Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej

ĆWICZENIE T7

Badanie przekształtnika impulsowego o sterowaniu częstotliwościowym.

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem dwufazowego przekształtnika impulsowego jednooperacyjnego

1. Zasada impulsowej regulacji napięcia

Podstawowy układ regulacji impulsowej składa się z filtru wejściowego L_f, C_f, przekształtnika tyrystorowego P i elementów wygładzających prąd w obwodzie obciążenia. Są to: dławik obciążenia L_o, dioda zwrotna D_o i ewentualnie tzw. bocznik harmonicznych R_h przyłączony równolegle do uzwojenia wzbudzenia silnika (Rys. 1.).

Pracę układów rozpatrzymy przy następujących założeniach upraszczających:

1. Pojemność kondensatora filtra wejściowego C_f jest tak duża, że pulsację napięcia na nim można zaniedbać,

2. Indukcyjność w obwodzie obciążenia L_o jest tak duża, że pulsację prądu silnika I_s można zaniedbać.

1. praca silnikowa (układ jazdy)

3. Przekształtnik tyrystorowy P traktujemy jako dwustawny łącznik, natychmiastowo zmieniający swoje stany.

4. Straty mocy w elementach biernych i półprzewodnikowych pomijamy.

W czasie przewodzenia przekształtnika, do obwodu obciążenia przyłożone jest napięcie U. W czasie t_w , (stanu blokowania) przekształtnika, kiedy pod wpływem SEM samoindukcji dławika obciążenia i uzwojeń silnika podtrzymywany jest prąd w obwodzie silnika przez diodę zwrotną D_o (mimo przeciwnie działającej SEM rotacji silnika), napięcie na gałęzi obciążenia jest równe zeru. Ponieważ średnia wartość napięcia za okres T na indukcyjności L_o jako elemencie biernym musi być równa zero, średnia wartość napięcia na gałęzi obciążenia jest równa napięciu silnika i wynosi:

w całym przedziale regulacji współczynnika wypełnienia γ, od 0 do 1.

Rys. 1 Impulsowa regulacja napięcia

Pomijając straty w układzie, na podstawie porównania mocy na wejściu i wyjściu przekształtnika:

otrzymujemy, że:

Na wykresach umieszczonych z prawej strony rys. 1 przedstawiono względne wartości napięć i prądów, odniesionych do stałych (z założenia) wartości U i I_s .

Ten wyidealizowany obraz pracy przekształtnika, w rzeczywistych rozwiązaniach jest silnie zniekształcony wskutek tętnień napięcia na filtrze wejściowym, pulsacji prądu w obwodzie obciążenia, procesów komutacyjnych zachodzących w przekształtniku a zmieniających kształt wyjściowych impulsów napięcia i nakładających pewne ograniczenia na wartości minimalne i maksymalne współczynnika wypełnienia oraz strat w elementach układu. Ponadto w praktyce stosuje się zwykle układy wielofazowe przekształtników impulsowych i występuje wzajemne oddziaływanie na siebie poszczególnych faz, pracujących z określonym przesunięciem w cyklu.

2. Praca pojedynczej fazy przekształtnika jednooperacyjnego

Badany w ćwiczeniu układ przekształtnika impulsowego jest układem 2-fazowym. Każda z jednakowo zbudowanych tzw. faz pracuje z przesunięciem o ½ okresu na wspólną gałąź obciążenia (silnik szeregowy). Praca poszczególnych faz jest całkowicie niezależna wskutek odseparowania ich nawzajem diodami rozdzielającymi.

Prześledźmy działanie pojedynczej fazy w oparciu o uproszczony schemat, przedstawiony na rys. 2.

Rys.2.

Rys. 3

W stanie ustalonym przed włączeniem tyrystora T kondensator komutacyjny C_K jest rozładowany (nie naładowany), zaś prąd obciążenia I_s płynie w obwodzie: L_o, silnik S, D_o. Energia dostarczona silnikowi czerpana jest z energii pola magnetycznego zgromadzonej w indukcyjności obciążenia L_o. Cały okres impulsowania podzielić można na 4 podzakresy: t₁ (od t₀ do t₁), t₂ (od t₁ do t₄), t₃ (od t₄ do t₆), oraz t₄ (od t₆ do t₇), w których procesy elektromagnetyczne zachowują stały charakter.

Dla zakresu t₁ , liczonego do momentu, w którym prąd tyrystora i_T zrówna się z prądem obciążenia I_S, obowiązują równania:

(2.1)

z których otrzymać można następujące wzory:

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Prąd tyrystora wzrasta w tym okresie liniowo i podobnie liniowo maleje do zera prąd diody zwrotnej.

W przedziale t₂ na stan osiągnięty w momencie t₁, w którym przestaje przewodzić dioda zwrotna, nakłada się proces oscylacyjnego przeładowania pojemności C_K przez indukcyjność L_K. Obowiązują tu następujące równania:

(2.5)

z których otrzymać można równanie różniczkowe postaci:

(2.6)

Pierwiastki równania charakterystycznego zależności (2.6) są urojone:

, dlatego przebieg u_o jest oscylacyjny. Rozwiązując równania (2.5) i (2.6) z uwzględnieniem warunków brzegowych: (u_Do)_t1 = 0 i (i_T)_t1= I_S otrzymuje się następujące wzory:

(2.7)

(2.8)

Aby prąd tyrystora i_T osiągnął w momencie t₄ wartość równą 0, co umożliwia odzyskanie sterowalności, musi być spełniony warunek:

(2.9)

W praktyce tak dobiera się wartości L_K i C_K, aby przy minimalnym napięciu zasilającym U amplituda składowej sinusoidalnej prądu tyrystora była dwu- a nawet trzykrotnie większa od maksymalnej wartości prądu obciążenia I_S.

Podokres od t₁ do t₃ nazywa się przeładowaniem przygotowawczym kondensatora komutacyjnego, zaś podokres od t₃ do t₄ - przeładowaniem gaszącym. Całkowitą długość okresu t₂ wyznaczyć można, podstawiając do wzoru 2.7 i_T = 0 w chwili t = t₄:

(2.10)

Chwilowa wartość napięcia wyjściowego u_Do w momencie t₄ jest nieco mniejsza od 2U:

(2.11)

Dla okresu Dt3 obowiązuje układ równań:

(2.12)

Z ostatniego równania po wykorzystaniu warunku brzegowego (2.11) otrzymuje się rozwiązanie o postaci:

(2.13)

W momencie t₆ u_Do = 0, stąd:

(2.14)

W momencie t₅ napięcie na tyrystorze u_T = 0, zaś u_Do = 0. Ze wzoru 2.13 otrzymać można czas ujemnego spolaryzowania tyrystora (czas dysponowany na wyłączenie tyrystora):

(2.15)

Zależy on głównie od wartości pojemności C_K, którą należy tak dobrać, aby zapewnić t_wył większy od katalogowej wartości czasu wyłączania typu tyrystora nawet przy minimalnej wartości napięcia zasilającego U i przy maksymalnej wartości prądu obciążenia I_S.

Ostatni okres cyklu t₄ charakteryzuje się następującymi stanami ustalonymi:

(2.16)

Czas trwania przedziału t₄ znaleźć można znająć t₁, t₂ i t₃ oraz częstotliwość impulsowania f z oczywistej zależności:

(2.17)

Napięcie na kondensatorze komutacyjnym znaleźć można w każdym momencie cyklu jako różnicę:

(2.18)

Prąd i czerpany z sieci jest równy różnicy:

(2.19)

Średnia za okres wartość napięcia na indukcyjności L_o musi być równa 0, gdyż jest to z założenia element bezstratny.

Średnią wartość napięcia wyjściowego U_S znaleźć zatem można jako wartość średnią napięcia u_Do:

(2.20)

skąd po rozwiązaniu z wykorzystaniem zależności 2.8 oraz 2.13 i uporządkowaniu otrzymuje się zależność o postaci:

(2.21)

z której wynika, że przy danym prądzie obciążenia IS napięcie na silniku jest wprost proporcjonalne do częstotliwości, wynikającej z warunku Dt4 = 0, zapewniającego teoretycznie cykliczność procesów. Jest ono nieco mniejsze od napięcia U sieci zasilającej.

Średnią wartość prądu czerpanego z sieci znaleźć można z równania:

(2.22)

z którego po scałkowaniu i uporządkowaniu uzyskuje się wzór:

(2.23)

Jak łatwo sprawdzić, z równań 2.21 i 2.23 wynika bilans mocy wejściowej i wyjściowej
, zgodny z założeniem bezstratności elementów fazy.

Rozruch silnika w przedstawionym układzie dokonuje się przez płynny wzrost częstotliwości pracy przekształtnika, umożliwiający utrzymanie stałej wartości prądu I_S. Minimalna wartość częstotliwości powinna być tak dobrana, aby otrzymane przy niej napięcie wyjściowe U_S można było przyłożyć do nieruchomego silnika bez przekroczenia założonej wartości prądu rozruchowego. Należy jednak zwrócić uwagę, że w rzeczywistym układzie przy skończonych wartościach pojemności C_f i indukcyjności L_f i L_o przy niskich częstotliwościach rozruchowych zwiększają się pulsacje prądu pobieranego z sieci i płynącego przez silnik. Jest to źródłem dodatkowych strat w układzie zasilania i w silniku. W miarę wzrostu napięcia wyjściowego poprawia się skuteczność działania układów wygładzających.

3. Wykonanie ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy spisać dane znamionowe wszystkich używanych w nim maszyn, a następnie połączyć układ zgodnie ze schematem zamieszczonym na rys. 4.

Rys. 4. Schemat połączeń badanego układu

Podczas przeprowadzania badań należy przestrzegać następujących zasad:

• nie dopuszczać do przekraczania prędkości wirowania maszyn n_max= 1500 obr/min;

• nie zamykać wyłącznika W₁ przed zamknięciem wyłącznika W₂ i zanurzeniem płyt opornika wodnego, by zapobiec możliwości rozbiegania się maszyn;

• podczas przerw w badaniach otwierać wyłącznik W₂, by nie dopuścić do przegrzania uzwojenia wzbudzenia prądnicy P, wobec braku chłodzenia przy nie wirującej maszynie.

Wyniki pomiarów powinny być zapisywane w tabelach o następującej zawartości:

Lp.	I1	U1	I2	U2	f	P1	P2	η
-	A	V	A	V	Hz	W	W	-

Przebieg ćwiczenia

Ustawić wartość napięcia zasilającego U₁ = 160 V i utrzymywać tę wartość podczas zdejmowania wszystkich charakterystyk.

1. Pomiary przy pojemności komutacyjnej C_k = 25 μF. Należy zdjąć następujące charakterystyki:

1. Pracują dwie fazy przekształtnika, przy f = 555 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 6A do 12A.

2. Pracują dwie fazy przekształtnika, przy f = 277 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 5A do 12A.

3. Pracuje jedna faza przekształtnika, przy f = 555 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 5A do 10A.

4. Pracuje jedna faza przekształtnika, przy f = 277 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 3A do 8A.

5. Pracują dwie fazy przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =6A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

6. Pracują dwie fazy przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =8A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

7. Pracują jedna faza przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =5A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

8. Pracują jedna faza przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =7A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

2. Pomiary przy pojemności komutacyjnej C_k = 25 μF. Należy zdjąć następujące charakterystyki:

1. Pracują dwie fazy przekształtnika, przy f = 555 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 6A do 12A.

2. Pracują dwie fazy przekształtnika, przy f = 277 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 3A do 9A.

3. Pracuje jedna faza przekształtnika, przy f = 555 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 4A do 9A.

4. Pracuje jedna faza przekształtnika, przy f = 277 Hz =const należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji prądu I₂, regulując obciążenie prądnicy P opornikiem wodnym i jej prądem wzbudzenia. Prąd I2 zmieniamy w granicach od 2A do 6A.

5. Pracują dwie fazy przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =5A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

6. Pracują dwie fazy przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =7A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

7. Pracują jedna faza przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =5A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

8. Pracują jedna faza przekształtnika. Utrzymując stałą wartość I₂ =7A należy zdjąć charakterystykę U₂ w funkcji częstotliwości f w możliwie szerokim zakresie regulacji.

Sprawozdanie powinno zawierać: zestawienie wyników pomiarów, wykresy zdjętych charakterystyk i wnioski płynące z otrzymanych wyników.

9

---