Z ESZYTY N A U KO WE P O LI TE C HN IK I ŚLĄ S KI EJ Serias E l e k t r y k a z. 45
________ 1974 N r kol. 413
H e n r y k K O Ł O DZ I EJ
Instytut Po ds t a w o w y c h Pr oblemów E l e k t ro te c hn ik i i E n e r g o e l ek t ro ni ki
U KŁAD N A W RO T NY S I L N I K A PR ĄD U STAŁ EG O Z R E W E R S J Ą M O M E N T U W O B W O DZ I E W Z B U D ZE N IA
S t r e s z c z e n i e . W artykule prze d st aw io n o m o żl i wo śc i z as t osowania u kł ad u z a s i l a n i a sil ni ka pr ąd u stałego z r e w e r s j ą m o m e n t u w ob w o
dzie w z b u d z e n i a do n a p ę d u m a s z y n wy ci ągowych. Ok re ślono w a r u n k i ^ ja
kie p o w in ny zostać spełnione, aby t en rodzaj n a p ę d u mó gł zna le źć za
stosowanie w m a s z y n a c h wy ci ągowych.
1. W st ęp
W n o w o c z e s n y c h u k ł a d a c h n a p ę d o w y c h coraz częściej są stosowane silni
ki p rą d u stałego zasilane z p r z e k s z t ał tn ik ó w tyrystorowych. Są to n a ogół układy, w k t ór yc h z miana k i e r un ku e le kt r om ag ne t yc zn eg o m o m e n t u siln ik a re
al i zo wa na jest przez zmianę k i e ru nk u p rą du t w o m i k a . Z a st osowanie prostow
n ik ów stero w an yc h u m o ż l i w i a jednak r oz powszechnienie, dość rzad ko do tej pory stoso w an eg o u k ł a d u n aw ro tn e go z r e w e rs j ą m o m e n t u przez zmianę k i e r u n ku st ru mi e ni a wzbud z en ia . Mo ż li w o ś c i zast os ow a ni a tego u k ł a d u są bardzo szerokie, gdyż w ak tu a l n y c h w a r u n k a c h nie s tanowią one tr udnych i kosz to w
n y c h inwestycji. N aj bardziej p r z y d at ny jest t e n u kład w pr z emyśle obra
b i a r ko wy m i w hutnictwie, gdzie cały s zereg n a p ę d ó w oprócz szybkiej rewer
sji m o m e n t u w y m a g a też r e g u l ac ji p r ę d k oś c i przez osłabienie p rądu w z b u d z e nia. A r t yk u ł n i n i e js zy m a n a cel u om ó wienie p r z y d at no śc i omówio ne go u k ł a du do n a p ę d u ko pa ln i a n y c h m a s z y n wyciągowych.
2. Z as ad a d z i a ła n ia u k ładu
Cz tery moż li w e stany p ra cy u k ł a d u zostały pr ze ds t aw io ne n a rys. 1, W ukł ad zi e o d b y w a się w i ę c hamowanie odzyskowe uzys k an e d z ięki szybkie
m u p r z e ł ą c z e n i u p rą du w z b u d z e n i a oraz p rz eł ą c z e n i u m o s t k a tyrysto ro we g o w obwodzie g ł ó wn y m do pr ac y falownikowej.
128 H. Kołoc^iej
♦0 ?» ł 1" J L J L
Praca siatkowa L
Hamowanie odzyskowe Lm
J j
Praca silnikowa P Hamowanie odzyskowe P Rys. 1
O jakości re gu l ac ji decyduje w głównej m ierze czas prze łą cz a ni a prądu wzbudzenia.
Ukła dy L e o n a r d a stosowane do n a pę dó w k o p al n ia ny ch są obecnie coraz częściej w y p i er an e przez u kł ad y tyrystorowe, m o gące już w chwili obecnej konkur ow ać z ukła da m i tradycyjnymi pod w z g l ę d e m ceny.
U k ł a d e m na jbardziej konkurencyjnym, po zw a l a j ą c y m ma ksymalnie obniżyć nakł a dy i n we stycyjne i k os zt y eksploatacyjne, jest układ z rew er sj ą m o m e n tu w o bwodzie wzbud z en ia . Ob niżenie kosz tó w inwesty cy jn yc h m o ż n a ocenić n a około 30 do 4 0 % w s tosunku do u k ł a d u z mos t ka mi t yrystorowymi w obwo
dzie t w o m i k a .
3- Układ z a si la ni a i sterow an i a w z b u d z e n i a
Cz y nn i k i e m de cy d u j ą c y m o jakości r eg ulacji jest czas prze ł ąc za ni a pr ą
du w z b udzenia. Jego maksy m al ne skrócenie w y m a g a s t os ow an i a dużych w s p ó ł c zy nników f o r s o w a n i a wzbudz en ia . t
W yk re s w zg lę d n e g o czasu p r z eł ąc z an ia - - oraz w zg lę d n e g o czasu ma-
t iw
lenia prądu w z b u d z e n i a do zera ■— (Tw - stała cza so wa o bwodu w zb udzenia) p rz ed s ta wi a rysu ne k 2. w
W i e l k o ś ć st osowanego w s p ó ł c z y n n i k a f or so w a n i a w z b u d z e n i a zależy od z na
mi o no we go n a p i ę c i a wzbudzenia. D l a niski ch z na m ionowych n a pi ę ć w z b u d z e n i a (do 100 V) w s p ó ł c z y n n i k f or so wa n ia doc ho d zi do d w u n as tu [
2
], tym saUkład n a w r o t n y s i l n i ka p rą du stałego.. 129
m y m czas p r z e ł ą c z e n i a może być stosunkowo krótki. D l a w y ż s zy ch n a t o m ia st (200 V i w i ęc e j) nie m o ż n a s t osować w y s o k i c h w s p ó ł c z y n n i k ó w f o r s o w a n i a ze w z g l ę d u n a w y t r z y m a ł o ś ć e le kt r y c z n ą izolacji u z w o j e n i a w z b u d z e n i a a także ze w z g l ę d u n a k on ie c z n o ś ć sz er eg o we go ł ą c z e n i a tyrystorów, co z n ac z
nie podn os i koszt u kł a du zasil a
n i a o b wo du wzbud ze ni a.
W ko pa l n i a n y c h m a s z y n a c h w y c i ą g o w y ch nie m a ko ni e c z n o ś c i r e g u lacji pr ąd u w z b u d z e n i a siln i ka n a pędowego. W y s t a r c z y w i ę c zasto so w a n i e impu ls o we go u k ł a d u s t er ow a nia, zmienia ją c eg o tylko k ie r u n e k prądu w z budzenia, ewent u al ni e z mn i ej szającego w a r t o ś ć prądu w z b u d z e n i a w czasie p o st o ju maszyny.
S to so w an ie d u ży ch w s p ó ł c z y n n i k ó w f o rs ow a n i a w ią że się z k o n ie cz n oś ci ą głębokiego w y s t e r o w a n i a m o s t k a tyr ys to ro w eg o w cz asie p ra c y znamionowej.
D l a o g r a n i c z e n i a składowej zmiennej p rą d u w z b u d z e n i a n a l e ż y stosować o dp owiednio dobr a ne d ł aw i ki wy g ła dzające.
Podsta wo we u k ła d y z a s i l a n i a w z b u d z e n i a p r z e d s t a w i a rys. 3.
Rys. 2
Układ p rz ed s t a w i o n y n a rys. 3a w y m a g a st o so w a n i a dwóch m o s tk ów t y r ys t or rowych symetrycznych. Uk ł ad pr ze ds t a w i o n y n a rys. 3b m a tylko jeden m o stek i dwie pary t y ry st o r ó w p rz ełączających. Jest wię c pr os t sz y zarówno w
130 H. Kołodziej
obwodzie głównym, jak i w obwodzie sterowania. W obu u k ł a da c h (w układzie 3a nie stosuje się r eg ulacji prądów w y ró wn a w c z y c h ze w z g l ę d u n a koszty) zachodzi konie c zn oś ć pomia r u chwilowej w a r t o ś c i prądu wzbudzenia.
Elem e nt y pomiarowe m u s z ą w y k r y ć prąd bliski zeru (przełączanie m o s t ków lub tyrystorów pr zełączających) oraz prąd z namionowy (przełączanie m os tk a zasilającego z pracy z m i n i m a l n y m kątem w y s t e r o w a n i a do p racy zna
mionowej). Tymi elementami m o g ą być kontaktrony. D a j ą one dobrą powtarzal
ność pomiarów oraz odznac za ją się dużą ni ez a w o d n o ś c i ą działania. Ich pra
ca jako elementów wy kr y w a j ą c y c h została s prawdzona w uk ładzie m od el ow y m masz y ny wyciągowej.
4. Układ r eg ulacji prędkości
Najczęściej st osowany układ r eg ulacji został prze ds ta w io ny n a sc hema
cie blo k ow ym rys. 4-
Rys. 4
- sygnał zadający prędkość,
- r e g u l at o r pr ę dkości (najczęściej z o g ra ni czeniem prądu), - re g ul at or prądu,
~ tr a ns mitancja stero wn ik a i m o s t k a tyrystorowego,
- transmitanc ja obwo du t w o m i k a ,
- w zmo cn i en ie w p ę tl i r eg ulacji prądu, - wzmo c ni en ie w pętli regulacji prędkości.
Pr z ed st aw i on y układ z dw om a szeregowymi re g ul atorami prądu i prędkości jest najczęściej stosowany w kopa ln i an yc h mas zy na c h wyciągowych. Ponieważ w układzie zmiana m o m en tu na st ępuje w obwodzie wzbudzenia, w układzie r e
gulacji wy s tę pu je zakłócenie w postaci zmiany siły elektromotorycznej.
n(p) GI(P)
- A r - 1+P >
h "(T+p* J
o
k H kn
g G >)
Układ n a w r ot ny siln i ka prądu stałego..» 131
Układ blok ow y pr ze d s t a w i a rys. 5.
Rys. 5
1 + pT
2
■i-fi t,— = GT (p) - t ra ns m i t a n c j a r e g u l a t o r a p rądu
*H K 1 1
Z miana p rądu t w o m i k a w y w o ł a n a zmianą siły e le k tr om otorycznej p rzedstawio
n a jest zależnością:
1 2p T^O+pT/j.)
Ie (p) = E(p) b- ■(T + ) • --- 2“ g g K g U + pTg j 1 + 2 p T +
r r
Zakładając lin io wą zmienność E(t) (c o d l a d u żych w s p ó ł c z y n n i k ó w f o r s o w a n i a jest prawdziwe)
Bit) - Em i - P
p r z e bi eg prądu w posta ci operatorowej w y r a ż a sig wzorem:
\ 2 ^ (1 + ^
I (p ) * — ' i ~ — -Łfc— --- - - --- ....--- ...„„...»j... . t R p ( 1 + pT ) ( 1 + 2 V + P )
dla t— <-oo
EM 2 g max = tp Kg
d l a dużych m a s z y n zachodzi < t
132 H. Kołodziej
m o ż n a w i ę c założyć
I m a x może p r z y j m o w a ć bardzo duże w a r t o ś c i r z ę d u 0,1 I M
g dzie Iz* i q
A b y u n ik ną ć tak d u ży ch p r z e t ę ż e ó pr ą du znacznie p o g a r s za ją c yc h w a r un ki regulacji, n a l e ż y blok ow ać prąd w obwodzie g ł ó w n y m w czasie p r z eł ą cz an ia p rą du wzbud ze ni a.
D l a m a ł y c h maszyn, w prz yp ad k u n i s k ic h w s p ó ł c z y n n i k ó w f o r s o w a n i a nie m a p o t rz eb y bl ok o w a n i a pr ą du w obwodzie głównym, c h y b a że w aż ne są w a r u n ki r e g u l a c j i (blokowanie prądu w obwodzie głównym, gdy prąd w z b u d z e n i a s pa da do zera).
5« M o d e l o w y u k ład n a p ęd ow y z s am oc zy n ny m p r z eł ą cz an ie m p rądu w z b u d z e n i a
W la bo ra t o r i u m n a p ę d u ele kt ry c zn eg o I P P E i E z bu dowano układ n a p ę d o w y m a s zyny w y ci ąg ow e j i w y k o n a n o pomiary.
M o d e l o w y układ n a p ę d o w y przedst aw io n o n a rys, 6,
TZi
r—
Ą ^
.. . U ffiy .
Sterowanie wzbudzenia
r r O
H P
ZE 4 ś r u i n
;t z
Rys, 6
Układ n a w r o tn y s i l n i k a pr ąd u stałego.. 133
iotW
134 H. Kołodziej
W skład u k ł a d u napęd ow eg o w c h o d z i silnik pr ąd u stałego zasilany z sy
m e tr yc zn e go m o s t k a tyrystorowego. Obwód w z b u d z e n i a jest także zasilany z m o s t k a tyr y st or ow e go symetrycznego. Zmianę kie ru nk u prądu w z b u d z e n i a za
pewn i aj ą tyr y st oi y przełączające. W y b o r u kie ru nk u jazdy d o k o n u j ą w e j ś c i a 1 - P.
R ew er s j ę m o me nt u e le k tr omagnetycznego w czasie h a m o w a n i a uzyskuje się przez prz eł ąc z en ie prądu wzbudzenia, gdy napięcie wy jś ci o we z r eg ul at o ra p rę dkości z m i en i a znak. Nie zastosowano w układzie bl ok o w a n i a prądu twor- n i k a ze w z g l ę d u n a mał y w s p ó ł c z y n n i k fo r so w a n i a wzbudzenia.
D u ż y u d zi ał m o me nt u t a r ci a nie zezwalał n a o pó źn i en ia h a m o w a n i a odpo- p
w ł a d aj ą ce rzeczywistym, to jest około 0,8 m/s . Uz yskane mi n im al ne opóź
nienie, przy k t ó r y m wyma ga ne było hamowanie u kładu w yn os i ł o o k o ł o 2,5 m/ s . U zy s k a n e p rz ebiegi pr zedstawiono n a rys. 7«
Czas h a m o w a n i a t^ w y n o s i 1,2 s, czas przeł ąc z en ia prądu w z b u d z e n i a nie p r z e k r a c z a 0,2 s.
St os u ne k czasu h a m o w a ni a do czasu p r z eł ą cz en ia prądu w z b u d z e n i a wynosi:
M a k s y m a l n e przer e gu lo wa n ie pr ęd k oś ci jest r ówne 7%.
O pó źn i e n i e zadające pr z ek roczono o 50%. Łatwo m o ż n a zauważyć, że ze w z r o s t e m w a r t o ś c i m p r ze r eg ul ow a ni a będą coraz mniejsze. Zale żą one tak
że od m o m e n t u o b ci ąż en i a i m o m en tu b ez w ładności układu, ale dominuj ąc y w p ł y w n a w i e l k o ś ć p r z e r e g ul o wa ni a m a w ł a ś ni e w i e l k o ś ć m. Poprzez zwiększa
nie w s p ó ł c z y n n i k a fo r so w a n i a m o ż n a znacznie obniżyć błąd r eg ulacji prę d kości. Przer eg u lo wa ni e prędkości dla m !> 20 będzie mniejsze od 2%.
Bardziej trudne jest zmniejszenie p r z e r e gu lo wa n ia opóźnienia, gdyż za
leży ono ponadto od o g r an i cz en ia prądu w czasie hamowania. Prz e re gu lo w a
nie w czasie p r ze j ś c i a od h a m o w an ia do prędkości w i ecznej nie jest n i e bezpieczne, gdyż przyspie sz e ni e maksy m al ne z mn i ejsza ograniczenie prądowe-
6. Uk ł ad z z e w nę tr zn y m prz e łą cz an i em prądu w z b u d z e n i a
Schemat u k ł a d u re gulacji prędkości z p r z e ł ąc ze ni e m pr ą du w z b u d z e n i a w funk cj i drogi pr z ed s t a w i a rys. 8.
W tym ukła dz i e impuls do re wersji m o m en t u jest zadawany z zewnątrz, z u kł ad u pomi ar u drogi. Dopi e ro po pr z eł ączeniu prądu w z b u d z e n i a sygnał za
dający zadaje pewne opóźnienie. R ów nocześnie z p r z e łą cz e ni em pr ąd u w z b u d z e n i a bl ok ow a ny jest prąd w obwodzie g ł ów ny m aż do chwili, gdy nastąpi zmiana znaku n a p i ę c i a w y jś ci ow e go z re gu la t o r a p r ęd ko śc i.Realizowane jest to przez zamykanie bramki B1 w czasie h a m o w a ni a układu.
Układ n a w r ot ny s i l ni k a pr ą du stałego.«. 135
R y s . 9
136 H. Kołodziej
Przebiegi sygnału zadającego, p rę dkości rzeczywistej, p rądu i n a p ię ci a w obwodzie głównym, pr ą du w z b u d z e n i a pr ze ds t a w i a rys. 9.
Taki układ re g ulacji za pewnia znacznie lepszy p r z e bi eg prędkości rz e
czywistej, nie w y s t ę p u j ą w tym pr zypadku żadne p r z e r e gu l ow an ia opóźn ie ni a zadanego. W układzie tym k on ieczne jest stosowanie doda tk o wy ch obwodów za b ezpieczających, które prz eł ą cz ą prąd w z b u d z e n i a wtedy, gdy do śledzenia sygnału zadającego prę d ko ść nie jest w y m a g a n a r e w er sj a momentu. Te n r o dzaj u kł ad u re g ul ac ji jest szczególnie pr zy d at ny wtedy, gdy sygnał zada
jący p rędkość jest uz al e ż n i o n y od drogi.
7. Wnios k i
U kład n a p ę d o w y z rew er sj ą m o m e nt u w obwodzie w z b u d z e n i a jest coraz częściej s t os owany i r o z p o w s z e c h n i a sie wr az ze w z r o s t e m ilośc i instalowa
n yc h w przemyśle n a p ęd ów tyrystorowych.
U k ł a d y opracowane przez firmy Hitachi, czy A S E A w e s z ł y do pro d uk cj i se
ryjnej i w y p i e r a j ą tradycyjne u kł a dy maszynowe, czy nawet u kł a dy t y r ys t o
rowe z r e w e r s j ą m o m e n t u w obwodzie twornika. Wr az z poja wi en i em sie m a szyn o n i s k i m n a p i ę c i u zas il an i a w z b u d z e n i a (np. silniki 250 kW o Uwz *■
= 28 V) ten rodzaj u kł a du za silania stał sie szczególnie atrakcyjny. M o ż liwości jego z a s to so w an ia są bardzo szerokie i p ra ktycznie tylko w szyb
kich u k ł a da ch w y m a g a j ą c y c h bardzo dużej dokła dn oś c i re gu la cj i ich p r z y d atn o ść jest ograniczona. W w i ę k s z o ś c i jednak u k ł a d ó w n ap ęd ow y ch ten r o dzaj zas i la ni a s i l ni k a p rą du stałego w i n i e n zastąpić u kłady tradycyjne.
N a podstawie dotych cz a so we go r o z e z n a n i a labora to ry j ne go i p r ze my s ło we go m o ż n a ocenić, że szerokie zastosowanie tego u k ł a d u do n a pę dó w m a s z y n w y c i ą g o w y c h w ko pa l n i a c h d a bardzo dobre w y n i k i z wł as zc z a wtedy, gdy syg
n a ł z adający jest u z a le żn i on y od drogi.
W m ia rę w z r o s t u ilości stos ow an y ch u k ła d ów tyrysto ro w eg o z a s i l an ia sil
ni k ów pr ą du stałego pow in no się znaleźć także miejs ce d l a napę dó w z re
w e r s j ą w ob wodzie w zb udzenia. Za s t o so w an ie m tego u k ł a d u p rz em a wi aj ą za
równo obniżone n a k ł a d y inwestycyjne jak i du ża pewność d z i a ł an ia i bardzo duży zakres r eg ul a c j i prędkości.
U T E R A T U R A
[/I] G a m o w W, R o bi no w i c z B. i "Unificirowannyje s istiemy awtou pr aw l ie ni a e l e k t r o pr i wo do w w mi e tallurgii". Izadatie l st wo M i e t a l l u r g i a - M o s k w a 1971.
[
2
J Konis hi T.t "A study of field sw itching type rewer ci b le static L e o nard contrd f or large scale steel m i l l s " H i t ac hi R e v i e w - 1969 n r 1.Układ n a w r o tn y s i ln ik a pr ą du stałego.. 137
[Y] P r a c a zbiorowai "Les va vi at e ur s de vitesse pou r m o t e u r a caurant cont i nu " L ' e l e c t r i s i e n 1971 n r 2126.
M Kołodziej H . : "Impulsowe sterow an i e n a w r o t u s i l n i ka p rą du stałego p rzez zmianę k i e r un k u d z i a ł a n i a s t r um ie ni a w z b udzenia. P r a c a d y p l o m o w a P o l i t e c h n i k a Ś l ą s k a W y d z i a ł E l e k t r y c z n y 1973«
P rzyjęto do d r u k u w g r ud ni u 1973 r.
PEBEPCHBHAfl OHCTEMA ynPABJIEHHH 3JlEKTP0XBHrATEJIEM IIOCTOiiHHOrO TOKA C P E BEPCHPOBAHHEM MOMEH IA B K O H Ty P E B 03EyJWEHHfl
P e 3 » m e
B CTaibe npeACTaBJieHa B03M 0X H 0CTb ncnojiB30BaHna CHCTeMbi ynpaBjieHHH 3JieK- Tpo^BzraTejieM nocioHHHoro TOKa c peBepcnpoBaHHeM MoueHTa b KOHType B 036ys- AeHHH jju npnBO.ua noAbëMHHX uaiHH • OnpeaejieHhi ycjioBHH npa KOTopnx stoi npa- boa MoseT Han TH npHMeneHHe b npHBOAax noAbëMHbix M a m n u .
T HE D I RE C T C U RR EN T M O T O R W I T H FI EL D R E V E R S I N G
S u m m a r y
The po ss i b i l i t i e s of a p p l i c a t i o n of the direct current m o t o r w i t h f ield r e v e r s i n g f o r drive of the w i n d i n g m a c h i n e s are presented. The c o n diti on s u n d e r w h i c h that kind of drive c a n be used f o r w i n d i n g m a c hi ne s are given.
