 |
НИЗКОВОЛЬТНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
ПРЕИМУЩЕСТВА ТИРИСТОРНЫХ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ
Анатолий Загорский, д.т.н., профессор, заведующий отделом машинно-вентильных систем, энерго- и ресурсосберегающих технологий
Зоя Захарова, к.т.н., заведующий сектором автономных систем электроснабжения и нетрадиционных источников энергии
Игорь Пар, к.т.н., ведущий научный сотрудник
ОАО «ВНИИЭ», г. Москва
В последние годы большое распространение во всем мире получают тиристорные пусковые устройства, или, как их ещё называют, устройства плавного пуска, предназначенные для управления пусковыми режимами и режимами останова трехфазных низковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Эти устройства обеспечивают управляемые функции: безударный пуск с наиболее благоприятным для приводного механизма режимом, режим останова, защиту от анормальных режимов и диагностику как при пуске, так и в рабочем режиме. О принципах работы тиристорных пусковых устройств, их характеристиках, областях применения рассказывают наши московские авторы.
Схема
На рис. 1 приведены типичные кривые изменения пускового тока (рис.1а) и пускового момента (рис. 1б) при прямом пуске (кривые 1), при пуске переключением со звезды на треугольник (кривые 2) и при применении тиристорного пускового устройства (ТПУ) (кривые 3). Анализ показывает, что применение управляемого пуска позволяет существенно уменьшить вредные динамические воздействия на двигатель и приводной механизм и, следовательно, увеличить срок службы электропривода. Если не требуется регулировать частоту вращения приводного механизма, то применение ТПУ позволяет с минимальными затратами решить все проблемы, связанные с обеспечением управляемого пуска и останова двигателя.
Несмотря на большое разнообразие устройств рассматриваемого класса, можно констатировать, что на сегодняшний день подавляющее большинство устройств мощностью от 1 до 400 кВт на напряжение до 660 В строятся по одной и той же схеме силовой части, известной с конца 20-х годов прошлого века, и обладают некоторым стандартным набором функций.
Эта схема представляет собой тиристорный регулятор напряжения с фазовым управлением, представленный на рис. 2а. Между силовой питающей сетью и асинхронным двигателем установлены 6 полупроводниковых управляемых вентилей (тиристоров), импульсы управления которыми формируются специальной системой управления. Изменение угла управления тиристорами приводит к изменению действующего значения напряжения на выходе ТПУ и соответственно к изменению частоты вращения приводного двигателя.
Формируя требуемые характеристики процесса нарастания напряжения при пуске и процесса уменьшения напряжения при останове, можно формировать требуемые показатели кривых разгона (пуска) и останова приводного двигателя. Выпускаются подобные устройства и в реверсивном исполнении, которое отличается наличием дополнительных вентилей, обеспечивающих изменение направления вращения (рис. 2б).
Теория работы таких устройств достаточно подробно описана в литературе [1, 2, 3]. Там же сформулированы требования к их системе управления. Развитие микроэлектроники привело к тому, что в настоящее время ядро системы управления выполняется, как правило, на микроконтроллере, что позволяет реализовывать алгоритмы управления двигателем практически любой степени сложности и обеспечивать выполнение любых требуемых функций.
Сравнение выполняемых функций устройств различных производителей позволяет сказать, что подавляющее большинство устройств реализует следующие основные функции:
- управление пусковым режимом;
- управление режимом останова;
- управление рабочим режимом;
- защитные функции;
- вспомогательные функции;
- интерфейс между устройством и оператором;
- интерфейс между устройством и управляющим элементомверхнего уровня.
Рис. 1. Типичные кривые изменения пускового тока и пускового момента
Кривые 1 – при прямом пуске,
кривые 2 – при пуске переключением со звезды на треугольник,
кривые 3 – при применении ТПУ
а)
б)
Рис. 2. Тиристорный регулятор напряжения/em>
а)
б)
Рис. 3.
Кривые изменения напряжения на двигателе в режиме пуска:
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон
Рис. 4.
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон
Рис. 5.
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Основная задача, решаемая при пуске, – получение плавного нарастания тока, момента и частоты вращения двигателя. При использовании ТПУ она обеспечивается плавным нарастанием напряжения на двигателе, изменяющегося по выбранному закону. На рис. 3 приведены типичные кривые изменения напряжения на двигателе в режиме пуска. ТПУ позволяет начать пуск двигателя не при нулевом, а при некотором начальном моменте, величина которого задается уровнем начального напряжения (U1 на рис. 3).
Для механизмов с фрикционным характером нагрузки может применяться пуск с одним или несколькими начальными импульсами тока (так называемый «кик-старт») (рис. 4), применение которого позволяет устранить проскальзывание шкивов и фрикционов.
При ограничениях по мощности силовой питающей сети ТПУ может работать в режиме ограничения (стабилизации) пускового тока, величина которого выбирается из условий создания момента, достаточного для приведения механизма во вращение, с одной стороны, и исключения недопустимой перегрузки питающей сети – с другой.
Регулирование напряжения при останове позволяет так же, как и при пуске сформировать требуемые динамические характеристики привода. Плавное уменьшение напряжения на двигателе (кривая 1 на рис. 5) исключает возникновение опасных перенапряжений и, как следствие, приводит к большему сроку службы изоляции по сравнению с отключением контактной аппаратурой. При использовании ТПУ для привода насосного оборудования применение специального алгоритма торможения двигателя (кривая 2 на рис. 5) позволяет исключить обратный гидродинамический удар и удар обратного клапана. В ряде устройств реализовано торможение двигателя постоянным током, а при реверсивном исполнении – торможение противовключением по специальному алгоритму.
По окончании процесса пуска тиристоры переводятся в режим постоянного включения или могут шунтироваться специальным контактором (на рис. 2 – контакты 1К, 2К, 3К), который подключает двигатель напрямую к сети. Применение шунтирующего контактора позволяет повысить КПД устройства, увеличить срок службы тиристоров и исключить влияние полупроводниковых элементов на сеть.
Некоторые производители рекламируют наличие в ТПУ режима энергосбережения, хотя только некоторые из них её действительно имеют. В соответствии с алгоритмом, принятым изготовителем, ТПУ в зависимости от нагрузки двигателя и режима работы электропривода регулирует напряжение на двигателе, минимизируя потребление электродвигателем активной и реактивной мощностей [4]. Как показала практика, установка ТПУ с функцией энергосбережения на механизмах с переменной нагрузкой на валу позволяет сократить на некоторых механизмах (ленточные машины, фрезерные станки) потребление активной энергии до 15%, реактивной энергии – до 30–50%. При этом следует учитывать, что включение этой функции для асинхронных двигателей (АД) мощностью более 20–30 кВт не приносит существенной экономии, а в некоторых случаях может вызвать и увеличение потребления за счет несинусоидальности кривых напряжения и тока на двигателе [4].
ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ
Дополнительно к функциям управления пусковыми режимами и режимами останова, ТПУ снабжаются функциями защиты АД и защиты ТПУ от аварийных режимов. К стандартным функциям относятся:
- защита от короткого замыкания на выходе ТПУ;
- защита от заклинивания вала двигателя при пуске;
- защита от перегрузки по току в рабочем режиме;
- защита от недопустимого снижения напряжения на входе ТПУ;
- защита от недопустимого повышения напряжения на входе ТПУ;
- защита от обрыва фаз;
- защита от невключения шунтирующего контактора (при наличии);
- защита от несимметрии входного напряжения;
- защита от обратного чередования фаз на входе;
- тепловая защита двигателя;
- защита от пробоя силового тиристора;
- защита при потере управляемости тиристора.
Тепловая защита двигателя предполагает наличие встроенного в обмотку двигателя датчика температуры, а в системе управления предусматривается только наличие соответствующего входа и системы обработки. При отсутствии такого датчика осуществляется так называемая косвенная тепловая защита, которая основывается на той или иной тепловой модели двигателя, закладываемой изготовителем в программное обеспечение микроконтроллера.
Кроме рассмотренных функций, некоторые изготовители закладывают в ТПУ датчики сопротивления изоляции и возможность сушки обмотки постоянным или переменным током.
Система управления
Интерфейсная часть системы управления содержит, как правило, две части: интерфейс оператора и интерфейс оборудования.
Интерфейс оператора выполняется обычно на основе жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и клавиатуры, расположенных на лицевой панели устройства. С помощью ЖКИ и клавиатуры производится программирование устройства и на ЖКИ выводится информация о режимах работы устройства. Ряд изготовителей недорогих устройств малой мощности реализует интерфейс оператора на основе светодиодной индикации и микропереключателей (устанавливаемых перемычек).
Интерфейс оборудования предполагает развитую систему ввода управляющих сигналов и вывода сигналов о состоянии устройства. Так, команды «пуск/стоп» могут приниматься в виде уровней напряжения, унифицированных токовых сигналов или сигналов типа «сухой контакт». Последние модели устройств содержат в своем составе последовательные каналы связи на основе шин RS-232, RS-432, CAN, через которые может производиться как программирование устройства, так и задание команд пуска/останова и считывание информации о режиме работы. Общее количество входных, выходных сигналов может достигать 15–20 каналов.
Производители
В настоящее время ТПУ выпускают такие мировые производители, как ABB, Siemens, Emotron AB, Softronic, Telemecanique, Ansaldo и ряд других. Выпуск ТПУ освоили и российские фирмы.
Большинство фирм выпускает ТПУ в виде моноблока, в котором размещаются силовая часть, система управления и вспомогательные элементы. Следует отметить, что большинство зарубежных устройств не имеют в своем составе шунтирующего контактора, а в системе управления предусматриваются только элементы управления внешним контактором.
В качестве примера отечественного ТПУ можно привести ТПУ4К на мощности 55–160 кВт [5]. Оно построено по классической схеме, имеет встроенный шунтирующий контактор и использует в качестве ядра системы управления микроконтроллер производства Atmel. Интерфейс оператора комбинированный, включающий в себя ЖКИ, подключаемую на время ввода параметров клавиатуру и ряд потенциометров, задающих величины токовых уставок для различных режимов работы. ТПУ имеет следующие функции защиты: от установившегося короткого замыкания на выходе ТПУ; от заклинивания вала двигателя при пуске; от перегрузки по току в рабочем режиме; от обрыва фаз; от невключения шунтирующего контактора; тепловая защита двигателя.
При срабатывании любой защиты ТПУ отрабатывает процедуру останова двигателя в соответствии с алгоритмом, оптимизированным для конкретного вида привода. ТПУ выполнен инвариантным по отношению к чередованию фаз на входе, поэтому не нуждается в защите от неправильной фазировки питающей сети. Из сервисных функций следует отметить наличие выхода, сигнализирующего о безаварийном окончании процесса пуска.
Большое разнообразие пусковых устройств различных производителей, имеющих примерно одинаковые технические характеристики, заставляет потребителей обращать внимание на стоимостные, эксплуатационные и «пользовательские» характеристики.
Примечателен тот факт, что изделия отечественных производителей существенно дешевле, чем зарубежные. Кроме того, некоторые отечественные производители, в отличие от иностранных, в цену устройства закладывают затраты на ввод в эксплуатацию, адаптацию изделия к конкретному приводу и оптимизацию его характеристик применительно к конкретному механизму. Наличие микроконтроллера позволяет отдельным отечественным производителям оперативно адаптировать алгоритмы и параметры под требования конкретного заказчика и конкретного вида привода, в то время как представители западных компаний таких услуг не предоставляют.
Сферы применения
Практически невозможно определить отрасль промышленности, в которой бы не нашли применение ТПУ.
Так, в технологическом оборудовании, служащем для обработки волокнистых материалов (ленточные, ровничные, прядильные, чесальные машины и т.д.), применение плавного пуска без управления торможением позволяет резко снизить обрывность нити и тем самым улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выпуск за счет сокращения расхода сырья и материалов.
В деревообрабатывающем производстве ТПУ находят применение как на приводах конвейеров для исключения динамических ударов транспортирующего элемента, так и в прессовом производстве, где происходит частое включение насоса, создающего давление (цикл прессования 5–7 мин.).
При работе двигателя с механизмами, работающими на линию с противодавлением, в свою очередь очень важно притормозить двигатель при его останове. Например, использование плавного пуска и торможения у насосных агрегатов позволяет избавиться от гидравлических ударов в трубопроводе и быстрого выхода из строя обратных клапанов, у ленточных транспортеров – от обрыва ленты, у подъемников – повысить комфортность перевозки людей.
Таким образом, применение ТПУ позволяет:
- устранить ударные токи в питающей сети и АД при его пуске;
- снизить пусковые токи в АД;
- устранить механические ударные воздействия как на АД, так и на приводной механизм;
- уменьшить тепловые воздействия на АД;
- снять перенапряжения при останове АД;
- сократить время поиска неисправности;
- повысить надежность эксплуатации и срок службы АД.
Литература
1. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. – М.: Энергия, 1972.
2. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. – М.: Энергоиздат, 1981.
3. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Пар И.Т., Захарова З.А. Энергосберегающие микропроцессорные регуляторы напряжения для асинхронного привода. Электротехническая промышленность. Сер. 08. Электропривод: Обзор. информ. 1990. Вып. 28. – М.: Информэлектро,1990.
5. www.vniie.ru
| 
|
