Способ ограничения пускового тока асинхронного двигателя

Изобретение относится к силовой электронике. Технический результат заключается в формировании реактивной составляющей тока компенсатора. Для этого способ состоит в компенсации реактивной составляющей этого тока с помощью параллельно подключенного компенсационного преобразователя, выполненного по трехфазной мостовой схеме на двухоперационных вентилях с накопительным дросселем в качестве нагрузки. Полагается, что управление вентилями моста осуществляется вертикальным методом с двукратным включением на каждом периоде сети, обеспечивающим двухкоординатное независимое регулирование величины тока преобразователя и его фазового сдвига относительно напряжения. Для осуществления пропорционального регулирования указанными координатами получены математические выражения характеристик функционального построителя на входе системы импульсно-фазового управления вентилями. 2 ил.

 

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к полупроводниковым компенсаторам реактивной мощности, одно из применений которых может состоять в уменьшении сетевого тока при пуске асинхронных короткозамкнутых электродвигателей путем исключения из состава этого тока реактивной составляющей.

Известно, что прямой пуск асинхронных двигателей (АД) сопровождается кратковременным броском тока статорных обмоток, многократно превышающим номинальный уровень. Данная особенность создает значительные трудности эксплуатации АД, так как приводит к просадкам сетевого напряжения, нарушающим нормальный режим энергоснабжения привода и других потребителей электроэнергии. Ограничение пускового тока АД тривиальными методами в большинстве случаев неприемлемо, так как происходящее уменьшение активной составляющей тока статорных обмоток ведет к уменьшению пускового момента, перегрузочной способности, энергетических показателей и быстродействия привода. В этих условиях едва ли не единственную возможность уменьшения сетевого тока на входе АД предоставляет метод параллельной компенсации реактивной мощности, суть которого, как известно, состоит в том, что потребность двигателя в реактивной мощности обеспечивается не сетью, а параллельно подключенным компенсатором, что ведет к уменьшению полного тока сети, то есть к разгрузке сети от реактивной составляющей тока АД. Получившие известность пускокомпенсирующие устройства асинхронных электроприводов выполняются на основе дискретно переключаемых конденсаторных батарей (см., например, Джендубаев А.З-Р. "Конденсаторное ограничение пускового тока асинхронного короткозамкнутого двигателя." - Известия РАН. Энергетика, №5, 2001 г., с.144-149).

Однако использование устройств подобного рода в динамических режимах затруднено в связи с невозможностью плавного регулирования реактивной мощности. Попытки проведения с их помощью так называемого многоступенчатого пуска АД сопровождаются, как отмечено в указанной работе, появлением резонансных режимов, перенапряжений и т.п. В этой связи более эффективными могут оказаться управляемые полупроводниковые компенсаторы, из общего числа которых наиболее энергоемкими и простыми следует признать компенсационные преобразователи (КП). Данные устройства выполняются, как правило, по трехфазной мостовой схеме выпрямления, которая зажимами переменного тока присоединяется к статорным обмоткам АД, а в цепи постоянного тока содержит индуктивный элемент в виде накопительного дросселя. Элементной базой данных преобразователей служат двухоперационные вентили, например транзисторные IGВТ-модули с последовательно соединенными для блокирования обратного напряжения диодами. Включение двухоперационных вентилей в диапазоне опережающих углов управления α ≤ 0 приводит к появлению на сетевом входе КП реактивного тока емкостного характера прямоугольной формы, основная гармоника которого имеет опережающий фазовый сдвиг относительно сетевого напряжения ϕ ₁≤0. Действующее значение реактивной составляющей этого тока I_КР отыскивается в виде произведения двух координат: i_К1 - действующего значения основной гармоники тока и sinϕ ₁ - фазового параметра, тригонометрически зависящего от фазового сдвига основной гармоники тока относительно напряжения, согласно выражению

Задача параллельной компенсации состоит в формировании реактивной составляющей тока компенсатора, которая бы при равенстве амплитуд находилась в противофазе к реактивной составляющей тока статорных обмоток АД

что может быть достигнуто методом автоматического управления указанными координатами, обеспечивающим раздельное поддержание равенств

Однако при обычном импульсно-фазовом управлении вентилями подобное двухкоординатное регулирование невозможно, так как при изменении угла управления α одновременно изменяются оба указанных токовых параметра. Кроме того, режим короткого замыкания, в котором фактически работает компенсационный выпрямитель, существенно ограничивает диапазон возможного отклонения угла управления от его начального значения α =-π /2. Возможность раздельного независимого регулирования тока и его фазы на сетевом входе КП в широком диапазоне появляется при двукратном включении вентилей за период сетевого напряжения (см., например, А.С. №436430). Наиболее близкое техническое решение содержится в изобретении (см. "Способ управления мощностью на сетевом входе трехфазного вентильного преобразователя."// С.Н.Сидоров. Патент РФ №2167484. Опубл. в БИ №14, 2001 г.). Данный способ обеспечивает автономное пропорциональное регулирование активной и реактивной составляющих тока на сетевом входе трехфазного мостового преобразователя при двукратном включении каждой пары вентилей моста на периоде сети, когда первое включение осуществляется с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого линейного напряжения углом управления а второе включение - с опережающим относительно указанного момента углом управления, по модулю равным и одновременным запиранием ранее работающих вентилей, на основе вертикального принципа путем включения вентилей в моменты равенства управляющих сигналов: - при первом включении и - при втором включении и периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов косинусоидальной формы с вершинами, совпадающими с указанными точками отсчета углов управления.

Как отмечалось в (3), для решения задачи компенсации линейными методами теории автоматического регулирования необходимо иметь возможность пропорционального регулирования величины тока и его фазового параметра на выходе компенсатора. Для этого предлагается использовать задающие сигналы, относительные значения которых пропорциональны указанным координатам: - сигнал задания амплитудного значения тока компенсатора, - сигнал задания фазы тока компенсатора. Для получения пропорциональной зависимости между задающими сигналами и указанными координатами реактивного тока компенсатора данные сигналы должны быть поданы на входы функционального построителя (ФП), на выходах которого формируются сигналы управления первым и вторым включениями вентиля на периоде сети. Точные уравнения характеристик "вход-выход" ФП имеют следующий вид:

Данные исходные зависимости достаточно сложны, поэтому на практике их можно аппроксимировать, а графики характеристик ФП подвергнуть интерполяции, что упростит реализацию ФП аппаратным или программным способом.

На фиг.1 представлены временные диаграммы выпрямленного напряжения U_d(v), а также напряжения U_a(v) и тока i_a(v) фазы А на сетевом входе компенсационного преобразователя, иллюстрирующие его работу с двукратным включением каждой пары вентилей моста на периоде сетевого напряжения; на фиг.2 изображена схема устройства ограничения пускового тока АД.

При рассмотрении принципа работы устройства будем исходить из преодположения, что напряжение в сети сохраняет синусоидальную форму, а в цепи нагрузки КП протекает идеально сглаженный выпрямленный ток Id=const.

Согласно диаграммам фиг.1, работа КП при выбранном способе управления сопровождается чередованием следующих пар включаемых вентилей на периоде сети: 1,6; 4,3; 1,2; 5,4; 3,2; 5,6; 3,4; 1,6; 5,4; 1,2; 5,6; 3,2. Видно, что работа каждой пары происходит на периоде дважды, например включение вентилей 1, 2 происходит первый раз в момент v₁ с отстающим относительно начала положительной полуволны линейного напряжения U_ac на их анодах (относительно точки естественной коммутации вентиля 1 фазы А) углом управления α ₁≥0, а второй раз в момент v₂ - с опережающим относительно указанной точки углом управления α ₂≤0. При этом выпрямленное напряжение на каждом периоде пульсаций π /3 формируется из участков противофазных линейных напряжений сети U_ac U_ca, кратковременно переводящих преобразователь из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. На этом же чертеже изображены кривые напряжения U_a(v) и тока i_a(v) фазы А на сетевом входе моста. Можно видеть, что соответствующим изменением углов управления α ₁, α ₂ можно осуществлять независимое регулирование средневыпрямленного напряжения, а значит, и тока на сетевом входе преобразователя - с одной стороны, а также фазового сдвига ϕ ₁ основной гармоники фазного тока i_a1(v) относительно фазного напряжения U_a(v) - с другой стороны. Последнее означает возможность автономного двухкоординатного управления реактивным током компенсационного преобразователя, существенно расширяющим диапазон его плавного регулирования за счет амплитуды или фазового сдвига.

Представленные диаграммы тока помогают получить аналитические зависимости для организации двухкоординатного импульсно-фазового регулирования КП. Осуществляя разложение кривой тока i_a(v) в ряд Фурье, запишем выражения для косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом ряда

Выражения представлены в системе относительных единиц с базовым значением что дает возможность записать расчетные зависимости для действующего значения основной гармоники тока на сетевом входе КП

фазового сдвига этой гармоники относительно сетевого фазного напряжения

а также активной и реактивной составляющих этого тока

После подстановки (6) в (7), (8), (9) реактивная и активная составляющие фазного тока на сетевом входе КП выразятся

Вводя понятия задающих сигналов для осуществления пропорционального регулирования тока на сетевом входе КП и его фазового параметра

запишем закон автономного двухкоординатного регулирования компенсационным преобразователе в следующем виде:

Решая данную систему относительно одной из тригонометрических функций, получим

Данное уравнение позволяет, задаваясь величинами найти требуемый угол управления вентилями α ₁ при каждом первом включении на периоде сети. Практическая реализация импульсно-фазового управления вентилями осуществляется, как правило, на основе так называемого вертикального принципа. Рассматривая выражение (12) как уравнение точки встречи двух сигналов: управляющего сигнала и представленного слева опорного периодического сигнала косинусоидальной формы с вершиной косинусоиды, совпадающей с точкой перехода вступающего в работу линейного напряжения сети через нуль, запишем уравнение регулировочной характеристики системы импульсно-фазового управления вентилями относительно первого входа

Аналогичным образом отыскивается уравнение точки встречи управляющего и опорного сигналов при втором включении вентилей на периоде

Принимая правую часть (14) за управляющий сигнал на втором входе системы импульсно-фазового управления а левую часть - в качестве периодического опорного сигнала косинусоидальной формы, выражение регулировочной характеристики этой системы относительно второго управляющего входа запишется

Изображенный на фиг.2 компенсационный преобразователь выполнен по трехфазной мостовой схеме выпрямления на транзисторных ключах 1-6, которая зажимами переменного тока подключена в параллель статорным обмоткам асинхронного двигателя 7, а в цепи постоянного тока содержит накопительный дроссель 8. Устройство управления содержит блок задания 9, который на основе информации о токе статорных обмоток АД вырабатывает входные сигналы, а также блок обратных связей 10, аналогичным образом согласно (9) вырабатывающий сигналы, пропорциональные параметрам тока на сетевом входе КП. Полученные в результате сравнения входных сигналов и сигналов обратных связей задающие сигналы поступают на вход функционального построителя 11. На выходах функционального построителя формируются согласно выражениям (4), (5) управляющие сигналы которые подаются далее на первый и второй входы системы импульсно-фазового управления 12. При надлежащем выполнении и настройке данное устройство может служить для ограничения пускового тока АД в соответствии с предлагаемым техническим решением.

Способ ограничения пускового тока асинхронного двигателя путем компенсации реактивной составляющей этого тока с помощью параллельно подключенного к статорным обмоткам компенсационного преобразователя, выполненного по трехфазной мостовой схеме выпрямления с применением двухоперационных вентилей с накопительным дросселем в цепи нагрузки при управлении с двухкратным включением каждой пары вентилей моста на периоде сети, когда первое включение осуществляют с отстающим относительно начала положительной полуволны линейного напряжения углом управления а второе включение - с опережающим относительно указанного момента углом управления, по модулю равным и одновременным запиранием ранее работавших вентилей, на основе вертикального принципа путем включения вентилей в моменты равенства управляющих сигналов и периодически изменяющихся синхронно с сетевым напряжением опорных сигналов косинусоидальной формы с вершинами, совпадающими с указанными точками отсчета углов управления, при условии сохранения синусоидальности сетевого напряжения и сглаженной формы тока на выходе компенсационного преобразователя, отличающийся тем, что, формирование реактивной составляющей основной гармоники тока на сетевом входе компенсационного преобразователя в противофазе к реактивной составляющей тока статорных обмоток двигателя осуществляют с помощью двух задающих сигналов на входе функционального построителя, один из которых пропорционален действующему значению основной гармоники фазного тока компенсационного преобразователя а другой пропорционален синусу фазового угла между указанной гармоникой тока и сетевым напряжением при этом на выходе функционального построителя получают управляющие сигналы для последующей подачи их на входы системы импульсно-фазового управления вентилями компенсационного преобразователя, следующего вида: