3 fazy. Każdą z gałęzi tworzą dwa jednakowe, górny i dolny. zawory

zbudowane z tyrystora GTO lub tranzystora mocy oraz z diody przeciwrównoległej. Zawory te

podczas normalnej pracy są naprzemienne załączane i wyłączane z częstotliwością równą w

najprostszym przypadku częstotliwości napięcia na wyjściu falownika. Wszystkie trzy fazy

pracują tak samo z tym, że chwile przełączenia zaworów w poszczególnych fazach RST są

przesunięte wzajemnie o 1/3 okresu, stąd na wyjściu falownika uzyskuje się trójfazowe

napięcie przemienne. Napięcie na zacisku wyjściowym R, S lub T w poszczególnych fazach

może przyjmować tylko dwie wartości, tj. gdy załączony jest dolny zawór - wartość w

przybliżeniu równa zeru, zaś gdy załączony jest górny zawór, wartość praktycznie równa się

napięciu sieci trakcyjnej U. Dla uproszczenia analizy można zawory półprzewodnikowe

zastąpić idealnymi łącznikami i otrzymać uproszczony schemat falownika jak na rys. 2.

Rysunek 2. Uproszczony schemat falownika

Podczas pracy falowniku możliwych jest tylko 8 różnych stanów (tab. 1) i tyle jest różnych

kombinacji przy zaworach: 2

3

= 8, z tego tylko pierwszych sześć jest powtarza nych

cyklicznie. Stan 7 i 8 odpowiada wymuszeniu na wyjściu międzyfazowych napięć równych 0,

co jest wykorzystywane przy specjalnym sposobie sterowania. Przyjmijmy najprostszy sposób

pracy falownika, w którym górny i dolny zawór w każdej z faz załączane są naprzemiennie

4

dokładnie przez pół okresu, zaś przesunięcie czasowe między kolejnymi fazami wynosi 1/3

okresu. Wówczas przebiegi napięć oraz występowanie poszczególnych stanów będą jak na

rys. 3. Prostokątny kształt przebiegu wynika z impulsowej pracy zaworów i oznacza, że

oprócz podstawowej harmonicznej występują dodatkowe wyższe harmoniczne. Aby je

wyeliminować lub przynajmniej ograniczyć należy zastosować inny, bardziej korzystny

sposób sterowania praca zaworów falownika.

Rysunek 3. Przebiegi napięć w falowniku.

Tabela 1

FAZA

STAN

R

S

T

1

1

0

1

2

1

0

0

3

1

1

0

4

0

1

0

5

0

1

1

6

0

0

1

7

0

0

0

8

1

1

1

3. Sterowanie

Sterowanie napędem pojazdu zapewnia elektroniczny układ mikroprocesorowy, który

wypracowuje sygnały do przełączania zaworów. Do przesyłania sygnałów ze sterownika do

zaworów służą światłowody, które są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i zapewniają

dobra separację galwaniczna. Poprzez odpowiednie zaprogramowanie sterownika można

uzyskać minimalizację odkształceń napięć i prądów w silnikach trakcyjnych, podnieść

sprawność napędu. Program jest układany w oparciu o bardzo złożone zależności

5

matematyczne, te zaś wynikają z wybranej metody sterowania, np. metoda wektora

przestrzennego lub metoda bezpośredniego sterowania (ang. DSC - Direct Self Control).

Opracowanie właściwego programu jest bardzo trudnym zadaniem i wymaga współpracy

wykwalifikowanych specjalistów, min. programistów, energoelektroników, sieciowców,

projektantów silników i konstrukcji mechanicznych. Napęd silnikami trójfazowymi jest

obecnie powszechnie stosowany w taborze kolejowym, metrze i tramwaju. Charakterystyki

ruchowe pojazdu można kształtować praktycznie dowolnie poprzez zmianę funkcji w

sterowniku mikroprocesorowym. Pojazd nie ma żadnej aparatury manewrowej, tj. żadnych

styczników, ruchomych elementów załączających lub wyłączających prąd w obwodzie

głównym, z wyjątkiem jednego wyłącznika głównego. Silnik trakcyjny bezkomutatorowy nie

ma żadnych zużywających się elementów przewodzących prąd. Małe gabaryty i masa napędu

w stosunku do mocy pozwalają na budowę lokomotyw o większej mocy i lżejszych wózkach,

które mniej oddziałują na tor, natomiast w metrze i w tramwaju można wygospodarować

więcej miejsca dla pasażerów. Wyższa cena zakupu zostaje skompensowana niskimi kosztami

eksploatacyjnymi, wynikającymi z oszczędności na wymianie zużywających się części, na

robociźnie oraz podwyższenia zdolności przewozowej.

4. Układy z modulacją szerokości impulsów.

Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego poniżej prędkości znamionowej

wymaga zasilania silnika napięciem o zmiennej częstotliwości i amplitudzie (dotyczy
amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia). Wartość amplitudy podstawowej
harmonicznej napięcia powinna być dostosowana do częstotliwości synchronicznej zasilania
silnika. Najczęściej pomiędzy napięciem i częstotliwością zachodzi relacja:

U

1h

/f

s

=const.

gdzie: f

s

=częstotliwość synchroniczna zasilania silnika, U

1h

- amplituda podstawowej

harmonicznej napięcia zasilania silnika.

Warunek ten zapewnia zachowanie wartości znamionowej strumienia silnika i

przeciążalności. Jako układ zasilania silnika do regulacji prędkości obrotowej służy falownik
napięcia rysunek 4. Kształt napięcia na wyjściu falownika nie zależy od charakteru
obciążenia, dlatego jest on powszechnie stosowany. Przebiegi napięć wyjściowych falownika
trójfazowego mają kształt fali prostokątnej i są przesunięte wzajemnie o kąt

ω

t=120

o

el

(tj.2*

Π

/3). Napięcie na każdej z faz silnika ma kształt trójschodkowy. Regulację

Współczesny silnik asynchroniczny dużej mocy

6

częstotliwości i wartości napięcia (amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia)
zasilającego silnik indukcyjny można uzyskać przez odpowiednie załączanie tyrystorów
falownika. Napięcie silnika o zadanej częstotliwości i wartości formuje się z ciągu impulsów
prostokątnych o dużej częstotliwości, zwanej częstotliwością nośną- modulacja szerokości
impulsów. Długość poszczególnych impulsów napięcia o częstotliwości nośnej zmienia się w
czasie proporcjonalnie do funkcji sinusoidalnej. Na rysunku 5 przedstawiono przebieg
napięcia fazowego i prądu silnika.

Rys. 4. Przemiennik częstotliwości z pośredniczącym obwodem napięcia stałego i

falownikiem z modulacją szerokości impulsów: a)schemat blokowy układu; b) modulacja

jednobiegunowa; c) modulacja dwubiegunowa.

7

Rys. 5 Przebiegi czasowe kolejno od góry u

d

- napięcia obwodu pośredniczącego; i

d

-prądu

obwodu pośredniczącego (prądu zasilającego falownik); u-napięcia fazowego; i- prądu silnika

przy modulacji szerokości impulsów.

5. Opis stanowiska badawczego

Stanowisko laboratoryjne do badania silnika klatkowego składa się:
a) zespołu silnik asynchroniczny klatkowy - prądnica prądu stałego (obcowzbudna), b)
falownika napięcia (prostownik trójfazowy, kondensator pośredni, falownik napięcia), c)
zespołu oporów obciążenia prądnicy prądu stałego, d) obwodu regulacji wzbudzenia prądnicy,
c) części pomiarowej

VOLTECH

R

S

T

0

Lem

+

-

+

-

Osc

U

Osc

I

Osc

Lem

+

-

+

-

Osc

U

I

Falownik

V

A

W

sprz

ę

gło

U V W

y

x

z

silnik

V

A

A

H

A

F

E

R

ob

R

w

I

w

I

p

V

p

k

Rys. 6 Stanowisko laboratoryjne

Voltech - miernik napięć i prądów sieci energetycznej zasilającej układ prostownika z
falownikiem. Lem - układ pomiaru prądu z separacją galwaniczną pomiary dla oscyloskopu,
V – woltonierz - pomiar napięcia międzyfazowego silnika U

s

, A- amperomierz-pomiar prądu

fazowego silnika, W watomierz , pomiar mocy czynnej silnika.

6. Przebieg ćwiczenia.

1. Wykonaj pomiary w funkcji częstotliwości synchronicznej zasilania silnika F

s

[Hz] .

Wyniki zanotuj w tabeli 2

P

wej

– moc wejściowa czynna układu [W], I

sil

– prąd zasilania silnika [A], I

sieć

– prąd sieciowy

(prąd zasilania podstacji ) [A], P

wej

[W] – moc wejściowa układu

8

Na wydruku zwróć uwagę na ilość przełączeń fali napięcia falownika dla małej i dużej

częstotliwości zasilania falownika.

Tabela 2

Lp F

s

U

sk_sil

[V]

I

sil

[A]

I

sieć

[A]

P

wej

[W]

10

Wydruk

20

30

40

50

Wydruk

55

2. Dla częstotliwości ........Hz dokonaj pomiarów. Wyniki zanotuj w tabeli 3

Tabela 3

Lp F

s

U

sk_sil

[V]

I

sil

[A]

P

wej

[W]

M

ob.

minimalne

wydruk

M

ob.

maksymalne

wydruk

Dotyczy wydruku dla tabeli 2 oraz 3.

A) Wydruk dotyczy napięcia fazowego silnika, prąd zasilania podstacji
B) Wydruk dotyczy napięcia międzyfazowego silnika, prądu silnika.
Zmierz za pomocą oscyloskopu amplitudę, częstotliwość prądu podstacji. Na rysunkach opisz
amplitudy, częstotliwość i inne Twoim zdaniem interesujące wielkości.

Pomiary analogowe: Woltomierz V1- pomiar napięcia wejściowego przerywacza ( U

we

).

Amperomierz. A2 –pomiar prądu zasilania silnika. Woltomierz V2- pomiar napięcia zasilania silnika A3 –pomiar
prądu obciążenia prądnicy. Woltomierz V3- pomiar napięcia obciążenia prądnicy, A4 –pomiar prądu wzbudzenia
prądnicy. Mierniki analogowe służą do odczytu zgrubnego, ich wskazania obarczone są dużym błędem.

Pomiary cyfrowe realizowane są za pomocą oscyloskopu cyfrowego. Sygnały

pomiarowe prądu i napięcia zasilania silnika separowane są galwaniczne od wejść
oscyloskopu poprzez separatory hallotronowe (układy HU

1

i HI

1

.) Wyjścia z układów HU

1

HI

1

połączone są z oscyloskopem. Współczynnik skali dla pomiaru prądu wynosi ....,

natomiast współczynnik skali dla pomiaru napięcia wynosi .........

Uwaga

: Odczyty wskazań z oscyloskopu z uwagi, że pomiar odbywa się za pomocą separatorów

galwanicznych należy pomnożyć przez współczynnik skali dla pomiaru napięcia i prądu. Współczynnik skali dla
prądu wynosi ....................... a dla napięcia ....................... W tabeli zapisujemy wartości rzeczywiste.

Kacprzak J., Podstawy napędu elektrycznych pojazdów trakcyjnych. WKŁ 1990
Tunia H, Winiarski B: Energoelektronika. WNT Warszawa 1994.
Tunia H, Winiarski B: Energoelektronika w pytaniach i odpowiedziach. WNT Warszawa
1996.