Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

Napędy falownikowe w pojazdach elektrycznych

1. Wstęp

W napędach pojazdów elektrycznych poszukiwano rozwiązań pozwalających w łatwy

sposób sterować prędkością obrotową silników przy utrzymaniu wymaganych parametrów
trakcyjnych. W systemach prądu stałego jako silniki napędowe powszechnie wykorzystuje się
silniki szeregowe ze względu na bardzo dobre własności trakcyjne, korzystną charakterystykę
silnika szczególnie przydatną w napędach wielosilnikowych.

Rozwój sterowalnych półprzewodnikowych przyrządów mocy (p.p.m.) pozwolił na

zastosowanie silników prądu przemiennego w pojazdach zasilanych napięciem stałym – z
sieci napowietrznej lub z własnego źródła energii (tzw. pojazdy autonomiczne). Podstawą
napędów trakcyjnych stały się silniki asynchroniczne klatkowe wraz z falownikami napięcia.
W ostatnim czasie wzrasta zainteresowanie zastosowaniem silników synchronicznych z
magnesami trwałymi w napędach trakcyjnych, szczególnie w autonomicznych pojazdach
elektrycznych.

Dla pojazdów małych i średnich mocy stosowane są w przekształtnikach tranzystory

IGBT, dla dużych mocy (lokomotywy, zespoły trakcyjne) – tyrystory GTO. Sterowanie
układami napędowymi realizowane jest w nowoczesnych pojazdach wyłącznie w technice
mikroprocesorowej, co umożliwia realizację przez sterownik dodatkowych funkcji (min.
kontrola i diagnostyka).

W pojazdach elektrycznych wykorzystuje się najczęściej trójfazowe falowniki mostkowe.

Schemat ogólny przedstawiono na poniższym rysunku:

T1

T3

T5

T2

T6

T4

generator PWM

C

M

3f

Rys.1 Widok ogólny falownika napięcia

Zastosowanie falowników opartych na sterowalnych p.p.m pozwoliło na budowę pojazdów
wielosystemowych, zasilanych zarówno z sieci prądu przemiennego, jak i stałego. Schemat
takiego pojazdu przedstawiono na rysunku 2.

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

SAK

SAK

SAK

3 kV

DC

, 15 kV 16 2/3 Hz, 25 kV 50 Hz

transformator

prostownik

falowniki

napięcia

silniki

trakcyjne

obwód

pośredniczący

odbierak pradu

Rys.2. Schemat ogólny pojazdu wielosystemowego

2. Charakterystyka układów napędowych

2.a. Silniki asynchroniczne

Zasada

działania falownika napięciowego z modulacją PWM opiera się na

odpowiedniej sekwencji zamykania i otwierania poszczególnych kluczy elektronicznych
(T1-T6), takiej, aby na wyjściu z falownika uzyskać trójfazowe napięcie przemienne o
kształcie zbliżonym do sinusoidy. Algorytm sterowania napędem z silnikiem
asynchronicznym opiera się na zasadzie stałego stosunku napięcia i częstotliwości
wyjściowej.

const

f

U =

Interpretacja graficzna tego sposobu sterowania została przedstawiona na rysunku 3.

Rysunek 3a) przedstawia charakterystykę podstawową, dla której stosunek U/f=const jest
utrzymywany tylko w pewnym zakresie częstotliwości. Powyżej częstotliwości granicznej f

gr

,

napięcie jest utrzymywane na stałym poziomie, zwiększana zostaje tylko częstotliwość,
rysunek 3b) pokazuje charakterystykę liniową, która charakteryzuje się stałością stosunku U/f
w całym przedziale częstotliwości, natomiast na rysunku 3c) została przedstawiona
charakterystyka wentylatorowa (kwadratowa).

a) b)

c)

U [V]

f [Hz]

f

max

U

max

f

gr

U [V]

f [Hz]

f

max

U

max

U [V]

f [Hz]

f

max

U

max

f

gr

Rys.3. Charakterystyki wyjściowe U(f) - a) podstawowa - b) liniowa - c) kwadratowa

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

2.b Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi

Dynamiczny rozwój technologii wytwarzania magnesów trwałych spowodował wzrost

zainteresowania tego typu silnikami w napędach przekształtnikowych, również w napędach
trakcyjnych. Początkowo głównym kierunkiem zainteresowania było zastosowanie silników
bezszczotkowych prądu stałego (DC brushless) i prądu przemiennego (Permanent Magnet
Synchronous Motors) w autonomicznych pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Pojawiają
się również próby zastosowania silników synchronicznych z magnesami trwałymi w
napędach tramwajowych i pojazdach większych mocy.

Bardzo często parametry trakcyjne porównywane są z parametrami silników DC. Do zalet

silników synchronicznych zaliczyć można:

• dużą przeciążalność momentem - powyżej 2

• wysoką sprawność

• szeroki zakres prędkości obrotowej (typowo od 0 do około 6000 obr/min)
• korzystny wskaźnik mocy jednostkowej - powyżej 1 kW/kg (niewielkie gabaryty)

•

duża niezawodność (brak komutatora).

W odróżnieniu od silników asynchronicznych, do poprawnego sterownia kluczami

elektronicznymi przez mikroprocesorowy układ sterowania wymagana jest znajomość
aktualnego położenia i prędkości kątowej wirnika. Wymagane są więc czujniki do pomiaru
położenia i prędkości. W napędach trakcyjnych rolę tą pełni rezolwer. Sterowanie silnikami
synchronicznymi opiera się na algorytmach w trybie regulacji momentu lub prędkości,
opartymi na sterowaniu wektorowym FOC (ang. Field Oriented Control). Schemat ogólny
napędu z silnikiem synchronicznym i charakterystyka silnika został przedstawiony na rys4.

PMSM

DSP

generator PWM

U

DC

i

A

i

B

ω

θ

RDC

B

R

3f

M

ω

stały moment

stała moc

ω

a

b

ω

Rys.4. Schemat ogólny napędu z silnikiem synchronicznym oraz charakterystyka wyjściowa

3. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

a)

poznanie struktury przekształtnika – obwód mocy, obwód sterowania,
sterownika mikroprocesorowy, na przykładzie układu laboratoryjnego o mocy
15 kW,

b) zapoznanie

się ze sposobami zadawania parametrów napędowych,

c)

pomiary i rejestracja prądów i napięć w charakterystycznych punktach napędu
falownikowego o mocy 5,5 kW ,

d)

wyznaczenie charakterystyki wyjściowej falownika o mocy 15 kW.

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

4. Opis badanych układów

4.1. Przekształtnik laboratoryjny o mocy 15 kW

Przemiennik częstotliwości składa się z trzech części:
a) obwodu mocy, w którym poprzez prostownik niesterowany następuje prostowanie

napięcia przemiennego sieci zasilającej, jego filtracja na kondensatorze o dużej
pojemności i przekształcanie w falowniku napięcia z modulacją PWM na napięcie
trójfazowe o zadanej wartości i częstotliwości,

b) sterownika bramkowego, który jest układem pośredniczącym służącym do nadania

sygnałom sterującym parametrów wymaganych przez tranzystory IGBT oraz
pełniącym funkcję izolacji galwanicznej pomiędzy obwodem mocy a
mikroprocesorowym układem sterownia, spełniający również funkcję
zabezpieczającą,

c) układ sterowania i kontroli – oparty na mikrokontrolerze 87C196KC układ

realizujący w czasie rzeczywistym algorytmy sterowania, posiadający
wyspecjalizowane układy wejść/wyjść – cyfrowych i analogowych. Układ ten
realizuje metodę sterowania wektorem napięcia.

4.2. Wielomaszynowy zespół napędowy

Układ badany oparty jest na trzech silnikach połączonych wspólnym wałem: silniku

indukcyjnym, silniku bocznikowym prądu stałego i silniku synchronicznym z magnesami
trwałymi. Schemat układu został przedstawiony na rysunku 5, gdzie: SAK – silnik klatkowy,
SOPS – silnik obcowzbudny prądu stałego, PMSM – silnik synchroniczny z magnesami
trwałymi, LEM – przetworniki pomiarowe, E – kierunek przepływu energii, L1.........PE – sieć
zasilająca o parametrach przemysłowych, Bat – akumulatory.

SAK

SBPS

PMSM

U, f = var

U, f = const

LEM

LEM

LEM

L1 L2 L3 N PE

LEM

L1 L2 L3 N PE

E

E

E

LEM

LEM

LEM

U, f = var

BAT

Rys. 5. Schemat zespołu wielomaszynowego

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

Każdy z silników posiada własny układ zasilający oparty na przemysłowych

przekształtnikach firmy ..............., za wyjątkiem silnika PMSM, dla którego układ
zasilający jest w trakcie budowy.

4.2.1 Parametry układów przekształtnikowych

a)

Silnik indukcyjny klatkowy:
Typ silnika – .....................
Moc znamionowa – 5,5 kW
Napięcie znamionowe – 380 V
Prąd znamionowy – 20 A
Układ połączenia – trójkąt
Obroty znamionowe – 2950 obr/min
Chłodzenie – własne
Czujnik położenia – encoder

Przekształtnik ............ 690 N
Moc znamionowa – 5,5 kW
Mikroprocesor - ................................
Brak opcji hamowania dynamicznego

Zadawanie parametrów trakcyjnych:

- panel

operatora

- sterownik

programowalny

- komputer PC (przez złącze RS 485)

b)

Silnik obcowzbudny pradu stałego:
Typ silnika – .....................
Moc znamionowa – 5,5 kW
Napięcie znamionowe – 400 V
Prąd znamionowy – 35 A
Obroty znamionowe – 2950 obr/min
Chłodzenie – wymuszone
Czujnik położenia – encoder

Przekształtnik ............ 590 N
Moc znamionowa –
Mikroprocesor - ................................
Hamowanie ze zwrotem energii do sieci
zasilającej (4QS)
Zadawanie parametrów trakcyjnych:

- panel

operatora

- sterownik

programowalny

- komputer PC (przez złącze RS 485)

c)

Silnik synchroniczny z magnesami

trwałymi:

Typ silnika – ............................
Moment znamionowy – 12 Nm
Napięcie znamionowe – 3*220 V
Prąd znamionowy – 20 A
Układ połączenia – gwiazda
Obroty znamionowe – 4000 obr/min
Chłodzenie – własne
Czujnik położenia – rezolwer

Przekształtnik – w trakcie budowy

Moment znamionowy – do 20 Nm
Mikroprocesor – ADMC401
Zasilanie z baterii akumulatorów

- hamowanie ze zwrotem energii

Zadawanie parametrów trakcyjnych:

- panel

operatora

- komputer PC (przez złącze RS 485)

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

5. Przebieg

ćwiczenia

Ćwiczenie laboratoryjne składa się z dwóch części:

1) Ustawienie trybów i parametrów pracy przemiennika o mocy 15 kW oraz

pomiar charakterystyk wyjściowych U(f),

2) Pomiar prądów i napięć w wybranych punktach napędu przekształtnikowego

o mocy 5,5 kW.

Część pierwsza

Parametry i tryb pracy przemiennika ustawiane są za pośrednictwem potencjometrów

P1... P7, przełączników SW1, SW2 oraz zworek JP1, JP2 – patrz rys. 6. Umożliwiają one
elastyczny dobór parametrów napędu. Potencjometr zadający umieszczony jest na zewnątrz
przemiennika.

P 1

P 2

P 3

P 4

P 5

P 6

P 7

SW 1

SW 2

INTEL

87C196KC

JP1 JP2

JP3

LED

zielona

LED

czerwona

WYŚWIETLACZ

Rys. 6. Widok ogólny płytki kontrolere 87C196KC

W celu wyznaczenia charakterystyk U(f) (podstawowa, liniowa i kwadratowa) należy

ustawić odpowiednio przełączniki SW1 i SW2 wg tablicy 1 i 2. Następnie należy co
określony przedział częstotliwości należy odczytywać wartość napięcia wyjściowego.
Wyniki umieścić w tabeli.

Przełącznik SW1

Tablica 1

OZNACZENIE FUNKCJA

SW1-1/2

Wybór charakterystyki U=f(f)

SW1-1 SW1-2
ON ON normalna (podstawowa)
ON OFF kwadratowa
OFF ON liniowa
OFF OFF nastawialna wg potencjometru P7

SW1-3/4

Wybór zakresu częstotliwości:

SW1-4 SW1-3
ON ON 1-100 Hz
ON OFF 1-120 Hz
OFF ON 1-200 Hz
OFF OFF 1-200 Hz

Katedra Trakcji Elektrycznej

Laboratorium Pojazdów Elektrycznych

SW1-5

Wybór zakresu dynamiki zwiększania częstotliwości od zera do częstotliwości
maksymalnej:

ON – dynamika normalna (duża), OFF – dynamika zmniejszona

SW1-6

Wybór zakresu dynamiki zwiększania częstotliwości od częstotliwości
maksymalnej do zera:

ON – dynamika normalna (duża), OFF – dynamika zmniejszona

SW1-7

Tryb hamowania (reakcja na sygnał „STOP”):

ON – przez wybieg, OFF – zmniejszanie częstotliwości do zera (zgodnie z
zadaną dynamiką), dohamowanie przez wstrzykiwanie prądu w czasie 0,1 s.

SW1-8

Opcja z rezystorem hamowania:

ON – brak rezystora hamowania,
OFF – dołączony zewnętrzny rezystor hamowania

Przełącznik SW2

Tablica 2

OZNACZENIE FUNKCJA

SW2-1

Sposób zasilania silnika na postoju:

ON silnik niezasilany (niehamowany)

OFF silnik zasilany (hamowany) prądem stałym (tzw. wstrzykiwanie prądu)

SW2-2

Sposób zadawania częstotliwości:

ON normalna charakterystyka zadawania
OFF odwrócona charakterystyka zadawania

SW2-3

Wykorzystanie łącza szeregowego:

ON łącze szeregowe nieaktywne
OFF łącze szeregowe aktywne

SW2-4

Przyjęty dla łącza szeregowego protokół transmisji:

ON protokół uproszczony (zadawanie łączem tylko częstotliwości zadanej

oraz sygnałów START/STOP)

OFF wszystkie parametry zadawane łączem

SW2-5

Zakres sygnału zadającego częstotliwość pracy

ON 0-10 V lub 0-10mA
OFF 2-10 V lub 4-20 mA

SW2-6

Wartość wyświetlana na zespole wyświetlaczy 7-segmentowych:

ON częstotliwość wyjściowa,
OFF wartość skalowana (np. prędkość obrotowa, wydajność, itp.)

SW2-7

Tryb wyświetlania parametru wyjściowego:

ON wyświetlanie normalne,

OFF wyświetlana wartość 10-krotnie zwiększona (przesunięta kropka

dziesiętna)

SW2-8

Liczba zainstalowanych układów (cyfr) w zespole wyświetlaczy:

ON 4 kostki wyświetlacza
OFF 2 kostki wyświetlacza

Część druga

Punkty pomiarowe układu wielomaszynowego zostaną wyprowadzone na stanowisko

pomiarowe (stół laboratoryjny). Pomiarów wybranych przebiegów dokonać za pomocą
rejestratora HIOKI 8831 i oscyloskopu cyfrowego HP54520A. Należy przynieść ze sobą
dyskietkę.