Pełną nawrotność prostownika uzyskuje się łącząc dwa mostki w sposób

np. pokazany na rys. 6.14.

Dla zewnętrznego obwodu obciążającego mostek I wymusza prąd:

I_d1 =

w kierunku od zacisku Al do B2 twornika silnika. Mostek II w tym samym czasie jest wysterowany tak, by mógł przejąć prowadzenie prądu:

I_d1 =

Rys. 6.H. Nawrotny prostownik w układzie mostkowym:

schemat; b.) napięcia wyprostowane i kąty opóźnienia zapłonu

płynącego w tworniku od zacisku B2 do Al, czyli by mógł realizować oddawanie energii do systemu w czasie hamowania silnikiem, gdy E > U_d. Warunkiem prawidłowej współpracy takiego układu nawrotnego dwu mostków jest współzależne regulowanie kąta wysterowania nie dopuszczające do przepływaj prądów wyrównawczych

I_w =

z czego wynika warunek współzależnego sterowania

α_I + α_II > 180

Obok prądu wyrównawczego stałego I_w pojawia się prąd wyrównawczy od tętnień, napięć wyprostowanych obydwu mostków, który jest skutecznie zmniejszany przez włączone w obwód dławiki D. Na temat układów prostownikowych dla napędów elektrycznych istnieje bardzo bogata literatura analizująca większą rozmaitość możliwych do realizacji schematów i w sposób bardziej wyczerpujący.

Dla prawidłowej pracy prostownika układ sterowania powinien generować impulsy wysterowujące tyrystory w grupie I i grupie II w sposób współzależny, umożliwiający ingerencję sygnałów logicznych lub sygnałów od układu zabezpieczeń, tak by w każdej chwili było możliwe całkowite zablokowanie odpowiedniej grupy prostownikowej.

U_s α U_G

U₀ SL

u

Rys. 6.15. Schemat strukturalny sterowania prostownikiem

GUo — generator napięć odniesienia; UP - układ porównujący; UL - układ logiki;

WM wzmacniacz mocy dający na wyjściu prądy bramkowe I_G.

Układ sterowania US obejmuje, jak to widać z rys. 6.15, generator napięcia;?
odniesienia GU₀, komparator UP, w którym następuje porównanie napięcia sterow­niczego U_s z napięciem odniesienia U_o układ logiczny UL zezwalający na pojawienie się na wyjściu napięcia bramkowego U_G oraz wzmacniacz mocy WM dający na wyj­ściu prądowy sygnał I_G wysterowujący tyrystor. Napięcie porównawcze może być napięciem liniowo zmiennym w czasie wg funkcji :

w zakresie od α = 0 do α = 0

α

π

-U_om 0
+U_om

(t)

Rys. 6.16. Napięcie porównawcze w funkcji czasu (a) oraz kąt opóźnienia zapłonu jako funkcja napięcia porównawczego (b)

Wówczas kąt opóźnienia wysterowania tyrystora (rys. 6.16)

Jeśli wysterowanie następuje w chwili, gdy U₀ = U_s, jak to widać z rys. 6.17, to napięcie na wyjściu prostownika będzie określone jako:

będzie więc zmieniać się sinusoidalnie ze zmianą napięcia sterującego.

Gdyby napięcie porównawcze zmieniało się nie liniowo, lecz np. wg funkcji U_o = U₀ ^. cos α wówczas przy α = arcos
napięcie wyprostowane byłoby liniową funkcją napięcia sterującego

Należy pamiętać, że układ sterujący wysterowywany jednym sygnałem U, generuje w sposób współzależny sygnały sterujące dla wszystkich tyrystorów oraz dla obydwu mostków, jeśli prostownik jest nawrotny.

Rys. 6.17. Włączenie impulsu bramkowego, gdy U_{s =} U₀

Przy liniowym napięciu porównawczym współczynnik wzmocnienia prze­kształtnika wraz z układem sterowania będzie miał posiać:

i odpowiedniego przy napięciu kosinusoidalnym:

Dla powszechnego dziś sterowania wg liniowego napięcia porównawczego współ­czynnik wzmocnienia będzie zmieniał się w granicach od
przy U_s do 0

przy U_s = U_om .W analizie układów sterowania wystarczającym okazało się przy­bliżenie uwzględniające przedział sterowania zawarty między 15° i 75° dla pracy prostownikowej oraz 105" i 165° dla falownikowej

Dynamiczne właściwości prostownika należałoby precyzować, uwzględniając dyskretny charakter włączania do pracy kolejnych zaworów. W rzeczywistości jednak w przeważającej liczbie przypadków stosowania prostowników w napędach elektrycznych mamy do czynienia z odbiornikami o dostatecznie dużych indukcyjnościach czy też momentach bezwładności, zapewniających wystarczające uśrednia­nie i ciągłość momentów obrotowych i prędkości.

Przy niewielkich zmianach kąta wysterowania (rys. 6.18a) w kierunku zwiększenia napięcia, czyli zmniejszenia kąta a, reakcja prostownika będzie natychmiastowa

Rys. 6.18. Opóźnienie reakcji prostownika przy dużej zmianie sygnału sterującego: a) zwiększenie napięcia U_doα : b) zmniejszenie napięcia U_{doα .}

Natomiast przy zwiększaniu kąta α, co odpowiada zmniejszeniu napięcia, w niekorzystnym przypadku może reakcja prostownika pojawić się po czasie równym czasowi pracy anody T/m (rys. 6.18b). Średnio statystycznie można więc przylać.

że prostownik zachowuje się jak człon z czystym opóźnieniem τ =T/2m , co w przypadku mostków ,3 - fazowych daje τ =
= 1,66 ms. Jest to opóźnienie bardzo

małe, w większości przypadków pomijalne wobec stałych czasowych obwodu za­silanego.

Ostatecznie więc schemat blokowy przekształtnika z transmitancją operato­rową:

G_p (s) =k_p ^. e^-sτ

przybliżaną niekiedy przez człon inercyjny o stałej czasowej równej opóźnieniu będzie miał postać jak na rys. 6.19b.

Rys. 6.19. Opóźnienie reakcii prostownika przy dużej zmianie sygnału sterującego: przejście na zakres ujemnych napięć U_do (a); schemat blokowy przekształtnika (b)

Szczególny przypadek stanowi przesterowanie prostownika do pracy inwertorowej.

Zmiana kąta od α₁, do α₂ >
.jest związana z przejściem napięcia przemiennego w zakres wartości ujemnych, co wymaga czasu

< T

Przypadek ten ilustruje rys. 6.19a

Charakterystyka zewnętrzna prostownika w stanie ustalonym podaje za­leżność jego napięcia średniego od prądu obciążenia:

U_dα = U_doα - I_d ^. R_zT -
(6.1)

Całkowita rezystancja obwodu prostownika widziana od strony prądu wyprostowanego będzie zawierała zastępczą rezystancję transformatora wyznaczoną z uśrednionego spadku napięcia w okresie komutacji i w okresie międzykomutacyjnym (jak to ilustruje rys. 6.20) oraz zastępczą rezystancję odpowiadającą spadkowi napięcia od komutacji

Analogicznie i indukcyjność transformatora będzie od strony prądu stałego, czyli od strony twornika silnika, widziana jako średnia z okresu komutacji

i międzykomutacyjnego

L = 2L_S

gdzie L, i R, — indukcyjność rozproszenia i odpowiednio rezystancja jednej fazy

systemu zasilającego prostownik.

Rys. 6.20. Rezystancja R i indukcyjność L obwodów zasilania przekształtnika: a) w okresie komutacji; b) w okresie międzykomutacyjnym

Na przebiegi prądu w obwodzie zewnętrznym zasilanym z prostownika będzie miała wpływ całkowita rezystancja i indukcyjność obwodu: układ zasilania twornik — obwód prądu wyprostowanego. Zatem stała czasowa elektromagnetyczna wyrazi się zależnością

T =

Indeksy oznaczają : s — układ zasilania, d — dławik wygładzający, T — twornik.

W zakresie prądów ciągłych charakterystyka statyczna prostownika jest

liniowa wg. równania (6.1). Po wejściu w zakres prądów przerywanych, jeśli odbiornikiem jest twornik silnika, średnie napięcie prostownika będzie wzrastało, podobnie

jak SEM twornika, aż do wartości zależnych od kąta wysterowania

dla α <
do U_d = (E_max) _t=0 =

dla α >
do U_d = (E_max) _t=0 =

W zakresie prądów przerywanych kolejne zawory przejmują prąd po jego zaniku do zera, czyli bez procesu komutacji. Prąd jest wymuszony napięciem pulsującym — początek i koniec przewodzenia są funkcją prądu, a ten z kolei zależy od wspomnia­nych kątów — charakterystykę prostownika opisuje równanie przestępne. Przybli­żoną ocenę charakterystyk w zakresie prądów przerywanych daje równanie:

U_d =(E_MAX)_t=0 -I_d ^. [f(λ)ω ^.(2L_s + L_d +L_T ) + (2R_s + R_d +R_T)]

gdzie f(λ) =
jest funkcją kąta przewodzenia λ = ϑ₂ -ϑ_1. Dla λ =

funkcja f(λ)=
czyli tak jak dla przewodzenia ciągłego.

-I_d ^. [f(λ)ω ^. (2L_s + L_d +L_T ) + (2R_s + R_d +R_T)] = -R_u

przybiera dla I_d = 0 λ =0 wartość R_u = -∞ , z czego wynika, że charakterystyka w punkcie l_d = 0 jest styczna do osi rzędnych. Rodzinę charakterystyk statycznych prostownika pokazano na rys. 6.2).

Rys. 6.21. Charakterystyki zewnętrzne prostownika

Nawrotny przekształtnik, składa się z, dwu współzależnie sterowanych przekształtników, z których każdy może mieć na zaciskach (wyjściowych napięcie dodatnie lub ujemne, lecz prąd może przewodzić tylko w jednym kierunku zgodnie z układem połączeń zaworów. Do najczęściej spotykanych układów przekształtnikowych nawrotnych należą:

a) układ przeciwrównolegly pokazany na rys. 6.14,

b) układ krzyżowy lub ósemkowy stosowany już w dawnych przekształtnikach rtęciowych,

c) układ ,,H" uważany za nowoczesny szczególnie przydatny w napędach dużych mocy.

Najprostszy przeciwrównoległy układ nawrotny może być zasilany z jednego transformatora lub ze wspólnej sieci z innymi odbiornikami. Przy zachowaniu omówionych w rozdz. 6 zasad sterowania można silnie ograniczyć prąd wyrównawczy zarówno przez utrzymanie zależności α₁ + α₂ > 180, jak i przez odpowiedni dobór dławików D_1, D₂ , i D₃, D₄, z których jeden jest obciążony prądem wyprostowanym a drugi w tym samym czasie może jako nienasycony ograniczać skutecznie prąd wyrównawczy. Konieczność stosowania czterech dławików wynika z możliwości zamykania się prądów wyrównawczych również przez połówki mostków. |

Układ krzyżowy ma w rozwiązaniach nowoczesnych dwa mostki zasilane z dwu uzwojeń wtórnych transformatora TP. Wyprostowany prąd /j jest wymuszany ,.| dla każdego kierunku przez jeden z mostków i jedno uzwojenie wtórne transformato­ra. Zasada sterowania oraz dobór dławików są analogiczne jak w przypadku układu przcciwrównoleglego. Schemat układu krzyżowego współpracującego z silnikiem | jest pokazany na rys. 8.6.

W układzie, którego nazwa wywodzi się od struktury schematu przypomi­nającej literę H, prąd wyprostowany I_d dla każdego kierunku jest wymuszany przez

Rys. 8.6. Nawrotny przekształtnik układzie w układzie krzyżowym

T_I , T_II, — uzwojenia wtórne trójuzwojeniowego transformatora zasilającego; D_I D_II-dławiki wygładzające I_dI .I_dII -prąd przekształtnika

Rys. 8.7. Nawrotny przekształtnik w ukła­dzie H. Charakterystyczne jest połączenie zaworów w grupach przypominających mo­stki. Oznaczenia - jak na rys. 8.6

obydwa wtórne uzwojenia transformatora trójuzwojeniowego lub obydwa uzwojenia dwu transformatorów zasilających cały układ. Jak widać z rys. 8.7, niezbędny jest tylko jeden dławik wpięty między punkty gwiazdowe wtórnych uzwojeń, który ma równocześnie wygładzać prąd I_d oraz ograniczać prąd wyrównawczy. Należy zwrócić

uwagę, że układ H utworzony został nie z dwu mostków 3-fazowych, lecz z czterech układów trójpulsowych. W rezultacie otrzymano układ 6-pulsowy nawrotny z do­brym wykorzystaniem transformatora. W dalszym ciągu nawrotny przekształtnik będzie traktowany jako jeden zespól wysterowywany sygnałem U_s który określa tak wielkość, jak i kierunek napięcia na zaciskach przekształtnika. Zespól ten bez

dokonywania przełączeń umożliwia przepływ prądu w obydwu kierunkach względem swoich zacisków.

Prosta strukturę napędu z nawrotnym przekształtnikiem w obwodzie twornika pokazano na rys. 8.8. Sygnał sterujący U_s , reguluje w sposób zależny kąty.

wysterowania przekształtników tworzących układ nawrotny, tak by stale była utrzymana zależność α₁ + α₂ > 180. Dzięki temu w układzie nie pojawią się w stanie ustalonym ani przy małych odchyłkach sterowania prądy wyrównawcze. W zakresie prądów ciągłych, tzn. przy dostatecznie dużym obciążeniu i odpowiednio dobranych dławikach wygładzających, charakterystyki napędu mogą z dobrym przybliżeniem być opisane za pomocą transmitancji operatorowych podanych w p. 4.1 i 6.2.

Dla otwartego układu otrzymalibyśmy więc równania:

ω(s) = U_s(s) ^. G_p(s) ^. G₁(s) ≈ U_s(s)

I_s(s) = U_s(s) ^. G_p(s) ^. G₃(s) = U_s(s)

W napędach z. nawrotnym przekształtnikiem w obwodzie twornika prądy przerywane przy przejściu przez bieg jałowy pojawią się wówczas, gdy układ pracuje bez prądów wyrównawczych. Wówczas nawrót, czyli zmiana kierunku prądu w tworniku, przebiega w ten sposób, że wpierw maleje do zera prąd w grupie pro­stowniczej, a następnie po krótkiej przerwie bezprądowej narasta prąd w grupie inwertorowej przejmującej sterowanie procesem hamowania. Przebieg ten jest po­kazany na rys. 8.11. Dla wielu procesów technologicznych tak długi czas nawrotu prądu (momentu obrotowego) jest nie do przyjęcia. Czas ten można skrócić, do­puszczając pojawienie się kontrolowanych przez układ sterowania prądów wyrów­nawczych. Wówczas równocześnie z zanikaniem prądu w grupie prostowniczej pojawia się narastanie prądu w grupie inwertorowej. Różnica tych prądów jest prądem twornika. Z ilustracji na rys. 8.12 widać wyraźnie skrócenie czasu rewersowania prądu w tworniku. Układ bez prądów wyrównawczych wymaga precyzyjnie działającej blokady tychże prądów, natomiast układ z prądami wyrównawczymi — ich równie precyzyjnej regulacji. Zagadnienia doboru odpowiednich układów blokujących i regulacyjnych są przedmiotem automatyki układów napędowych.

Na rysunku 8.13a jest pokazany ideowy schemat układu napędowego z na­wrotnym przekształtnikiem w obwodzie twornika z blokadą prądów wyrównawczych.

Rys. 8.11. Zmiana kierunku prądu twornika w napędzie nawrotnym bez prądów wyrównawczych.

Rys 8.12. Zmiana kierunku prądu twornika w napędzie nawrotnym z prądami wyrównawczymi

Rys. 8.11. Nawrotny napęd przekształtnikowy z blokada prądów wyrównawczych: a) schemat strukturalny: b) przebiegi prądów I_I oraz I_II przy zadanym zmniejszeniu prędkości o Δω_z

Przeciwrównoległy układ dwóch mostków 3-fazowych jest połączony przez dwa wyłączniki szybkie WK z obwodem twornika obejmującym również dławik wygładzający Dl. Oddzielne układy sterowania US zawierające generatory im­pulsów bramkowych oraz układy do ich przesuwania są sterowane sygnałem wyjściowym z oddzielnych dla każdego mostka regulatorów prądu RI_I, RI_II , Sygnał prądowego sprzężenia jest pobierany z układu przekładników prądowych zainstalowanych; w obwodzie zasilania każdego z mostków. Nadrzędny regulator prędkości Rω wprowadza na wejście regulatorów RI_I,oraz RI_II sygnały proporcjonalne do prądu; (momentu obrotowego) tak od siebie uzależnione, że w tym samym czasie może przewodzić prąd tylko jeden mostek. Niech pracuje mostek I jako prostownik, Napięcie zadające U_ωn, jest wówczas dodatnie. Regulator RI_II ma na wejściu ujemny

sygnał, tak że jego napięcie wyjściowe odpowiada maksymalnemu napięciu inwertorowemu mostka II. Logiczny układ LOG blokuje przy tym impulsy bramkowe na tyrystory mostka II. Pracuje mostek I, prąd wyrównawczy nie płynie.

Jeśli na wejściu pojawi się sygnał zadający na przykład obniżenie prędkości o Δωz, tzn. U_mz < U_ω, to na wyjściu Rω sygnał zmienia znak. Regulator RI_I, zostaje wysforowany w kierunku zmniejszenia prądu mostka I, impulsy bramkowe tyrystorów tegoż mostka zostają zablokowane w chwili, gdy w obwodzie mostek I — twornik prąd zaniknie do zera. Po upływie czasu t₀, w którym są zablokowane obydwa mostki układ LOG odblokuje impulsy bramkowe mostka II, regulator RI_II,, reguluje prąd hamowania silnika zgodnie z nastawionymi parametrami. Przebiegi prądów oraz prędkości w omówionym przypadku pokazano na rys. 8.13b.

Jak już wspomniano, problem prądów przerywanych staje się nieistotny w układach z regulowanym prądem wyrównawczym. Płynący zawsze w jednym kierunku (!) prąd wyrównawczy będzie w mostku prostowniczym sumował się z prądem obciążenia, a w mostku inwertorowym będzie się od niego odejmował. Powoduje to konieczność niewielkiego niekiedy przedymensjonowania elementów półprzewodnikowych. Również dławiki wygładzające powinny być tak dobrane, by jeden z nich nie obciążony w danej chwili prądem twornika ograniczał skutecznie prąd wyrównawczy przy zachowaniu jego ciągłości.

Na rysunku 8.14 silnik M jest zasilany z nawrotnego przekształtnika w ukła­dzie krzyżowym. Mostki I oraz II mają własne układy sterowania US oraz własne regulatory prądu RI_I, RI_II . Do obydwu regulatorów prądu jest wprowadzony sygnał zadający wielkość prądu wyrównawczego i_wz ,. Sygnał sprzężenia prądowego jest pobierany z układów przekładników prądowych.

Rys. 8.14. Nawrotny napęd przekształtnikowy z. regulowanymi prądami wyrównawczymi Ii — zadany prąd wyrównawczy

Sygnał zadający prąd generowany przez regulator prędkości Rω wchodzi do wejścia RI_I bezpośrednio przez diodę zezwalającą na jeden kierunek wysterowania prądu oraz do RI_II przez diodę i inwertor (- 1), co odpowiada drugiemu kierunkowi prądu zgodnemu z przewodzeniem mostka II.

Nawrót prądu przy przejściu napędu od pracy silnikowej na hamowanie odzyskowe jest szybki, jak to pokazano na rys. 8.12, a strefa prądów przerywanych jest wyeliminowana. Dzięki temu wyeliminowane zostaje zniekształcenie charakte­rystyki statycznej m =f(M) w okolicy przechodzenia przez stan biegu jałowego od pracy silnikowej do hamowania generatorowego ze zwrotem energii do systemu poprzez inwertorowo pracujący mostek układu nawrotnego.

Napędy z silnikiem obcowzbudnym prądu stałego zasilanym z przekształtnika
nawrotnego mogą, podobnie jak układy Leonarda mieć uzależniony od napięcia
twornika prąd wzbudzenia silnika. I tu mówi się wówczas o zależnym wzbudzeniu
przy dwustrefowej regulacji prędkości obrotowej. Idea oraz struktura układu są
takie same, jak w przypadku napędu silnik — generator. Ze względu na małą
inereyjność przekształtnika zasilającego twornik można oczekiwać lepszych właści­wości dynamicznych.

Literatura: Bisztyga „Sterowanie silnikami elektrycznymi”

Rzeszów: 30. 01. 2001

Napęd elektryczny

projekt

Temat : Opisać przebiegi elektryczne, podać podstawowe zależności i charakterystyki dla silnika obcowzbudnego zasilanego z prostownika odwrotnie równoległego mostkowego pracującego z prądami obwodowymi.

Wykonał:

Grzegorz Kirc

IVEDP. L11.

U_doαII

U_doαI

UP

UL

WM

GUo

---