Energoelektronika

Przedstaw rozruch, hamowanie, regulacje prędkości silnika bocznikowego prądu stałego.

W silniku bocznikowym regulacji prędkości przez zmianę napięcia sieci można dokonywać tylko w takim układzie, gdzie obwód wzbudzenia jest zasilany z oddzielnego źródła napięcia i można utrzymać stałą wartość prądu wzbudzającego. Silnik wtedy pracuje właściwie jako obcowzbudny. Przedstawiając prędkość obrotową silnika w postaci sumy dwóch składników

widzimy że zmiana napięcia zasilającego wirnik silnika obcowzbudnego powoduje proporcjonalną zmianę prędkości stanu jałowego no natomiast współczynnik nachylenia charakterystyki jest stały, gdyż nie zależy od napięcia. Zasilając zatem wirnik silnika regulowanym napięciem U, otrzymujemy rodzinę charakterystyk w postaci szeregu prostych równoległych (rys. 1).

Przy stałym momencie (a więc stałym prądzie przy określonej wartości strumienia) otrzymuje się dla U1,>Un prędkość większą, a dla UTego typu regulacji dokonuje się często w układzie, w którym silnik jest zasilany przez specjalną prądnicę o regulowanym napięciu, napędzaną przez silnik indukcyjny lub synchroniczny. Jest to tzw. układ Leonarda (rys. 2); jeżeli na wale silnika indukcyjnego znajduje się dodatkowe koło zamachowe, to układ nosi nazwę Leonarda-Ilgnera.

Obwody wzbudzenia silnika obcowzbudnego i prądnicy są zasilane z dodatkowej prądnicy bocznikowej G2 osadzonej na wale silnika prądu przemiennego M2. Przez zmianę wartości i kierunku prądu wzbudzającego prądnicy G1 reguluje się napięcie w zakresie od +U do -U, przez co otrzymuje się szeroki zakres regulacji prędkości ze zmianą kierunku wirowania silnika M1, (rys. 3).

Zakres charakterystyk w I i III ćwiartce wykresu n = f(I) odpowiada pracy silnikowej. W zakresie II i IV ćwiartki silnik M1 staje się prądnicą, oddającą energię elektryczną do prądnicy G1, gdzie energia ta zamienia się na mechaniczną i jest przez wał oddawana do maszyny prądu przemiennego M1, a stąd w postaci elektrycznej do sieci.
Drugim sposobem regulacji prędkości silnika bocznikowego jest zmiana rezystancji obwodu wirnika. Jak wynika ze wzoru na prędkość obrotową w stanie pracy, włączenie dodatkowej rezystancji powoduje zmianę nachylenia charakterystyki mechanicznej przy stałej prędkości stanu jałowego n0 (rys. 4).
Należy zwrócić szczególną uwagę, aby przy wtaczaniu opornika regulacyjnego obwód wzbudzenia był zasilany pełnym napięciem sieci dla zachowania stałości prądu wzbudzającego i strumienia.
Jak wynika z rys. 4, przez włączenie w obwód wirnika rezystancji regulacyjnej Rd uzyskuje się zmniejszenie prędkości. Nie można w ten sposób regulować prędkości w górę. Ten sposób regulacji jest poza tym nieekonomiczny, gdyż przy stałym momencie prędkość maleje i moc oddawana zmniejsza się, moc pobierana natomiast jest stała (gdyż prąd i napięcie są stałe), a zatem sprawność silnika wyraźnie się zmniejsza. Wynika to stąd, że znaczna część energii elektrycznej zamienia się na ciepło w oporniku regulacyjnym. Z równania napięć U=E+I(Ra+Rd), po pomnożeniu przez prąd, otrzymujemy UI=EI+I2Ra+I2Rd.
Moc pobrana z sieci UI jest więc równa sumie mocy wewnętrznej EI, zamienianej na formę mechaniczną oraz stratom w wirniku i oporniku. Przy stałym prądzie moc stracona w rezystancji Rd wynosi tyle, ile wynosi zmniejszenie mocy wewnętrznej EI. Regulacja prędkości silnika bocznikowego przez włączanie rezystancji ma też tę wadę, że przy małych prędkościach charakterystyki są mocno nachylone, wskutek czego przy wahaniach momentu występują znaczne wahania prędkości. Mimo istotnych wad ten sposób regulacji prędkości jest ze względu na prostotę układu często stosowany, szczególnie w maszynach małych i średnich mocy.
Trzecim sposobem regulacji prędkości silnika bocznikowego jest zmiana wartości strumienia przez włączenie dodatkowej rezystancji Rwd w obwód wzbudzenia.
Zmniejszenie strumienia przy określonej wartości prądu powoduje wzrost prędkości (wartości n’, n’’ przy I=In), Przy czym zmienia się zarówno prędkość stanu jałowego, jak nachylenie charakterystyki mechanicznej.
Jeśli pominie się oddziaływanie wirnika, to charakterystyki mechaniczne przy wszystkich wartościach strumienia są liniowe i mają wspólny punkt przy prądzie zwarcia Ą (n = 0), gdyż wartość prądu zwarcia nie zależy od strumienia magnetycznego.
Regulacji prędkości przez zmianę strumienia przy zachowaniu warunku stałości prądu wirnika dokonuje się przy zmianie momentu obciążenia. Jeżeli przy regulacji w górę moment obciążenia jest stały, to prąd wirnika zwiększa się.

Gdyby silnik bocznikowy został włączony bezpośrednio do sieci o pełnym napięciu, to popłynąłby w nim prąd zwarcia o wartości wielokrotnie większej od prądu znamionowego, gdyż przy n=0 napięcie indukowane rotacji jest równe zeru a prąd jest równy ilorazowi napięcia zasilania i rezystancji obwodu. Takie włączenie mogłoby spowodować zniszczenie maszyny. W celu ograniczenia prądu rozruchowego należy włączyć w szereg z wirnikiem dodatkową rezystancję (tzw. rozrusznik) tak dobraną, by uzyskać żądany prąd i moment rozruchowy. W przypadku silnika bocznikowego należy ponadto pamiętać, że obwód wzbudzenia nie może być przy rozruchu włączony za rozrusznikiem, ale tak, by był zasilany pełnym napięciem sieci.
Gdy po włączeniu silnika połączonego z rozrusznikiem prędkość rośnie wówczas, zgodnie z charakterystyką mechaniczną, zmniejsza się prąd i moment silnika (rys. 5.).
Dla utrzymania momentu w określonych granicach wyłącza się w trakcie trwania rozruchu kolejne elementy rozrusznika, przechodząc na kolejne charakterystyki, aż po całkowitym zwarciu rozrusznika dochodzi się do pracy na charakterystyce naturalnej.


Podobnie jak w przypadku hamowania silników indukcyjnych rozróżniamy trzy rodzaje hamowania maszyn prądu stałego:
- hamowanie prądnicowe,
- hamowanie przeciwprądem (przeciwwłączeniem),
- hamowanie dynamiczne.

Hamowanie prądnicowe silnika bocznikowego zachodzi wówczas, gdy jest on napędzany z prędkością większą od prędkości idealnego stanu jałowego n0 (rys. 6). Kierunek prądu zmienia się wówczas na przeciwny niż przy pracy silnikowej i maszyna oddaje energię elektryczną do sieci. Hamowanie prądnicowe może odbywać się na charakterystyce naturalnej (prosta 7) lub przy włączonej szeregowo dodatkowej rezystancji Rd, powodującej większe nachylenie charakterystyki, wskutek czego prędkość obrotowa przy hamowaniu określonym momentem jest większa (prosta 2).
Regulacja prędkości przy hamowaniu prądnicowym może się odbywać również przez osłabienie strumienia (prosta 3). W obu przypadkach włączenie dodatkowej rezystancji powoduje wzrost prędkości obrotowej. W układzie Leonarda, regulując napięcia wirnika przy stałym strumieniu można uzyskać hamowanie w zakresie prądnicowym na dowolnej charakterystyce, jeżeli silnik jest napędzany z prędkością większą od prędkości stanu jałowego przy danej wartości napięcia U.


Hamowanie przeciwprądem (zwanego też hamowaniem przez przeciwwłączenie) dokonuje się przez przełączenie napięcia zasilania wirnika lub przez napędzanie silnika w kierunku przeciwnym do tego, jaki występuje przy pracy silnikowej. Hamowanie przez przełączenie napięcia ilustruje charakterystyka 1’ na rys. 6, odpowiadająca pracy bez dodatkowej rezystancji. Dla ograniczenia prądu silnika przy hamowaniu włącza się rezystancję Rd, przez co pochyla się charakterystykę tak, aby przy zadanej prędkości silnika otrzymać żądany prąd i moment hamujący (prosta 4). W miarę zmniejszenia prędkości prąd i moment maleją. Aby zwiększyć intensywność hamowania można zmniejszyć rezystancję Rd (prosta 5). Po dojściu do prędkości n=0 należy silnik odłączyć od sieci, ponieważ działający moment stara się obrócić wirnik w przeciwną stronę.
Hamowanie dynamiczne polega na tym, że e obwód wirnika odłącza się od sieci i zwiera przez, odpowiednio dobraną rezystancje, uzwojenie wzbudzenia zaś jest nadal włączone do sieci. Maszyna pracuje jako prądnica obcowzbudna na charakterystyce mechanicznej o nachyleniu zależnym od wartości włączonej rezystancji i prądu wzbudzającego (prosta 6 na rys. 6), przechodzącej przez początek układu współrzędnych. W miarę zmniejszania prędkości prąd wirnika liniowo, maleje tez. moment hamujący, można więc kolejno wyłączać elementy rezystancji (proste 7, 8, itd.) do uzyskania charakterystyki przebiegającej tak płasko jak charakterystyka naturalna (charakterystyka U=0 na rys. 3).


2. Jakie zadanie spełnia przekształtnik w układzie napędowym?

Większość współczesnych układów napędowych stanowią układy energoelektroniczne. Do regulacji prędkości kątowej wału silnika stosuje się różne układy przekształtnikowe, których główny podział jest przedstawiony w tabeli nr 1.

Nazwa przekształtnika Symbol graficzny
Prostownik
Przekształtnik prądu stałego
Falownik
Przekształtnik prądu przemiennego
Tabela 1. Ogólne symbole graficzne przekształtników.

Zadaniem przekształtnika jest sterowanie przepływem energii ze źródła energii do silnika napędowego rysunek nr 1. Silnik napędowy, aby zrealizował proces technologiczny wymagany przez maszynę roboczą, musi mieć dostarczony prąd i napięcie o odpowiedniej częstotliwości. Wartość napięcia, częstotliwości i natężenia prądu steruje regulator przekształtnika.
Podstawowym wymaganiem stawianym układowi napędzającemu pociąg jest zapewnienie komfortu jazdy pasażerom oraz bezawaryjne i ekonomicznej pracy części składowych układu. Silnik prądy przemiennego napędzający lokomotywę jest zasilany przez przekształtnik z sieci prądu stałego o napięciu 3kV. Przekształtnik, w zależności od wartości sygnału sterującego UR, przekazuje silnikowi napięcie trójfazowe, którego amplituda, amplituda natężenie prądu i częstotliwość zależą od aktualnego stanu pracy silnika (rozruch, praca ustalona, hamowanie). Przekształtnik zastosowany w trakcji nie tylko przekazuje energię z sieci do układu napędowego, ale też może oddawać do sieci energię kinetyczną zmagazynowaną w pędzącym pociągu przy jego hamowaniu, po przetworzeniu jej na energię elektryczną.
W technice napędowej stosuje się kilka rodzajów przekształtników. Wybór ich zależy od źródła zasilania zastosowanych półprzewodnikowych przyrządów mocy, rodzaju silnika i sposobu sterowania.


3. Jakie czynniki ograniczają przeciążalność prądową silników prądu stałego?

Bardzo ważnym parametrem z punktu widzenia eksploatacji silnika jest dopuszczalna przeciążalność, czyli stosunek momentu obciążenia maksymalnego do momentu obciążenia znamionowego. Dla silników nieskompensowanych, przeciążalność wynosi Ml/MN=1,6...1,8; dla silników skompensowanych Ml/MNŁ2,4. Czas trwania przeciążenia nie powinien być zbyt długi.
Maksymalna wartość natężenia prądu w stanach dynamicznych (rozruch, nawrot, hamowanie), zależnie od rodzaju silnika, nie można przekraczać wartości Ia=1,6...2,4IaN. Przeciążalność silnika jest ograniczona jego wytrzymałością mechaniczną oraz dopuszczalną obciążalnością cieplną uzwojenia i komutatora.