POLITECHNIKA RZESZOWSKA

im. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA

Projekt z Sterowania napędem elektrycznym Zasada działania silnika szeregowego prądu stałego zasilanego przy użyciu tyrystorowego sterownika impulsowego z szeregowym obwodem komutacyjnym Nr 9 Rok 2001/2002
Ocena:	Wykonał: Tomasz Misztal

Wstęp teoretyczny

PRACA SILNIKA SZEREGOWEGO ZASILANEGO SIECI PRĄDU STAŁEGO PRZY

UŻYCIU ŁĄCZNIKA TYRYSTOROWEGO

Najbardziej ekonomicznym sposobem regulacji prędkości silnika szeregowego jest zmiana napięcia zasilania silnika. Zastosowanie układów tyrystorowych umożliwia uzyskanie tego sposobu regulacji a także w przypadku zasilania silnika z sieci prądu stałego /np. baterii akumulatorowy/. Regulacja prędkości silnika szeregowego , przy zastosowaniu łącznika tyrystorowego, polega na doprowadzaniu energii elektrycznej do silnika w sposób dyskretny - porcjami.

Jeżeli w okresie t do obwodu silnika przykładane jest pełna łapiecie sieci prądu stałego, a w okresie t₂ wartość tego napięcia wynosi zero, to prędkość silnika określona będzie wartością brednią napięcia za okres impulsowania T_i :

T_i = t_i + t₂

Układy działające wg omawianej zasady pracują poprawnie, jeżeli:

T_i << T_M

gdzie T- elektromechaniczna stała czasowa

Spełnienie warunku powyrzszego równania zapewnia utrzymanie przez silnik stałej w funkcji czasu prędkości. Regulacja prędkości odbywa się przy warunkach

T, = t₁+ t₂ = const i t₁/T₁ = var.

Zmiana stosunku:

t₁/T₁ = ε

powoduje zmianę wartości średniej napięcia na zaciskach silnika i prowadzi do zmiany prędkości.

Rozważając układy silnika szeregowego z łącznikiem tyrystorowym o komutacji pojemnościowej a o komutacji rezonansowej drugi układ pracuje przy wyższej sprawności . Powodem obniżenia sprawności w pierwszym układzie jest wydzielanie się ciepła na rezystorze komutacyjnym R_K

Przeprowadziłem więc analizę układu silnika szeregowego z łącznikiem tyrystorowym o komutacji rezonansowej .

Rys.1 Schemat układu łącznika tyrystorowego o komutacji rezonansowej , współpracującego z silnikiem szeregowym

Podany na rys. 1 łącznik doprowadza do silnika energię porcjami w takt załączania i wyłączania tyrystora głównego T_l . Praca łącznika rozpoczyna się w momencie podania impulsu sterującego do obwodu bramki tyrystora pomocniczego T₂. Przewodzenie tego tyrystora powoduje ładowanie się kondensatora C_K w obwodzie; +U, C_K, T₂, M, UHM, -U do napięcia U. Przewodzenie tyrystora T₂ trwa do momentu obniżenia się prądu ładowania kondensatora do wartości krytycznego prądu przewodzenia tyrystora T₂. W chwili osiągnięcia tego prądu tyrystor T₂ przechodzi samoczynnie w stan blokowania. Podanie impulsu, sterującego do obwodu bramki tyrystora T_l powoduje jego załączenie, podanie pełnego napięcia do obwodu silnika M i przeładowanie się kondensatora C_K w obwodzie: T₁,D_l, L. Indukcyjność L jest tak dobrana , że przeładowanie ma charakter oscylacyjny. Ponieważ dioda D umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku, kondensator przeładuje się do przeciwnej biegunowości /plus na dolnej okładce/ napięcia bliskiego U /przy dużej dobroci obwodu przeładowania kondensatora/. Podanie następnego impulsu sterującego tyrystor T₂ powoduje zaporową polaryzację T_l i jego wyłączenie.

W celu łatwego określenia charakterystyki mechanicznej i przebiegu prądu w obwodzie silnika M zakłada się ,że :

1. Tyrystory stanowią idealne łączniki (pomija się spadek napięcia na przewodzonym tyrystorze i prąd upływu tyrystora w stanie blokowania), czas zmian stanu tyrystora przyjmuje się jako znikomo krótki .

2) Pojemność kondensatora komutacyjnego jest na tyle mała, że prądy przeładowania kondensatora nie mają wpływu na pracę silnika M. Przy powyższych założeniach otrzymuje się prostokątny przebieg napięcia na zaciskach silnika. Wartość średnia tego napięcia może być określona z zależności:

Bilans napięć obwodu silnika ma postać :

gdzie : E = k
(I)

R_ta = R_t + R_W

R_ta - rezystancja obwodu twornika

- strumień silnika

k - stała silnika

- prędkość silnika

Przekształcając powyższe wzory możemy otrzymać zależność określającą charakterystykę mechaniczną silnika dla różnych względnych czasów pracy .

Rodzinę charakterystyk mechanicznych podaje Rys. 2 :

Przebieg napięcia i prądu w funkcji czasu przy podanych wyżej założeniach podaje

Rys 3 . Jest to wykres czysto teoretyczn , poniżej podałem wykres zasymulowanego układu

Przy danym okresie impulsowania T. i danym
prąd w obwodzie silnika M zmienia się pomiędzy dwoma wartościami I_max i I_min . W okresie t silnik zasilany jest ze źródła U i prąd i rośnie, w okresie t₁ napięcie U jest odłączone i prąd silnika maleje, zamykając się przez diodę gaszącą D.

Równania napięć obwodu silnika dla okresu t₁ i t₂ są następujące:

dla okresu t₁ :

U = E_M + R_tai₁ + L_tadi₁/dt

dla okresu t₂ :

0 = E_M + R_tai₂ + L_tadi₂/dt

E_M
- napięcie rotacji silnika

L_ta - indukcyjność obwodu silnika

Po rozwiązaniu ty równań różniczkowy otrzymujemy przebiegi prądów i₁ i i₂ w funkcji czasu .

gdzie : T =
- stała czasowa obwodu silnika .

Wartość średnią prądu można obliczyć z zależności :

Jeżeli założyć, że okres impulsowania T_i <<T, to wahania prądu
są małe i można przyjąć, że napięcie rotacji jest w przybliżeniu stałe. Wtedy na podstawie wzorów otrzymuje się:

Tyrystorowy łącznik o komutacji rezonansowej daje podobne przebiegi napięcia i prądu silnika jak układ o komutacji pojemnościowej , podobna jest także w tym łączniku zasada regulacji prędkości silnika. Uruchamiając łącznik o komutacji rezonansowej należy pamiętać, aby pierwszy impuls sterujący został podany do tyrystora T_{2 .}

Aby zilustrować dokładną pracę układu zbudowałem układ pomiarowy w programie SIMCAD , jest to program do symulacji obwodów elektroenergetycznych . Dzięki temu układowi mogłem wykreślić przebiegi elektryczne ilustrujące pracę silnika szeregowego z łącznikiem tyrystorowym . Niżej umieszczony układ jest właśnie tym układem symulowanym.

Przebiegi elektryczne układu zasymulowanego programem SIMCAD

l₂

l₁

U

t

t₂

t₁

i

Imin

Iśr

Imax

---