Proponując w urządzeniach gospodarstwa domowego AGD rozwiązanie z zastosowaniem układów napędowych złożonych z silnika wysokoobrotowego wraz z trójfaz

Transkrypt

1 Therefore the usage of the both mentioned methods should be the best combination: one or two schemes should be realized at the kit and some others, in which students could more effectively examine their knowledge, on PC. The opposite (inverse) process is also sufficient. At first the students design and examine the activities and connections of some chosen logic gates and schemes and after the successful simulation on PC some of the connection will realize at the kit. The advantage of the computer simulation, particularly if the computers are connected in net, is the possibility of central managing of the activities by the teacher. The teacher can create original activity for every student just with minimal effort and this way to support the individual approach in the learning process. The same approach is much more complicated by using the kit. [1]. KRUŠPÁN, I., ĎURIŠ, M.: Učebné osnovy Technickej výchovy pre 5. až 9. ročník základnej školy (pre zložku technická výchova). Bratislava: MŠ SR, ISBN [2]. KRUŠPÁN, I. et al.: Technická výchova pre 5. až 9. ročník základných škôl. 2. vydanie. Bratislava: EXPOL, 22. ISBN Weryfikacja praktyczna przekształtnika impulsowego o sinusoidalnym prądzie źródła przeznaczonego do zastosowania w napędach wysokoobrotowych Łatka M., Grad M. Politechnika Rzeszowska, ul. W.Pola 2, Rzeszów, Polska mlatka@prz.edu.pl, mgrad@prz.edu.pl The paper presents the results of experience s research which have been performed to verify concept and computation results of keying converters with sinusoidal source current. Presented AC/DC converter is destined to high-speed drive system for household equipment. 1. WSTĘP W urządzeniach gospodarstwa domowego AGD coraz częściej proponuje się rozwiązania z zastosowaniem układów napędowych z silnikami wysokoobrotowymi, zasilanymi poprzez układy energoelektroniczne. Uproszczony schemat blokowy takiego rozwiązania pokazano na rysunku 1. skład wysokoobrotowego układu napędowego, przeznaczonego do zastosowania w sprzęcie AGD. 2. JEDNOFAZOWY PRZEKSZTAŁTNIK IMPULSOWY Z SINUSOIDALNYM PRĄDEM ŹRÓDŁA Najczęściej stosowane w układach zasilających prostowniki diodowe AC/DC z dołączonym kondensatorem, negatywnie oddziałują na linię zasilającą, powodując przepływ przez sieć znacznie odkształconego prądu (rysunek 2). Ze względu na ciągle wzrastającą, i tak już dużą, liczbę tego typu zasilaczy jednocześnie pracujących w sieci wskutek dołączania różnego typu urządzeń (komputery, ładowarki itp.), jest to duży problem dla systemu energetycznego. Rys.1. Uproszczony schemat blokowy wysokoobrotowego układu napędowego Zastosowanie w sprzęcie AGD, w miejsce jednofazowych silników komutatorowych i indukcyjnych, układów napędowych z wysokoobrotowymi dwu- lub trójfazowymilnikami elektrycznymi, spowoduje zmniejszenie negatywnego oddziaływania na sieć zasilającą tego typu urządzeń pod warunkiem zastosowania w tych rozwiązaniach przekształtnika impulsowego o sinusoidalnym prądzie źródła, realizującego funkcję jednofazowego zasilacza. Artykuł prezentuje wybrane wyniki badań laboratoryjnych jednofazowego przekształtnika impulsowego AC/DC o sinusoidalnym prądzie źródła wchodzącego w Rys.2. Schemat i przykładowe przebiegi klasycznego jednofazowego prostownika mostkowego 4D z dołączonym kondensatorem 153

2 Proponując w urządzeniach gospodarstwa domowego AGD rozwiązanie z zastosowaniem układów napędowych złożonych z silnika wysokoobrotowego wraz z trójfazowym falownikiem, zasilanym jednofazowo, koniecznym jest zastosowanie jako zasilacza przekształtnika impulsowego AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła, w celu wyeliminowania, bądź ograniczenia zjawiska negatywnego oddziaływania na linię zasilającą tego typu napędów. Przekształtniki impulsowe AC/DC, w wyniku zastosowania odpowiedniego sposobterowania łącz - nikiem tranzystorowym, wymuszają sinusoidalny kształt prądu źródła, co eliminuje zjawisko negatywnego oddziaływania na linię zasilającą. Ponadto charakteryzują się one niewielkimtratami mocy czynnej ą stosunkowo tanie i niezawodne i tym powinny charakteryzować się, skoro mają być stosowane w sprzęcie AGD. Schemat układu jednofazowego przekształtnika impulsowego AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła wraz z układem sterowania przedstawiono na rysunku 3. ponieważ modulacja szerokości impulsów jest realizowana poprzez porównanie wyjścia regulatora prądu z przebiegiem piłokształtnym o stałej częstotliwości. Układ z regulatorem prądu o strukturze PI umożliwia przełączanie ze stałą częstotliwością i zmiennym współczynnikiem wypełnienia impulsów, a w rezultacie zmienną wartością szczytową składowej niesinusoidalnej prądu źródła. Zaletą tego sposobterowania jest lepsze odwzorowanie sinusoidalnego kształtu prądu tała częstotliwość przełączeń w stosunko zastosowanego w tym miejscu komparatora histerezowego, którego schemat przedstawiono na rysunku 4. [3] Ważnym elementem w układzie jest dławik L. W proponowanym rozwiązaniu umieszczono go po stronie stałoprądowej. Rys.3. Schemat jednofazowego przekształtnika AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła wersja z regulatorem PI Na schemacie można wyróżnić dwa współpracujące ze sobą tory sterujące: wejściowy i wyjściowy. Tor wejściowy odpowiedzialny jest za dostarczanie wzorca napięcia sinusoidalnego, potrzebnego w regulatorze prądu do zapewnienia poprawnego kształtu prądu (sinusoidy). W torze wyjściowym sygnał napięcia wyjściowego przekształtnika k u U d jest porównywany z k u U d_ref o stałej wartości. Sygnał z sumatora k u U d, za regulatorem PI k i I s_ref, jest podawany na wejście układu mnożącego, gdzie jest mnożony z sygnałem proporcjonalnym do modułu napięcia zasilającego k u (lub z sygnałem z dzielnika napięcia R 1 R 2 umieszczonego bezpośrednio na wyjściu mostka diodowego, czyli po stronie napięcia wyprostowanego). Dzięki temu otrzymuje się sygnał proporcjonalny do przebiegu referencyjnego prądu źródła k i _ref. W kolejnym sumatorze porównywane są dwa prądy: k i _ref i prąd źródła k i, dzięki czemu otrzymuje się sygnał proporcjonalny do błędu regulacji prądu k i, który trafia na wejście układu regulatora PI z poziomowaniem przebiegu piłokształtnego, złożonego z regulatora (prądu) PI, generatora jednobiegunowego przebiegu piłokształtnego GP o stałej częstotliwości, sumatora i komparatora znaku. W ten sposób uzyskuje się stałą częstotliwość łączeń łącznika tranzystorowego, 154 Rys.4. Schemat jednofazowego przekształtnika AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła wersja z regulatorem histerezowym Na wejściu układu wskazane jest dołączenie dolnoprzepustowego filtra Γ (L s C s ) dla ograniczenia w sieci zasilającej składowej prądu o częstotliwości impulsowania. Zastosowany układ jednofazowego zasilacza impulsowego jest mało wrażliwy na zmiany wartości napięcia zasilającego. Odpowiednie dostrojenie układu regulacji umożliwia pracę układu w szerokim zakresie wartości napięć zasilających. [1],[2]. 3. REALIZACJA PRAKTYCZNA JEDNOFAZOWEGO PRZEKSZTAŁTNIKA IMPULSOWEGO AC/DC Układ praktyczny przekształtnika impulsowego zrealizowano w oparciu o wyniki przeprowadzonych badań symulacyjnych z wykorzystaniem środowiska Lab- VIEW. Przykładowa aplikacja układu pokazana jest na rysunkach 3 i 4. Również z wykorzystaniem środowiska LabVIEW przygotowano komputerowy system pomiarowy. Struktura układterowania przekształtnika, jak i całego napędu wysokoobrotowego, została zrealizowana w układzie FPGA serii Cyclone II EP2C2. Układ jest w pełni odseparowany od elementów wykonawczych regulatora, co zapewnia jego ochronę przed uszkodzeniami. Zamknięty układ sterowania zapewnia stabilizację napięcia wyjściowego na zadanym poziomie, przy jednoczesnym odwzorowywaniu kształtu prądu zasilającego na podstawie przebiegu napięcia zasilającego. W układzie przekształtnika AC/DC zastosowano

3 tranzystor IGBT IRG4PH5KD, o parametrach: maksymalne dopuszczalne napięcie U CE = 12 V, maksymalny prąd I C(T = 25 C) = 45 A. Spadek napięcia na przewodzącym tranzystorze: U CE(on) = 2,77 V (IC = 24 A). W przypadkiody, zastosowano model DSEP 3-12A. Dioda ta charakteryzuje się krótkim czasem wyłączania t rr = 4 ns. Maksymalna średnia wartość prądu wynosi I FAV = 3 A, natomiast maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne wynosi U RRM = 12 V. Ze względu na włączenie dławika L w obwodzie prądtałego, wykorzystano model KBPC351 (35 A, 1 V). Zrealizowany układ zasilacza charakteryzuje się współczynnikiem mocy o wartości bliskiej jedności co widać z rysunku 5 i co zostało następnie wykazane na podstawie analizy uzyskanych przebiegów z wykorzystaniem środowiska LabVIEW. Wielkość indukcyjności zależy od dopuszczalnego poziomkładowej prądu źródła zasilającego o częstotliwości przełączeń tranzystora T. Większa wartość indukcyjności L zmniejsza wartość składowej zmiennej w prądzie źródła zasilającego, ale jednocześnie zwiększa koszt zasilacza. a) Rys. 5. Przebieg napięcia i prądu źródła zasilającego oraz napięcia wyjściowego Uzyskane na podstawie przebiegów z rysunku 5 wartości mocy czynnej, mocy pozornej oraz wartość współczynnika mocy wynoszą odpowiednio: T 1 P = us isdt = 128 W (1) T S = U I 133 VA (2) s s = a) P PF = =,982 (3) S c) Rys. 6. Spektrum harmonicznych prądu uzyskane na podstawie przebiegu z rysunku 5 Badania laboratoryjne układu AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła przeprowadzono dwutorowo jako niezależnego układu zasilającego oraz jako elementu wysokoobrotowego układu napędowego. Wybrane wyniki pomiarów prezentowane są na kolejnych rysunkach 7 1. Na rysunku 7 pokazano prąd i napięcie źródła zasilającego oraz napięcie wyjściowe dla różnych wartości indukcyjności L. Rys.7. Wyniki badań eksperymentalnych zasilacza: prąd i napięcie źródła zasilającego oraz napięcie wyjściowe dla różnych wartości indukcyjności L: a) L = 68 µh, L = 1,37 mh, c) L = 2,7 mh 155

4 a) widoczne jest odkształcenie o częstotliwości 1 Hz przenoszone przez układ regulacji z napięcia wyjściowego. Można tą składową ograniczyć stosując ekstrapolator zerowego rzędu. Powoduje to jednak zmniejszenie częstotliwości pomiaru (kontroli) napięcia wyjściowego do 1 Hz (interwał 1 ms). W takim przypadku skokowe zmiany napięcia wyjściowego nie będą kontrolowane przez układ regulacji i dlatego w układzie eksperymentalnym dopuszczono niewielkie odkształcenie prądu źródła zasilającego. Prezentowane wyniki badań eksperymentalnych (rys. 5 8) pokazują poprawność koncepcji układu zasilacza AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła, prawidłowy dobór parametrów elementów układu oraz poprawność działania tego układu. Negatywne oddziaływanie na linię zasilająca zostało w znaczny sposób ograniczone w stosunku np. zasilaczy opartych na mostkach 4D z kondensatorem na wyjściu. Następnie tak przebadany zasilacz AC/DC zastosowano w wysokoobrotowym układzie napędowym zrealizowanym zgodnie ze schematem blokowym z rys.1. Badania prowadzone były dla układu napędowego z wysokoobrotowym 3-fazowym silnikiem indukcyjnym o mocy,5 kw i przy około 4 obr/min, zasilanym poprzez falownik 3-fazowy i zasilacz z linii 1-fazowej. Na rysunku 9 zamieszczono przebiegi na wejściu i wyjściu zintegrowanych układów przekształtnikowych (1-fazowego zasilacza AC/DC i 3-fazowego falownika DC/AC) w badanym układzie napędowym. c) 1,875 A,75 A i A i B i C 2 ms Rys. 9. Przykładowe przebiegi na wejściu i wyjściu zintegrowanych układów przekształtnikowych (1-fazowego AC/DC i 3-fazowego DC/AC): napięcie, prąd źródła zasilającego oraz prądy wyjściowe i A, i B, i C 3-fazowego falownika obciążonego wysokoobrotowym silnikiem indukcyjnym (4 obr/min.) Rys. 8. Wyniki badań eksperymentalnych zasilacza: prąd i napięcie źródła zasilającego oraz napięcie wyjściowe dla różnych mocy obciążenia P d: a) P d = 4 W, P d = 8 W, c) P d = 12 W Wykonano również badania zasilacza dla różnych wartości mocy obciążenia (rysunek 8). Na zarejestrowanych przebiegach widać, że prąd źródła zasilającego jest zbliżony do sinusoidalnego kształtu, bez względu na wielkość obciążenia. Przy niewielkim obciążeniu (rysunek 8a) w przebiegu prądu Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki badań pokazujące oddziaływanie układu napędowego na linię zasilającą prąd i napięcie dla różnych wartości indukcyjności L w zasilaczu: a) L = 1,8 mh, L = 3,5 mh. Uzyskane wartości współczynnika mocy PF wynoszą odpowiednio a) PF =,93, PF =,

5 a) 1,875 A Wspólnym elementem tych rozwiązań jest zasilacz AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła, którego poprawność realizacji praktycznej i prawidłowość działania została wykazana na podstawie przeprowadzonych badań, których wybrane wyniki zostały zamieszczone w niniejszym artykule. Proponowane rozwiązanie: przekształtnik impulsowy z sinusoidalnym prądem źródła jako zasilacz jednofazowy w napędzie wysokoobrotowym złożonym z falownika dopasowującego parametry zasilania (wartość i kształt napięcia, częstotliwość) ilnika wysokoobrotowego o znacznie zmniejszonej masie i gabarytach, jest rozwiązaniem technicznym, które może w istotny sposób zmienić dotychczas stosowane rozwiązania techniczne w napędach elektrycznych sprzętu AGD. Przeprowadzone badania laboratoryjne przekształtnika AC/DC z sinusoidalnym prądem źródła (zarówno jako niezależnego układu, jak i podzespołu napędu wysokoobrotowego) potwierdzają poprawność koncepcji wykorzystania go w planowanych prototypowych zastosowaniach w konkretnych już urządzeniach AGD, m.in. w odkurzaczach produkowanych przez firmę Zelmer w Rzeszowie. Wprowadzenie tego typu rozwiązań technicznych może przyczynić się nie tylko do poprawy jakości energii elektrycznej, jej oszczędności, ale również do rozwoju i wzrostu konkurencyjności polskiego przemysłu. 1,875 A Rys. 1. Przebieg napięcia i prądu źródła zasilającego wysokoobrotowy układ napędowy z silnikiem indukcyjnym o mocy,5 kw, przy prędkości 4 obr/min dla różnych wartości indukcyjności L w zasilaczu a) L = 1,8 mh, L = 3,5 mh 4. PODSUMOWANIE Szczegółowe badania układu napędowego z rys.1, dla różnych modelilników wysokoobrotowych, z różnymi rodzajami falowników są na etapie realizacji w ramach projektu badawczego. [1] Binkowski T., Grad M., Łatka M.: Przekształtnik impulsowy w wysokoobrotowych układach napędowych dla sprzętu AGD, VIII Krajowa Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 27, Łódź listopada 27. [2] Binkowski T., Grad M., Łatka M., Malska W., Sobczyński D.: A drive system with high-speed single-phase supplied three-phase induction motor. Power Electronics and Motion Control Conference, 28. EPE-PEMC th, 1-3 Sept. 28 Page(s): Digital Object Identifier 1.119/EPEPEMC [3] Łatka M., Grad M.: Przekształtniki impulsowe z sinusoidalnym prądem źródła wybrane topologie, badania symulacyjne. V Krajowa Konferencja Naukowa Modelowanie i Symulacja MiS- 5 28, Kościelisko, czerwca 28r. [4] Piróg S.: Układy o komutacjieciowej i o komutacji twardej. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne. Kraków 26. Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego rozwojowego R В залі конференції 157