znanych rozwiązań z tyrystorami SCR. W artykule przedstawiono analizę i wyniki badań laboratoryjnych

Transkrypt

1 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 65 Roman udek, Sanisła Kosioroski, Andrzej Sobiecki, Marek Żuchoicz AGH, Krakó SEROWANIE PRĄEM WZBUZENIA SILNIKÓW RAKYJNYH LOKOMOYW KOPALNIANYH ONROL OF HE FIEL URREN OF HE MINE LOOMOIVES' RAION MOORS Absrac: In he majoriy of elecric rolley locomoives operaed in Polish mines, a significan (3:1) main poles field eakening in he racion machines is necessary. In he paper, special aenion as paid o an analysis and resuls of laboraory ess of a ransisor-based sysem designed for a pulse-mode conrol of he racion moors exciaion curren of he locomoive ype Ld31 (9 kw). A capacior conneced in parallel o he exciaion inding of he racion moor is discharged hrough an resisor in he described sysem. onsequences of he significan differences in he curren overload capaciy of poer ransisors and SR hyrisors ere presened. he relaionships beeen a field eakening rae and an armaure curren for differen sich duy raios of he ransisor ere obained on he basis of an approximae analysis of he sysem operaion. he seady-sae characerisic curves of he exciaion curren versus he armaure curren and poer losses in he resisor ere found using Maple compuer algebra sysem. Resuls of he laboraory ess concerning he relaionship beeen he exciaion curren and he armaure curren and seleced oscillograms of he volage and curren aveforms ere also shon. 1. Wproadzenie W polskich kopalniach ęgla, soli, rud miedzi, cynku i ołoiu eksploaoane są elekryczne lokomoyy przeodoe, napędzane doma silnikami szeregoymi prądu sałego o łącznej mocy od 6 do 1kW. Silniki ych lokomoy zasilane są z sieci rakcyjnej prądu sałego o napięciu 5V, przy czym ahania napięcia sieci rakcyjnej mogą ynosić od -3% do +%. W najczęściej użykoanych ypach lokomoy (Ld31, Ld1) seroanie prędkością obrooą silnikó odbya się dusrefoo. W pierszej srefie regulację prędkości uzyskuje się poprzez zmianę arości średniej napięcia na silniku, naomias drugiej srefie - poyżej charakerysyki nauralnej seroanie prędkością obrooą silnika ymaga znacznego (3:1) osłabiania pola magneycznego biegunó głónych. Rónież z uagi na cieplne arunki pracy uzojenia zbudzenia (przekrój) długorała praca silnika możlia jes jedynie ze znacznym osłabianiem pola. yrysoroe układy seroania prądem zbudzenia silnika rakcyjnego [3] ziększają kosz, gabaryy i masę urządzenia, oeż uzasadnione jes obecnie zasąpienie ich ranzysoroymi układami seroania. Isone różnice przeciążalności prądoej ranzysoró i yrysoró SR skukują znacznymi komplikacjami ranzysoroych układach osłabiania pola sosunku do znanych roziązań z yrysorami SR. W arykule przedsaiono analizę i yniki badań laboraoryjnych łasności ranzysoroego układu osłabiania pola magneycznego silnika rakcyjnego lokomoyy Ld31 ze sępnym rozładoaniem kondensaora bocznikującego uzojenie zbudzenia poprzez dodakoą diodę oraz z rezysancyjnym rozładoaniem ego kondensaora podczas osłabiania pola silnika.. yrysoroy układ seroania prądem zbudzenia W yrysoroym układzie seroania elekrycznych lokomoy kopalnianych [3] do seroania prądem zbudzenia ykorzysano yrysor y3 (rys. 1) yłączany za pomocą obodu komuacyjnego złożonego z nasępujących elemenó: kondensaor k, yrysor y4, dłaik L7, dioda 8, dioda 9, dłaik L3 oraz ransformaor L5. Kondensaor obodzie bocznikującym uzojenie zbudzenia zapobiega niekonroloanym yłączeniom yrysora y3 skuek przepięć yołanych komuacją prądu orniku silnika. Warość pojemności ego kondensaora ( 3mF) płya isonie rónież na zakres seroania prądem zbudzenia oraz na kszał przebiegó prądu ornika i zbudzenia.

2 66 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 Po załączeniu yrysora y3 napięcie kondensaora maleje do arości bliskiej zeru, a prąd yrysora osiąga bardzo duże naężenie (poyżej 1kA). Z uagi na dużą przeciążalność prądoą yrysoró san aki jes dopuszczalny. la yrysora S3S1PF I (AV) =5A, a I SM =44A. Przeciążalność ranzysoró IGB oraz ineligennych modułó mocy jes kilkakronie mniejsza niż yrysoró SR (np. dla IPM yp PMSA6: I = A, a ograniczenie prądoe O min =31A [5]). Rys. 1. Schema yrysoroego układu seroania silnika rakcyjnego Uzyskane laboraoryjnym układzie yrysoroego seroania silnika rakcyjnego La 37a (P N =45kW, I N =5A, U N =5V, n N =18obr/min) przebiegi napięcia na silniku i kondensaorze podczas rozruchu oraz przebiegi napięcia kondensaora i prądu yrysora y3 pierszym cyklu pracy yrysora y3 podano na rysunkach i 3. Każdorazoo, podczas rozruchu silnika rakcyjnego, począkoych kilku cyklach pracy yrysora y1 napięcie kondensaora zrasa do sosunkoo dużej arości (rys. ) i urzymuje się aż do zadziałania yrysora y3. 3. ranzysoroy układ osłabiania pola Schema laboraoryjnego, ranzysoroego układu osłabiania pola silnika szeregoego prądu sałego La 37a zasilanego impulsoo ze sępnym rozładoaniem kondensaora [] przedsaiono na rysunku 4. Jako półprzeodnikoe łączniki 1 i ykorzysano ranzysory IGB ineligennych modułó mocy IPM PMSA6. Warość pojemności kondensaora zmieniano przedziale od 1mF do 3mF, a arość rezysancji R zmieniano zakresie od,3ω do 5Ω. Zmianę arości średniej napięcia na silniku uzyskuje się za pomocą ranzysora 1 (piersza srefa regulacji), a ranzysor z elemenami, 3, 4, i R umożliia seroanie prądem zbudzenia silnika. Rys.. Napięcie na silniku (u S ) i kondensaorze (u ) podczas rozruchu Rys. 3. Napięcie kondensaora (u ) i prąd yrysora y3(i ) Rys. 4. Schema ranzysoroego układu seroania prądem zbudzenia Samoczynne sępne rozładoanie kondensaora, jeszcze przed załączeniem ranzysora 3, uzyskuje się dzięki dodakoej diodzie 5 obodzie: kondensaor, uzojenie zbudzenia silnika EF, ranzysor 1, dioda 5 i rezysor R. Przykładoe przebiegi napięcia silnika i napięcia kondensaora uzyskane podczas rozruchu silnika na sanoisku laboraoryjnym zamieszczono na rysunku 5. W począkoej fazie rozruchu napięcie kondensaora szybko narasa, do sosunkoo dużej arości (poyżej 5% napięcia zasilania), a nasępnie raz ze zrosem yseroania ranzysora 1

3 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 67 maleje do kilkunasu oló z uagi na rozładoanie się kondensaora poprzez diodę 5, uzojenie silnika i ranzysor 1. Rys. 5. Napięcie na silniku (u S ) i kondensaorze (u ) podczas rozruchu Na podsaie pomiaró laboraoryjnych sierdzono, że usalonym sanie pracy układu podczas osłabiania pola (druga srefa) dioda 5 nie płya na przebieg zależności prądu zbudzenia od prądu ornika. Przykładoe przebiegi prądu ornika i zbudzenia oraz napięcia kondensaora podano na rysunkach 6 i 7 przy nasępujących arościach parameró: R=.3Ω, =3mF, ε=,8 i częsoliości impulsoania f i =4Hz oraz przy średniej arości prądu ornika 15A i średniej arości prądu zbudzenia 67A. Waro zauażyć, że ahania prądu ornika podczas osłabiania pola prezenoanym przypadku są nieznaczne, poniżej %. ioda 5 prakycznie nie płya na przebiegi zamieszczone na rysunku 6. Poyższe przebiegi, po przeraniu obodu ej diody, nie zmieniają się. 4. harakerysyki sayczne ranzysoroego układu osłabiania pola W celu yznaczenia zależności prądu zbudzenia silnika rakcyjnego od prądu ornika i spółczynnika yseroania ranzysora dokonano analizy pracy układu osłabiania pola z rezysorem obodzie rozładoania kondensaora. Założono, że układ napędoy podczas osłabiania pola magneycznego pracuje pobierając sałą moc z sieci zasilającej (U=cons), sabilizoaną układem auomaycznej regulacji oraz, że ahania prądu ornika przy dosaecznie dużej pojemności oraz częsoliości impulsoania - można pominąć (rys. 6). Przybliżoną analizę pracy układu sanie usalonym dokonano oparciu o schema zasępczy (rys. 8). Rys. 6. Przebiegi prądu ornika (i ) i napięcia kondensaora (u ) podczas osłabiania pola Rys. 7. Przebiegi prądu zbudzenia (i ) i napięcia kondensaora (u ) podczas osłabiania pola Rys. 8. Schema zasępczy układu osłabiania pola z rezysorem obodzie rozładoania kondensaora W cyklu pracy układu można yróżnić da przedziały czasoe ziązane ze sanem pracy ranzysora. Gdy ranzysor przeodzi oboiązują rónania: di L + Ri = U + U (1) d du u + R = U () d du i = d (3) I = i + i i, (4) przy czym U spadek napięcia na diodzie, U spadek napięcia na ranzysorze. Przebiegi prądu uzojenia zbudzenia i oraz napięcia kondensaora filru u mają posać:

4 68 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 u U + U 1 ( ) = 1e + (5) R i ) = e + U (1 e ) (6) ( 1 L przy czym =, = R, 1 i sałe R całkoania. la drugiego przedziału, gdy ranzysor nie przeodzi, układ można opisać rónaniami: di L + Ri = u + U (7) d du I = i + (8) d Po roziązaniu poyższego układu rónań - L przy założeniu, że R < - orzymuje się: [( a) cosω+ u ( ) = e 3 R Ra+ L sinω ] + a L (9) du ( ) i ( ) = I = d 1 = I e [( 3 a) cosω R Ra 4 L sinω ]+ L + e [ a)ω sinω+ ( 3 3R Ra+ 4 L + ω cosω ] L (1) przy czym: a = I R - U, 3, 4 sałe całkoania, ω 1 R = L L. Sałe całkoania ym przypadku [4] - można yznaczyć z arunku róności roziązań na brzegach przedziału. o yznaczenia sałych całkoania i przebiegó prądu zbudzenia poszczególnych przedziałach ykorzysano program do obliczeń symbolicznych Maple. Rónież ykorzysując en program yznaczono arość średnią prądu zbudzenia funkcji prądu ornika i spółczynnika yseroania ranzysora ( ε = ) I 1 = + + i 1( ) d i ( ) d 1 (11) Uproszczona posać ego zoru jes nasępująca: U + U I = ε + I ( 1ε)+ R ( R R, L,...) + f (1), rzeci składnik zoru (1) zależy od ielu czynnikó i ma skomplikoana posać rudną do inerpreacji. Z ego poodu korzysając z zoró (5, 1) yznaczono zależność prądu zbudzenia od prądu ornika funkcji rezysancji R obodu rozładoania kondensaora. Przykładoe zależności - uzyskane za pomocą programu Maple - zamieszczono na rys. 9. I [A] I [A] R=Ω R=.3Ω R=.64Ω R=1Ω R=Ω R=1Ω Rys. 9. harakerysyki I =f(i ) Wraz ze zmniejszaniem rezysancji R rośnie sopień osłabiania pola silnika, przy czym granicznym przypadku przy R charakerysyki I = f(i ) różnią się nieznacznie (rys. 1) od charakerysyki orzymanej na podsaie zoru uproszczonego, uzględniającego ylko da piersze składniki zoru (1). 1

5 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 69 I [A] R=Ω, ε=.8 I [A] Rys. 1. harakerysyki I =f(i ) zór upr., ε=.8 Wykonano rónież badania laboraoryjne (dla układu edług schemau rys. 4) zależności prądu zbudzenia od prądu ornika dla różnych spółczynnikó yseroania przy R=,3Ω, =3mF, f i =4Hz (rys. 11). Wraz ze zrosem yseroania ranzysora rośnie sopień osłabiania pola i złaszcza przy iększych prądach ornika zapeniony jes ymagany zakres zmian sopnia osłabiania pola sosunku 3:1. I [A] I [A] ε=, ε=,4 ε=,6 ε=,8 ε=1 Rys. 11.harakerysyki dośiadczalne I =f(i ) harakerysyki na rysunku 1 ilusrują pły arości rezysancji R i pojemności na sopień osłabienia pola. Im mniejsza arość rezysancji R i iększa arość pojemności ym iększy sopień osłabienia pola. odakoo na ym rysunku zamieszczono charakerysykę ynikającą z zoru (13). Rónież ym przypadku, przy dużej arości pojemności (=3mF) i małej arości rezysancji (R=,3Ω) oraz f i =4Hz charakerysyka może być prakycznie przybliżona charakerysyką uzyskana na podsaie zoru (13). Różnice nie przekraczają kilkunasu procen. I [A] I [A] R=,3Ω =3 mf R=,3Ω =1mF R=1Ω =3mF ch-ka eore. Rys. 1. harakerysyki dośiadczalne I =f(i ) przy ε=,8 5. Sray mocy rezysorze Sray mocy rezysorze yznaczono na podsaie skuecznej arości przebiegu napięcia kondensaora u c () (rys. 6) bocznikującego uzojenie zbudzenia, przedziale, kórym przeodzi ranzysor. Obliczenia ykonano programie Maple na podsaie zoru (6). Wyniki obliczeń sra mocy dla =3mF, I =A, f i =4Hz funkcji rezysancji dla różnych spółczynnikó yseroania ranzysora zaprezenoano na rysunku 13 P [W] R [Ω] ε=. ε=.4 ε=.5 ε=.6 ε=.7 ε=.8 ε=.9 Rys. 13. Sray mocy funkcji rezysancji R Rónież dla ymienionych yżej parameró yznaczono charakerysyki sra mocy funkcji spółczynnika yseroania ranzysora, przy różnych arościach rezysancji R (rys. 14).

6 7 Zeszyy Problemoe Maszyny Elekryczne Nr 77/7 P [W] ,,4,6,8 1 ε R=.3Ω R=.5Ω R=1Ω R=Ω R=1Ω Rys. 14. Sray mocy funkcji rezysancji R Na podsaie uzyskanych charakerysyk można sierdzić, że maksymalne sray nieznacznym sopniu zależą od rezysancji i ynoszą około 5W, o jes nieco poyżej 1% mocy silnika. W celu eryfikacji uzyskanych zależności obliczono sray rezysorze układu laboraoryjnego na podsaie oscylogramu przebiegu napięcia kondensaora (rys. 6), zakładając linioą zmienność ego napięcia od arości 17V do 3V. Obliczone sray ynoszą około 8W. Wyznaczone na podsaie obliczeń analiycznych sray mocy rezysorze (rys. 14), przy R=,3Ω, ε=,8, =3mF ynoszą około 3W. 6. Podsumoanie Na podsaie ynikó przeproadzonych badań można sierdzić, że zaproponoany układ sępnego rozładoania kondensaora bocznikującego uzojenie zbudzenia zapenia ograniczenie arości napięcia ego kondensaora, co umożliia zasosoanie podczas osłabiania pola magneycznego silnika rezysora obodzie rozładoania kondensaora o małej rezysancji. Przy małej arości rezysancji ego rezysora zależność pomiędzy prądem zbudzenia, a prądem ornika dla usalonej arości spółczynnika yseroania może być opisana funkcją linioą, co pozala na analiyczne yznaczenie saycznych charakerysyk mechanicznych silnika przy osłabianiu pola na podsaie danych kaalogoych [1]. Mimo, że sray rezysorze układu są sosunkoo małe, o można je yeliminoać zasępując rezysor dłaikiem, przy czym kosz i gabaryy dłaika, a akże dodakoe zjaiska (np. sray mocy diodzie) mogą być isone przy yborze konkrenej ersji układu. 7. Lieraura [1]. Bielaski S.: eoria napędu elekrycznego. WN. Warszaa 1978 []. udek R., Kosioroski S., Sobiecki A., Żuchoicz M.: usrefoy układ seroania silnika szeregoego prądu sałego. Opis paenoy PL [3]. udek R., Kosioroski S., Żuchoicz M.: Impulsoy układ dusrefoej regulacji prędkości kąoej silnikó rakcyjnych lokomoy kopalnianych. Mechanizacja i Auomayzacja Górnica. Nr 4-5 (64). 199 [4]. Osioski J.: Zarys rachunku operaoroego. WN, Warszaa 197 [5]. Poer Module MOS. aa Book. Misubishi Semicondacors Auorzy Roman udek (dudek@kaniup.agh.edu.pl) el Sanisła Kosioroski (kosiorsk@kaniup.agh.edu.pl) el Andrzej Sobiecki (asob@kaniup.agh.edu.pl) el Marek Żuchoicz (zucho@kaniup.agh.edu.pl) el Akademia Górniczo-Hunicza im. S. Saszica Al. Mickieicza 3, 3-59 Krakó