falownik, AiR WIP, III semestr, ENEKT energoelektronika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
dla studentów WIP
Temat:
FALOWNIKOWY NAPĘD SILNIKA
ASYNCHRONICZNEGO
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW 2002
1. Falownik jednofazowy
Falownik jest to przekształtnik służący do przetwarzania energii dostarczanej ze źródła
napięcia stałego E (rys. 1a) w energię napięcia przemiennego (DC/AC ). Funkcja spełniana
przez falownik jest zatem odwrotna do funkcji prostownika.
Rys. 1 a) Schemat jednofazowego falownika napięcia, b) przebieg napięcia na odbiorniku ,
prądów falownika i impulsów sterujących ig1...ig4.
- -
1
Podstawową grupę falowników zasilanych ze źródła napięcia stanowią falowniki o
prostokątnym przebiegu napięcia wyjściowego. Zasadę pracy takiego falownika można
wyjaśnić następująco: Cztery łączniki (tyrystory, tranzystory) są załączane i rozłączane na
przemian parami (T
1
i T
2
oraz T
3
i T
4
) z częstotliwością f. Tym samym napięcie zasilania E
dołączane jest cyklicznie do odbiornika. Przewodzenie łączników T
1
i T
2
powoduje, że
napięcie na odbiorniku wynosi E, natomiast przewodzenie łączników T
3
i T
4
(Å‚Ä…czniki T
1
i T
2
oczywiście są wyłączone), powoduje, że napięcie na odbiorniku wynosi -E. Załączanie par
tyrystorów może następować również z pewną stałą przerwą wynoszącą np 30
0
el Jeżeli
odbiornik ma charakter rezystancyjno-indukcyjny, to prąd odbiornika nie może w sposób
natychmiastowy zmienić kierunku, oznacza to że w pewnym przedziale czasu gdy żaden z
tyrystorów nie jest załączony prąd odbiornika zamyka się przez diody zwrotne D
3
i D
4
lub D
1
D
2
w tym czasie energia zgromadzona w odbiorniku oddawana jest do źródła zasilania.
Odbiornik poprzez diody nadal podłączony jest do źródła zasilania chociaż żaden z
tyrystorów nie przewodzi. Dla odbiornika rezystancyjnego prąd odbiornika ma kształt taki
jaki wynika bezpośrednio z napięcia na odbiorniku. Przebiegi impulsów sterujących i
g1
...i
g4
oraz napięcia na odbiorniku i prądu odbiornika przedstawia
Rys. 1
.
2. Falownik trójfazowy
Do zastosowań przemysłowych dla silników asynchronicznych trójfazowych
wykorzystywany jest falownik trójfazowy. Składa się on z trzech gałęzi stanowiących 3 fazy.
Każdą z gałęzi tworzą dwa jednakowe, górny i dolny. zawory zbudowane z łącznika
(tyrystora GTO lub tranzystora mocy) oraz z diody przeciwrównoległej. Zawory te podczas
normalnej pracy są naprzemienne załączane i wyłączane z częstotliwością równą w
najprostszym przypadku częstotliwości napięcia na wyjściu falownika. Wszystkie trzy fazy
pracują tak samo z tym, że chwile przełączenia zaworów w poszczególnych fazach ABC są
przesunięte wzajemnie o 1/3 okresu, stąd na wyjściu falownika uzyskuje się trójfazowe
napięcie przemienne. Napięcie na zacisku wyjściowym
A, B
lub
C
w poszczególnych fazach
może przyjmować tylko dwie wartości, tj. gdy załączony jest dolny zawór - wartość w
przybliżeniu równa zeru, zaś gdy załączony jest górny zawór, wartość praktycznie równa się
napięciu sieci trakcyjnej
E.
Dla uproszczenia analizy można zawory półprzewodnikowe
zastąpić idealnymi łącznikami i otrzymać uproszczony schemat falownika jak na
Rys. 2
.
Podczas pracy falowniku możliwych jest tylko 8 różnych stanów (tab.1) i tyle jest różnych
kombinacji przy zaworach: 2
3
= 8, z tego tylko pierwszych sześć jest powtarza nych
cyklicznie. Stan 7 i 8 odpowiada wymuszeniu na wyjściu międzyfazowych napięć równych 0,
co jest wykorzystywane przy specjalnym sposobie sterowania. Przyjmijmy najprostszy
sposób pracy falownika, w którym górny i dolny zawór w każdej z faz załączane są
naprzemiennie dokładnie przez pół okresu, zaś przesunięcie czasowe między kolejnymi
fazami wynosi 1/3 okresu. Wówczas przebiegi napięć oraz występowanie poszczególnych
stanów będą jak na
Rys. 2
b. Prostokątny kształt przebiegu wynika z impulsowej pracy
zaworów i oznacza, że oprócz podstawowej harmonicznej występują dodatkowe wyższe
harmoniczne. Aby je wyeliminować lub przynajmniej ograniczyć należy zastosować inny,
bardziej korzystny sposób sterowania praca zaworów falownika.
- -
2
a)
i
a
T
T
3
T
5
v
ab
v
a
R
R
E
R
T
4
T
6
T
2
b)
Rys. 2 a) Uproszczony schemat falownika, b) przebieg napięcia na odbiorniku , prądów
falownika i impulsów sterujących i
g1
...i
g6
.
- -
1
3
Tabela 1
cykl
FAZA
dla fazy
A
B
C
1
1
0
1
2
1
0
0
3
1
1
0
4
0
1
0
5
0
1
1
6
0
0
1
7
0
0
0
8
1
1
1
Sterowanie falownikiem zapewnia elektroniczny układ mikroprocesorowy, który
wypracowuje sygnały do przełączania zaworów. Do przesyłania sygnałów ze sterownika do
zaworów służą światłowody, które są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i
zapewniajÄ… dobra separacjÄ™ galwaniczna. Poprzez odpowiednie zaprogramowanie sterownika
można uzyskać minimalizację odkształceń napięć i prądów w silnikach trakcyjnych, podnieść
sprawność napędu. Program jest układany w oparciu o bardzo złożone zależności
matematyczne, te zaÅ› wynikajÄ… z wybranej metody sterowania, np. metoda wektora
przestrzennego lub metoda bezpośredniego sterowania (ang. DSC - Direct Self Control).
Napęd silnikami trójfazowymi jest obecnie powszechnie stosowany w taborze kolejowym,
metrze i tramwaju. Charakterystyki ruchowe pojazdu można kształtować praktycznie
dowolnie poprzez zmianÄ™ funkcji w sterowniku mikroprocesorowym. Przy zasilanie
falownika napięciem stałym amplituda pierwszej harmonicznej napięcia wyjściowego
generowanego przez falownik wg. cykli z tabeli 1 jest stała. Dla regulacji amplitudy pierwszej
harmonicznej napięcia wyjściowego falownika realizowany jest proces nazywany modulacją
szerokości impulsów( MSI). Zasadę (MSI) przełączania zaworów przedstawia Rys. 3.Jest to
tylko jedna z metod obrazująca proces modulacji. Polega ona porównaniu przebiegu
sinusoidalnego z przebiegiem trójkątnym. Gdy wartość przebiegu trójkątnego jest mniejsza
od sinusoidalnego przewodzi łącznik górny danej fazy, w przypadku odwrotnym łącznik
dolny danej fazy. Przebiegi sinusoidalne generowane są oddzielnie dla każdej fazy i
przesunięte są wzajemnie o 120 stopni, przebieg trójkątny jest wspólny dla trzech faz. Proces
generowania przebiegu sinusoidalnego i trójkątnego realizowany jest w sterowniku.
Amplitudę pierwszej harmonicznej napięcia wyjściowego falownika regulujemy poprzez
amplitudę napięcia sinusoidalnego, natomiast częstotliwość napięcia wyjściowego poprzez
częstotliwość napięcia sinusoidalnego. Stosunek częstotliwości przebiegu trójkątnego i
sinusoidalnego jest stały dla określonego przedziału częstotliwości wyjściowej falownika. Im
wartość tego stosunku jest większa tym bardziej tłumione są niskie harmoniczne napięcia
wyjściowego falownika.
- -
4
[ Pobierz całość w formacie PDF ]