Устройство для плавного пуска асинхронного двигателя

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в асинхронном электроприводе. Технический результат состоит в уменьшении количества полупроводниковых ключей в составе пускорегулирующего устройства и улучшении формы тока статорных обмоток асинхронного двигателя. Предлагаемое устройство содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор, вторичные обмотки которого, соединенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, подключены к источнику сетевого напряжения в параллель к первичным обмоткам, соединенным по схеме звезды. Функции регулирования напряжения вольтодобавки методом высокочастотной ШИМ осуществляет силовой транзисторный ключ на выходе трехфазного диодного моста, выполняющий роль нулевой точки звезды. Ограничение пускового тока осуществляется плавным наращиванием результирующего напряжения статорных обмоток двигателя за счет уменьшения до нуля создаваемой указанным трансформатором отрицательной вольтодобавки. 3 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в асинхронном электроприводе. Известно, что прямой пуск асинхронного двигателя (АД) сопровождается кратковременным броском тока статорных обмоток, многократно превышающим номинальный уровень. Эта особенность создает значительные трудности эксплуатации АД средней и большой мощности, так как приводит к просадкам сетевого напряжения, нарушающим нормальный режим энергоснабжения привода и других потребителей электроэнергии. Наиболее простой в реализации способ ограничения тока АД предполагает ограничение скорости нарастания напряжения статорных обмоток во время разгона двигателя (см., например, Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1981). Несмотря на уменьшение электромагнитного момента и быстродействия привода, данный способ удовлетворяет требованиям большинства механизмов, имеющих вентиляторную механическую характеристику с малой величиной пускового момента, и потому получает широкое применение. Реализация плавного пуска осуществляется чаще всего с помощью вольтодобавочного регулятора переменного напряжения, выполняемого на трех (по числу фаз питающего напряжения) парах встречно-параллельно включенных тиристоров. В нерегулируемых приводах после окончания пуска тиристорный регулятор, ввиду отсутствия необходимости, шунтируется механическими контактами. Наиболее близкое техническое решение приведено в статье(см. Брагилевский Е.Л., Лесниковский А.Е. и др. Унифицированная система тиристорных бесконтактных пускателей типа ПБР, ПБН, ПБМ. - Электротехника, 2001, №1). Общим признаком прототипа и предлагаемого решений является наличие в силовых цепях привода вольтодобавочного регулятора переменного напряжения, соединяющего статорные обмотки двигателя с источником питающего сетевого напряжения, а в цепях управления - задатчика интенсивности изменения напряжения вольтодобавки в процессе пуска.

Недостатком прототипа следует признать неоправданно завышенную установленную мощность полупроводниковых вентилей при малом коэффициенте их использования. В качестве другого недостатка следует указать на существенные искажения напряжения и тока статорных обмоток, создаваемые тиристорами в процессе фазового регулирования. Известно, что порождаемая этим процессом прерывистая импульсная форма тока тиристорных регуляторов ведет к дополнительному уменьшению пускового момента АД и ухудшает его энергетические характеристики.

В этой связи целью изобретения явилось повышение технико-экономических показателей пускового устройства путем уменьшения количества полупроводниковых вентилей и улучшения формы тока статорных обмоток. Для этого регулятор предлагается выполнить в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого, соединенные по схеме звезды, своими первыми выводами подключены к источнику сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к этому же сетевому источнику для создания отрицательного напряжения вольтодобавки, причем нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме звезды образуется присоединением вторых выводов первичных обмоток к зажимам переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен единственный в данной схеме полупроводниковый вентиль в виде транзисторного ключа, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный импульсный сигнал с выхода указанного задатчика интенсивности.

На фиг.1 приведена схема асинхронного электропривода, оснащенного предлагаемым устройством, пригодная для технической реализации и, одновременно, для компьютерного моделирования в пакете MATLAB, а на фиг.2, 3 приведены результаты моделирования пускового режима в электроприводе при отсутствии (фиг.2) и при наличии (фиг.3) заявленного устройства.

Схема содержит асинхронный электродвигатель (АД) 1 с короткозамкнутым ротором. (При моделировании были приняты следующие параметры этого двигателя Рн=50 кВт; Ucт=220 B; f=50 Гц; Rs=0.39 Ом; Rr=0.23 Ом; Ls=0.002 Гн; Lr=0.0015 Гн; L₀=0.09 Гн; J=0.015 кГм). Статорные обмотки двигателя подключены к источнику 2 сетевого напряжения 220/380 В (Rвн=0.01 Ом) с помощью последовательно-встречно включенных вторичных обмоток (А₂, В₂, С₂) вольтодобавочного трансформатора 3 (S=10 кВА; w₁=400 витков; w₂=250 витков). Первичные обмотки трансформатора своими первыми выводами (A₁, B₁, C₁) подключены к тем же выходным зажимам источника 2. Эти обмотки соединены по схеме звезды. Функции нулевой точки звезды выполняет транзисторный ключ 4 (V₀), подключенный к выводам постоянного тока трехфазного диодного моста 5 (V1-V6), выводы переменного тока которого присоединены к вторым выводам первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора. Цепи управления содержат задатчик интенсивности 6 изменения напряжения вольтодобавки в процессе пуска и измерительно-регистрирующую аппаратуру 7 для наблюдения за параметрами электродвигателя во время разгона.

Представленные на фиг.2 осциллограммы иллюстрируют характер изменения трехфазного напряжения на статорных обмотках (фиг.2, а), фазных токов этих обмоток (фиг.2, б), частоты вращения вала (фиг.2, в), а также электромагнитного момента (фиг.2, г) в процессе прямого пуска АД без пускового устройства. Видно, что этот процесс характеризуется сравнительно высоким быстродействием с временем пуска t_п=0,1 с, в течение которого пусковой ток не менее чем на порядок превышает установившееся значение.

Предлагаемое устройство уменьшает этот бросок тока за счет плавного наращивания напряжения статорных обмоток по любому возможному закону его изменения во времени. Устройство работает следующим образом. Из схемы фиг.1 видно, что результирующее напряжение статорных обмоток АД образуется встречным соединением сетевого источника с вторичными обмотками вольтодобавочного трансформатора. Существует возможность плавного регулирования последнего широтно-импульсным способом в пределах, зависящих от величины коэффициента трансформации понижающего вольтодобавочного трансформатора (принято w₁/w₂=1.6). Для этого подключение первичных обмоток трансформатора к сетевому источнику осуществляется периодически с высокой частотой (принято 2 кГц) с помощью транзисторного ключа V₀. Регулирование осуществляется изменением длительности включенного состояния транзистора в течение каждого такта модуляции. Форма широтно-импульсного сигнала U_шим на управляющем электроде транзисторного ключа показана на фиг.3, а. Закон изменения напряжения вольтодобавки может быть любым и определяется формой управляющего сигнала Uy на входе широтно-импульсного модулятора в составе блока 6. Как видно из фиг.3, а, на основном участке разгона встречное напряжение вольтодобавки плавно уменьшается, что обеспечивает такое же увеличение результирующего напряжения на статорных обмотках двигателя. Участок первоначального нарастания сигнала Uy с нулевого уровня необходим для форсировки напряжения и тока статорных обмоток в самый первый момент пуска. Такая форсировка позволяет сохранить быстродействие привода на приемлемом уровне. Получаемая форма результирующего напряжения статорных обмоток иллюстрируется осциллограммой на фиг.3, б. Видно, что благодаря уменьшающейся до нуля встречной вольтодобавке действующее значение этого напряжения плавно нарастает и после окончания переходного процесса принимает максимальное значение, равное номинальному напряжению сетевого источника. Как показывают осцилограммы пускового тока на фиг.3, в, принятый закон изменения напряжения обеспечивает по сравнению с исходным вариантом фиг.2, б уменьшение амплитуды пускового тока на 40-50%. Сопутствующее данному закону уменьшение электромагнитного момента и быстродействия отражено на фиг.3, г, д. Сравнение данных осциллограмм с аналогичными кривыми на фиг.2, в, г позволяет заметить, что по сравнению с прямым пуском наблюдается троекратное уменьшение амплитуды пускового момента и примерно двухкратное увеличение времени разгона двигателя до номинальной скорости (см. фиг.2, в и фиг.3, г). Как отмечалось выше, подобное демпфирование переходных процессов в АД отвечает требованиям большого числа промышленных механизмов.

Таким образом, результаты моделирования подтверждают работоспособность и эффективность предлагаемого технического решения. Достигаемый технико-экономический эффект обусловлен уменьшением количества силовых полупроводниковых приборов с шести в известной до одного - в предлагаемой схемах, а также получением непрерывной квазисинусоидальной формы тока статорных обмоток. Последнее объясняется высокой частотой модуляции, которой подвергается не все напряжение статорных обмоток, а лишь его уменьшающаяся в процессе пуска часть. Можно предположить, что введение в схему вольтодобавочного трансформатора, как дополнительного элемента, не существенно повлияет на технико-экономические показатели привода в связи с его малой габаритной мощностью и кратковременностью действия.

Устройство для плавного пуска асинхронного двигателя, содержащее в силовых цепях вольтодобавочный регулятор, соединяющий статорные обмотки двигателя с источником питающего сетевого напряжения, а в цепях управления - задатчик интенсивности изменения напряжения вольтодобавки в процессе пуска, отличающееся тем, что в качестве указанного регулятора используют трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого, соединенные по схеме "звезда", своими первыми выводами подключены к источнику сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к этому же сетевому источнику и тем самым служат для создания отрицательного напряжения вольтодобавки, причем нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме "звезда" образуется присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный импульсный сигнал с выхода указанного задатчика интенсивности.