Способ мягкого управления асинхронной электрической машиной

 

Изобретение относится к электроприводу на основе асинхронных электрических машин и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. Технический результат заключается в компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронной электрической машиной из питающей сети, повышения коэффициента мощности установки, уменьшения потерь электрической энергии, повышения пропускной способности системы электроснабжения по активной мощности и улучшения качества электроэнергии в питающей сети на время пуска, последующего рабочего режима и останова. Для этого в цепь с асинхронной электрической машиной, последовательно соединенной с антипараллельными полупроводниковыми элементами, управляемыми путем подачи на управляющие электроды импульсов управления и их движения в области положительных полуволн напряжения на каждом из полупроводниковых элементов, включают емкостное сопротивление, причем движение импульсов управления полупроводниковыми элементами осуществляют в диапазоне, расширенном в сторону опережения на угол где и R_э - включаемое эквивалентное емкостное и эквивалентное активное сопротивление асинхронной машины. При пуске асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону снижения углов включения управляемых полупроводниковых элементов, а при останове асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону возрастания углов включения управляемых полупроводниковых элементов. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электроприводу и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, использующих асинхронные электрические машины.

Известен способ управления асинхронной электрической машиной, в котором осуществляются ее прямой пуск путем непосредственного подключения к питающей сети переменного тока, неуправляемая работа в рабочем режиме и прямой останов путем непосредственного отключения машины от питающей сети.

Недостатками такого способа управления являются: - высокий уровень пускового тока, достигающий 10-кратных значений по сравнению с номинальной величиной, что требует повышенных мощностей трансформаторных подстанций и кабельных линий; - перегрев электрического двигателя и сокращение его сроков службы; - преждевременный выход из строя технологических механизмов и отсутствие регулирования технологического процесса; - повышенное потребление электроэнергии технологическими установками за счет вынужденного завышения установленной мощности двигателей, сокращения повторно-кратковременных режимов и замены их на непрерывные режимы работы и т.п.; - повышенное потребление реактивной мощности, приводящее к дополнительным потерям электрической энергии, снижению коэффициента мощности, уменьшению пропускной способности питающих линий по активной мощности и ухудшению качества электрической энергии (колебания и отклонения напряжения) в сети [1].

Известен способ управления асинхронной электрической машиной, в котором путем подачи на управляющие электроды последовательно включенных антипараллельных тиристоров управляющих импульсов и их движения в области положительных полуволн напряжения на каждом из тиристоров обеспечиваются мягкие пуск, останов и регулирование рабочего режима машины. В данном способе снимаются проблемы пускового тока и связанных с ним повышения мощностей трансформаторных подстанций и кабельных линий, перегрева и сокращения срока службы двигателя. Применение данного способа позволяет не завышать установленную мощность электрической машины, широко использовать повторно-кратковременные режимы вместо вынужденных непрерывных и за счет этого снижать потребляемую электрическую энергию. Плавный пуск и останов машины, а также необходимое управление в рабочем режиме предотвращают преждевременный выход из строя технологических механизмов и повышают качество технологического процесса [2].

К недостаткам такого способа, выбранного в качестве ближайшего аналога, следует отнести то, что он не устраняет значительное потребление электрической машиной реактивной мощности, а следовательно, и не решает проблем повышения коэффициента мощности установки, снижения потерь электрической энергии от протекания реактивной мощности, повышения пропускной способности питающих линий по активной мощности и улучшения качества электрической энергии в питающей сети.

Изобретение решает задачу компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронной электрической машиной из питающей сети, что обеспечивает повышение коэффициента мощности установки, существенно уменьшает потери электрической энергии, повышает пропускную способность системы электроснабжения по активной мощности, улучшает качество электроэнергии в питающей сети за счет поддержания напряжения на необходимом уровне. Для этого на время пуска, последующего рабочего режима и останова в цепь с асинхронной электрической машиной, последовательно соединенной с антипараллельными полупроводниковыми элементами, управляемыми путем подачи на управляющие электроды импульсов управления и их движения в области положительных полуволн напряжения на каждом из полупроводниковых элементов, включают емкостное сопротивление, причем движение импульсов управления полупроводниковыми элементами осуществляют в диапазоне, расширенном в сторону опережения на угол где и R_э - включаемое эквивалентное емкостное и эквивалентное активное сопротивление асинхронной машины. Емкостное сопротивление включают либо последовательно с асинхронной машиной, либо параллельно, либо последовательно-параллельно. Причем при пуске асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону снижения углов включения управляемых полупроводниковых элементов, а при останове асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону возрастания углов включения управляемых полупроводниковых элементов.

На фиг.1 представлена принципиальная схема одного из возможных вариантов включения асинхронной электрической машины, в которой реализован предлагаемый способ управления. Схема содержит трехфазный тиристорный ключ 1 и трехфазную конденсаторную батарею 2, образующие трехфазный тиристорный ключ 3 с одноступенчатой искусственной коммутацией, а также асинхронную электрическую машину 4. Для пояснения сути предлагаемого способа на фиг.2 и 3 приведены временные диаграммы мягкого пуска и зависимости углов управления и выключения тиристоров от номера полупериода питающей сети при линейном законе управления в случае однофазной активно-индуктивной (RL) нагрузки с углом сдвига фаз + 30 эл.град. На фиг.4 и 5 показаны те же зависимости для случая компенсированной активно-индуктивной (RLC) нагрузки с углом сдвига фаз - 20 эл. град. Ток и напряжения на временных диаграммах приведены в относительных величинах, причем в качестве базисных приняты соответствующие действующие значения при полностью открытом тиристорном ключе.

Способ мягкого управления асинхронной электрической машиной реализуется следующим образом. При положительном напряжении на тиристорном ключе и наличии управляющего импульса ток проводит прямой тиристор. При отрицательном напряжении и также при наличии управляющего импульса работает обратный тиристор. При уменьшении угла управления тиристоров от 180 эл. град. (т.е. при движении импульсов управления влево), как показано на фиг.2 и 4, осуществляется ее мягкий пуск. При неподвижных импульсах управления или при их некотором движении в области с практически открытым ключом обеспечивается необходимый рабочий режим нагрузки. При движении импульсов управления вправо имеет место мягкий останов нагрузки. В случае RL-нагрузки напряжение на тиристорном ключе определяется только напряжением питающей сети. Поэтому угол включения тиристоров не может быть меньше, чем угол сдвига фаз нагрузки, а угол выключения не может быть меньше 180 эл.град (фиг.3). В результате в рабочем режиме кривая тока нагрузки, а следовательно, и сети отстает от напряжения (фиг.2), т.е. цепь с тиристорным ключом и нагрузкой является потребителем реактивной мощности.

Иная картина имеет место при включении в указанную цепь емкостного сопротивления (фиг.4). Теперь напряжение на тиристорном ключе дополнительно определяется напряжением на емкости, которое обеспечивает возможность осуществления опережающей одноступенчатой искусственной коммутации тиристоров (напряжение на тиристорном ключе меняет знак раньше точки перехода напряжения питающей сети через нулевое значение). В результате при расширении диапазона движения импульсов управления тиристоров в сторону опережения на угол

где и R_э - включаемое эквивалентное емкостное и эквивалентное активное сопротивление асинхронной машины, обеспечивается возможность работы цепи с углами управления, равными нулю, и углами выключения, равными 180 эл. град. В этом случае в рабочем режиме кривая тока нагрузки и сети совпадает по фазе с напряжением нагрузки, а цепь не потребляет реактивной мощности. При необходимости обеспечивается работа цепи с отрицательными углами управления и меньшими чем 180 эл.град. углами выключения тиристоров (фиг.5). В этом случае цепь одновременно с выполнением основной технологической функции генерирует реактивную мощность в питающую сеть, т.е. покрывает потребности сети по реактивной мощности.

Подобные процессы имеют место и в цепи с асинхронной машиной (фиг.1). Трехфазный тиристорный ключ 1 и трехфазная конденсаторная батарея 2, образующие трехфазный тиристорный ключ 3 с одноступенчатой искусственной коммутацией, аналогичным путем снижают потребление или обеспечивают генерирование реактивной мощности в питающую сеть цепью с асинхронной машиной 4. Асинхронная машина с ключом 3 по возможности компенсации реактивной мощности приближается к синхронной машине, сохраняя присущие преимущества асинхронных машин.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа мягкого управления асинхронной электрической машиной связан с высокоэкономичным решением проблемы компенсации реактивной мощности, потребляемой асинхронными электрическими машинами из питающей сети, что обеспечивает повышение коэффициента мощности установок, существенно уменьшает потери электрической энергии, повышает пропускную способность систем электроснабжения по активной мощности, улучшает качество электроэнергии в питающей сети за счет поддержания напряжения на необходимом уровне. Особое народнохозяйственное значение предложения определяется тем, что порядка 60% вырабатываемой электрической энергии потребляется с использованием асинхронных машин.

Источники информации
1. Переходные процессы в системах электроснабжения / В.Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.И. Несен и др. - Киев: Выща школа, 1989. - 424 с.

2. Тиристорный преобразователь для плавного пуска асинхронных электродвигателей // Материалы докладов 2-го Международного симпозиума по энергетике, окружающей среде и экономике (ЭЭЭ-2). - Казань: КФ МЭИ, 1998, т. 1, с. 92-95.

Формула изобретения

1. Способ мягкого управления асинхронной электрической машиной, последовательно соединенной с антипараллельными полупроводниковыми элементами, управляемыми путем подачи на управляющие электроды импульсов управления и их движения в области положительных полуволн напряжения на каждом из полупроводниковых элементов, отличающийся тем, что на время пуска, последующего рабочего режима и останова в цепь с асинхронной электрической машиной включают емкостное сопротивление, причем движение импульсов управления полупроводниковыми элементами осуществляют в диапазоне, расширенном в сторону опережения на угол

где и R_э - включаемое эквивалентное емкостное и эквивалентное активное сопротивление асинхронной машины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкостное сопротивление включают последовательно с асинхронной машиной.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкостное сопротивление включают параллельно с асинхронной машиной.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что емкостное сопротивление включают последовательно-параллельно с асинхронной машиной.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при пуске асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону снижения углов включения управляемых полупроводниковых элементов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при останове асинхронной машины движение импульсов управления осуществляют в сторону возрастания углов включения управляемых полупроводниковых элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5