1
11. BADANIE SILNIKA PRĄDU STAŁEGO ZASILANEGO Z
JEDNOFAZOWEGO PROSTOWNIKA STEROWANEGO
Treść ćwiczenia
11.1.
Wprowadzenie teoretyczne – prostowniki jednofazowe
11.2. Pomiary
laboratoryjne
11.2.1. Układ pomiarowy
11.2.2. Badanie
prostownika
sterowanego
11.2.3.
Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych silnika
11.2.4. Badanie
dynamiki
układu
11.3. Pytania
kontrolne
Literatura
Uwagi ogólne
Silniki prądu stałego stosowane w napędach regulowanych najczęściej zasila się obecnie
z przekształtników statycznych zbudowanych w oparciu o przyrządy półprzewodnikowe
(diody, tyrystory, tranzystory mocy). Zapewnia to napędom duży komfort regulacji oraz
radykalnie zmniejsza gabaryty urządzeń regulacyjnych. Obecnie jako regulowane źródła
prądu stałego w układach napędowych stosuje się najczęściej elektroniczne układy
przekształtnikowe, tzw. układy energoelektroniczne. W napędzie elektrycznym układ
przekształtnikowy zasilający silnik pełni rolę wzmacniacza sygnału sterującego, dając na
wyjściu napięcie o zakresie zmienności odpowiadającym pełnemu wykorzystaniu silnika.
Przekształtnikowe układy zasilania silników prądu stałego można podzielić na dwie
grupy:
! układy przekształcające napięcie przemienne na stałe – prostowniki,
! układy przekształcające napięcie o stałej wartości na napięcie stałe, pulsujące, o
regulowanej wartości średniej – przerywacze,
Prostowniki z reguły są zasilane napięciami sinusoidalnymi i stanowią obecnie
najczęściej stosowaną grupę przekształtników, głównie w napędzie elektrycznym z silnikami
prądu stałego.
W zależności od liczby faz napięcia zasilającego wyróżnia się prostowniki: jednofazowe,
trójfazowe i wielofazowe.
Ze względu na liczbę pulsów prądu w okresie prostowniki mogą być: jednopulsowe,
dwupulsowe, trójpulsowe, sześciopulsowe.
Ze względu na rodzaj obciążenia wyróżnia się prostowniki z obciążeniem R, RE, RL i
RLE.
2
11.1.
Wprowadzenie teoretyczne - prostowniki jednofazowe
W grupie prostowników jednofazowych wyróżnia się układy jednopulsowe i
dwupulsowe. Do zasilania silników prądu stałego stosuje się głównie prostowniki
dwupulsowe. W praktyce stosuje się układy przedstawione na rys. 11.1.
a) b)
Rys. 11.1. Schemat przekształtnika dwupulsowego: a) z wykorzystaniem transformatora z
przewodem zerowym (neutralnym); b) w wykonaniu mostkowym.
Układ z dzielonym uzwojeniem transformatora (rys. 11.1.a) jest rzadko stosowany ze
względu na konieczność użycia transformatora. Układ mostkowy może być zasilany
bezpośrednio z sieci.
Przedstawiony układ mostkowy jest prostownikiem pełnosterowanym (symetrycznym) w
odróżnieniu od prostowników półsterowanych (niesymetrycznych) tj. takich, w których
połowa tyrystorów jest zastąpiona diodami. Zastępując np. tyrystory z grupy anodowej (T3
iT4) lub katodowej (T1 i T2) przez diody, otrzymuje się prostownik półsterowany, który musi
pracować z diodą zerową D
0
. Gdyby zastąpić diodami tyrystory T2 i T4, to dioda zerowa staje
się zbędna. Zadaniem diody zerowej D
0
lub diody rozładowczej jest rozładowanie energii
pola magnetycznego, gromadzonej w indukcyjnościach obciążenia.
Przebiegi jałowego napięcia wyprostowanego u
d
prostownika mostkowego (prąd
wyjściowy i
d
=0) pokazano na rys. 11.2.a,b.
Pod obciążeniem i w zależności od rodzaju obciążenia oraz impedancji źródła prądu
przemiennego, zasilającego prostownik, przebiegi te nieco się odkształcają. Na rys. 11.2.a
pokazany został przebieg napięcia jałowego prostownika mostkowego, pracującego z diodą
zerową, a na rys. 11.2.b przebieg napięcia wyjściowego tego prostownika pracującego bez
diody zerowej.
3
a) c)
Rys. 11.2. Napięcia jałowe prostownika dwupulsowego mostkowego: a) z diodą D
0
, b) bez diody
zerowej D
0
, c) bez diody zerowej D
0
oraz jego prąd obciążenia z indukcyjnością nieskończenie dużą.
Jałowe napięcie średnie prostownika dwupulsowego, pełnosterowanego, bez diody
zerowej, wynosi
( )
z
0
d
z
m
m
d
cos
U
cos
U
2
t
td
sin
U
1
U
z
z
α
=
α
π
=
∫
ω
ω
π
=
π
+
α
α
(1)
a więc przyjmuje wartość dodatnią dla kąta
α
z
zmieniającego się od 0 do
π
/2 (praca
prostownikowa przekształtnika). Dla
2
/
z
π
〉
α
, przyjmuje wartość ujemną (praca
falownikowa przekształtnika).
Wartość średnia jałowego napięcia wyprostowanego prostownika dwupulswego z diodą
zerową i dwupulsowego półsterowanego wynosi
2
cos
1
U
2
cos
1
U
2
U
z
0
d
z
m
d
α
+
=
α
+
π
=
(2)
gdzie U
d0
oznacza wartość napięcia jałowego dla
α
z
=0, a
α
z
kąt załączenia tyrystorów
przekształtnika.
Przy obciążeniu prostownika dwupulsowego mostkowego naprzemiennie przewodzą pary
tyrystorów T1, T4 i T2, T3.Jeżeli indukcyjność obwodu obciążenia jest bardzo duża lub
teoretycznie nieskończenie duża, to prąd wyjściowy (prąd obciążenia) prostownika i
d
przyjmuje stałą wartość I
d
(rys. 11.1c). Przedział
γ
, w którym prąd jednej pary zanika, a
drugiej narasta, nazywa się kątem komutacji – suma tych prądów jest równa I
d
.
W chwili komutacji źródło napięcia zasilającego prostownik ulega zwarciu (prąd zwarcia
ograniczony impedancją źródła). Na impedancji źródła prądu przemiennego występuje spadek
napięcia, nazywany komutacyjnym. Napięcie u, zasilające bezpośrednio prostownik, ulega
nieco odkształceniu od sinusoidy. Średnie napięcie wyprostowane zmniejsza się o wartość
równą komutacyjnemu spadkowi napięcia:
b)
4
(
)
[
]
γ
+
α
−
α
π
=
⋅
ω
⋅
π
=
∆
z
z
m
DS
d
K
cos
cos
U
L
I
1
U
(3)
gdzie:
L
DS.
– indukcyjność źródła zasilającego,
ω
- pulsacja napięcia zasilającego.
Rys. 11.3. Przebiegi przy zasilaniu odbiornika R, L, E z pełnosterowanego, jednofazowego
prostownika mostkowego.
W rzeczywistości prostownik rzadko jest obciążony obwodem o bardzo dużej
indukcyjności. W zależności od wartości R i L może dojść do pracy przerywanej prostownika
tj. takiej, że prąd i
d
będzie malał do zera w każdej połówce napięcia zasilającego – obrazuje to
rys. 11.3.
W chwilach gdy i
d
=0 napięcie u
d
prostownika przyjmuje wartość SEM rotacji E.
Średnie napięcie wyprostowane w stanie ustalonym można opisać przybliżoną
zależnością
T
DS
d
z
0
d
d
U
L
I
1
cos
U
U
∆
−
⋅
ω
⋅
π
−
α
=
(4)
gdzie
∆
U
T
– oznacza spadek napięcia na tyrystorach, wynoszący około 2V na jednym
elemencie (tyrystorze). Zależność powyższą nazywa się charakterystyką zewnętrzną
prostownika. Dla prostownika sterowanego otrzymuje się charakterystyki zewnętrzne
5
przedstawione na rys. 11.4 dla różnych wartości kąta załączania
α
z
(różnych wartości napięcia
zadającego u
z
).
Rys. 11.4. Przykładowe charakterystyki zewnętrzne jednofazowego prostownika mostkowego.
Układy jednofazowe prostowników wykorzystuje się do regulacji prędkości kątowej
silników małej mocy (od 1 do 5 kW) oraz zasilania uzwojenia wzbudzenia, gdyż duża
indukcyjność tego uzwojenia wygładza prąd wyprostowany.
Układy napędowe z obcowzbudnym silnikiem prądu stałego zasilanym z prostownika
sterowanego buduje się jako układy ze sprężeniami zwrotnymi. Najczęściej stosuje się
sprzężenie zwrotne prędkościowe i napięciowe oraz ujemne sprzężenie prądowe. Przy
pomocy sprzężenia prędkościowego lub napięciowego uzyskuje się stabilizację zadanej
prędkości kątowej silnika. Wprowadzając dodatkowo do układu regulacji ujemne sprzężenie
prądowe (w pętli wewnętrznej) o charakterze nieliniowym można doprowadzić do
ograniczenia prądu pobieranego przez obwód twornika silnika, a tym samym i do
ograniczenia momentu. Zabezpiecza to silnik i przekształtnik przed niedopuszczalnymi
przeciążeniam (rys. 11.6.).
11.2.
Pomiary laboratoryjne
11.2.1. Układ pomiarowy
Badany zespół składa się z prostownika sterowanego, silnika i maszyny obciążającej,
którą jest prądnica prądu stałego (rys.11.5).
Prostownik sterowany jest przyłączony do sieci przez bezpieczniki topikowe Bt, stycznik
ST i dławiki sieciowe DS. W obwód twornika silnika włączony jest dławik wygładzający Dl,
amperomierz i woltomierz. Wzbudzenie silnika jest zasilane z prostownika niesterowanego.
Prędkość kątową silnika nastawia się za pomocą potencjometru przez zmianę napięcia
zadającego u
z
. Prądnicę obciąża się opornikiem R
obc
.
6
L
DS
I
d
α
z
A1
A2
F1
F2
L
Dł
F1
F2
A1
A2
W3
U
d
C
u
C
i
rejestrator
lub
oscyloskop
Rys.11.5. Schemat układu pomiarowego
11.2.2. Badanie
prostownika
sterowanego
Obciążamy prostownik opornikiem (obciążenie rezystancyjne). Zdejmujemy
charakterystykę zewnętrzną U
d
=f(I
d
) dla kilku różnych wartości napięcia zadającego u
z
=const
(
α
z
=const):
a) przy otwartym obwodzie sprzężenia napięciowego,
b) przy zamkniętym obwodzie sprzężenia napięciowego.
Wyniki pomiarów zapisujemy w tablicy 11.1.
Tablica
11.1.
I
d
U
d
Lp.
A U
Na podstawie pomiarów należy wykonać wykresy U
d
=f(I
d
). Za pomocą oscyloskopu
katodowego obserwujemy przebiegi napięcia i prądu na wyjściu prostownika przy różnych
kątach załączenia tyrystorów z włączonym i wyłączonym (zwartym) dławikiem Dł
(wyłącznik W3 otwarty lub zamknięty).
11.2.3. Zdjęcie charakterystyk mechanicznych silnika
Połączyć układ zgodnie ze schematem na rys. 11.5. Zdjąć charakterystykę mechaniczną
silnika
ω
=f(T) dla kilku różnych wartości napięcia zadającego u
z
=const (
α
z
=const):
a) przy otwartym obwodzie sprzężenia napięciowego,
b) przy zamkniętym obwodzie sprzężenia napięciowego.
Wyniki pomiarów zapisujemy w tablicy 11.2.
7
Tablica 11.2.
Pomiar Obliczenia
u
z
U
d
I
d
U
g
I
g
n P
s
P
g
η
s
P
w
ω
T
w
Lp.
V V A V A
obr/min
W W - W
rad/s
N
⋅
m
W obliczeniach stosuje się następujące wzory:
d
d
s
I
U
P
=
- moc elektryczna doprowadzona do twornika silnika,
g
g
g
I
U
P
=
- moc elektryczna oddawana przez prądnicę,
s
g
s
P
P
=
η
-
sprawność silnika przy założeniu jednakowej sprawności silnika i
prądnicy,
55
,
9
n
=
ω
- prędkość kątowa,
ω
=
w
w
P
T
- moment na wale silnika.
Na podstawie pomiarów i obliczeń należy wykreślić charakterystyki mechaniczne silnika
ω
=f(T).
Rys. 11.6. Charakterystyki mechaniczne silnika zasilanego z prostownika sterowanego w układzie
z ograniczeniem prądowym I
dr
(T
r
) i sprzężeniem napięciowym.
11.2.4. Badanie
dynamiki
układu
Układ pracuje z ograniczeniem prądowym, które ma wpływ na przebiegi w stanach
nieustalonych, np. w czasie rozruchu silnika. Badania dynamiki układu wykonujemy
ω
ω
z1
ω
z2
ω
z3
α
z1
α
z2
α
z3
T
0
α
z1
<
α
z2
<
α
z3
T
r
8
rejestrując przebiegi prądu, prędkości i ewentualnie innych wielkości w czasie trwania stanu
nieustalonego.
Należy wykonać pomiary rozruchu silnika, rejestrując przebiegi I
d
=f(t),
ω
=f(t) za pomocą
układu rejestrującego.
Zaobserwować wpływ wartości ograniczenia prądowego na przebieg rozruchu.
11.3.
Pytania kontrolne
1. Porównać układy jednofazowych prostowników sterowanych dwupulsowych.
2. Omówić przebiegi prądu i napięcia w obwodzie twornika przy zasilaniu napięciem
pulsującym z prostownika sterowanego jednofazowego dwupulsowego.
3. Omówić charakterystyki zewnętrzne prostownika sterowanego.
4. Narysować i omówić charakterystyki mechaniczne silnika zasilanego z prostownika
sterowanego.
5. Omówić działanie ograniczenia prądowego i jego wpływ na dynamikę układu.
Literatura
[1] Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika, Warszawa, PWN 1994.
[2] Barlik R. Nowak M.: Technika tyrystorowa, Warszawa, WNT 1988.
[3] Sidorowicz J. Napęd elektryczny i jego sterowanie, Oficyna Wydawnicza Pol.
Warszawskiej, Warszawa 1994.
[4] Praca zbiorowa pod redakcją Bitla H.: Laboratorium napędu elektrycznego, Warszawa –
Poznań, PWN 1977.