Способ плавного управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах. Технический результат заключается в устранении колебаний фазных токов, электромагнитного момента и скорости вращения ротора в системе тиристорный преобразователь - асинхронный двигатель, работающей в составе электропривода с насосной или вентиляторной нагрузкой. Способ плавного управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором заключается в том, что трехфазное напряжение подают через три пары встречно-параллельно включенных тиристоров на статорные обмотки асинхронного двигателя, а на управляющие входы тиристоров подают сигналы управления с системы импульсно-фазового управления, синхронизированной по напряжению сети, на вход которой подают сигнал в виде напряжения, эквивалентного углу открывания тиристоров, значение которого в каждый момент времени задают заранее. Измеряют мгновенные и действующие значения напряжений сети и тока в статорных обмотках асинхронного двигателя и при отклонении их от заданных значений прекращают подачу сигналов управления на тиристоры. Дополнительно измеренные действующие значения тока в каждый период сети оценивают на максимум и при достижении максимума запоминают его и вновь измеряют действующее значение тока одной из фаз в каждый период сети, сравнивают его с максимальным значением. При отклонении от максимального значения на заданную величину формируют сигнал для полного открытия тиристоров и поддерживают его на период работы асинхронного двигателя в номинальном режиме. 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электроприводу на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах.

Уровень техники

Известный способ [Тиристорный пускатель (устройство мягкого пуска) асинхронных двигателей АС11 // Каталог продукции и применения корпорации “Триол”, 2002. - С.295-304 (http://www.softstart.ru/ss11/ss11sostav.htm)] характеризуется следующей совокупностью признаков, сходных с совокупностью существенных признаков изобретения: трехфазное напряжение подают через три пары встречно-параллельно включенных тиристоров на статорные обмотки асинхронного двигателя, а на управляющие входы тиристоров подают сигналы управления с системы импульсно-фазового управления. При этом сигнал, соответствующий углу открывания тиристоров, подают на вход системы импульсно-фазового управления таким образом, чтобы обеспечить постоянство заданного заранее действующего значения тока в обмотках статора на период пуска асинхронного двигателя. Недостатками аналога являются: а) сложность настройки параметров (коэффициент усиления и постоянная интегрирования) регулятора тока в устройстве, реализующем данный способ с учетом требуемых динамических характеристик электропривода; б) при изменении нагрузочных характеристик электропривода (например, при работе на канализационно-насосных станциях) возможны случаи, когда заданного заранее пускового тока будет не достаточно для пуска асинхронного двигателя вследствие срабатывания время-токовых или тепловых защит, что требует в таких случаях установки заведомо завышенных значений пусковых токов.

Прототипом изобретения является известный способ [Браславский И.Я., Зюзев А.М., Костылев А.В. Исследование свойств систем “тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель” с различными типами синхронизации. // Электротехника, 2000, №9. С.1-5], который характеризуется следующей совокупностью признаков: трехфазное напряжение подают через три пары встречно-параллельно включенных тиристоров на статорные обмотки асинхронного двигателя, а на управляющие входы тиристоров подают сигналы управления с системы импульсно-фазового управления синхронизированной по напряжению сети, на вход которой подают сигнал в виде напряжения, эквивалентного углу открывания тиристоров, значение которого в каждый момент времени задают заранее, при этом измеряют мгновенные и действующие значения напряжений сети и тока в статорных обмотках асинхронного двигателя и при отклонении их от заданных значений прекращают подачу сигналов управления на тиристоры. Недостатком прототипа является: возможность возникновения колебаний фазных токов, электромагнитного момента и скорости вращения ротора в области надсинхронный и подсинхронных скоростей после завершения пуска асинхронного двигателя вследствие не полного угла открывания тиристоров и существования внутренней обратной связи в системе “тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель”.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является: косвенное (без применения датчиков скорости или момента на валу асинхронного двигателя) определение завершения пуска асинхронного двигателя и формирования в данный момент углов полного открывания тиристоров.

При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат: устранены колебания фазных токов, электромагнитного момента и скорости вращения ротора в системе “тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель”, работающей в составе электропривода с насосной или вентиляторной нагрузкой.

Указанный технический результат достигается за счет того, что трехфазное напряжение подают через три пары встречно-параллельно включенных тиристоров на статорные обмотки асинхронного двигателя, а на управляющие входы тиристоров подают сигналы управления с системы импульсно-фазового управления, синхронизированной по напряжению сети, на вход которой подают сигнал в виде напряжения, эквивалентного углу открывания тиристоров, значение которого в каждый момент времени задают заранее, при этом измеряют мгновенные и действующие значения напряжений сети и тока в статорных обмотках асинхронного двигателя и при отклонении их от заданных значений прекращают подачу сигналов управления на тиристоры, а также, дополнительно, измеренные действующие значения тока одной из фаз в каждый период сети оценивают на максимум и при достижении максимума запоминают его и вновь измеряют действующее значение тока в каждый период сети и сравнивают его с максимальным значением и при отклонении от максимального значения на заданную величину формируют сигнал для полного открытия тиристоров и поддерживают его на период работы асинхронного двигателя в номинальном режиме.

Совокупность признаков, отличительных от наиболее близкого аналога: дополнительно измеренные действующие значения тока одной из фаз в каждый период сети оценивают на максимум и при достижении максимума запоминают его и вновь измеряют действующее значение тока в каждый период сети и сравнивают его с максимальным значением и при отклонении от максимального значения на заданную величину формируют сигнал для полного открытия тиристоров и поддерживают его на период работы асинхронного двигателя в номинальном режиме.

Перечень фигур и иных материалов

Фиг.1 - Функциональная схема устройства плавного пуска асинхронного двигателя. Включает в себя: 1 - силовую цепь (1-1, 1-2, 1-3 - пары встречно-параллельно включенных тиристоров); 2 - входные клеммы; 3 - выходные клеммы; 4 - микропроцессорную систему управления; 4-1 - устройство ввода-вывода (УВВ); 4-2 - блок логической обработки информации; 4-3 - блок сравнения параметров; 4-4 - систему импульсно-фазового управления, синхронизированную по напряжению (СИФУ); 4-5 - блок измерения действующих значений фазных сетевых напряжений; 4-6 - блок измерения действующих значений токов в статорных обмотках асинхронного двигателя; 4-7 - блок оценки на максимум действующих значений тока статорной обмотки фазы - А; 4-7-1 - элемент запоминания максимума; 4-7-2 - формирователь сигнала нахождения максимума; 4-8 - блок сравнения; 5 - датчики напряжения (5-1, 5-2, 5-3); 6 - датчики тока (6-1, 6-2, 6-3); 7 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД).

Фиг.2 - Временная диаграмма пуска асинхронного двигателя по измененному в процессе пуска графику угла открывания тиристоров.

Фиг.3 - Временная диаграмма пуска асинхронного двигателя по заранее заданному графику угла открывания тиристоров.

На временных диаграммах фиг.2 и 3 по оси абсцисс отложено время (в секундах), а на осях ординат диаграммы: 1 - угол открывания тиристоров, подаваемый на СИФУ, град.; 2 - действующее значение тока фазы А в каждый период сети. А; 3 - угловая скорость вращения ротора АД, рад/с; электромагнитный момент, развиваемый АД, Н·м.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для осуществления изобретения с реализацией указанного назначения организовывается ниже описываемая последовательность действий с использованием устройства плавного пуска асинхронных двигателей (УПП), представленного на фиг. 1 функциональной схемой, на примере плавного пуска асинхронного двигателя мощностью 55 кВт - 4А225М4УЗ (номинальное линейное напряжение 380 В / 50 Гц, номинальный ток 105 А, частота вращения при номинальной нагрузке 1480 об/мин (154 рад/с)) с насосной нагрузкой (номинальный момент 356 Н·м), имеющей суммарный момент инерции, равный 1.242 кг·м².

После подключения сетевого трехфазного напряжения и статорных обмоток асинхронного двигателя к силовой цепи 1 через входные 2 (А, В, С - фазные провода, N - нейтральный провод) и выходные 3 (U, V, W) клеммы УПП с помощью устройства ввода-вывода 4-1 задают:

- график угла открывания тиристоров во время плавного пуска АД, например, как на диаграмме 1 (фиг. 2), где начальный угол в момент пуска - 60°, а конечный угол (полного открывания тиристоров) - 180° на диаграмме 1 не показан, так как выходит за временной диапазон и соответствует времени 10 с;

- процентное выражение (например, 55 %) величины отклонения действующего значения тока в статорных обмотках от запомненного в течение пуска АД максимального его значения;

- параметры защитного отключения (максимальные пусковые и рабочие токи, отклонения фазных сетевых напряжений от номинального значения, максимально возможная время-токовая величина и т.д.). Параметры защитного отключения после представления в соответствующий код поступают в блок логической обработки информации 4-2, который в свою очередь передает параметры защитного отключения в блок сравнения параметров 4-3.

Затем через УВВ 4-1 подают команду на осуществление пуска асинхронного двигателя, которая в виде сигнала поступает на вход блока 4-2. После чего логический блок 4-2 формирует и подает на СИФУ 4-4 в каждый момент времени сигнал, соответствующий графику угла открывания тиристоров, заданному с УВВ 4-1 (диаграмма 1 фиг. 2). В соответствии с известным алгоритмом фазового управления СИФУ 4-4, с синхронизацией по напряжению сети (для синхронизации используются сигналы с датчиков 5), формирует сигналы управления тиристорами силовой цепи 1 УПП, реализуя тем самым плавное (в зависимости от графика угла открывания тиристоров) увеличение действующего значения напряжения на статорных обмотках АД. Одновременно с этим для выполнения защитных функций во всех режимах работы УПП производится измерение мгновенных значений фазного сетевого напряжения с помощью датчиков 5 и тока в статорных обмотках АД с помощью датчиков 6 и преобразование их в действующие величины с помощью блоков измерения действующих значений 4-5 и 4-6 соответственно. Измеренные мгновенные и действующие значения фазного сетевого напряжения и тока в статорных обмотках АД поступают на входы блока сравнения параметров 4-3, где сравниваются с параметрами защитного отключения, ранее поступившими от УВВ 4-1, и при отклонении от них измеряемых величин блок 4-3 подает на вход блока логической обработки информации 4-2 сигнал о прекращении подачи импульсов управления тиристорами, что, в свою очередь, приводит к формированию на выходе блока 4-3 сигнала, подаваемого на вход СИФУ 4-4, соответствующего нулевому углу открывания тиристоров.

Одновременно непрерывно измеряемое, действующее значение тока, например, фазы А с выхода блока 4-6 оценивается блоком 4-7 на максимум (действующее значение фазного тока в обмотке АД в процессе плавного пуска представлено на диаграмме 2 фиг.2) известным методом, сравнивая каждое новое значение на входе блока 4-7 с предыдущим. В момент, когда новое поступившее с блока 4-6 действующее значение тока на входе блока 4-7 стало меньше предыдущего (см. 3.55 с на диаграмме 2 фиг.2), в элементе 4-7-1 в качестве максимального значения запоминается предыдущее значение, равное 370 А (см. диаграмму 2 фиг.2), и на выходе элемента 4-7-2 формируется сигнал, свидетельствующий о нахождения максимума. По данному сигналу блок логической обработки информации 4-2 рассчитывает величину отклонения действующего значения тока в статорных обмотках как 55 % (ранее заданное процентное выражение с УВВ 4-1) от запомненного в течение пуска АД максимального его значения - 370 А. Рассчитанная блоком 4-2 величина отклонения тока, равная в данном примере 203 А, передается в блок сравнения 4-8, в котором оно запоминается. После этого блок 4-8 начинает непрерывно сравнивать текущее действующее значение тока, измеряемое блоком 4-6, с запомненной величиной (203 А). В момент времени 3.94 с (см. диаграмму 2 фиг.2), когда действующая величина тока, измеряемого блоком 4-6, стала меньше или равной запомненной величины (203 А), блок 4-8 формирует сигнал об окончании разгона двигателя (свидетельствует диаграмма скорости 3 фиг.2 в момент 3.94 с), который подается на вход блока 4-2. При поступлении данного сигнала блок 4-8 изменяет заданный заранее график угла открывания тиристоров путем формирования сигнала на входе СИФУ 4-4, соответствующего полному (180°) углу открывания тиристоров (диаграмма 1 фиг. 2, пунктирная линия), и поддерживает его до момента поступления сигнала на остановку АД с УВВ 4-1 или до момента поступления сигнала с блока 4-3 о требуемом защитном отключении.

Представленные на фиг.2 временные диаграммы, показывающие снижение пусковых токов (370 А) и ударного момента на валу АД (480 Н·м) по сравнению с прямым пуском (700 А - пусковой ток, 1600 Н·м - минимальный ударный момент), а также известность методов, алгоритмов и средств, реализующих выше описанные блоки и элементы, используемые в устройстве плавного пуска (фиг. 1), подтверждают возможность осуществления изобретения с указанным назначением.

На фиг.3 представлены диаграммы действующего значения фазного тока в обмотках АД 2, электромагнитного момента, развиваемого АД 3, угловой скорости вращения ротора 4 в процессе пуска АД с указанными выше параметрами двигателя и нагрузки при идентичном (диаграмма 1 фиг. 2) заданном заранее и не изменяемом в процессе пуска графике угла открывания тиристоров 1. Таким образом, на фиг. 3 представлены диаграммы пуска АД способом, указанным выше в качестве прототипа. Анализ подобных диаграмм плавного пуска АД с нагрузочными характеристиками типа “насос” или “вентилятор” и с линейным нарастанием угла открывания тиристоров, на примере фиг.3, показывает следующую, ниже описанную цепь взаимосвязанных процессов. В начале пуска по мере увеличения угла открывания тиристоров увеличивается действующее значение напряжения, прикладываемого к статорным обмоткам АД, и, как следствие, увеличивается действующее значение статорного тока АД и электромагнитный момент, развиваемый АД, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости ротора АД и, следовательно, уменьшению скольжения. В период, характеризуемый величиной напряжения и временем, в течение которого оно было приложено к статорным обмоткам АД, достаточными для развития требуемого момента на валу АД, скорость вращения ротора приближается к синхронной и скольжение уменьшается, соответственно ток, проходя через максимум, начинает снижаться. Далее система попадает в зону неустойчивости, характеризуемую колебаниями фазных токов, электромагнитного момента и скорости вращения ротора АД. Таким образом, оценка на максимум действующего значения тока в каждый период сети одной из фаз и последующее сравнение измеряемого действующего значения тока с заданным отклонением от достигнутого и запомненного максимального значения позволяют косвенно определить процесс окончания пуска АД, характеризуемый приближением скорости ротора АД к синхронной и возможным переходом системы в неустойчивый режим работы. В момент определения окончания пуска АД сформированный сигнал для полного открывания тиристоров не приводит к существенному росту тока и электромагнитного момента на валу АД, однако исключает внутреннюю обратную связь в системе “тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель”, существующую при неполном угле открывания тиристоров и определяющую возможное неустойчивое состояние системы. Последнее подтверждает возможность получения указанного технического результата при осуществлении изобретения.

Способ плавного управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, заключающийся в том, что трехфазное напряжение подают через три пары встречно-параллельно включенных тиристоров на статорные обмотки асинхронного двигателя, а на управляющие входы тиристоров подают сигналы управления с системы импульсно-фазового управления, синхронизированной по напряжению сети, на вход которой подают сигнал в виде напряжения, эквивалентного углу открывания тиристоров, значение которого в каждый момент времени задают заранее, при этом измеряют мгновенные и действующие значения напряжений сети и токов в статорных обмотках асинхронного двигателя и при отклонении их от заданных значений прекращают подачу сигналов управления на тиристоры, отличающийся тем, что дополнительно измеренные действующие значения тока одной из фаз в каждый период сети оценивают на максимум и при достижении максимума запоминают его и вновь измеряют действующее значение тока в каждый период сети и сравнивают его с максимальным значением и при отклонении от максимального значения на заданную величину формируют сигнал для полного открытия тиристоров и поддерживают его на период работы асинхронного двигателя в номинальном режиме.