S e r l a s ELEKTRYKA z . 38 Nr k o l . 357
ZBIGNIEW RYCZKO I n s t y t u t M e t r o l o g i i i Maszyn El e kt r yc znyoh.
MODELOWANIE SILNIKA SZEREGOWEGO PR^DU STAŁEGO NA MASZYNIE ANALOGOWEJ
S t r e s z c z e n i e . P r z e d s t a w i o n o sposób w y k o r z y s t a n i a maszy
ny a n a l o g o w e j do o b l i c z e n i a p r ze bi egów czasowych w i e l k o ś o i e l e k t r y o z n y o h . magnetyoznyoh i meohani oznych s i l n i k a s z e regowego z a s i l a n e g o t y r y s t o r o w e o r a z do a n a l i z y wpływu r o d z a j u s t e r o w a n i a na t e w i e l k o ś c i .
1. Wstęp
Dobre w ł a s n o ś o i r e g u l a o y j n e maszyn p r ą du s t a ł e g o s ą pows z e c hni e wyko
r z y s t y w a n e w r ó ż n o r o d n y c h na pę daoh e l e k t r y c z n y c h . Wprowadzenie t e c h n i k i p ó ł p r z e wo d n i k o we j do z a s i l a n i a i r e g u l a c j i t y o h maszyn spowodowało zarów
no p o s z e r z e n i e z a k r e s u możliwyoh z a s t o s o w a ń Jak r ó w n i e ż z w i ę k s z e n i e w ł a s n o ś c i r e g u l a o y j n y o h . P r z e d k o n s t r u k t o r a m i maszyn e l e k t r y c z n y c h pr ądu s t a ł e g o i p r o j e k t a n t a m i układów r e g u l a o y j n y o h s t a n ę ł y z a d a n i a opt ymal nego do bor u układów z a s i l a j ą o y o h 1 odpowl edni oh k o n s t r u k o j i maszyn p r z y s t o s o w a nych do w s p ó ł c z e s n y o h t y r y s t o r o w y o h ź r ó d e ł z a s i l a n i a .
Na s z c z e g ó l n ą uwagę z a s ł u g u j ą s i l n i k i t r a k c y j n e p r ą du s t a ł e g o . Z e wzglę
du na m n i e j s z e wymiary i o i ę ż a r w por ównani u z s i l n i k i e m p r ą du zmiennego są one o o r a z c z ę ś c i e j s t os owa ne w lokomot ywach z a s i l a n y c h prądem pr ze mi en
nym 1 wyposażonyoh w p r z e k s z t a ł t n i k i p r ą d u pr z e mi e nne go na s t a ł y . Wywoła
ne p r z e z n i e wyższe ha r mo n i c z n e w n a p i ę o l u i p r ą d z i e d e c y d u j ą o dopus z
czal nym t e r mi c z nym o b c i ą ż e n i u uzwoj eń o r a z e l e k t r y c z n y m o b o i ą ż e n i u s t y k u s z o z o t k a - k o m u t a t o r . W s z c z e g ó l n o ś c i o n i e z a wo d n o ś c i s i l n i k ó w t r a k o y j n y o h p r ą d u s t a ł e g o r o z s t r z y g a j ą w ł a s n o ś c i k o m u t a o y j n e .
Z a wa r t o ś ó wyższyoh h a r mo n i c z n y c h , k t ó r y o h główna ozę śó z n a j d u j e s i ę w pr ą d z i e z a l e ż y od w i e l u c z yn n i k ó w.
Są t o l l o z b a f a z , wzajemny s t o s u n e k i n d u k c y j n o ś c i po s t r o n i e p r ą d u s t a ł e go i p r ze mi e n n e g o ( za i p r z e d p r z e k s z t a ł t n i k i e m ) a pr z e de ws zys t ki m r o d z a j i t y p s t e r o w a n i a .
184 Zbigniew Ryczko
Znane s ą t r z y podstawowe r o d z a j e s t e r o w a n i a : - a mpl i t udowe
- fazowe - p u l s o w e .
P r z y s t e r o w a n i u amplitudowym ż ą d a n ą ś r e d n i ą w a r t o ś ć n a p i ę c i a s t a ł e g o o t r z y m u j e s i ę na d r o d z e zmiany n a p i ę c i a zmiennego p r z y ł o ż o n e g o do pr ost ow
n i k a n i e s t e r o w a n e g o .
Zw i ę k s z e n i e l u b z m n i e j s z e n i e k ą t a o p ó ź n i e n i a z a p ł o n u t y r y s t o r ó w zapew
n i a zmianę w a r t o ś o i ś r e d n i e j n a p i ę o i a wypr o s t o wa n e g o . P r z y s t e r o w a n i u pul- sowym u z y s k u j e s i ę za pomocą ł ą c z n i k a t y r y s t o r o w e g o zmianę w a r t o ś o i ś r e d n i e j n a p i ę o i a p r z e z f ormowanie i n t e r wa ł ó w czasowych p r z y ł ą c z e n i a i o d ł ą - o z e n i a ź r ó d ł a n a p i ę c i a s t a ł e g o do s i l n i k a s z e r eg o w e g o . Pr z y w s z y s t k i c h wspomnianych u k ł a d a c h w y s t ę p u j e p u l s a o j a pr ą du i zwi ą za nego z nim s t r u m i e n i a w z b u d z e n i a .
A n a l i t y c z n e wy z n a c z e n i e pr ze bi egów czasowyoh w l e l k o ś o i o k r e ś l a j ą c y o h w ł a s n o ś o l e k s p l o a t a o y j n e o r a z o b l i c z e n i a parametrów e l e k t r y c z n y o h u kł a du t r a n s f o r m a t o r - p r o s t o w n i k - s i l n i k z d ł a wi k i e m J e s t u t r u d n i o n e i wymaga d a l e k o i d ą o y o h u p r o s z c z e ń . Wy k o r z y s t a n i e t e o h n i k i ana l o g o we j u ł a t w i a r o z w i ą z a n i e t y c h pr oblemów.
W s z o z e g ó l n o ś c i można u w z g l ę d n i ć n i e l i n i o w o ś ć c h a r a k t e r y s t y k i magneso
wani a głównego obwodu ma g n e t y c z n e g o , o p ó ź n i a j ą o e d z i a ł a n i e prądów w i r o wych, c g r a n i o z o n e w y g ł a d z e n i e pr ą du s i l n i k a , a nawet k ą t k o m u t a o j i .
Podano p r z y k ł a d z a s t o s o w a n i a maszyny ana l o g o we j do w y z n a c z e n i a p r z e b i e gów ozasowyoh w l e l k o ś o i e l e k t r o - m a g n e t y o z n y o h 1 me c ha ni cz nych s i l n i k a s z e r egowego z a s i l a n e g o t y r y s t o r o w o w s t a n i e n i e u s t a l o n y m .
2 . Modelowanie s i l n i k a s zer egowego
Modelowanie na ma szyni e a n a l o g o w e j , pr z y u w z g l ę d n i e n i u c z a s u j a k o zmien
n e j n i e z a l e ż n e j , umo ż l i wi a ocenę wpływu z a ł o ż e ń u p r a s z c z a j ą c y c h na skom
p l i k o w a n i e model u.
W p r z yt ooz onym p r z y k ł a d z i e p o m i n i ę t o wpływ o d d z i a ł y w a n i a t w o r n l k a i prądów wirowyoh w obwodach magnetyoznyoh na badane p r z e b i e g i . Do p r o g r a mowania o b l i o z e ń wymagana j e s t znajomość sc hema t u s t r u k t u r a l n e g o modelo
wanego s i l n i k a i współ ozynni ków nastaw e l e me nt ów. W s p ó ł c z y n n i k i wzmocnie
n i a ozłonów o p e r a o y j n y c h z a s t ę p u j ą c y c h p o s z o z e g ó l n e o z ł on y schemat u s t r u k t u r a l n e g o o k r e ś l o n e s ą p r z e z p a r a m e t r y k o n s t r u k c y j n e s i l n i k a o r a z p r z e z skalowe w s p ó ł o z y n n i k i odwzor owani a .
Dla s i l n i k a o b ow i ą z u j ą z a l e ż n o ś o i
e * ke cu $ ( 1 )
( 2 )
o r a z r ó wn a n i e momentów
3F = 5" (m “ ffl9 t ) i 3 '
1 r ówna ni e n a p i ę ć s i l n i k a
f f = 1 ( u - l R g - e l , (41
gdz i e
z - o a ł k o w i t a l i c z b a zwojów u z w o j e n i a wz b u d z e n i a 3 — moment b e z w ł a d n o ś c i
Rg - o a ł k o w i t a r e z y s t a n o j a uzwoj eń t w o r n l k a biegunów gł ównych i z w r n t - n yoh.
Równania s i l n i k a ( 1 l j ( 2 l j ( 3 1 , (41 s t a n o w i ą podst a wę do wy z n a o z e n i a sche
matu s t r u k t u r a l n e g o modelowanego s i l n i k a . W p r o g r a mi e u w z g l ę d n i o n o n i e l i n i o w y c h a r a k t e r głównego obwodu ma gnet yc zne go s i l n i k a ( r y s . 11
C harak ter ystyk ę $ = f ( i l można p r z e d s ta w ić w n ie lin io w y m c z ł o n i e o p e r a - oyjnym maszyny a n a lo g o w e j . P r z y j ę t y sohemat s t r u k t u r a l n y p r z e d s ta w ia s i l n ik w u k ł a d z i e otwartym p o s ia d a j ą c y w e j ś c i a : d la n a p ię o ia z a s i l a n i a i d la momentu o b o i ą ż e n l a i Jedno w y j ś o l e : d la p r ę d k o ś c i kątowej w i r n i k a .
S y g n a ł podany na w e j ś c i a n aplęolow e r e p r e z e n t u j e t ę t n i ą c e n a p i ę c i e za
s i l a n i a r e a liz o w a n e p rze z wymienione t r z y r o d z a j e s t e r o w a n i a . Prąd s i l n i ka J e s t w tym przypadku od pow iedzią układu modelowego na w a rto ść ś r e d n i ą i wyższe harmonlozne w n a p i ę c i u z a s i l a n i a s i l n i k a .
Moment e lek tr om agn etycz n y J e s t prop oroJonalny do llo o z y n u w a r t o ś c i ohwiłowych s t r u m ie n ia magnetyoznego i prądu, zaś SEM e r o t a o j l do l l o o z y -
186 Zbigniew Ryozko
nu p r ę d k o ś o l k ą t o w e j i s t r u m i e n i a . B e z p o ś r e d n i o ze schematu s t r u k t u r a l nego wyni ka schemat blokowy ( r y s . 2 ) modelowego s i l n i k a .
I s t n i e j ą r ó ż n e m o ż l i w o ś o l r e a l l z a o j i sygnału n a p i ę c i a z a s i l a j ą c e g o . Jed
nym ze spos obów, k t ó r y z a s t o s o wa n o d l a odwzorowania s t e r o w a n i a f a z owe go, b y ł o u ż y c i e dwóch g e n e r a t o r ó w : n a p i ę c i a s i n u s o i d a l n e g o 1 n a p i ę o l a p r o s t o k ą t n e g o , o t e j samej o z ę s t o t l l w o ś c i i o zmiennym p r z e s u n i ę o i u fazowym na
p i ę o l a s i n u s o i d a l n e g o o r a z s p o l a r y z o wa n e g o p r z e k a ź n i k a me c h a n i c z n e g o , s t e r owanego n a p l ę o l e m p r o s t o k ą t n y m , k t ó r y swoimi s t y k a m i czynnymi wprowadzał do u k ł a d u modelowego n a p i ę c i e z a s i l a j ą c e o k s z t a ł o i e zł ożonym z wycinków s i n u s o i d y .
Warunkiem prawi dł owe go d z i a ł a n i a modelu b y ł a d o s t a t e o z n i e mała c z ę s t o t l i w o ś ć p r z e b i e g u (1 Hz) na maszyni e a n a l o g o w e j . I n a c z e j mówiąo, ws p ó ł c z y n n i k s k a l i o z a s u p o wi n i e n byó t a k i , aby c z a s p r z e ł ą o z e n i a p r z e k a ź n i k a b y ł o k i l k a rzędów m n i e j s z y od o k r e s u n a p i ę o i a z a s i l a j ą c e g o .
Dioda D wł ą oz ona na w y j ś o l u e l eme n t u o a ł k u j ą c e g o 2 model uj e r ea kt ywny mo
ment o b c i ą ż e n i a .
3 . P r z y k ł a d o b l l o z e ń
Modelowanie p r ze pr owadz ono d l a s i l n i k a s zer egowego 17 kW, 220 V, 580 o b r / mi n pows ze ohni e st o s o wa n e g o w l okomot ywach. P r z e b i e g i w maszyni e a n a l ogowej porównano pr zy s t e r o w a n i u fazowym i pulsowym każ dor azowo pr z y za
chowani u Je dnakowej w a r t o ś o l ś r e d n i e j n a p i ę o i a z a s i l a j ą c e g o .
— 2 (1 + oosoc) = Up j - j ę - = Up a ,
g d z i e :
Ug - a m p l i t u d a n a p i ę c i a s i n u s o i d a l n e g o
Up - a m p l i t u d a n a p l ę o i a p r o s t o k ą t n e g o ( r y s . 3 ) .
W związku z tym warunkiem p r z y j ę t o ta k ą samą c z ę s t o t l i w o ś ć n a p i ę c i a s i n u so id a ln e g o i p r o sto k ą t n e g o wynosząoą 100 Hz.
Na rysunkach 4 , 5 , 6 , 7 p rze d staw ion o przyk ład y otrzymanych przebiegów czasowyoh w i e l k o ś c i o h a r a k te r y sty o z n y o h s i l n i k a w c z a s i e ro z ru o h u .
Wynika z n i c h , ż e :
- moment ro z w ij a n y p rz e z s i l n i k p r a k ty c z n ie n ie z a l e ż y od ro d z a j u z a s t o sowanego s t e r o w a n i a ,
- maksymalne p u l s a o j e prądu, s t r u m ie n ia magnetycznego i momentu w y stęp u ją w s t a n i e n ie u s t a lo n y m . W u s t a l o n y o h warunkach pracy p u ls a o j a s tr u m i e n ia n i e p rze kr acz a 3# i n ie z a l e ż y od typu wymuszenia. Z w ię k s zen ie c z ę s t o t l i w o ś c i n a p i ę c i a z a s i l a j ą c e g o do 200 Hz powoduje z m n ie j s z e n ie p u l s a o j i str u m i e n ia do 1# a przy 300 Hz s ą one p o m i j a l n l e m ałe,
• - w y st ę p u j ą c e p u l s a o j e momentu n i e mają wpływu na prędkość obrotową z u—
wagi na moment b ezw ła d n o śo l s i l n i k a .
188 Zbigniew Ryogko
Hys. 4 . P r z e b i e g i czasowe momentu, p r ą d u , 3EM r o t a o j i , s t r u m i e n i a magne
t y c z n e g o 1 p r ę d k o ś c i k ą t o w e j w i r n i k a u z ys ka ne na maszyni e ana l o g o we j d l e cc = 0 , M = 0 , 7 5 MN, f = 100 Hz
R V 3 5 . P r z e b i e g i czasowa momentu, p r ^ u , S M r o t a c j i , s t r u m i e n i a magne
t y c z n e g o i p r ę d k o ś c i ^kąt owe j w i r n i k a « * * « • . » a n a l o g o we j
190 Zbigniew Ryczko
Ryff. 6 . P r z e b i e g i czasowe momentu, p r ą d u , SEM r o t a c j i , s t r u m i e n i a magne
t y c z n e g o 1 p r ę d k o ś c i k ą t o we j w i r n i k a u z ys ka ne na maszyni e a n a l o g o we j d l a a - 0 , 5 , M - 1 , 0 Mjj, f * 100 Hz
Ry s . 7 . P r z e b i e g i czasowe momentu, p r ą d u , SEM r o t a c j i , s t r u m i e n i a magne
t y c z n e g o 1 p r ę d k o ś c i k ą t o w e j w i r n i k a "uzyskane na ma szyni e a n a l o g o w e j d l a a = 0 , 5 , M = 1 , 0 MN, f = 200 Hz
192 Zbigniew Ryozko
4 . Wni os ki
Wykazano, że p r z y z a s t o s o w a n i u e l e k t r o n i c z n e j t e c h n i k i a n a l o g o w e j do b a d a n i a w ł a s n o ś c i s t a t y c z n y c h i dynamlcznyoh s i l n i k ó w pr ądu t ę t n i ą c e g o za
s i l a n y c h t y r y s t o r o w o o t r z y m u j e s i ę małym nakł adem p r a o y poglądowe i ł a t we do l n t e r p r e t a o j i w y n i k i p r z y d a t n e d l a I n ż y n i e r ó w i p r o j e k t a n t ó w .
P r z y j ę t y s t os unkowo p r o s t y model s i l n i k a , u w z g l ę d n i a j ą o y j e d y n i e n a s y c e n i e w obwodzie p o l a głównego u w i d a c z n i a n i e t y l k o z a l e t y i p r z y d a t n o ś ć maszyny a n a l o g o w e j do r o z w i ą z y w a n i a t y o h n i e l i n i o w y c h z a g a d n i e ń , l e c z rów
n i e ż I n f o r m u j e o m o ż l i w o ś c i d a l s z e g o u ś o l ś l e n l a sohemat u s t r u k t u r a l n e g o s i l n i k a .
U w z g l ę d n i e n i e wpływu t ł u m l ą o y c h obwodów prądów wirowych o r a z d ł a wi k a w y g ł a d z a j ą c e g o p r ą d t w o r n l k a na p r a c ę s i l n i k a , p u l s a c j l s t r u m i e n i a w ob
wodzi e głównym na w ł a s n o ś c i kemutawyjne p r owa dzi do n a s t ę p n e g o k o l e j n e g o p r z y b l i ż e n i a modelu ana l ogowego do o b i e k t u r z e o z y w i s t e g o .
Wobeo powszeohnego r o z w o j u i s t o s o w a n i a t y r y s t o r o w y o h ź r ó d e ł z a s i l a j ą - oyoh maszyny e l e k t r y c z n e , e l e k t r o n i o z n a maszyna analogowa J e s t cennym na
r z ę d z i e m w r o z w i ą z y w a n i u t e g o t y p u pr obl emów.
LITERATURA
1 . P as z e k W. , S z o z u o k l F . s Ty r y s t o r o w y u k ł a d r o z r u o h u i r e g u l a c j i pr ę d k o ś - o i o b r o t o w e j s i l n i k a t r a k o y j n e g e . M a t e r i a ł y na IV k r a j o w ą k o n f e r e n o j ę a u t o m a t y k i AGH, 1967.
2 . P as z e k W. , S z o z u o k l F . s T y r y s t o r o w e u k ł a d y s t e r o w a n i a e l ekt r owozów d o - ł owyoh. Gospodar ka pa l i wa mi i e n e r g i ą 1 9 6 9 / 1 0 - 1 1 .
3 . Korn G . , Korn T . : E l e o t r o n l o Anal og and H y b r i d Co mput e r s . McGRAW—HILL BOOK COMPANY, 1964.
MOfiEJttiPOflAHKE flB K rA TEIłi UOCTOHHHOrO TOKA C IIOCJtĘHOBATEJIbKUM BOSEJHflEHKEM
HA AHAUOrOBOM BHHHCJIkTEJIbHOH MAliliHE (.AiJM)
P e 3 u u e
l l p e A J i o a c e H c n o c o ó n p n i i e H e H n a A 3 M j j i s B U U H C j i e H z a e j i e K T p n a e c k w x , u a r H W T h b d c h M e x a H H H e o K K x a B H r a T e a s n o o T o a H H o r o T o a a c n o c a e a o B a T e j i B H H M B0 3- C y m ^ o H a e u a ( j p y m m m i B p e u e n a , a T a a x e h jib. a H a j i n s a B J w a H n a T a n a y n p a B J i e H a a a a st u Be J iH H H H H n p a n a T a H M H ot T u p u c T o p H o r o K C T o u H H K a .
MODELLING OF THE DIRECT-CURRENT SERIES MOTOR ON THE ANALOG COMPUTER
S u m m a r y
The a p p l i c a t i o n o f t h e a n a l o g oomputer f o r c a l c u l a t i o n o f t r a n s i e n t s o f e l e c t r i c , ma g n e t i c and m e c h a n i c a l q u a n t i t i e s o f t h e d i r e c t - c u r r e n t s e r i e s motor {wi t h t h y r i s t o r f e e d i n g } and f o r t h e a n a l y s i s o f t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t t y p e s o f c o n t r o l on above q u a n t i t i e s i s p r e s e n t e d .
