Ćwiczenie 2 Sterowanie pracą układu napędowego z silnikiem prądu stałego i przekształtnikiem tranzystorowym typu H

Transkrypt

1 Ćwiczenie 2 Serowanie pracą układu napędowego z silnikiem prądu sałego i przekszałnikiem ranzysorowym ypu H Cel ćwiczenia W ramach ćwiczenia suden zapozna się z działaniem ranzysorowego moska ypu H. Zbuduje układ złożony z ranzysorowego moska ypu H zasilającego silnik prądu sałego. Zbuduje układ serowania prądem wornika i układ serowania prędkością wirnika. Tranzysorowy mosek ypu H zasada serowania ranzysorami Srukura układu ranzysorowego moska ypu H przedsawiona jes na Rysunku 1. Rys. 1. Srukura ranzysorowego moska ypu H; a) obwód silnoprądowy i obwód serowania pracą ranzysorów; b) generowanie przebiegu PWM oraz przebiegi sygnałów serujących pracą ranzysorów Tranzysory w układzie osiągają dwa sany: a) przewodzenie nasycenie złącza kolekor - emier; b) nieprzewodzenie zablokowanie złącza kolekor emier. Sygnał serujący pracą ranzysorów jes sygnałem prosokąnym o regulowanym współczynniku wypełnienia. Sygnał prosokąny serujący pracą ranzysorów uzyskiwany jes na wyjściu komparaora porównującego warość sygnału serującego u S i sygnał rójkąny u TRI o częsoliwości kilku khz, przy czym sygnał serujący jes podany na wejście dodanie, a sygnał rójkąny na wejście ujemne komparaora (!). Tranzysory w mosku załączane są parami T1-T4 oraz T2-T3, przy czym sygnał serujący pracą pary ranzysorów T2-T3 jes sygnałem zanegowanym względem sygnału serującego parą ranzysorów T1-T4. Nie dopuszcza się do jednoczesnego załączenia dwóch ranzysorów w jednej gałęzi. San aki spowodowałby zwarcie obwodu napięcia sałego i zniszczenie ranzysorów. Mając na uwadze, że wyłączenie ranzysorów nie jes naychmiasowe, w prakyce w czasie przełączania kolejnych par ranzysorów sosuje się kilkumikrosekundową przerwę czasową między sygnałami prosym i zanegowanym. W en sposób pozwala się do końca zablokować jednej parze ranzysorów zanim załączy się druga parę i unika się mikrozwarć obwodu DC w czasie kolejnych przełączeń, kiedy mogłoby dojść do syuacji ze nowa para ranzysorów jes załączana podczas gdy poprzednia para jes jeszcze akywna. Tym zagadnieniem nie będziemy jednak zajmować Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

2 się na ym ćwiczeniu uznając, że zasosowane łączniki ranzysorowe są elemenami idealnymi. W zależności od wypełnienia sygnału serującego pracą ranzysorów napięcie średnie na wyjściu moska może zmieniać swoją warość w zakresie od do. Sąd eż układ moska ypu H umożliwia przepływ prądu w obciążeniu w obu kierunkach. Tranzysorowy mosek ypu H praca moska z obciążeniem ypu RL Działanie moska H z obciążeniem RL zosało zilusrowane na Rysunku 2 i 3. a) b) A i 14 A i 23 A i 14 A i 23 T1 T2 T1 T2 C T3 A T4 B A R L C T3 A T4 B A R L c) T1,T4= T2,T3 1 u u AB U AB_AV - i 14 i 23 Rys. 2. Mosek ranzysorowy ypu H przy dodanim prądzie odciążenia; a) obwód prądowy przy załączonych ranzysorach T1-T4; b) obwód prądowy przy załączonych ranzysorach T2-T3; c) przebieg sygnału serującego pracą ranzysorów, przebieg napięcia u AB i jego warość średnia U AB_AV, przebieg prądu w obciążeniu, przebieg prądu i 14 w łączniku półprzewodnikowym T1, przebieg prądu i 23 w łączniku półprzewodnikowym T2 Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

3 a) b) A i 14 A i 23 A i 14 A i 23 T1 T2 T1 T2 C T3 A T4 B R A L C T3 A T4 B R A L c) T1,T4= T2,T3 1 u u AB U AB_AV - i 14 i 23 Rys. 3. Mosek ranzysorowy ypu H przy ujemnym prądzie odciążenia; a) obwód prądowy przy załączonych ranzysorach T1-T4; b) obwód prądowy przy załączonych ranzysorach T2-T3; c) przebieg sygnału serującego pracą ranzysorów, przebieg napięcia u AB i jego warość średnia U AB_AV, przebieg prądu w obciążeniu, przebieg prądu i 14 w łączniku półprzewodnikowym T1, przebieg prądu i 23 w łączniku półprzewodnikowym T2 Załączenie pary ranzysorów T1-T4 powoduje przyłączenie obciążenia RL do dodaniego napięcia. Wymusza o narasanie prądu obciążenia. Indukcyjność w obciążeniu ogranicza szybkość narasania prądu. Wyłączenie pary T1-T4 oraz włączenie pary T2-T3, zgodnie z zasadą przedsawioną na Rysunku 1, nie powoduje o naychmiasowego przepływu prądu przez ranzysory T2-T3, ponieważ prąd nie może na indukcyjności skokowo zmienić warości, a więc i kierunku przepływu. Po wyłączeniu ranzysorów T1-T4 nasępuje wymuszenie przewodzenia diod zwronych D2-D3 przez prąd indukcyjności obciążenia. Wymuszenie o pochodzi od indukcyjności obciążenia i jes skukiem zwrou energii nagromadzonej wcześniej w polu magneycznym cewki po usąpieniu napięcia wymuszającego przepływ prądu w kierunku dodanim. W czasie przewodzenia diod D2-D3 napięcie na obciążeniu wynosi chwilowo -, ponieważ poencjał punku A sprowadzony jes przez diodę D3 Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

4 do poencjału ujemnego obwodu DC, a poencjał punku B sprowadzony jes przez diodę D2 do poencjału dodaniego obwodu DC. Przez czas przewodzenia pary D2-D3 mamy w ym przypadku do czynienia z chwilowym zwroem energii do źródła DC, ponieważ prąd obciążenia jes dodani, a podane napięcie u AB ujemne (-). Czas rwania zwrou energii do źródła jes jednak krószy niż czas rwania pobierania energii podczas załączenia pary T1-T4, zaem wypadkowa warość energii przepływającej w czasie jednego cyklu przełączeń w syuacji pokazanej na Rysunku 2 jes dodania, co oznacza pobieranie energii przez obciążenie. Moc wydzielana na odbiorniku jes określona jako iloczyn skuecznej warości napięcia zasilającego (dla sygnału prosokąnego warość skueczna jes równa warości średniej) oraz skuecznej warości ęniącego z częsoliwością przełączeń prądu obciążenia. Działanie moska w przypadku ujemnej warości średniej napięcia przekszałnika oraz ujemnej warości prądu (Rysunek 3) jes analogiczne. Załączenie pary T2-T3 powoduje, że prąd obciążenia RL opada (wzrasa w przeciwnym kierunku) ponieważ podane jes ujemne napięcie (-) na zaciski AB. Wyłączenie pary T2-T3 powoduje, że prąd wymuszany nadal przez indukcyjność zamyka się przez parę diod D1-D4, a nie przez parę ranzysorów T1-T4, mimo, że na e ranzysory podane są sygnały serujące. W przypadku, gdy prąd zamyka się przez diody zwrone (D1-D4 lub D2-D3 w zależności od syuacji), nie jes konieczne załączanie odpowiadających im ranzysorów (odpowiednio T1-T4 lub T2-T3), ponieważ złącza ych ranzysorów i ak są spolaryzowane wsecznie w sosunku do kierunku wymuszanego przez indukcyjność prądu. Można byłoby zasosować bardziej zaawansowane sposoby formowania prosokąnych impulsów serujących i w niekórych przypadkach sosowania moska ypu H się o sosuje. Niemniej jednak, aby nie zaciemniać sposobu działania układu, w ćwiczeniu będzie sosowany układ formowania impulsów prosokąnych jak przedsawiono na Rysunku 1, z naprzemiennym włączaniem par ranzysorów T1-T4 oraz T2-T3. Prąd, po przyłożeniu napięcia prosokąnego, narasa i opada wykładniczo, jednak przy dużej częsoliwości przełączeń czasy narasania i opadania są ak krókie, że można założyć, że zmiany prądu są liniowe. Serowanie silnikiem prądu sałego Na zajęciach przedsawiających właściwości mechaniczne silnika prądu sałego oraz działanie układu obniżającego napięcie (Ćwiczenie nr 1) były obserwowane przebiegi prądu wornika i a () oraz prędkości mechanicznej n() silnika prądu sałego przyłączonego do źródła napięcia sałego. Silnik po przyłączeniu do źródła napięcia sałego pobierał duży prąd rozruchowy, sięgający kilkukronej warości prądu znamionowego. W ym czasie prędkość silnika sosunkowo szybko wzrasała wskuek dużego momenu rozruchowego wywołanego dużym prądem. Po osiągnięciu sanu usalonego prąd sabilizował się na warości proporcjonalnej do wywarzanego momenu napędowego silnika, niezbędnego do zrównoważenia momenu obciążającego maszyny roboczej. Prędkość silnika usalała się na warości zależnej od warości napięcia źródła zasilającego. O ile maszyna elekryczna jes zazwyczaj odporna na krókorwałe przeciążenia, o prądy przeciążeniowe (w ym rozruchowe) są wysoce niekorzysne dla źródła zasilającego. Aby ograniczyć warość prądu przeciążenia (w ym prądu rozruchowego) sosuje się zasilanie z przekszałników energoelekronicznych wyposażonych w odpowiednie układy regulacji (!). Sosując akie układy uzyskujemy konrolę nad prądem wornika, mogąc dowolnie ograniczać jego warość maksymalną. Należy jednak mieć na uwadze, iż ograniczając prąd wornika ograniczamy momen elekromagneyczny wywarzany przez silnik, co w konsekwencji ogranicza dynamikę zmian prędkości silnika przy rozruchu. Serowanie układem napędowym z wykorzysaniem regulaorów wymaga przypomnienia podsawowych właściwości układu regulacji poznanych na zajęciach z Teorii Serowania. Schema ogólny układu regulacji przedsawiony jes na Rysunku 4. Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

5 Rys. 4. Podsawowy układ auomaycznej regulacji; y- sygnał regulowany; y REF - sygnał referencyjny dla sygnału regulowanego; e- uchyb regulaora; x- sygnał serujący Do układu auomaycznej regulacji niezbędne są rzy elemeny: obiek podlegający regulacji, regulaor oraz sumaor jako elemen porównujący sygnał zadawany y REF z sygnałem akualnym wielkości regulowanej y. Sygnał zadany (referencyjny) y REF jes pożądaną warością wielkości poddanej regulacji i jes na sumaorze porównywany z warością mierzoną y ego sygnału. Wejściem regulaora jes różnica e między warością zadaną (pożądaną) a akualną (czyli zmierzoną). Różnica a nazywana jes uchybem regulaora. Regulaor ma za zadanie ak modyfikować swoje wyjście x, aby wyeliminować różnicę między zadanym sygnałem regulowanym y REF oraz warością mierzoną y. Modyfikacja a opiera się na równaniu lub algorymie specyficznym dla danego ypu regulaora. Najczęściej sosowanym w układach napędowych regulaorem jes regulaor ypu proporcjonalnocałkującego PI. Jak nazwa wskazuje składa się on z członu proporcjonalnego oraz członu całkującego. Sygnał wyjściowy regulaora jes sumą sygnałów wychodzących z ych członów. Transmiancja i schema regulaora przedsawiono na Rysunku 5. = 1+ (1) Rys. 5. Transmiancja i schema blokowy regulaora proporcjonalno- całkującego PI Przy założeniu sałego prądu wzbudzenia silnika, serowanie odbywa się ylko przez regulację prądu wornika. Dokonując regulacji prądu wornika wpływamy na momen elekromagneyczny rozwijany przez silnik. Regulacji prądu wornika dokonujemy przez zmianę warości średniej napięcia prosokąnego (impulsowego) zasilającego silnik prądu sałego. Dla regulaora prądu obiekem regulacji jes cały układ napędowy maszyny prądu sałego. Wielkością regulowaną y jes prąd wornika i a (warość chwilowa), a sygnałem serującym jes warość sygnału serującego u S wchodzącego na układ komparaora. Układ regulacji prądu wornika znajduje się na Rysunku 6. Rys. 6. Układ auomaycznej regulacji prądu wornika Sygnał wyjściowy u S regulaora prądu (sygnał serujący podawany na komparaor) jes warością liczbową jeśli układ regulacji jes operacją maemayczną realizowaną w mikroprocesorze, lub sygnałem o małej mocy jeśli układ serowania jes realizowany analogowo (np. na wzmacniaczach operacyjnych). W żadnym z ych przypadków nie jes możliwe serowanie silnikiem bezpośrednio z wyjścia regulaora. Wymagany jes układ wzmacniający sygnał wyjściowy regulaora. Układ wzmacniający (z własnym źródłem zasilania) serowany jes sygnałem wyjściowym regulaora i doprowadza do silnika odpowiednią moc i ym układem jes przekszałnik energoelekroniczny w ym przypadku mosek ypu H. Wysępuje u pewna analogia do odbiornika radiowego, Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

6 w kórym uzyskiwany sygnał dźwiękowy nie pochodzi od bezpośredniego podania na głośnik sygnału z aneny. Moc sygnału anenowego jes za słaba, żeby wyzwolić drgania membrany głośnika. W celu wyzwolenia drgań membrany należy zasosować układ, kóry wzmocni sygnał anenowy. Sposób realizacji (echniką analogową czy cyfrową) ma znaczenie drugorzędne. Wzmacniacz wymaga oddzielnego źródła zasilania o odpowiedniej mocy i przekszałca napięcie zasilania w napięcie podawane na głośnik w celu wyzwolenia drgań membrany, zgodnie z wyserowaniem wzmacniacza przez sygnał anenowy. Naomias w układzie napędowym sygnał zadany u S seruje przekszałnikiem, kóry przekszałca napięcie zasilania u DC w napięcie prosokąne (impulsowe) u AB o warości średniej U AB_AV proporcjonalnej do sygnału wyjściowego regulaora prądu u S. Sygnały e związane są zależnością: _ = (2) Gdzie: U AB_AV - warość średnia napięcia na odbiorniku, napięcie zasilania moska H, u S sygnał serujący wchodzący na wejście dodanie komparaora, U TRI ampliuda sygnału rójkąnego u TRI wchodzącego na wejście ujemne komparaora. Przy czym jeśli ampliudę U TRI sygnału rójkąnego u TRI dobierzemy ak, że będzie równa warości napięcia, jak przedsawiono o na Rys. 1b, o warość liczbowa sygnału serującego u S będzie odpowiadać warości średniej U AB_AV napięcia prosokąnego u AB. Realizując serowanie w mikrokonrolerze można bez problemu ak warości usawić. W innym przypadku należy zasosować skalowanie sygnału wyjściowego regulaora zgodnie z równaniem (2). W ćwiczeniu dla uproszczenia analizy zosanie przyjęa ampliuda U TRI sygnału rójkąnego u TRI na poziomie napięcia. Podsumowując, powyższe rozważania, regulaor jes elemenem słaboprądowym, kóry odpowiada ylko za operacje maemayczne zwracając sygnał serujący. Do realizacji serowania silnikiem porzebny jes wzmacniacz mocy w posaci przekszałnika energoelekronicznego wyserowanego orzymanym sygnałem serującym. Układ przedsawiony na Rysunku 7 uwzględnia podział obieku na przekszałnik, kóry podaje na wornik silnika napięcie o warości proporcjonalnej do sygnału wyjściowego regulaora prądu i silnik prądu sałego. Grube linie na schemacie oznaczają sygnały silnoprądowe. Rys. 7. Układ auomaycznej regulacji prądu wornika Silnik podłączony do źródła napięcia sałego osiąga prędkość zależną od warości ego napięcia. Zasosowanie moska ranzysorowego o regulowanym wypełnieniu umożliwia konrolę warości średniej napięcia na wyjściu moska. Przy czym możliwe do uzyskania są zarówno dodanie, jak i ujemne warości średnie napięcia U AB_AV (zgodnie z Rysunkami 2 i 3), a co za ym idzie możliwe jes serowanie prędkością i kierunkiem obroów wirnika. Taki układ przekszałnikowy umożliwia również przepływ prądu z silnika do obwodu DC w sposób konrolowany, o ile siła elekromooryczna nie jes wyższa od napięcia zasilającego. Taki ryb pracy nazywany jes pracą generaorową, hamowaniem generaorowym lub hamowaniem odzyskowym i jes związany z przewarzaniem energii mechanicznej na elekryczną. Wymaga o jednak podania na wał momenu obciążenia o warości ujemnej (momen dopędzający wał maszyny oraz zadania ujemnej warości prądu wornika w regulaorze prądu). Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

7 Budowa modelu symulacyjnego układu napędowego z moskiem H i silnikiem DC Ćwiczenie polega na zbudowaniu w programie symulacyjnym PSIM układu moska ranzysorowego ypu H zasilającego silnik prądu sałego jak na Rysunku 8. Rys. 8. Schema symulacyjnego układu ypu H do zasilania silnika prądu sałego Negaor, komparaor, wolomierz oraz generaor fali rójkąnej znajdują się na pasku najczęściej używanych elemenów. Schema oraz paramery generaora fali rójkąnej przedsawiono na Rysunku 9. Rys. 9. Symbol oraz paramery generaora fali rójkąnej w programie PSIM Po zbudowaniu układu należy wprowadzić warości paramerów sosowanych w układzie napędowym elemenów jak w zamieszczonej Tabeli I. Tabela I. Paramery elemenów układu moska ranzysorowego zasilającego silnik prądu sałego Paramer Warość krok symulacji 1us czas symulacji 3s Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

8 napięcie sałe moska ranzysorowego 12V prąd sały obwodu wzbudzenia 1.6A napięcie referencyjne wchodzące na komparaor V ampliuda od szczyu do szczyu fali rójkąnej 24V częsoliwość fali rójkąnej 1Hz składowa sała fali rójkąnej -12V Dodakowo należy w paramerach łączników T1 i T2 usawić wyświelenie prądów (curren flag = 1). W ak przygoowanym układzie uruchamiamy symulację. Przy współudziale prowadzącego zajęcia należy dokonać obserwacji i analizy sygnałów, napięć i prądów w ym układzie. Kolejnym eapem jes zbudowanie układu z regulacją prądu wornika (Rysunek 1) i dobranie paramerów regulaora PI. Wszyskie niezbędne elemeny (sumaor, regulaor PI, limier) znajdują się na pasku najczęściej używanych elemenów. Paramery bloku regulaora PI ilusruje Rysunek 11, a paramery limiera Rysunek 12. Podczas srojenia regulaora prądu, należy nasawić obciążenie na warość znamionową, obliczoną podczas realizacji ćwiczenia nr 1, a nasępnie usawić sygnał zadany prądu wornika i REF a na poziomie warości znamionowej. W en sposób orzymuje się równowagę między momenem elekromagneycznym silnika a obciążeniem, przy zarzymanej maszynie. Eliminuje się w en sposób wpływ siły elekromoorycznej maszyny na dynamikę regulacji prądu. W układach auomaycznej regulacji z regulaorem proporcjonalno- całkującym sosuje się dodakowe bloki ograniczenia sygnału wyjściowego regulaora (limiery). Określają one maksymalne i minimalne warości sygnałów wyjściowych (!) regulaorów. Właściwości bloku ograniczenia sygnału najczęściej są wykorzysywane w sanach dynamicznych lub w przypadku awarii i błędów w badanym układzie (np. zanik sygnału pomiarowego lub błędnie dobrane nasawy regulaorów). W układach serowania błędnie zdefiniowanych, bądź w sanach awaryjnych nie nasępuje zerowanie uchybu, co skukuje w członie całkującym wzrosem sygnału wyjściowego do nieskończoności i przeciążeniem obieku serowania. Dodakowo w sanach dynamicznych ograniczenia sygnału serującego zwiększają szybkość reakcji regulaora w przypadku pojawienia się uchybu o przeciwnej warości wskuek zmiany warości zadanej prądu. Warości maksymalne i minimalne limiera w układzie regulacji prądu powinny zosać nasawione na warości maksymalne i minimalne sygnału rójkąnego wchodzącego na ujemne wejście komparaora. sumaor limier regulaor proporcjonalno całkujący sygnał referencyjny Rys. 1. Układ regulacji prądu wornika Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego

9 Rys. 11. Symbol i paramery regulaora PI w programie PSIM Rys. 12. Symbol i paramery limiera w programie PSIM Osanim zadaniem jes zbudowanie regulaora prędkości, kóry jes ypu proporcjonalno- całkującego PI. Jes o regulaor nadrzędny w sosunku do regulaora prądu. Podczas budowy regulaora prędkości należy uwzględnić, że serując prędkością wirnika wpływamy na momen elekromagneyczny generowany przez silnik. Chcąc zwiększyć prędkość, regulaor prędkości wymusza na regulaorze prądu większy momen elekromagneyczny niż momen obciążenia M OBC. Podobna syuacja wysępuje w przypadku zmniejszenia prędkości. Chcąc zmniejszyć prędkość wirnika należy zmniejszyć wywarzany momen elekromagneyczny w sosunku do momenu obciążającego M OBC. Schema regulaora ilusruje Rysunek 13. Rys. 13. Układ auomaycznej regulacji prędkości wirnika Należy uwzględnić, że obiekem dla regulaora prędkości jes układ moska H z regulaorem prądu. Sąd wynika nazwa dla regulaora prędkości- nadrzędny. Podczas doboru nasaw regulaora prędkości sygnał zadany prędkości powinien być mniejszy od warości znamionowej, aby móc zweryfikować poprawność działania układu regulacji prędkości. Układ regulacji prędkości z podrzędnym regulaorem prądu jes budowany w środowisku symulacyjnym przez sudenów na zajęciach samodzielnie, przy czym należy przedsawić prawidłowo działający układ prowadzącemu zajęcia. Insyu Serowania i Elekroniki Przemysłowej, Laboraorium Napędu Elekrycznego