Wstęp

Metody regulacji prędkości obrotowej w silnikach indukcyjnych pierścieniowych:

• Zmiana wartości napięcia zasilającego

• Zmiana częstotliwości napięcia zasilania

• Zmiana stosunku U/f =const

• Zmiana rezystancji wirnika

Najczęściej stosowaną metodą regulacji prędkości obrotowej w silnikach indukcyjnych pierścieniowych jest zmian rezystancji wirnika. Zmiana rezystancji wirnika powoduje zmianę prędkości w zakresie od zera do prędkości znamionowej przy równoczesnym zmniejszeniu prądu rozruchowego i w pewnych granicach zmian rezystancji, zwiększe­niu momentu rozruchowego, a także wzrost współczynnika mocy. W nowoczesnych rozwiązaniach układów napędowych do płynnej regula­cji rezystancji wykorzystuje się elementy elektroniczne, najczęściej tyrystory.

Zasada regulacji prędkości silnika indukcyjnego pierścienio­wego przy użyciu tyrystorowego regulatora rezystancji

Schemat silnika indukcyjnego z tyrystorowym regulatorem rezystancji

Rezystor R_d służący do zmiany poślizgu silnika M, znajduje się w obwodzie prądu stałego prostownika mostkowego zbudo­wanego przy użyciu diod od Dl do D6. Prostownik zasilany jest napięciem wirnika silnika. Rezystancja R_d jest cyklicznie za­łączana i wyłączana z obwodu prostownika. W stosowanych w praktyce układach okres impulsowania jest za­zwyczaj stały i powinien być mały w stosunku do elektromechanicz­nej stałej czasowej silnika.

Zmiana wartości rezystancji R_d dokonywana jest przez zmianę względnego czasu pracy tyrystora głównego - tyrystorowego regu­latora rezystancji (TRR). Względny czas pracy określony jest za­leżnością:

gdzie: t _p - czas przewodzenia tyrystora głównego TRR,

t_o - czas przerwy w przewodzeniu tyrystora głównego TRR.

TRR umożliwia regulację rezystancji w zakresie:

R_d < R_dm < ∞

Zasada działania tyrystorowego regu­latora rezystancji (TRR)

Tyrystorowy regulator rezystancji wirnika silnika pierścieniowego stanowi najczęściej łącznik tyrystorowy o komutacji pojemnościowej.

Silnik indukcyjny pierścieniowy z szeregowym regulatorem poślizgu

Tyrystor T2 oraz elementy C_K R_K stanowią w tyrystorowym regulatorze po­ślizgu elementy komutacyjne umożliwiające wprowadzenie w stan blokowania przewodzącego tyrystora głównego T1

Opis działania układu rozpoczynamy od momentu, gdy przewodzi tyrystor główny Tl i do obwodu wyjściowego prostownika dołączony jest rezystor R_d, na którym występuje napięcie U_z , a kondensator C_k naładowany jest do napięcia U_p. Po upływie czasu t_p zo­staje podany impuls sterujący do obwodu bramki tyrystora T2, ty­rystor wchodzi w stan przewodzenia powodując przyłączenie nała­dowanego kondensatora do obwodu tyrystora Tl, co powoduje jego przejście w stan blokowania. Kondensator przeładowuje się do napięcia U_z. W pierwszym momencie przewo­dzenia tyrystora T2 na rezystorze R_d wzrasta napięcie na skutek dodawania się napięcia kondensatora i napięcia U_z. Po przełado­waniu się kondensatora tyrystor Tl znajduje się w stanie bloko­wania i napięcie na nim wynosi U_z ; przez rezystor R_d prąd nie płynie, w związku z czym silnik M nie rozwija momentu. Płynie na­tomiast prąd przez tyrystor T2 ze źródła pomocniczego U_p. Po upływie czasu t następuje załączenie tyrystora Tl i zablokowanie tyrystora T2.

Wyznaczenie podstawowych parametrów układu regulacji

Przy określaniu charakterystyk mechanicznych silnika M pomi­ja się zazwyczaj energię związaną a ładowaniem i rozładowaniem kondensatora C_k zakładając, że R_k C_k << t_p+ t_o. Przy takim zało­żeniu można określić wielkość rezystancji w obwodzie obciążenia prostownika dla układu szeregowego:

Zależność między rezystancją R_dm włączoną w obwód obciążenia prostownika, a odpowiadającą jej rezystancją R_dw włączoną w fazę wirnika silnika pierścieniowego, można określić na podstawie równości mocy po stronie prądu stałego i zmiennego:

gdzie: R_w - rezystancja fazy wirnika silnika,

I₂ - prąd fazowy wirnika /wartość skuteczna/,

I_S - prąd w obwodzie obciążenia prostownika /wartość średnia/.

Przekształcając powyższe równanie otrzymamy:

Dla prostownika trójfazowego mostkowego stosunek skutecznej wartości prądu przemiennego do średniej wartości prądu stałego wynosi
. Uwzględniając tę zależność otrzy­muje się:

Chcąc wyznaczyć analitycznie wielkość momentu rozwijanego przez silnik indukcyjny, pracujący w układzie z szeregowym regulatorem poślizgu na­leży wyjść z ogólnego równania na moment elektromagnetyczny:

gdzie: c - stała,

m - liczba faz,

E₂ - napięcie fazy wirnika,

I₂ - prąd fazowy wirnika,

ϕ₂- kąt fazowy wirnika.

Jeżeli w obwodzie wirnika silnika znajduje się prostownik, to poza okresami komutacji prąd fazowy wirnika płynie tylko w dwóch fazach, w związku z czym we wzorze na moment rozwijany przez silnik pracujący w układzie z szeregowym regulatorem poślizgu należy za m podstawić liczbę 2. Wartość średnia momentu dla jednej trzeciej okresu na­pięcia wirnika wyraża się zależnością:

gdzie: ω₀ - prędkość synchroniczna silnika,

θ- kąt bieżący,

γ- kąt komutacji.

Rozwiązanie powyższego równania jest możliwe przy założeniu, że prąd w obwodzie wirnik ma przebieg trapezowy, co w praktyce ma miejsce przy dużych wartościach indukcyjności dławika Dł.

Przy tym założeniu:

gdzie: X_w- reaktancja fazy silnika sprowadzona do obwodu wirnika.

Po podstawieniu otrzymuje się:

Prąd I_S zależy od napięcia wyprostowanego i od wielkości obcią­żenia. Wyprostowane napięcie wirnika E_2P określone jest zależ­nością:

gdzie: E₂₀ - napięcie fazowe wirnika dla ω=0,

s - poślizg silnika.

Napięcie E równoważone jest przez spadki napięć w obwodzie sil­nika i prostownika, do których należy zaliczyć:

- spadek napięcia na reaktancji X_W ,

- spadek napięcia na rezystancjach,

- spadek napięcia na zaworach.

Napięcie to określa zależność:

gdzie: R^'₁ - sprowadzona na stronę wirnika rezystancja fazy stojana,

ΔU - spadek napięcia na zaworach.

Moment rozwijany przez silnik:

Stałe a, p i q określone są nastę­pująco:

Elektroniczny układ zapłonowy tyrystorowego regulatora rezystancji (TRR)

Układ sterowania tyrystorów powinien zapewnić poprawną pracę TRR w szerokim zakresie zmian względnego czasu pracy przy wyso­kiej częstotliwości impulsowania.

Schemat blokowy układu zapłonowego TRR

Praca układu sterowania synchronizowana jest napięciem trój­fazowym, co zapewnia stałość częstotliwości impulsowania. Do syn­chronizacji wykorzystuje się wyprostowane dwupulsowo napięcie trójfazowe, dzięki czemu częstotliwość pracy układu wynosi 300 Hz. Na wyjściu układu synchronizacji otrzymuje się napięcie pro­stokątne o częstotliwości 300 Hz i współczynniku wypełnienia bli­skim jedności. Napięcie to doprowadzone jest do układu kształtu­jącego impuls sterujący dla tyrystora komutacyjnego T2, który po wzmocnieniu podawany jest do obwodu bramki tego tyrystora. Czas trwania impulsu sterującego tyrystora T2 wynosi około 100 μs. Napięcie z układu synchronizacji podawane jest także do obwodu generatora napięcia piłokształtnego, wymuszając jego pracę z czę­stotliwością 300 Hz.

Napięcie wyjściowe generatora piłokształtnego U_B doprowadzone jest do komparatora, w którym porównywane jest z napięciem zadającym względny czas pracy U_Z . Sygnał 2 kom­paratora pojawiający się w momencie zrównania się napięcia piłokształtnego z napięciem U_z steruje pracą układu kształtowania im­pulsów tyrystora głównego.

­R_d

DŁ

R

T

S

M

sterowanie

TRR

­U_P

­T₂

­T₁

R_d

DŁ

R

T

S

M

­R_k

­C_k

---