SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKUELEKTROTEHNIČKI FAKULTET OSIJEK

Diplomski studij

NAPAJANJE ISTOSMJERNIH MOTORA TROFAZNIM PRIKLJUČKOM. PUNOUPRAVLJIVI MOSNI SPOJ

Seminarski rad

Osijek, studeni 2010.

Punoupravljivi trofazni tiristorski ispravljač može napajati potrošača npr. DC motor, istosmjernim naponom kojem se može regulirati vrijednost.

Slika 1. Trofazni šestpulsni punoupravljivi ispravljač

Redoslijed vođenja tiristorskih parova: T1, T2 (napon između faza a i c) T2, T3 (napon između faza b i c) T3, T4 (napon između faza b i a) T4, T5 (napon između faza c i a) T1, T6 (napon između faza c i b) T6, T1 (napon između faza a i b)

Prednost upravljivih nad neupravljivim ispravljačima je mogućnost njihovog prelaska u izmjenjivački način rada, ako kut upravljanja α postane veći od 90o el. (u idealnom slučaju). Time ispravljač postaje izmjenjivač, a istosmjerni krug predaje energiju napojnoj mreži. Srednja vrijednost izlaznog napona tog tiristorskog ispravljača u trofaznom mosnom spoju je 1,35 Uef cosα, gdje je Uef efektivna vrijednost linijskog napona.

Slika 2. U području kuta paljenja α = 0...90° pretvarač radi u ispravljačkom, a u području rada α = 90...180° u izmjenjivačkom pogonu

Kut upravljanja α izražava se u stupnjevima i predstavlja vremensko odgađanje uklapanja tiristora prema najranijem mogućem trenutku njegovog uklapanja (tj. prema trenutku u kojem bi provela odgovarajuća dioda diodnog ispravljača, taj trenutak kod punoupravljivog ispravljača u trofaznom mosnom spoju je kod 30° el. nakon prolaza faznog napona kroz nulu).

Slika 3. Ovisnost napona izlaza o kutu upravljanja

Slika 4. Izgled napona Ud

http://services.eng.uts.edu.au/~venkat/pe_html/ch05s1/ch05s1p1.htm#simulation

Šesteropulsni mosni spoj (B6)

Najširu primjenu ima punoupravljivi most sa 6 tiristora. On se naziva šesteropulsni mosni spoj,označava se sa B6. Ovaj spoj omogućava pogon u samo jednom kvadrantu. Motor razvija brzinu i moment u istom smjeru. Važna primjena trofaznog šesteropulsnog ispravljača je kod istosmjernih motora. Slika pokazuje kontrolu istosmjernog motora pomoću šestpulsnog ispravljača. Moment i brzina vrtnje su upravljani pomoću struje armature ID i struje uzbude Iexc. Struja ID se mijenja pomoću VD, koji je reguliran pomoću α kuta paljenja.

Slika 5. DC motor upravljan šesteropulsnim mosnim spojem

Sastavni dio ispravljača je upravljački sklop koji osigurava sinkroniziran rad poluvodičkih tiristorskih sklopki s frekvencijom pojne mreže.

Slika 6. Blokovski prikaz usmjerivača i upravljačkog sklopa

Na ulazu ispravljača iz smjera upravljačkog sklopa djeluje istosmjerni upravljački napon Uul

kojim se određuje kut okidanja tiristora α. Na izlazu ispravljača se dobije napon armature Ua. Prilikom promjene kuta upravljanja α s promjenom napona Uul dolazi do određenog kašnjenja (mrtvog vremena, τ) nakon kojeg se izlazna veličina Ua počne mijenjati. Do ove pojave dolazi jer se

tiristoru ne može mijenjati kut vođenja u bilo kojem trenutku. Nakon okidanja tiristora u trenutku t1, tiristor može promijeniti kut okidanja tek u narednoj sekvenci vođenja, u trenutku t2. Mrtvo vrijeme iznosi: τ = 1 / 2mf, gdje je m=broj pulzacija u jednoj periodi napona napajanja, a f=frekvencija izmjeničnog napona napajanja. Budući da trofazni usmjerivač u mosnom spoju ima 6 pulzacija, a frekvencija izmjeničnog napona je 50 Hz, onda mrtvo vrijeme iznosi 1,67 ms. Ovakva aproksimacija je dovoljno dobra s obzirom da se radi o vrlo maloj vremenskoj konstanti i ona ne predstavlja značajnu vremensku konstantu za nekakav pogon.

Na dva načina možemo promijeniti smjer vrtnje motora, promijenom polariteta napona armature ili napona uzbude.

12-pulsni mosni spoj (B6.2)

Određeni tereti zahtijevaju rad motora u 4 kvadranta. Ako se napon armature smanji, a moment motora postane manji od momenta tereta, motor tada radi kao generator te pretvara mehaničku energiju u električnu te je vraća u mrežu. Kako bi motor mogao raditi u 4 kvadranta postojeći ispravljač mora dopuštati da se električna energija proizvedena u motoru vrati u mrežu. Električna energija proizvedena u motoru želi povisiti napon motora, što rezultira viškom napona koji može prouzrokovati štetu. Jedna od metoda postizanja 4-kvadratnog rada DC motora je dodavanje drugog mosta spojenog inverzno od glavnog mosta. Glavni most pokreće motor, drugi most vraća višak energije u AC mrežu. Ovaj proces se naziva generatorski način rada.

Slika 7. DC motor upravljan dvanaestpulsnim mosnim spojem

Takozvanim antiparalelnim spajanjem dvaju pretvarača, jedan ispravljač daje struju pozitivnog predznaka motoru, a drugi ispravljač negativnog. Oba ispravljača se kontroliraju na taj načina da ako je α+ kut kašnjenja ispravljača pozitivne struje kut kašenjena ispravljača negativne struje je α-=180°- α+.

U tehnološki zahtjevnim operacijama gdje se zahtjeva iznimno mala valovitost struje (momenta), nije dovoljan samo 6-pulsni pretvarač. Primjeri su 12-pulsni i 24-pulsni usmjerivači koji se na trofaznu mrežu priključuju preko posebnih višenamotnih transformatora.

Slika 8. Primjer 12-pulsnog usmjerivača snage 1MVA za napajanje istosmjernog međukruga grupe izmjenjivača na tehnološkoj liniji proizvodnje i namatanja žice

Radi se o sustavu s vraćanjem energije iz istosmjernog međukruga u izmjeničnu mrežu. Komutacijske prigušnice ograničavaju kružnu struju između pretvarača A i B.

Promjena smjera vrtnje

Kod 4-kvadratnog pogona je lako promijeniti smjer vrtnje motora tako da jednostavno zamijenimo polaritet napona armature. To napravimo tako da zamijenimo motorski i generatorski most.

Koje zahtjeve mora ispuniti učinski pretvarač za istosmjerni elektromotorni pogon?

Mora omogućiti izlazni napon oba polariteta i struju u oba smjera za IV-kvadrantni rad, odnosno napon oba polariteta za II-kvadrantni rad (ako se želi samo motorski način rada u oba smjera).

Za vrijeme kratkih ubrzavanja i usporavanja, struja pretvarača se mora držati na najvišoj dozvoljenoj vrijednosti. Struja armature u dinamičkim prijelaznim pojavama može biti i nekoliko puta veća od struje u stacionarnom režimu rada.

Srednja vrijednost izlaznog napona treba linearno ovisiti o ulaznom upravljačkom naponu.Valovitost struje armature,odnosno faktor oblika,mora biti što manja.

Izlaz iz pretvarača mora što brže slijediti signal na ulazu kako bi se pretvarač mogao nadomjestiti elementom s konstantnim pojačanjem, bez mrtvog vremena.

Važna značajka usmjerivača je i osnovna frekvencija valovitosti napona na izlazu. Valovitost izlaznog napona utjecati će i na valovitost struje,a to za posljedicu može imati i valovitost momentašto je nepoželjna pojava pogotovo kod sustava pozicioniranja.

U usporedbi s neupravljivim ispravljačima, upravljivi ispravljači opterećuju napojnu mrežu većim višim harmonicima struje ako je vrijeme vođenja tiristora kratko i većom jalovom komponentom struje ako je kut upravljanja α > 0.