Liukurengaskoneen nopeuden elektroninen säätö erityisesti nosturikäytössä

Puhelin 630 771

DIPLOMITYÖ

Takala, Matti

Liukurengaskoneen nopeuden elektroninen säätö erityisesti nosturikäytössä.

Pekka Ahonen

Annettu 7.9-1966 £9-

Jätettävä tarkastettavaksi viimeistään 7-4*19 67•

Diplomityön suoritusohjeet annettu.

Seminaariesitelmä pidetty /f. 1. /^

Jätetty tarkastettavaksi ¿. 0 {■ Tarkastettu f» ■ (f T'

Arvosana ^

,8189

TKK SÄHKÖTEKNIIKAN OSASTON KIRJASTO OTAKAAR1 5 A

02150 ESPOO

Sisällysluettelo

TEKSTISSÄ ESIINTYVIEN MATEMAATTISTEN MERKKIEN JA

LYHENTEIDEN SELITYS ... 2

ALKULAUSE... 5

JOHDANTO... 6

TEHTÄVÄN MÄÄRITTELY... 8

1. NOSTURlKÄYTÖN ASETTAMAT VAATIMUKSET ... 9

2. LIUKURENGASKONEEN OMINAISUUDET...11

2.1 Periaate... 11

2.2 Nopeudensäätö roottorivastuksella ... 13

3. PULSSIOHJATTU VASTUS... 18

3.1 Periaate... 18

3.2 Käytännöllinen toteuttaminen ... 19

3.3 Pulssiohjatun vastuksen toiminnan selvitys ... 20

3.4 Analyyttisten lausekkeiden johtaminen ... 21

3.5 Tulosten yleispätevyys ... 26

3.6 Piirin mitoitus... 26

4. PULSSIOHJATUN VASTUKSEN TOTEUTUS ... 31

4.1 Lähtöarvot... 31

4.2 Mitoitus... 33

4.3 Apu jännitteen käyttö... 37

5. OHJAUSPIIRIN SUUNNITTELU ... 39

6. LIUKURENGASMOOTTORIN KÄYTTÄYTYMINEN PULSSI- OHJATULLA VASTUKSELLA SÄÄDETTYNÄ... 41

7. MITTAUSTULOKSET... 44

8. TULOSTEN TARKASTELUA... 46

8.1 Säätöainetta rajoittavat tekijät ... 46

8.2 Suljettu säätöjärjestelmä ... 47

8.3 Muita ratkaisuja... 47

8.4 Järjestelmän edut ja haitat... 48

KIRJAILI SUUSVIITELUETTELO... 49

TEKSTISSÄ ESIINTYVIEN MATEMAATTISTEN MERKKIEN JA LYHEN­

TEIDEN SELITYS

C sammutuskondensaattori

Omin sammutuskondensaattorin minimiarvo D latausdiodi

E20 liukurengasjännite, kun s = 1 fl syöttävän verkon taajuus

i pulssiohjatun vastuksen virran hetkellisarvo 11 virta i välillä (0,1^)

12 - " - (TlfT) ie kondensaattorin virta

iCp kondensaattorin virran huippuarvo iTyl tyristorin Tyl hetkellinen virta I¿ tasasuunnattu roottorivirta

iDrms diodin virran tehollisarvo

Im pulssiohjatun vastuksen virran keskiarvo

Iinmax - " - - " - - " - keskiarvon maksimi­

arvo

lp staattorin redusoitu roottorivirta iTylmax tyristorin Tyl virran maksimiarvo iTylrms - " - Tyl - " - tehollisarvo iTy2rms - " - Ту 2 - " - - " -

Il koneen ensiövirta

12N - " - toision nimellisvirta Li syöttökela

L2 1 at au skel a

m summe er ausindeksi M momentti

Mk kippimomentti

Мщах suurin saavutettavissa oleva momentti Mmin pienin - " - - " -

Mn nimellismomentti n pyörimisnopeus

ns nimellinen pyörimisnopeus p napapariluku

ilmaväliteho P mekaaninen teho

- 3 -

Pr roottorin häviöteho Ps staattorin häviöteho Pl verkosta otettu teho r syöttövastus

ra apujännitelähteen sisävastus

ramin - 11 - sisävastuksen minimiarvo R säädettävä vastus

R(t) pulssiohjatun vastuksen aikafunktio R¿ tasavirtapiirin vastus

Rye sijaiskytkennän rautahäviöt huomioiva vastus R¿ kippimomenttia vastaava vastus

Rp staattoriin redusoitu roottoripiirin vastus Rs staattorin vastus

Ra staattoriin redusoitu ulkoinen vastus Rv roottoriin kytkettävä vaihevastus R0 säädettävä vastus

R20 roottorin vastus

R2Ó staattoriin redusoitu roottorin vastus RIOO76 ns. 100^:n vastus

s jättämä

sk kippimomenttia vastaava jättämä smin pienin saavutettava jättämä

sn nimellispistettä vastaava jättämä S(t) kytkentäfunktio

Si(t) - " - t aika

t tyristorin sammumisaika T jakson pituus

Ti tyristorin Tyl paloaika

T2 tyristorin sammuksissaoloaika T3 latausaika

T4 tyristorin Ту2 paloaika Tyl tyristori

Ту 2 - " - u(t) askelfunktio ua apujännite

uQ kondensaattorin jännite

uqq kondensaattorin jännitteen alkuarvo

pulssiohjattua vastusta syöttävä jännite vastuksen jännite

tyristorin Tyl jännite

tyristorin Tyl jännitteen maksimiarvo tyristorin Ty2 jännite

tyristorille Tyl sallittu jännite tyristorin Tyl jännitteen maksimiarvo staattorin vaihejännite

sammutuspiirin ominaiskulmataajuus

staattorin ja roottorin välinen keskinäis- reaktanssi

staattoriin redusoitu roottorin hajareaktanssi staattorin hajareaktanssi

virran vaihtelu

staattorin jännitteen ja virran välinen vaihe- kulma

Ajasta riippuvien suureiden hetkellisarvoille on käytetty pieniä kirjaimia, tehollis- ja keskiar­

voille suuria kirjaimia.

Alaviitta rms viittaa tehollisarvoon (root-mean- square), min minimiarvoon, max maksimiarvoon.

Keskiarvon merkkinä on myös käytetty ko. funktion päällä olevaa viivaa.

Merkki 6 tarkoittaa: kuuluu väliin, on välillä.

LITTELUETTELO

I Moottorin kilpi arvot II Tyristori

III Diodi

IV Transistori ja как soi skan tadio di

Up

UR UTyl UTylmax uTy2 uTyl Ulylmax Ui

wo

*h

л I

?!

yleensä

ALKULAUSE

5 -

Tämän diplomityön aiheen olen saanut apulaispro­

fessori Ahoselta, jolta olen myös työni kestäessä saanut monia neuvoja ja viitteitä. Työn suorittamisen on tehnyt mahdolliseksi Kone Oy, jonka tuotteiden kehitysosaston

johtaja dipl.ins. Viikko Virkkala on aiheen alkuaan esit­

tänyt ja joka työn aikana on antanut arvokkaita neuvoja.

Työssäni olen voinut käyttää hyväksi Teknillisessä Korkea­

koulussa tehtyä Sovellettu Elektroniikka II erikoistyötä, jonka ovat suorittaneet tekniikan ylioppilaat Kalle Hela- meri, Juha Koski, Seppo Kreula ja allekirjoittanut. Työn käytännöllisessä toteuttamisessa on Kone Oy:n kehityslabo­

ratorion henkilökunta antanut runsaasti apuaan, josta lau­

sun parhaat kiitokseni.

Heteniityntie 11 D 37 Helsinki 96

puh. 314 901

JOHDANTO

Puolijohdetekniikan viimeaikainen nopea kehitys on tuonut markkinoille uusia komponentteja, joilla voidaan korvata monia mekaanisia ja sähkömekaanisia kytkimiä eri­

laisissa käyttösovellutuksissa. Tällaisen puolijohdekytki- men ja niistä koottujen järjestelmien huomattavimmat edut

aikaisempiin konstruktioihin verrattuna ovat niiden nopeus, kulumattomuus sekä vähäinen ohjaustehon tarve.

Tärkeimpänä puolijohdekytkimenä voidaan pitää oh­

jattua piitasasuuntaajaa eli tyristoria (SCR, Thyristor, tyristor, Trinistor), jonka käyttö ei rajoitu yksinomaan suoranaiseen kytkinkäyttöön. Tyristorin kaltaisen nopean kytkimen kehittäminen on tehnyt mahdolliseksi diplomityön keskeisenä osana olevan pulssiohjatun vastuksen toteutta­

misen käytännössä.

Pulssiohjatulla vastuksella tarkoitetaan tässä diplomityössä kaksinapaa, jolla on vastuksen ominaisuudet ja jonka säätäminen tapahtuu ulkopuolelta tuotavilla puls­

seilla. Tällainen vastus soveltuu erityisen hyvin liuku- rengasmoottorin nopeuden säätämiseen. Liukurengasmoottorin nopeuden säätäminen roottoripiirissä olevalla vastuksella

on jo kauan ollut tunnettua, mutta joustavaan, portaatto­

maan nopeudensäätöön on ollut vaikeaa päästä. Säätäminen

- 7 -

on tähän asti suoritettu oikosulkemalia roottoripiirissä oleva kiinteä vastus tai sen osa kontaktoreilla. Kontakto- reita on vaadittu nopeuksia vastaava määrä kuhunkin vai­

heeseen. Esitettävä pulssiohjattu vastus tarjoaa mahdolli­

suuden säädön portaattomaan toteuttamiseen verrattain yk­

sinkertaisella tavalla.

Portaattomalla nopeudensäädöllä on erityisesti nosturikäytössä suuri merkitys. Nostolaitteiston moottoria valittaessa on erityistä huomiota jouduttu kiinnittämään moottorille lukuisista käynnistyksistä aiheutuvaan rasituk­

seen. Useat näistä käynnistyksistä tulevat tarpeettomiksi, kun vastuksena käytetään pulssiohjattua vastusta, joten moottoriin kohdistuva rasitus tulee pienenemään.

TEHTÄVÄN MÄÄRITTELY

Tässä diplomityössä on tarkoitus luoda perusteet liukurengasmoottorin nopeuden säädölle pulssiohjattua vas­

tusta käyttäen erityisesti nosturikäytössä. Tästä syystä selvitetään ensiksi nosturikäytön laatua ja sen asettamia vaatimuksia. Toiseksi perehdytään liukurengasmoottorin ominaisuuksiin ja säädeitävyyteen roottorivastuksella.

Kolmannessa luvussa esitetään pulssiohjatun vastuksen teo­

reettinen perusta ja johdetaan mitoitusohjeet käytännöl­

listä toteutusta varten. Näiden ohjeiden perusteella ra­

kennetaan valitulle moottorille sopiva pulssiohjattu vas­

tus sekä suoritetaan tällä alustavia mittauksia. Mittaus­

tulosten tarkastelun yhteydessä hahmotellaan täydellisen säätöjärjestelmän suuntaviivat.

I--- 1 i -fcyh • ■■■ ri

I koukunj no s tr;

Kuva 1

Nosturin idealisoitu työjakso

i--- 1

1 tv! "iän I I J

i

1 asku

I x i / a . ?. .

,'AS.% ЕШ

1. NOSTURIKÄYTÖN ASETTAMAT VAATIMUKSET

Tarkastellaan aluksi tyypillistä idealisoitua nos­

turin työjaksoa, jollainen on esitetty kuvassa 1. Työjak­

sossa on eroteltavissa neljä eri osaa, jotka poikkeavat toisistaan suuresti varsinkin momentin suuruudessa. Ensim­

mäisenä on kaaviossa esitetty kuorman nosto, jolloin kuor­

mittava momentti on suuri, usein koneen nimellistä moment­

tia suurempikin. Kuormaa nostettaessa on moottorin toimin­

ta normaalia. Kuormaa laskettaessa pyrkii painovoima kiih­

dyttämään kuormaa alaspäin, joten laskunopeutta on hidas­

tettava joko erillisellä mekaanisella tai sähkömekaanisel­

la jarrulla, tai moottoria on käytettävä jarruna. Tyhjän koukun nosto eroaa kuorman nostamisesta ainoastaan kuormi­

tuksen suuruudessa. Sitä vastoin tyhjä koukku ei aina muo­

dosta riittävää kuormaa alasiaskemista varten, vaan mootto­

rin pyörimissuunta on vaihdettava ja koukku pakotettava moottorilla alas. Kaikissa tapauksissa nopeuden alkuarvo

on nolla, josta kiihdytetään varsinaiseen nosto- tai las­

kunopeuteen, kunnes työvaiheen lopussa suoritetaan vastaa­

va hidastus liikkeen nopeudesta nollaan. Tyhjän koukun laskussa joudutaan lisäksi mahdollisesti suorittamaan pyö­

rimisnopeuden suunnan vaihto.

Käytännössä toteutettu käyttöjakso eroaa esitetys­

tä juuri nopeussäädössä. Kun portaatonta nopeudensäätöä ei ole käytettävissä, joudutaan liikkeen alku- ja loppuosissa

.

л

-M

tyhjän kouktm lasku

+n (ylös) tyhjän koukun nosto

-n iki as)

kuorman nosto

+M

kuorman la sku

Kuva 2

Nosturin työjakso M-n -koordinaatistossa

t

". V u

ilí ot 'j • и . ; .’hiibtf o

suorittamaan useita perättäisiä nostoja ja laskuja. Paitsi suuria momentin vaihteluita yhden käyttöjakson kestäessä, vaihtelee kuormitus myös huomattavasti työjaksosta toiseen, erityisesti satamien kappa!etavaranosturien ollessa ky­

seessä, /1/.

Kuvan 1 työjakso on siirretty momentti-nopeus- koordinaatistoon kuvassa 2. Tämä esitystapa tuo esille pa­

remmin moottorille ja säädölle asetettavat vaatimukset.

Usein esitetään moottorien ominaisuudet juuri tällaisessa koordinaatistossa. Kuvan 2 ja nosturin käyttöjakson kuvauk­

sen perusteella on nyt mahdollista täsmentää asetettavat vaatimukset. Tarvittavat säätöalueet ovat pienillä nopeuk­

silla noin nollasta kolmeenkymmeneen prosenttiin nimellis- nopeudesta sekä nimellisen nopeuden lähiympäristö mootto- rikäytössä. Jarrukäytössä on tärkeintä pystyä saavuttamaan myös ylisynkroniset nopeudet, koska nämä tulevat kuormaa laskettaessa usein kysymykseen. Koko jarrualuetta ei ole tarpeen kuitenkaan hallita yksin moottorilla, vaan se voi­

daan osittain jättää hoidettavaksi esim. pyörrevirtajar­

rulla.

Nosturikäyttöä ajatellen olisivat parhaat mahdol­

liset säätöominaiskäyrät momentti = vakio - suoria. Liuku- rengasmoottoria käytettäessä ei tällaisiin käyriin kuiten­

kaan päästä, vaan ominaiskäyrät tulevat olemaan koneen synkronipisteen kautta kulkevia suoria, joiden kulmaker­

toimen määrää roottoripiiriin kytkettävä lisävastus, kuten jäljempänä tullaan osoittamaan 1iukur en gaskon e en ominai­

suuksia selvitettäessä, /2/.

11

2. LIUKURENGASKONEEN OMINAI­

SUUDET

2.1 Periaate

Liukurengasmoottori on sähköiseltä rakenteeltaan vaihtovirtainduktiomoottori. Moottorin sekä ensiössä että toistossa on monivaihekäämitys. Myöskin toisiokäämityksen päät on tuotu koneen ulkopuolelle kytkemällä ne liukuren- kaille. Koneen toistoon voidaan tästä syystä kytkeä esim.

ulkopuolisia vastuksia. Jos liukurenkaat oikosuljetaan, kone toimii oikosulkumoottorin tavoin, /3/•

Kun ensiöön kytketään kolmivaihe jännite (käsitte­

ly rajoitetaan kolmivaihekoneisiin), synnyttävät ensiökää- meissä kulkevat virrat koneen ilmaväliin pyörivän magneet­

tikentän. Kentän pyörimisnopeus riippuu koneen napaparilu- vusta sekä syöttävän verkon taajuudesta:

60 f±

Nopeutta ng nimitetään synkroniseksi pyörimisnopeudeksi.

Kaava (l) antaa pyörimisnopeuden kierroksina minuutissa, kun syöttävän verkon taajuus on ilmoitettu hertseinä. Na- papariluvulle on käytetty edusmerkkiä p.

Pyörivä magneettikenttä indusoi roottoripiiriin sähkömotorisen voiman. Jos koneen roottoripiiri on oiko­

sul jettu suoraan tai ulkopuolisilla vastuksilla, alkaa

roottoripiirissä kulkea virta. Yhdessä staattorin virtojen kanssa nämä synnyttävät momentin, joka pyrkii pyörittämään roottoria synkronisella nopeudella. Piirien häviöistä joh­

tuen roottorin todellinen pyörimisnopeus jää kuitenkin noin 2...10 $ synkronista nopeutta pienemmäksi.

Liukurengaskoneen käsittelyssä on osoittautunut edulliseksi määritellä jättämä kaavan (2) mukaisesti.

Kaavassa (2) tarkoittaa n roottorin todellista pyörimis­

nopeutta.

Näin määritellyn jättämän avulla voidaan hyvin kuvata koneen toimintaa. Mainitusta kaavasta saatavat ar­

vot voivat saada kaikkia arvoja välillä (+ со , - oo ).

Koneen toimiessa normaalisti moottorina, saa jät­

tämä nollan ja ykkösen välisiä positiivisia arvoja. Root­

torin todellinen pyörimisnopeus on tällöin synkronista no­

peutta pienempi ja pyörimissuunta on pyörivän kentän suun­

ta.

Jättämän positiiviset ykköstä suuremmat arvot esiintyvät käytettäessä konetta jarruna. Roottori pyörii tällöin kenttää vastaan.

Jos roottoria pyöritetään kentän suuntaan yli- synkronisilla nopeuksilla, tulee kaavasta (2) laskettu jättämä saamaan negatiivisia arvoja. Kone toimii tällöin generaattorina, mikäli roottoripiiriin tuotu ulkoinen te­

ho on suurempi kuin roottoripiirin häviöteho.

Jättämän arvo yksi vastaa koneen seisomista.

Liukurengaskoneen si j ai skytken fe

Konetta voidaan pitää tällöin kiertomuuntajana.

Jättämän arvo = 0 vastaa synkronipistettä. Kone voidaan tässä pisteessä saada toimimaan moottorina, jos koneen roottoripiiriin tuodaan roottoripiirin häviötehoa

vastaava tasavirtateho, /3/.

2.2 Nopeudensäätö roottorivas- tuksella

Liukurengaskoneen nopeuden säätämismahdollisuuk- sien tutkiminen käy parhaiten päinsä koneelle johdetun si- jaiskytkennän perusteella. Tarkasteltava sijaiskytkentä on esitetty kuvassa 3» /3/. Sijaiskytkennässä tarkoittavat pilkuilla varustetut suureet roottoripiirin staattoriin redusoituja suureita. Rg on koneen staattorikäämityksen ohminen vastus, vastuksella R-p0 otetaan huomioon koneen rauta- ja pyörrevirtahäviöt, Xtfs on staattorin hajainduk- tanssi, Xh staattorin ja roottorin välinen keskinäisinduk- tanssi, X^r roottorin hajainduktanssi ja R^ roottorin re­

sistanssi, johon on sisällytetty myös liukurenkaille mah­

dollisesti liitetty ulkoinen vastus. Si jaiskytkentä on esitetty koneen yhtä vaihetta kohden.

Kun staattoriin kytketään jännite, on piirin ot­

tama teho P-^

P1 = 1-^ cos^ (3)

Staattorin vastuksessa kuluu tästä lämmöksi osa Pg

Ps (4)

<fr -r

20 г

U г

Kuva 4

Liuku ren ga skon e en o soi tin diaarammi

ja loppu siirtyy roottoripiiriin koneen ilmavälin kautta, jos rauta- ja pyörrevirtahäviöt jätetään huomioonottamat­

ta. Ilmavälin kautta siirtyvä teho olkoon Tämä kuluu kokonaan koneen roottoripiirissä. Jos sijaiskytkennän

roottoripiirissä esiintyvä vastus R^/s jaetaan osiin R^ ja (l-s)/s R^, tulee myös teho jakautumaan vastusten suhtees­

sa. Vastuksessa R^ kuuluva teho vastaa roottoripiirin hä­

viöitä ja muuttuu lämmöksi. Vastuksessa (l-s)R^/s kuluva teho saadaan sen sijaan mekaanisena tehona koneen akselil­

ta. Tämän perusteella voidaan kirjoittaa:

pi P + P r m

= r; (i;2) + d-s) r^/s d'45),2 ⁽⁵⁾ missä Pr on roottorin häviöteho ja Pm mekaaninen teho. Me­

kaaninen teho voidaan kuitenkin toisaalta ilmoittaa pyöri­

misnopeuden ja momentin avulla

P = 2 TT n M (6)

m

missä n on koneen pyörimisnopeus ja M kuormittava moment­

ti. Koneen todellinen pyörimisnopeus voidaan ilmoittaa synkronisen nopeuden ja jättämän avulla.

n = (l-s)ns (7 )

Esitetyn sijaiskytkennän perusteella voidaan ko­

neelle piirtää kuvan 4 mukainen osoitindiagrammi, /2/, /3/.

Kun kone seisoo, on jättämä = 1 ja koneen liukurenkaille indusoituu sähkömotorinen voima E2q. Voidaan osoittaa, et­

tä koneen pyöriessä tämä sähkömotorinen voima pienenee ja että sen suuruudeksi tulee sE2Q. Osoitindiagrammin perus-

- 15

teella kirjoitettu roottoripiirin jänniteyhtälö tulee ole­

maan

E20 - (Eys + j xy) i;

Ratkaisemalla tämä I':n suhteen saadaan

h; (1 + (sx'^r;)2 )

( 8 )

(9)

Jos roottoripiiriin on kytketty ulkoisia lisävastuksia ja koneen toimintaa tarkastellaan lähellä nimellispistettä,

on (sX^/R^) « 1, joten I^:n lauseke voidaan yksinker­

taistaa muotoon s E,

4 J20

(

)

Koneen mekaaniseksi tehoksi saadaan nyt kaavojen (6) ja (7) perusteella

2 ТГ nsM = Ry s (l¿2) (11)

Ratkaisemalla ylläolevasta M ja sijoittamalla 1^:n paikal­

le (10), saadaan M

2Г n.

s

(

)

Viimeksi kirjoitetussa lausekkeessa ovat Eja ng kulle­

kin koneelle ominaisia vakioita. Lauseke (12) antaa yhtey­

den koneen jättämän (pyörimisnopeuden), roottoripiirin vastuksen ja momentin välille, ja sitä voidaan näin ollen pitää perustana liukurengaskoneen nopeudensäädölle. Jos momentti pidetään vakiona antaa kaava (12) suoraan rootto-

rivastuksen ja jättämän välisen yhteyden. Näiden välinen riippuvuussuhde tulee havainnollisemmin esitetyksi, jos roottoripiirin vastus jaetaan vielä erikseen ulkoiseen vastukseen R^ ja roottorin omaan vastukseen R^O* ^un

säksi otetaan huomioon, että koneelle määritelty nimellis- piste saavutetaan ulkoisen vastuksen ollessa = 0, saadaan lauseke (13)

s

sN M.

N

R¿0 + Rú R20

(13)

Alaviitalla N varustetut suureet viittaavat nimellispis- teeseen.

Korvaamalla ainoastaan toinen Iristä (lO):llä saadaan (14)

M = Es0 I' , (14)

27rns

joten roottorivirta on suoraan verrannollinen kuormitta­

vaan momenttiin.

Si jaiskytkennän ja osoitindiagrammin avulla voi­

daan koneelle piirtää ns. ympyrädiagrammi, josta voidaan helposti saada selville koneen roottori- ja staattorivir- rat, jättämä, koneen mekaaninen teho, häviöt sekä moment­

ti. Ympyrädiagrammi ei kuitenkaan sovellu erityisen hyvin koneen toiminnan tarkasteluun, kun roottorivastusta muu­

tellaan. Parempi esitys saadaan, kun koneen toimintaa tar­

kastellaan momentti-nopeuskoordinaatistossa.

Ympyrädiagrammasta johdettavissa oleva esitys ko­

neen momentin ja pyörimisnopeuden välisestä riippuvuudesta, kun parametrinä pidetään roottoripiiriin kytkettyä lisävas-

kb, M t)

(s А/, Uu)

Kuva 5

Liuku rengasko n e en momentti -noneuddi a^ramri

tusta, on esitetty kuvassa 5, /3/.

Ulkoisen lisävastuksen arvoista ovat erityisesti nosturikäytössä erityisen kiinnostavia ne arvot, joilla ko­

ne seisoessaan kehittää nimellismomenttinsa sekä huippumo- menttinsa, jota myös nimitetään kippimomentiksi. Nämä vas­

tus arvot on ratkaistavissa kaavasta (l3) - Vastusta, jolla kone seisoessaan kehittää nimellismomenttinsa nimitetään 100 %:n vastukseksi R]_00$’

R100$ “ ^ ^ H20 bN

(15a)

(15b)

Yhtälössä (I5h) tarkoittaa Rk vastusta, jolla kone seiso­

essaan kehittää kippimomenttinsa M^. Esitetty kaava ei ole tarkka, vaan momentti-nopeuskäyrän approksimoinnista joh­

tuen antaa suuremman vastusarvon. Tarkka arvo voidaan saa­

da mitatusta koneen ominaiskäyrästä ja arvoksi tulee

(15c)

sk on kippimomenttia vastaava jättämä.

Paitsi edellä esitettyä tapaa, voidaan Вд_оО$гп arvo saada myös suoraan koneen kilpiarvoista. Koneen ku­

peen leimatuista EgQ :n ja Ig^-în arv°is'*:a voidaan tämän vastuksen arvo suoraan laskea.

(

)

Yleensä käytetään kaavaa ( 16 ) ^2_oo^:n arvon määräämi se en.

t

s(t)

T T2 3

Kuva 6

Pulssiohjatun vastuksen peri aate

3. PULSSIOHJATTU VASTUS

3.1 Periaate

Kuvassa 6 on esitetty pulssioh jatun vastuksen pe­

riaatteellinen kytkentä. Säädettäväksi aiotun vastuksen rinnalle on sijoitettu kytkin k, jota ohjataan kytkentä- funktiolla S(t).

S(t) = u( t-T-j^ ) - u(t-T2) + u(t-T^) - ... (17) u(t) on yksikköaskelfunktio

Kytkentäfunktio on määritelty siten, että se saa arvon 1, kun k on auki ja arvon 0, kun k on suljettuna. Navoista a-h mitattu vastus R(t) on

R(t) = Rq S(t) (18)

Annetaan sitten S(t)sn muodostua peräkkäisistä identtisis­

tä jaksoista, joiden pituus on T, ja joissa kytkimen kiin- nioloaika on T^. S(t) on tällöin S^(t)

«4tu

v

S (t) =Z^ u(t-( (m-1 )T + Тх)) - u(t-mT) m=l

Navoista a-h mitatulle vastukselle saadaan lauseke

(19)

R(t) = R0 S1(t) (20)

Muodostetaan lausekkeen aikakeskiarvo jakson yli

- 19 -

! l#d’

rT

R(t) = ж

J

О

T-

J

= R

(21) missä T2 = T-Tx on kytkimen aukioloaika. Lausekkeesta (a) havaitaan, että jos T pidetään vakiona, on navoista а-Ъ mitatun vastuksen aikakeskiarvo T2:n lineaarinen funktio.

3.2 Käytännöllinen toteuttaminen

Jotta edellä esitettyä voitaisiin soveltaa käytän­

töön, on pystyttävä muodostamaan aikakeskiarvo ja löydettä­

vä tarkoitukseen sopiva ohjattava kytkin. Kun vastus ja sen rinnalla oleva kytkin liitetään tasajännitteeseen, voidaan aikakeskiarvon muodostamiseen käyttää induktanssia, joka on sarjassa vastuskytkin yhdistelmän kanssa. Induktanssin suu­

ruus riippuu käytetystä kytkentätaajuudesta. Induktanssin koon pysyttämiseksi kohtuullisena, on kytkentätaajuus va­

littava suureksi. Saavutettava säätöalue riippuu käytetyn kytkimen toimintanopeudesta. Jos säätöalueen molempiin lai­

toihin jätetään 5 $sn alue säätämättömäksi eli vastusta py­

ritään säätämään 5 $.sta 95 ^îiin, vastaa 5 ms:n jaksonpi- tuutta kytkimen toimintanopeus 250 yas. Näin nopeisiin toi­

mintoihin ei mekaanisilla tai sähkömekaanisilla kytkimillä

Kuva 7

Pulssi ohjatun vastuksen kvtkentä

20

enää suurten tehojen ollessa kyseessä päästä, vaan kytkin on pyrittävä löytämään elektronisista komponenteista. Halu­

tut ohjattavuusominaisuudet täyttäviä puolijohdekomponent­

teja ovat transistori, tyristori sekä GTO (gate tum-off switch). Koska pulssiohjattu vastus on tarkoitus sijoittaa liukurengaskoneen roottoripiiriin nopeuden säätämistä var­

ten, eivät transistori ja GTO esiintyvien virtojen ja jän­

nitteiden suuruuden vuoksi tule kysymykseen, joten jäljel­

le jää tyristori.

Kytkimeksi valittu tyristori joudutaan sijoitta­

maan tasavirtapiiriin, mikä aiheuttaa ylimääräisiä toimen­

piteitä tyristorin sammuttamiseksi. Sammutustapo ja on kehi­

tetty useita, näistä valittiin eräs pakkokommutointitapa soveliaimmaksi. Tyristori sammutetaan tässä tuomalla johta­

van tyristorin napoihin estosuuntainen jännite. Valittua kytkentää komponentteineen esittää kuva 7e Keskiarvoa muo­

dostava induktanssi on L-^, säädettävä vastus R, sammutus- kondensaattori 0, latauskela L2, latausdiodi D sekä tyris­

torit Tyl ja Ту2, /4/, /5/.

3.3 Pulssiohjatun vastuksen toi­

minnan selvitys

Hetkellä t = 0 sytytetään tyristori Tyl. Konden­

saattori on varautunut jännitteeseen, jonka määrää vastus­

ten r ja R jännitteenjako. Sytyttämisen jälkeen virta i al­

kaa kulkea tyristorin Tyl kautta. Samalla alkaa myös kon­

densaattorin C, latauskelan L2 ja diodin D muodostama piiri

r ; о

5° 8 ¿

Kuva S

Virran L lause k ke en määrääminen

21

värähdellä. Diodi estää kuitenkin virran negatiivisen puo­

li aallon kulun ja kondensaattori saa alkuperäiselle napai­

suudelleen vastakkaismerkkisen varauksen. Kun edellä kuvat­

tu latautuminen on ehtinyt tapahtua, voidaan tyristoria Tyl ryhtyä sammuttamaan. Tyristori Ту2 sytytetään hetkellä t = T1# tällöin kondensaattorin jännite tulee tyristorille Tyl estosuunta!seksi jännitteeksi ja tyristori Tyl sammuu.

Kondensaattori jatkaa purkautumistaan vastuksen R kautta ja saavuttaa jälleen vastusten r ja R määräämän jännitteen- jaon mukaisen jännitteen. Tyristori Ту2 johtaa ainoastaan lyhyen aikaa ja sammuu, koska sillä ei ole tasavirtatietä.

Virta i noudattaa välillä (0,^ ) eksponenttikäyrää, jonka aikavakion määräävät r ja L-^ ja välillä (T^,T) eksponentti­

käyrää, jonka määräävät (r + R) ja L^, /4/.

Seuraavassa johdetaan analyyttiset lausekkeet pii­

rissä esiintyville virroille ja jännitteille piirin mitoit­

tamista silmälläpitäen. Lausekkeiden johdossa on tyydyttä­

vä yksinkertaistuksiin ja idealisointeihin, eivätkä näin saatavat mitoitusohjeet anna tarkkoja arvoja.

3.4 Analyyttisten lausekkeiden johtaminen

Kuvien 8a ja b perusteella voidaan virran i lause­

ke johtaa. Tarkastelu jaetaan kahteen aikaväliin; (0,) ja (T1,T). Virran lauseke ratkaistaan piirille muodostetta­

vasta differentiaaliyhtälöstä. Piirille saadaan eri aikavä­

leille differentiaaliyhtälöiksi sekä alku-, reuna- ja lop- puarvoehdoiksi;

22 -

up “ L1 di-,

--- + ri-, , te (0,T, )

dt 1 1 (22)

up * L1 di o

-rr + (r+R)ip » t€ >T) (23)

4(Ii) = i 2 ^1 ^ (24a)

i2(T) ⁿ H- H o ^(24b)

1^(0° ) u

=

r

(24c) i2(0°)

u

= —E_

r+R

(24d)

Ratkaisuiksi saadaan eri aikaväleillä r+R ' L R___ 1 - e r r+R

'=2 _{- -E-t}

i,(t) = -E - -E"-2-

1 - e

_(Л-Т

^1

(25a)

igC*)

u u -E- + R+r R+r

1 - e

£±a (t-i.)

Li 1

-(Пт + EiST ) L1 L1

(25b) 1 - e

Yhdistämällä eri osavirtojen lausekkeet, saadaan piirre­

tyksi kuvassa 9 oleva virran käyrämuoto. Kuvassa on lisäk­

si esitetty virran keskiarvo I sekä virran vaihtelu а I.

Käille saadaan myös analyyttiset lausekkeet kaavojen (25a) ja (25b) perusteella

'll_(X

Kuva 1 ■) Sammutusnii rin analvysi

23 -

г+R•T, r Ъ Al = Ъ.

г R+r

R (1 - ^{)(l - e} 1 - e

- ТГ^

i_ = m

ÜE (A + Í£.-£-)_ X—£.TT — T T R+r r+R T

Ai

(26)

(27)

Tyypillisenä esimerkkinä virran keskiarvon ja vaihtelun suuruudesta ja muuttumisesta TgSn funktiona ovat kuvassa 10 esitetyt käyrät. Kaavoissa on kytkennän osien arvoina käytetty

r = 0,5 ohmia R = 10 ohmia b,= 30 mH

T = 3 ms

Ylläolevat arvot ovat tyypillisiä, kun pulssiohjattu vas­

tus sijoitetaan liukurengaskoneen roottoripiiriin nopeuden säätämistä varten.

Seuraavana tarkastelun kohteena on sammutuspiiri.

Kuvissa 11a ja h on esitetty ekvivalentit piirin osat tar­

kastelun eri aikaväleillä. Kuvassa 11a piiri on esitetty heti tyristorin Tyl sytyttämisen jälkeen. Tarkastelussa jä­

tetään huomiotta tyristorin myötäsuuntainen jännitehäviö, joka on 1...2 volttia. Samoin on diodissa tapahtuva jänni­

tehäviö ja kelan ohminen vastus oletettu nolliksi. Piiril­

le saadaan tällöin differentiaaliyhtälö

Alkuehdoksi saadaan

u u

c0 r+R P

io(0) = o

Ratkaistaessa kondensaattorin virta saadaan

(29a) (29h)

sin(wQt) (30)

w„

L 2 0

(31)

Integroimalla saadaan kondensaattorin jännitteeksi

“o = uc0 oos(wot> (32)

Piirin toiminnan selostuksesta kävi ilmi, että piirissä kulkee virta vain ajan

T3 = ТГ VL2C (33)

Hetkestä t = hetkeen t= pysyy kondensaattorin jännite saavuttamassaan arvossa. Tarkasteltaessa piirin tilan muut­

tumista sammutettaessa, oletetaan tyristorin Tyl sammuvan äärettömän lyhyessä ajassa. Sammumisen aikana pidetään vir­

taa i vakiona ja piirin differentiaaliyhtälöksi saadaan ku­

van 11h mukaan 1 C 1 c

ie dt +Ri0 + Ri + uo0 = 0

1o 4t +ue0 + uo “ 0

(34a)

(34b)

Kuva 1 2

Kuvan 7 kytkennässä esiintyviä virtoja ja jännittei tä

25 -

Reunaehto on

uc(0) = О (34c)

Kondensaattorin virran ja jännitteen ratkaisuiksi saadaan t

RC (35)

e

t

RC ₍₃₆₎

uc(t) = Hi - (Ri+uo0) e

Täydellinen lauseke kondensaattorin virralle ja jännitteelle saadaan yhdistämällä,lausekkeet (30), (32), (35) ja (36). Virran ja jännitteen kuvaajat on esitetty ku­

vassa 12. Edellä esitetyt lausekkeet tekevät mahdolliseksi myös tyristorien virtojen ja jännitteiden analyyttisten lausekkeiden selvittämisen. Tyristorin Tyl virta välillä

(O,^) on sama kuin i, välillä (T1,T) virta on nolla. Ty­

ristorin navoissa vaikuttava jännite on sama kuin vastuk­

sen R navoissa oleva jännite, joka on välillä (O, T-^ ) nolla.

Välillä (T^,T) jännite saadaan laskemalla yhteen konden­

saattorin virta ja virta i sekä kertomalla summa Rillä. Ty­

ristorin Ту2 virraksi saadaan suoraan kondensaattorin vir­

ta välillä (TX,T) muuttamalla etumerkki. Tyristorin Ту2 jännite saadaan vastuksen jännitteen u^ ja kondensaattorin jännitteen uQ erotuksena. Kuvassa 12 on esitetty kaikki piirissä esiintyvät virrat ja jännitteet.

Cl I Kuva 13

Apuja nm' tteellä varustettu pulssiohjattu vastus

26 -

3.5 Tulosten yleispätevyys

Edellä olevat lausekkeet on johdettu pitämällä jaksonpituus T vakiona. Tulokset ovat silti päteviä myös tapaukselle, missä T:n annetaan muuttua ja vakiona pidettä­

vä suure on joko T^ tai T2. Näissä tapauksissa saatava sää­

tö ominaiskäyrä ei enää ole muuttuvan suureen suhteen line­

aarinen kuten kaavasta (21) voidaan todeta.

Eräissä tapauksissa saattaa olla edullista antaa tyristorin Tyl jäädä johtavaan tilaan pitemmäksikin aikaa.

Jotta haluttaessa voitaisiin taas suorittaa sammutus on kondensaattorissa pidettävä yllä riittävää jännitettä. Tä­

män seikan varmistamiseksi liitetään piiriin kuvan 13

osoittamalla tavalla apujännite, joka takaa jännitteen säi­

lymisen. Apujännitettä käytettäessä on kuitenkin olemassa vaara, että molemmat tyristorit jäävät yhtaikaa johtaviksi, koska tyristorille Ty2 muodostuu nyt tasavirtatie. Tällai­

sen tilanteen eliminoimiseksi on apujännite puoliaaltotasa- suunnattua, joten tyristori Ту2 sammuu ainakin virrattoman puoli jakson aikana, /4/.

3.6 Piirin mitoitus

Piirin mitoitus on nyt mahdollista suorittaa edel­

lä johdettujen tulosten avulla. Annettavat lähtöarvot ovat yleensä R,u sekä suurin virta, /jonka sallitaan kulkea,

/V, /5/.

Tarkastellaan tyristorin Tyl jännitettä sitä sam-

mätettäessä kuvan 12 mukaan. Jännite alkaa nousta negatii­

visesta arvosta kohti positiivista arvoa. Jotta tyristori sammuisi, on jännitteen oltava riittävän kauan negatiivi­

nen. Asettamalla u^^ = 0, ratkaistaan aika ts*

u t = RC ln(l +

s Ri

cO

(37) Koska uqq on lähes yhtäsuuri kuin Ri tänä hetkenä, tulee logaritmitermistä In 2, joten kondensaattorin minimiarvok­

si saadaan

min R In 2

(38)

&

S i

Aika tg on yleensä tyristorien valmistajan ilmoittamana, mutta tiedon puuttuessa voidaan käyttää ts?lle arvoja

50...200yus.

Aika on säätöaluetta rajoittava tekijä, sillä tyristorin sammuttamiseen ei voida ryhtyä ennenkuin konden­

saattori on varautunut riittävästi. Erittäin kriitillisis­

sä mitoituksissa voidaan mennä jopa tyristorin paloaikoi- hin = Tß/2. Säätöalueen saamiseksi riittävän suureksi, on tehtävä mahdollisimman pieneksi. Latauskelan induk­

tanssi voidaan ratkaista kaavasta (33) L2

1

C . min n (39)

Kondensaattorin latausvirran lausekkeesta (30) havaitaan, että pieni L2 tekee latausvirran amplitudin suureksi. Jotta tyristorien mitoituksessa ei tarvitsisi mennä kohtuutto­

muuksiin, on lyhimmän T^;n ja suurimman latausvirran välil­

lä tehtävä kompromissi.

t

Kuva 1 4 а

Tyristorin omina! skäyrä

I ti

0 7*

Kuva 14 h

Tyristorin virtapulssi

e

Syöttökelan tehtävänä on pienentää virran vaihte­

lua. Sallittu virran vaihtelu on usein jo edeltäkäsin an­

nettu. Kuvan 9 mukaisesti voidaan likimääräisesti kirjoit­

taa

a I A t

(40) Virran kasvunopeus piirissä on suurin, kun T^ = T^, mikäli

ei käytetä T^: a lyhyempiä paloaikoja. Yhtälöä (40) voidaan soveltaa kelan induktanssin arvon määräämiseen

L-, = -E—¿ u T0 (41)

1 AI

Samoin voidaan riittävällä tarkkuudella kirjoittaa u =RL

p m (42)

Leslie saadaan ohjearvoksi, kun (41) ja (42) yhdistetään R T

TT (43)

Xm L-, =

Tyristorien mitoitus suoritetaan suurimman salli­

tun lämpenemisen perusteella. Jos kuvassa 14aesitetty ty­

ristorin ominaiskäyrä korvataan suoralla kuvan osoittamal­

la tavalla, voidaan tyristorin myötäsuuntainen tehohäviö laskea suoran kulmakertoimesta saatavan tyristorin myötä-

suuntaisen vastuksen ja virran tehollisarvon avulla.

Kuvan mukaisesti on tyristorin virta muotoa14b

"Tyl

+ uc0 V5Â2 sin (wQt) (44) Tässä lausekkeessa on virran eksponentiaalinen vaihtelu korvattu virran keskiarvolla. Jälkimmäinen osa on saatu

JJ t'

kondensaattorin latausvirrasta, joka kulkee tyristorin Tyl kautta. Tämän virran tehollisarvoksi saadaan

I (45) Tylrms

Kondensaattorin latausvirtapulssin vaikutus tyristorin vir­

ran tehollisarvoon on esitetty kuvassa 15. Esitetyillä käy­

rillä on parametrinä latausvirran huippuarvon suhde virran keskiarvoon.

Suurin jännite esiintyy tyristorin ollessa johtamattomana virran keskiarvon saavuttaessa suurimman arvonsa. Tyristo­

rin navoissa esiintyväksi jännitteeksi saadaan tällöin (46) Kaavassa (46) esiintyvä A 1/2 on otettava Ieaxiia vas­

taavasti.

Tyristorien valinnassa on tämän lisäksi otettava erityisesti huomioon tyristoreille sallittu virran kasvu­

nopeus. Virran kulun muuttuminen vastuksesta tyristoriin tapahtuu piirissä, jossa ei käytännöllisesti katsoen ole lainkaan induktanssia, joka hidastaisi virran kasvua. Ty­

ristorille ei voida panna suo jaavaa induktanssia, koska tämä vaikuttaisi haitallisesti piirin toimintaan. Mahdolli­

sena ratkaisuna voisi tulla kysymykseen kyllästyvän kuris­

timen käyttö. Virran muuttumisen alkuhetkellä kuristin toimisi virtaa rajoittavana elimenä, mutta sen tulisi kyl­

lästyä nopeasti, jotta piirin toiminta ei vaikeutuisi.

зо -

Kaavan (35) perusteella voidaan laskea tyristorin Ту2 virran tehollisarvo. Tehollisarvon lausekkeeksi saa­

daan

TТу2rms (47)

Kaavassa tarkoittaa T4 aikaa, jonka tyristori Ty2 on joh­

tavana. Käytännössä tämä aika tulee olemaan suurempi kuin aikavakio RC, joten eksponenttitermiä voidaan riittävällä tarkkuudella pitää nollana. Virran tehollisarvon lauseke yksinkertaistuu tällöin muotoon

ITy2rms (47a)

Tyristorilta Ту2 vaadittavaksi jännitekestoisuu- deksi tulee sama kuin tyristorille Tyl.

Latausdiodin kautta kulkee kondensaattorin lataus- virta. Tämän tehollisarvoksi saadaan

(48)

Diodille asetetaan myös sama jännitekestoisuus- vaatimus kuin tyristoreille.

4. PULSSIOHJATUN VASTUKSEN TOTEUTUS

4.1 Lähtöarvot

Edellä on johdettu tarpeelliset kaavat pulssioh- jatun vastuksen mitoittamista varten sekä selvitetty, mi­

ten liukurengasmoottorin nopeudensäätö voidaan suorittaa roottorivastuksella. Saatuja tuloksia ryhdytään nyt sovel­

tamaan käytäntöön. Säädettäväksi moottoriksi valittiin Kone Oy:n valmistama liukurengasmoottori 16 MTS 2E-55-17.

Moottorin kilpiarvot on esitetty liitteessä I.

Koska diplomityössä oli tarkoitus ainoastaan to­

deta johdetun teorian käyttökelpoisuus, ei katsottu tar­

peelliseksi suunnitella täydellistä suljettua säätöjärjes­

telmää. Säädettävänä olevaa konetta voidaan syöttää nimel­

listä alhaisemmalla jännitteellä, jolloin koneen virrat, indusoitunut jännite ja momentti tulevat vastaavasti pie­

nemmiksi, mutta itse moottorin käyttäytymiseen ei jännit­

teenä! ennus vaikuta.

Kaavasta (15a) tai (16) laskettavissa oleva 100

$:n vastuksen arvo koskee tapausta, jolloin roottorin jo­

kaiseen vaiheeseen kytketään yhtä suuret vastukset. Koska pulssiohjattua vastusta käytettäessä roottori jännite on

ensin tasasuunnattava, ei tasasuuntaajan kuormaksi tulevaa roottorivastusta enää saada tästä kaavasta, vaan uusi arvo on laskettava tehohäviöiden perusteella. Kun kolmessa

- 32 -

vaihevastuksessa kuluva teho merkitään yhtäsuureksi tasa­

suuntaajan kuormituksena olevan vastuksen tehohäviön kans­

sa, saadaan vaaditun vastuksen arvo ratkaisemalla R^ lau­

sekkeesta (49 ).

3 Bv T2 = Rd A (49)

Rv on normaalissa roottorivastussäädössä käytetyn yhden vaiheen vastuksen arvo ja R¿ pulssiohjatun vastuksen arvo.

Ottamalla huomioon tasasuunnatun ja vaihevirran välinen yhteys

Id = x/l/a™ I2 (50)

saadaan pulssiohjatulle vastukselle arvoksi, /5/,/6/,

Ea = 2 Ev (51)

Mitoittamista varten on siis ensin määrättävä Ryin suu­

ruus. Kilpiarvo jen mukaan laskemalla tulee valitun koneen 100 $:n vastuksen arvoksi 5,4 ohmia, joten pulssiohjatulle

! 0,% SI . vastukselle saadaan vaadituksi arvoksi 10,4 ohmia. Koska saatavissa oli 12 ohmin vastus, joka oli mitoitettu koneen vaatimalle teholle, valittiin tämä pulssiohjatuksi vastuk­

seksi.

Suunnittelun lähtökohdaksi tarvitaan myös jännit­

teen Up suuruus. Liukurenkailta saatava jännite on sEgQ.

Tasasuunnatun jännitteen arvoksi tulee

u = 2 sE9n (52)

p Tl 2U

mikäli käytetään kolmivaiheista kokoaa!totasasuuntausta.

Tällaisen tasasuuntauksen käyttö on perusteltua, koska ta­

sasuunnatun jännitteen aaltoisuus (ripple) on pieni.

Syöttäväksi staattorijännitteeksi valittiin 380 voltin sijasta 220 volttia. Kaikki esiintyvät virrat ja

jännitteet tulevat pienenemään tässä suhteessa. Koneen mo­

mentti tulee sen sijaan pienenemään verrannollisena suh­

teen neliöön.

Suurimmaksi saavutettavaksi momentiksi halutaan 1,25-kertainen nimellismomentti. Tämä tulee vaikuttamaan suurimpaan esiintyvään virtaan. Valittavissa on vielä käy­

tettävä pulssitaajuus. Useimmat valmistajat takaavat ty­

ristoreilleen toiminnan 400 hertsiin asti, mutta markki­

noilla on tyristoreja, joilla suurin sallittu taajuus on useita kilohertsejä. Toimintataajuudeksi valittiin noin

300 hertsiä, joten perusjakson pituudeksi tulee 3 ms. Kun haluttu säätöalue on 5...95 i° täydestä vastuksesta, saa­

daan lyhimmäksi kondensaattorin latausajaksi 150^/us, mikä on täysin riittävä.

Vaadittu tasasuuntaaja tehtiin kolmivaihekokoaal­

to sil täky tketyksi. Siihen käytettiin piidiodeja S8BR25, joiden valmistaja on Westinghouse Signal and Brake Company.

4.2 Mitoitus

Tyristorien mitoitusta varten on määrättävä suu­

rin saavutettavaksi haluttu momentti. Täksi valitaan 1,25 kertainen nimellismomentti. Kaavasta (45) saadaan tyristo­

rin Tyl virran tehollisarvo Ottamalla huomioon halutun suurimman momentin aiheuttama korjaus roottorivir- ran tasasuunnattuun arvoon, tulee suurimmaksi tasavirran

34 -

t eliö 11 i s ar vo к s i

Iптах

65 А

■'"2N ^Tylmax (53)

Tyristoreilta vaadittu jännitekestoisuus määräy­

tyy tämän virran ja vastuksen tulona.

^Tyl ^ ^Tylmax

= 780 V

(54)

Näiden tietojen perusteella voidaan ryhtyä valit­

semaan tyristoreja, joilta halutaan mahdollisimman suurta sallittua virran kasvunopeutta.

Tyristorien tulee kestää virran muuttuminen syt- tymisaikanaan nollasta suurimpaan arvoonsa eli -^Tylmax^111*

Tällä perusteella voitiin tyristoreiksi International Rectifierin valmistamat tyristorit 71 RE 80, joille salli­

tut arvot on esitetty liitteessä II.

Tyristori Ty2:ksi valitaan samanlainen tyristori.

Se tulee tällöin kylläkin voimakkaasti ylimitoitetuksi, mutta senkin kestoisuus voimakasta virran kasvua vastaan

on taattu.

Seuraavaksi määrätään tarvittavan sammutuskonden- saattorin arvo. Kaavasta (38) voidaan tarvittavalle kapa­

sitanssille laskea minimiarvo. Jotta tyristori Tyl varmas­

ti sammuisi, sijoitetaan kaavaan sammumisajaksi tg = 3Cyus.

°mi„ - *в / (Rln 2) (38)

R:n arvolla 12 ohmia tulee C;n minimiarvoksi 3,6^uF. Koska

tyristorin sammuminen on piirin toiminnan kannalta ensiar­

voisen tärkeää, valitaan C suuremmaksi kuin laskettu mini­

miarvo. Kapasitanssiksi valitaan 6,0yiE.

Latauskelaa mitoitettaessa on kondensaattorin la­

tautumisaika tehtävä mahdollisimman lyhyeksi, mutta sama!la ei latausvirta saa nousta kohtuuttomaksi. Nämä vaatimukset johtavat kompromissiin. Edellä sanotun mukaisesti valitaan kondensaattorin latausajaksi 150yis. Sijoittamalla tämä ja kondensaattorin valittu arvo kaavaan (39), saadaan tarvit­

tavan latauskelan induktanssi.

i 2

b2 - ï (39)

= 0,38 mH

Koska Teille voidaan sallia Tya pienempiäkin arvoja aina 0,75 Ty een asti, voidaan b2 valita suuremmaksi kuin kaa­

vasta saadaan. Lyn arvoksi valitaan 0,5 mH.

Kondensaattorin latausvirralle voidaan sallia vir­

ran keskiarvoa suurempikin arvo. Edellä suoritetun valin­

nan mukaisilla C:n ja Lyn arvoilla tulee latausvirran amplitudiksi kaavan (30) mukaan

"cp u

cO (55)

= 33 A

Tämä on latausvirran arvoksi kohtuullinen, joten valitut Gin ja Ly n arvot soveltuvat hyvin.

Kaavasta (48) voidaan nyt laskea diodilta vaadit­

tava virtakestoisuus, kun kondensaattorin latausvirran huippuarvo otetaan kaavasta (57).

- 36 -

IDras 5,3 A

Diodiksi valitaan International Rectifierin valmistetta oleva diodi 6F80, jolle sallitut arvot on esitetty liit­

teessä III.

Syöttökelan tehtävänä on pienentää tasasuunnatun virran vaihtelua, jotta moottorin roottorista katsottuna pulssiohjattu vastus näyttäisi vain T2$ sta riippuvalta kuormalta. Kelan mitoittamista varten on määrättävä sallit­

tu virran vaihtelu. Valitsemalla virran vaihtelun sallituk­

si arvoksi 10 saadaan kaavasta (43) syöttökelan suuruu­

deksi

I

= 21,6 mH

Tsllä on T^sn arvoina käytetty kaavasta (33) saatavaa ar­

voa, joksi tulee 180yus.

Näin on saatu määrättyä itse pulssiohjatun vas­

tuksen osien arvot, jotka alla on esitetty yhdelmänä.

R =12 ohmia L1 = 30 mH

C =6 yuF Ъ2 = 0,5 mH Tyl = 71RE80 Ту2 = 71RE80 D = 6F80

(international Rectifier) (international Rectifier) (international Rectifier)

4.3 Apujännitteen käyttö

Pulssiohjatulla vastuksella ei ole mahdollista saavuttaa koko säätöaluetta 0...100$. Edellä esitetyllä mitoituksella jää molempiin laitoihin 5% alue, johon sää­

töä ei voida ulottaa.

Nosturi- kuin muussakin käytössä pyritään kuiten­

kin saavuttamaan nimellispiste, koska vastuksessa kuluva teho on tällöin pieni. Lähemmäksi nimellistä pistettä pääs­

tään, jos tyristori Tyl voidaan oikosulkea jatkuvasti he­

ti, kun on päästy riittävän lähelle nimellispistettä. Jot­

ta piiri saataisiin taas halutulla hetkellä toimimaan nor­

maalilla tavalla, on kondensaattorissa oltava riittävä jännite tyristorin Tyl sammuttamista varten. Tarvittavan jännitteen ei tarvitse olla kovin suuri, sen on pystyttävä ainoastaan kumoamaan tyristorin myötäsuuntainen jännitehä­

viö. Riittäväksi jännitteeksi voidaan katsoa n. 10 V.

Kondensaattorin jännitteen pitämiseksi ainakin mainitussa 10 V:ssa, liitetään piiriin apujännitelähde ku­

van 13 mukaisesti. Kondensaattorin jännitteenä tulee ole­

maan apujännite sinä aikana, jonka tyristori Tyl johtaa.

Apujännitteen liittäminen tuo mukanaan haitan, joka aiheu­

tuu siitä, että myös tyristori Ty2ille muodostuu tasavirta- tie. Tästä syystä on mahdollista, että molemmat tyristorit saattavat jäädä yhtäaikaa johtavaan tilaan, jolloin piirin normaali toiminta lakkaa. Yksinkertaisimmin syntyvä tilan­

ne voidaan korjata katkaisemalla apujännitesyöttö hetkeksi.

Apujännitteen hetkellinen katkeaminen toteutetaan yksin­

kertaisimmin käyttämällä puoliaaltotasasuunnattua apujän-

- 38 -

nitettä. Syntyvä 10 ms;n katkos on riittävä saattamaan piiri jälleen normaaliin toimintaan.

Apujännitteen syöttöön on lisättävä vastus r&, jotta aputyristorin virta pysyisi riittävän pienenä, ja jotta apujännitelähteen välityksellä ei syntyisi värähte­

lyä. Vastus on valittava siten, että värähtelypiiri tulee olemaan aperiodisesti vaimennettu. Tästä ehdosta saadaan r s11e minimiarvo

El

ramin

Apujännitteen merkitys tulee erityisesti näky­

viin käytettäessä moottoria generaattori alueella jarruna tultaessa kohti synkronipistettä aina ylisynkroniselie alu­

eelle asti. Kuten edellä on mainittu, pienenee jännite up jättämän mukaan ja on synkronipisteessä nolla. Ylisynkro­

nisella alueella jännite alkaa taas kasvaa, ja piirin on pystyttävä taas toimimaan. Jarrutettaessa voi kone joutua pyörimään pitkiäkin aikoja synkronisella nopeudella. Käy­

tettäessä apujännitettä ei tämä aiheuta toiminnallisia häiriöitä.

perusoskil-sakaraanissinderivointiyksiasentoinenpuis 1aattorimuodostusmultivibraattorivahv

:ti

r—I I—I 0

CD -P -P

•H P

:coS

•O

ti

>ti

•Oti :o■p :ti C/2

:o-p :ti :tiсо

CO

■fí

ti

>

-pc

-p

titi

CD P0

ttiD

•HCO

to

39 -

5. OHJAUSPIIRIN SUUNNITTELU

Pulssiohjattu vastus tarvitsee jokaista jaksoaan kohti kaksi pulssia, yhden sytytyspulssin ja yhden sammu- tuspulssin. Jos sytytyspulssien ajatellaan olevan vakio- taajuisia, ovat sammutuspulssit näistä T-^.n verran viiväs­

tyneitä. Ohjaimelle asetettavat perusvaatimukset ovat näin ollen

- vakiotaajuiset sytytyspulssit tyristorille Tyl, - edellisistä T^sn verran viivästetyt pulssit ty­

ristorille Ту 2,

- viivästyksen säädön on tapahduttava sekä käsin että ohjaavalla jännitteellä.

Nämä vaatimukset voidaan täyttää kuvan 16 mukai­

sella pnl sai generaattorilla. Vakiotaajuiset pulssit ote­

taan pulssimuuntajalla perusoskillaattorina olevan kak- soiskantadiodin kannalta B. Perusoskillaattorin emitteril—

tä saatava saha—aalto tuodaan transistorille Tr3, jonka emitterin potentiaali säädetään halutun T-^:n mukaiseksi.

Ulostulona saadaan sakara-aalto, jonka osien välinen suhde on säädettävissä. Kun tämän sakara-aallon vaihetta on kään­

netty 180° ja sitä on samalla vahvistettu, se derivoidaan.

Saatavilla pulsseilla ohjataan yksiasentoista multivih- raattoria, jonka lähtöpulssi on säädetty 20yus:ksi. Vii­

meinen transistori toimii pulssivahvistimena. Transistorit Tr2 ja Tr? toimivat impedanssimuuntimina yhteiskollektori- kytkennässä.

Ohjausosan perusoskillaattorin taajuutta voidaan säätää laajoissa rajoissa. Koekytkennässä ohjausosaa käy­

tettiin käsisäätöisenä, jota myös kytkentä osoittaa. Ku­

vassa on myös esitetty, kuinka piiriä on muunnettava, jot­

ta pulssien välistä viivästystä voitaisiin säätää ulkopuo­

lisella ohjaavalla jännitteellä.

Kaksoiskantadiodia lukuunottamatta kaikki transis­

torit ovat General Electricin halpoja teollisuuskäyttöön tarkoitettuja epoksikuorisia transistoreita 2N3416, joiden ominaisuudet on esitetty liitteessä IV yhdessä kaksoiskan- tadiodin 2N2160 tietojen kanssa, MOI.

41 -

6. IIUKURENGASMOOTTORIN KÄYT­

TÄYTYMINEN PULSSIOHJ ATULLA VASTUKSELLA SÄÄDETTYNÄ

Käytännöllisten tulosten saavuttamiseksi raken­

nettiin edellä mitoitettu pulssiohjattu vastus. Koska mi­

to itusohj ei den perustana olevat kaavat eivät ole ehdotto­

man tarkkoja, eivät kaavoista saatavat arvot ole sellaise­

naan aina sopivia, vaan on otettava huomioon eri osien mahdolliset standardikoot sekä kunkin käytön asettamat

erityisvaatimukseto Rakennetun koekappaleen mitoituksessa ei käytetty suoraan kaavoista saatavia arvoja, vaan näitä perustana käyttäen valittiin osien lopulliset arvot.

Tyristorien ja diodien mitoituksen yhteydessä ei näiden jäähdytykseen puututtu. Valmistajien ilmoittamat

arvot edellyttävät aina riittävää jäähdytystä, jolla este­

tään komponentin liiallinen lämpeneminen, mikä voi johtaa ко. o san tuhoutumiseen. Jäähdytystä varten komponentit kiinnitettiin jäähdytyselementteihin, joina käytettiin valmistajan suosittelemia alumiiniprofiileja. Riittävän

jäähdytyksen saamiseksi käytettiin laitteessa lisäksi pak­

ko tuuletusta.

Tasasuuntaussil ta, tyristorit, sammu tu spür in komponentit sekä tarvittavat sulakkeet ja katkaisija si­

joitettiin niitä varten tehtyyn kehikkoon, johon ylimmäksi tuli tuuletin, sen alapuolelle tasasuuntaaja ja tyristo­

rit, s ammu tu spür in osat ja alimmaksi s ammu tu spür in osista

42 -

latauskela sekä pulssiohjatun vastuksen roottoripiiriin liittämistä varten kontaktori. Ohjausosalle oli myös va­

rattu tila kehikossa, mutta se pidettiin kokeiluissa kehi­

kon ulkopuolella.

Sekä vastus että syöttökela jouduttiin niiden suuren koon vuoksi jättämään kehikon ulkopuolelle. Vastuk­

sena käytettiin Kone Oy:n valmistamaa levyvastusta MR—10-P.

Vastus on koottu rautapeltilevyistä ja näin siirtyy vas­

tuksessa kuluva lämmöksi muuttuva teho helposti ympäris­

töön. Syöttökelan suuri koko johtui lähinnä sen rakentees­

ta. Kela tehtiin rautasydämisenä ja oli lisäksi mitoitet­

tava kestämään 70 ampeerin jatkuva virta sekä kyllästymät­

tä että lämpenemättä.

Tyristorien suojina käytettiin ainoastaan sulak­

keita. Ylijännitesuojien kytkeminen tyristorien rinnalle voi vaikeuttaa piirin toimintaa, koska tarvittavan vastus- kon densaattorisarjakytkennän osien arvot tulevat lähes sa­

moiksi kuin vastuksen ja sammutuskondensaattorin arvot.

Kuten jäljempänä mainitaan, voidaan pulssiohjatussa vas­

tuksessa käyttää vastuksen sijasta säädettävänä impedans­

sina juuri tällaista sarjakytkentää, /9/• Tyristorin Tyl katodi johtoon kytkettiin lisäksi 100 milliohmin vastus ty­

ristorin virran käyrämuodon tarkastelemista varten oskil- loskoopilla.

Koeajoissa meneteltiin yleensä seuraavasti! kone käynnistettiin tuomatta tyristoreille käynnistysaikana sy­

ty tyspulsse ja. Kun kone oli käynnistynyt, voitiin vastusta ruveta ohjaamaan. Tapa johtui liukurengasmoottorin käyn­

nisty sominaisuuksista. Kone ottaa näet käynnistyessään

nimellistä monta kertaa suuremman virran. Roottorivastuk­

sella voidaan kuitenkin tehokkaasti rajoittaa tätä virtaa, joten pulssiohjatulla vastuksella on tämäkin etu puolel­

laan.

Koekäytöissä pyrittiin lähinnä toteamaan esitetyn teorian paikkansapitävyys. Tämä on mahdollista suoritta­

malla järjestelmälle muutamia perusmittauksia. Näiden pe­

rusteella voidaan tehdä päätelmiä koko järjestelmän käyt­

täytymisestä. Kokeissa pyrittiin myös löytämään ne rajoi­

tukset, joita pulssiohjattu vastus mahdollisesti asettaa koneen toiminnalle.

Tärkeä kohde oli myös järjestelmän käyttäytymisen tutkiminen, kun konetta käytetään generaattorialueella synkronipistettä lähellä olevilla nopeuksilla sekä annet­

taessa nopeuden muuttua ohi synkronipisteen ylisynkroni­

selle alueelle. Tämän seikan tutkimista varten vaakakone pantiin käymään moottorina, jolla tutkittavaa konetta sit­

ten pyöritettiin.

Kuormittavan momentin arvoa samoin kuin pyörimis­

nopeuden suuruutta generaattorikäytössä tutkittaessa voi­

tiin säätää vaakakoneen magnetointivirralla. Pienimmät kuormittavan vääntömomentin arvot saatiin jättämällä vaa­

kakone magnetoimatta ja samalla antamalla sen ankkuripii- rin olla avoimena. Tällaisen vaakakoneen kehittämä kuormi­

tusmomentti ei ole täysin pyörimisnopeudesta riippumaton, vaan momentin pitämiseksi vakiona on magnetoimi svirtaa

jatkuvasti säädettävä kutakin kierroslukua vastaavasti.

Taulukko I

Koneen jättämä ja momentti oulssiohjattua vastusta säädettäessä

T1 s M s M s M s M

r

150

kpm

0,751 1,17 0,577 kpÄ7

0,89 0,481 kpm

0,59 0, 260 kpm 0,35 500 0,667 1,17 0,505 0,89 0,430 0,57 0, 194 0,35 1000 0,560 1,15 0,436 0,91 0,^84 0,57 0.165 0,36

1500 0,395 1,15 0,357 0,92 0, 200 0,58 0,184 0,36 2000 0,213 1,14 0,205 0,91 0, 185 0,58 0,086 0,36 2500 0,150 1,18 0,115 0,93 0,156 0,60 0,052 0,39 2750 0,105 1,15 0,077 0,90 0,054 0,58 0,038 0,30

Taulukko II Koneen momentti ja jättämä vakio vastuksella

( T = 1500 yus )

s M

kpm 0,450 1,30 0,395 1,13 0,324 0,94 0,263 0,76 0,197 0,56 0,119 0,35

Koneen momentti ja jättämä täydellä vastuksella

M s

kpm

1,12 0,775

0,91 0,625

0,56 0,385

0,33 0,267

44 -

7. MITTAUSTULOKSET

Suoritettujen mittausten tulokset on esitetty se­

kä taulukkoina että kuvina. Tulokset varsinaisista kuormi­

tu smittauksista on esitetty taulukossa I. Mittauksissa py­

rittiin pitämään momentti vakiona ja koneen pyörimisnopeus mitattiin ajan T^ funktiona. Taulukoissa on myös esitetty lasketut jättämäarvot. Kun konetta syötettiin 220 voltil­

la, tulee nimellistä jättämää vastaavaksi momentiksi 3,45 kpm. Taulukon II mittaukset tehtiin pitämällä T2 vakiona

(T2 = 1,5 ms) ja mittaamalla koneen pyörimisnopeus ja mo­

mentti. Taulukko III esittää koneen pyörimisnopeuden ja jättämän välistä riippuvuutta, kun roottoripiirissä on oh­

jaamaton vastus.

Kuvassa 17 on mittaustulokset esitetty momentti- nopeuskoordinaatistossa. Saavutetun säätöalueen laajuus käy ilmi parhaiten tästä kuvasta. Kuvaan on piirretty myös oikosuljettua roottoria vastaava käyrä.

Piirissä esiintyvien jännitteiden ja virtojen tarkastelu suoritettiin oskilloskoopilla. Esiintyvistä virran ja jännitteen käyrämuodoista on oskilloskooppikuvi­

na esitetty tyristorin Tyl virta, joka mitattiin tyristo­

rin katodi johtoon sijoitetusta 100 milliohmin vastuksesta;

sekä tyristorin Tyl jännite ja kondensaattorin jännite.

Erityisesti tyristorin virran nousunopeuden tarkastelua vaikeutti oskilloskoopin alhainen rajataajuus.

Järjestelmän käyttäytymistä koneen generaattori-

I

>

ylempi i „ Ty1

x : 10 A/cm у : 0,2ms /cm

al emui u Ty1

x : 10 v/cm у : O,2ms/cm

ylempi V/ cm

ms/cm (Jarrukäyttö)

alueella tutkittiin pelkästään kvalitatiivisesti. Tutkit­

tavaa konetta pyöritettiin vaakakoneella ja piirin toimin­

taa tarkasteltiin oskilloskoopilla. Kuvassa nähdään tyris­

torin virta ja jännite, kun koneen pyörimisnopeus on yli- synkroninen (n = 1510 kierr/min). Kuvasta käy ilmi, että piiri toimii normaalisti ainoastaan apujännitteen positii­

visten puoli jakso jen aikana. Apujännitteen ollessa nolla jää tyristori Tyl johtamaan jatkuvasti, koska liukurenkail­

le indusoitunut jännite on liian pieni, jotta kondensaatto­

ri saisi sammuttamista varten riittävän jännitteen. G-ene- raattorialuetta tutkittaessa annettiin koneen pyöriä pitkiä aikoja synkronisella nopeudella. Kun nopeuden annettiin sitten saada sekä yli- että alisynkronisia nopeuksia, pii­

rin toiminta jatkui jälleen normaalina. Näissä kokeissa tutkittiin myös vastuksen säätyvyyttä ja voitiin todeta, että säätäminen oli täysin mahdollista myös synkronipistet­

tä lähellä olevilla nopeuksilla koneen toimiessa generaat­

torina.

Kuoimittavan momentin arvo voitiin lukea suoraan vaakakoneeseen kiinnitetyn vaa'an asteikolta. Lukemista haittasi kuitenkin ajoittain esiintyneet värähtelyt. Koneen pyörimisnopeus mitattiin takometrillä, jonka lukemisessa esiintyi vastaavanlaisia vaikeuksia. Ajat T2 ja T mitattiin oskilloskoopin kuvapinnalta. Mainituista syistä johtuen ei tuloksia voida pitää ehdottoman tarkkoina, vaan ainoastaan tulosten suuruusluokkaa ilmoittavina kvalitatiivisina tie­

toina.

Kuva 18

Puissiohjattujen vastusten sarjakytken tä

8. TULOSTEN TARKASTELUA

8.1 Säätö aluetta rajoittavat teki jät

Valitsemalla piirin osien arvot sopivasti voidaan saavuttaa haluttu säätöalue. Tätä rajoittavat pääasiassa tyristorien sallitut arvot. Saavutettava maksimimomentti määräytyy suoraan tyristorille Tyl sallitun virran tehol- lisarvon mukaan. Liukur en gaskon e en toimintaa ja säädettä- vyyttä tarkasteltaessa todettiin, että momentti on suoraan verrannollinen roottorivirtaan. Ottamalla huomioon tasa­

suuntaajan vaikutus sekä kondensaattorin latausvirtapulssin vaikutus tyristorin Tyl virtaan, voidaan johtaa lauseke

Mmax

o,6 hzisM

12N

(57)

Pienimmäksi seisoessa saavutettavaksi momentiksi voidaan osoittaa kaavan (13) perusteella

Mmm M.N

sM (l + —

N R

R 20

(58)

Valitsemalla vastus R riittävän suureksi, voidaan saavuttaa haluttu pienin momentti. Vastuksen suurentaminen asettaa kuitenkin tyristoreille suurempia vaatimuksia jän- nitekestoisuuden suhteen. Tekemällä vastuksesta useampipor-

tainen kuvan 18 mukaisesti, voidaan käyttää pienempi jännit­

teisiä tyristoreita. Portaat pyritään tekemään yhtäsuurik-

si, /9/.

i

nopeuden oloarvon tasasuuntaajan

tasasuuntaa-

muuntaja

pulssi ohi ai­

vastus

sytytin шах

Kuva 19

Liuku rengaskon een noneudensää dön suljettu säätöjärjestelmä