Sterowanie silników prądu stałego
Do sterowania silników prądu stałego stosuje się sterowniki tranzystorowe (do małych i
średnich mocy) lub tyrystorowe (dla większych mocy powyżej 1kW). Powszechnie stosuje się
sterowniki z impulsową modulacją napięcia stałego  PWM (Pulse Width Modulation)
pracujące z wykorzystaniem fali prostokątnej napięcia zasilającego silnik, dla którego w
trakcie przebiegu dokonuje się kontrolowanych (sterowanych) zmian trwania czasów części
dodatnich i ujemnych impulsów w sumarycznym czasie odpowiadającym okresowi impulsu.
Układy takie zapewniają wysokie właściwości dynamiczne i niwelują niektóre zjawiska
nieliniowe dotyczÄ…ce charakterystyk tarcia. Zmodulowana podstawowa fala prostokÄ…tna
napięcia zasilającego silnik może mieć częstotliwość do 10 kHz, co zapewnia uzyskanie
właściwości dynamicznych sterowników porównywalnych z właściwościami dynamicznymi
silników napędowych.
Na rys. 1 pokazano schemat typowego rozwiązanie obwodu wyjściowego sterownika z
impulsową modulacją napięcia stałego (mostek typu  H ) z tyrystorami.
Rys. 1. Schemat obwodu sterownika impulsowego z modulacją szerokości impulsów:
U - napięcie zasilania, L- indukcyjność wygładzająca prąd, T1 do T4 tyrystory,
z
D1 do D4 - diody, L - indukcyjności pomocnicze.
m
Napięcie zasilania jest podawane z zewnętrznego z
ródła, którym może być zasilacz prądu
stałego zasilany z sieci prądu przemiennego z funkcją odzyskiwania energii. Silnik posiada
uzwojenia o określonych indukcyjnościach, które w celu zabezpieczenia przed przepięciami
wymagają ciągłego przepływu prądu przez silnik. W tym celu w każdej z gałęzi mostka
ulokowano równolegle tyrystor i diodę stanowiące wspólnie tzw. łącznik półprzewodnikowy.
Indukcyjność L połączona szeregowo z twornikiem silnika ma za zadanie wygładzanie
impulsów prądu. Zbiór tyrystorów T1 do T4 połączonych w układ mostka ma za zadanie
doprowadzanie napięcia zasilającego o zmieniającej się biegunowości do twornika silnika w
czasie pracy silnikowej, tzn. zamiany energii elektrycznej ze z
ródła (natężenie prądu -
napięcie) na energię mechaniczną na wale (moment mechaniczny - prędkość kątowa wału).
Zbiór diod D1 do D4 połączonych w układ mostka ma za zadanie odzyskiwanie pewnej
części energii w trakcie hamowania silnika, tj. w trakcie jego pracy hamulcowej
(prądnicowej), która jest w oddawana do z
ródła zasilającego.
Na rys. 2 pokazano rodzaje pracy sterownika zależne od sterowania i stanu obciążenia, przy
czym dla poszczególnych czterech stanów wyeliminowano elementy niepracujących w danym
stanie. W trakcie pracy silnikowej przepływ prądu jest wywołany przez wprowadzenie na
zaciski twornika napięcia zasilającego skierowanego przeciwnie do siły elektromotorycznej E
odpowiadającej rotacji twornika silnika. Umownie napięcie twornika E jest nazywane siłą
przeciwelektromotoryczną (skierowaną przeciwnie do napięcia zasilania w pracy silnikowej),
jednak dla pracy silnikowej przyjmuje się umownie IE>0. W trakcie hamowania natężenie
prądu twornika jest wywołane przez siłę elektromotoryczną E, która jest wtedy również
skierowana przeciwnie do napięcia na zaciskach silnika wywołanego przez z
ródło zasilania.
Rys. 2. Rodzaje pracy sterownika zależne od sterowania i stanu obciążenia.
Tyrystory T1 i T 4 oraz T 2 i T 3 w sterowniku są na przemian załączane (wprowadzane w
stan przewodzenia) i wyłączane (wprowadzane w stan nieprzewodzenia) wskutek czego
napięcie U twornika silnika ma przebieg prostokątny. Na rys. 3 pokazano trzy przykładowe
przebiegi czasowe napięcia zasilania U i natężenia prądu w tworniku silnika odpowiadające:
a) b) c)
Rys. 3. Zmiany w czasie napięcia zasilania U twornika silnika i natężenia prądu I zależne
od relacji czasów ta i tb (ðta +ð tb =ð T )ð: a) ta =ð tb , b) ta >ð tb , c) ta <ð tb ,
a) jednakowej szerokoÅ›ci impulsów dodatnich i ujemnych ta =ð tb . W tym stanie pracy w
każdym okresie T zmian napięcia występują wszystkie cztery rodzaje pracy sterownika, przy
czym napiÄ™cie Å›rednie UÅ›r =ð 0 wiÄ™c również Å›rednie natężenie prÄ…du jest równe IÅ›r =ð 0 .
Wirnik jest zatrzymany, jednak nie w sposób statyczny ale dynamiczny (jest poddany
wymuszonym drganiom o częstotliwości równej częstotliwości fali prostokątnej) i w tym
stanie nawet niewielka zmiana relacji między czasami składowymi ta i tb okresu T wywoła
zmianę stanu napięcia średniego oraz średniego natężenia prądu w tworniku, czego skutkiem
będzie zmiana stanu ruchu,
b) w wypadku maksymalnej szerokoÅ›ci dodatnich impulsów napiÄ™cia ta >ð tb , ta :=ð ta max ,
tb :=ð tb min natężenie prÄ…du w caÅ‚ym okresie T nie zmienia kierunku pozostajÄ…c dodatnim, przy
czym wystąpią tylko fazy pracy w I i II ćwiartce układu współrzędnych z rys. 2, co
spowoduje dodatnie średnie wartości napięcia i natężenia prądu w tworniku, przy czym
wartości bezwzględne staną się maksymalne,
c) w wypadku maksymalnej szerokoÅ›ci ujemnych impulsów ta <ð tb , ta :=ð ta min , tb :=ð tb max
natężenie prądu w całym okresie T nie zmienia kierunku pozostając ujemnym, przy czym
wystąpią tylko fazy pracy w III i IV ćwiartce układu współrzędnych z rys. 2, co spowoduje
ujemne średnie wartości napięcia i natężenia prądu w tworniku, przy czym wartości
bezwzględne będą maksymalne,
Układ komutacji sterownika
Ogólnie komutacją nazywa się przełączenie stanu przewodzenia w urządzeniu elektrycznym.
W wypadku układów elektronicznych komutacją tyrystora będziemy nazywali wyłączenie
Rys. 4. Schemat układu komutacji sterownika:
U - napięcie zasilania, C - kondensator komutacyjny, TK1, TK 2 - tyrystory
z
komutacyjne, UP - uzwojenie pierwotne transormatora, UW  uzwojenie wtórne
transformatora, UWR  uzwojenie wtórne regeneracyjne,
D, D1 do D4 - diody, T1 do T4 tyrystory.
załączonego tyrystora w więc doprowadzenie przewodzącego tyrystora do stanu
nieprzewodzenia. Wymaga to przekazania tyrystorowi dość dużej porcji energii, której
z
ródłem w układach tyrystorowych jest zwykle kondensator zwany komutacyjnym. Ponowne
naładowanie tego kondensatora wymaga uzyskania między jego okładkami napięcia o
odpowiedniej wartości a więc zgromadzenia na jego okładkach odpowiedniego ładunku, co
wymaga czasu. Im dłuższy czas ładowania tym gorsze właściwości dynamiczne sterownika.
W celu skrócenia czasu ładowania kondensatora komutacyjnego stosuje się w sterownikach
dodatkowe obwody zapewniajÄ…ce szybkÄ… regeneracjÄ™ kondensatora komutacyjnego.
Na rys. 4 przedstawiono schemat sterownika silnika z układem komutacji zawierającym
obwód szybkiej regeneracji kondensatora komutacyjnego. Kondensator komutacyjny C
naładowany do napięcia UC w momencie komutacji zostaje przez tyrystor komutacyjny TK1
załączony do uzwojenia pierwotnego UP transformatora. Uzwojenia wtórne UW tego
transformatora w tym momencie generują napięcia wsteczne, wskutek czego załączone
tyrystory zostają wyłączone. W tej samej chwili czasu napięcia indukowane w uzwojeniu
wtórnym regenerującym UWR wzrastając przekracza napięcie zasilania U , i wskutek tego
z
przez uzwojenie UWR i diodę D popłynie prąd. Indukuje on w uzwojeniu pierwotnym UP siłę
elektromotoryczną zapobiegającą całkowitemu rozładowaniu kondensatora C, co skraca czas
potrzebny do jego ponownego naładowania do napięcia początkowego UC co zachodzi dzięki
załączeniu drugiego tyrystora komutacyjnego TK 2 . W takim rozwiązaniu obydwa tyrystory
komutacyjne TK1, TK 2 komutują samoczynnie, tyrystor TK1 pod wpływem napięcia
indukowanego w uzwojeniu UP przez prąd uzwojenia wtórnego regenerującego UWR,
natomiast tyrystor TK 2 pod wpływem napięcia UC , do którego zostaje naładowany
kondensator C.
Zasilacz regenerujÄ…cy
Zasilacz prądu stałego, który może pracować jako inwertor, tzn. może w określonych
warunkach oddawać energię do sieci prądu przemiennego, np. gdy napięcie na zaciskach
odbiornika stanie się wyższe od napięcia zasilania nazywamy zasilaczem regenerującym.
Rys. 5. Schemat zasilacza regenerujÄ…cego:
D1 i D2 - diody, T1 i T 2 tyrystory, L  indukcyjności, R i C  rezystancja i pojemność
filtra.
Na rys. 5 pokazano schemat ideowy typowego zasilacza regenerujÄ…cego przeznaczonego do
zasilania obwodu sterownika z rys. 4. Jest on zasilany prÄ…dem przemiennym z sieci. Diody
D1 i D2 wraz z odpowiednimi uzwojeniami transformatora tworzÄ… prostownik
dwupołówkowy który przez filtr RC zapewnia zasilanie sterownika napięciem U . Tyrystory
z
T1 i T 2 pracują tutaj jako inwertory o odpowiednio przesuniętych stałych momentach
załączania dobranych w ten sposób, że przy wyjściowym napięciu znamionowym U
z
natężenie prądu inwertora jest równe zeru, natomiast gdy wskutek pracy hamulcowej silnika
w układzie sterownika napięcie na zaciskach silnika U stanie się wyższe niż znamionowe, to
z
wartość natężenia prądu inwertora Ii stanie się różna od zera i wskutek samoczynnego
przełączania tyrystorów T1 i T 2 energia tego prądu zostanie przekazana zwrotnie do sieci
zasilajÄ…cej prÄ…du przemiennego.