RU166769U1 - Устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться для плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей с фазным ротором (АД) при существенных и переменных нагрузках, приведенных к ротору. Предложено устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащее в роторной цепи выпрямитель, пусковой резистор и полупроводниковый ключ, управляемый широтно-импульсным модулированным сигналом. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что выпрямитель выполнен управляемым, а полупроводниковый ключ построен на основе транзистора. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться для плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей с фазным ротором (АД) при существенных и переменных нагрузках, приведенных к ротору, например, в приводах конвейерных линий.

Известны устройства плавного пуска асинхронных электродвигателей серии УПТФ компании TET ESTEL (www.tet-estel.com) и серии ЭПТФ НПО «ЭТАЛ» (бывший Александрийский электромеханический завод) http://alnet.-http://com.ua/town/manufacturer/etal. Эти устройства построены на основе принципа ступенчатого реостатного пуска по одинаковым схемам силовой части, содержащей управляемый тиристорный трехфазный выпрямитель, подключенный своими входами к трехфазной обмотке ротора АД, а выходами к секционированному пусковому резистору, секции которого в процессе пуска последовательно шунтируются дополнительными тиристорами. На начальном этапе пуска шунтирующие тиристоры закрыты и к выходу управляемого выпрямителя подключен пусковой резистор с максимальным значением сопротивления. Путем плавного изменения угла открывания тиристоров выпрямителя осуществляется плавное увеличение выпрямленного напряжения и, соответственно, тока, протекающего в роторных обмотках АД, что обеспечивает плавное нарастание момента на валу АД. По мере разгона ротора АД величина пускового резистора ступенчато уменьшается за счет шунтирования его секций тиристорами, что приводит к переходу АД на новый участок электромеханической характеристики. Последовательное открывание шунтирующих тиристоров обеспечивает разгон ротора АД до скорости, близкой к номинальной. В конце пуска фазные обмотки ротора закорачиваются контактором, встроенным в устройство, что переводит АД в работу на естественной характеристике. Положительным свойством описанных устройств является плавное увеличение вращающего момента на первом этапе пуска, что обеспечивает безударный выбор зазоров в механических передачах. Недостатком этих устройств является ступенчатое изменение вращающего момента АД при шунтировании секций пускового резистора, что приводит к повышенным динамическим перегрузкам в механических передачах. Кроме того, пуск существенно зависит от нагрузки на валу АД, поскольку малое число ступеней не позволяет задать необходимое значение момента АД и тем самым не позволяет сформировать желаемый закон изменения скорости в процессе разгона.

Наиболее близким по принципу управления аналогом, принятым за прототип, является устройство, содержащее подключенный к трехфазной обмотке ротора неуправляемый (диодный) трехфазный выпрямитель, к выходу которого через реактор подключен добавочный резистор R_ДОБ, параллельно которому включен тиристорный ключ с искусственной коммутацией, содержащий основной и вспомогательный тиристоры, дроссель, конденсатор и диод (Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с., ил. стр. 127-129). В начале пуска тиристорный ключ закрыт, и пусковой момент АД определяется величиной сопротивления R_ДОБ, затем на вход тиристорного ключа подается широтно-импульсный модулированный (ШИМ) сигнал, управляющий длительностью открытого состояния основного тиристора и изменяющий тем самым эквивалентное сопротивление R_ЭKB добавочного резистора. Плавное изменение длительности открытого состояния основного тиристора от нуля (тиристор закрыт) до полного открывания приводит к изменению эквивалентного сопротивления от значения R_ЭКВ=R_ДОБ до нуля и соответствующему изменению пускового момента АД от некоторого значения, определяемого R_ДОБ, до момента с закороченным через тиристор и диоды неуправляемого выпрямителя ротором. Для перехода АД на естественную характеристику в конце пуска фазные обмотки ротора закорачиваются контактором.

Прототип обладает двумя существенными недостатками, затрудняющими его применение для плавного пуска АД под нагрузкой (например, для пуска в работу загруженного конвейера). Во-первых, это невозможность регулирования эквивалентного сопротивления в сторону увеличения, т.е. R_ЭКВ>R_ДОБ, что не позволяет получить на первом этапе пуска малые значения пускового момента, необходимые для безударного выбора зазоров. И, во-вторых, это ограниченный диапазон скоростей ротора АД, в котором обеспечивается устойчивая искусственная коммутация основного тиристора. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что для надежного закрывания основного тиристора напряжение на коммутирующем конденсаторе должно быть достаточным для срабатывания схемы искусственной коммутации. Поскольку напряжение на коммутирующем конденсаторе определяется уменьшающимся по мере увеличения скорости роторным напряжением, то при разгоне ротора АД нарушаются условия гарантированного закрывания основного тиристора, вследствие чего он независимо от управляющего ШИМ-сигнала остается открытым и роторные обмотки оказываются закороченными раньше, чем скорость ротора достигнет значения, близкого к скорости на естественной механической характеристике. Срыв коммутации основного тиристора приводит к броску тока потребляемого из сети и скачку момента на валу АД. т.е. к нарушению условий плавного пуска.

Авторы решали задачу по созданию устройства для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, лишенного указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении плавности пуска и снижении бросков потребляемого АД тока.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащее в роторной цепи выпрямитель, пусковой резистор и полупроводниковый ключ, управляемый широтно-импульсным модулированным сигналом. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то. что выпрямитель выполнен управляемым, а полупроводниковый ключ построен на основе транзистора.

Дополнительно предлагается параллельно пусковому резистору подключить конденсатор, соединенный через диод с коллектором транзистора полупроводникового ключа.

Дополнительно предлагается параллельно конденсатору подключить тиристор, управляющий электрод которого соединить с анодом тиристора через варистор.

В частном случае, полупроводниковый ключ может быть построен на основе IGBT-транзистора с шунтирующим диодом.

Сущность заявляемого решения поясняется упрощенной принципиальной схемой силовых цепей, приведенной на фиг. 1. Устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором 1 (см. фиг. 1) содержит контактор 2, с помощью которого статор АД подключается к питающей сети, контактор 3, закорачивающий обмотки фазного ротора после его разгона, управляемый тиристорный выпрямитель роторного напряжения 4, к выводам постоянного тока которого подключены тран-8, подключен к положительному выводу конденсатора 9, и пусковой резистор 10.

Работа устройства поясняется характеристиками привода, условно показанными на фиг. 2, на которой в виде зависимостей частоты вращения ротора ω от момента нагрузки M_H показаны: 11 - естественная механическая характеристика АД; 12 - начальная механическая характеристика; 13…15 - промежуточные механические характеристики, формируемые устройством в процессе пуска, и обозначено: M₁, М₂ - значения пусковых моментов АД; M_H - момент нагрузки привода, приведенный к валу АД; М_НОМ - номинальный момент АД.

Работу устройства будем рассматривать при относительно большом значении момента нагрузки M_H, близком к номинальному моменту АД. После подачи напряжения питания схема управления устройством устанавливает исходное состояние, в котором контакторы 1 и 2 разомкнуты, на выходе постоянного тока тиристорного выпрямителя 4 формируется минимальное напряжение, транзисторный ключ 5 закрыт. Для пуска АД его статор подключается контактором 1 (см. фиг. 1) к питающей сети. При этом АД работает на начальной механической характеристике 12 (см. фиг. 2), обеспечивая минимальное пусковое значение вращающего момента Μ₁, которое определяется соотношением минимального выходного напряжения управляемого выпрямителя и сопротивлением пускового резистора 10. Затем схема управления выпрямителем за счет изменения угла открывания тиристоров выпрямителя плавно увеличивает его выходное напряжение, что, в свою очередь, приводит к плавному увеличению пускового момента до значения М₂, т.е. плавному переходу АД на характеристику 13. При этом обеспечиваются плавный разгон ротора АД в пределах зазора и практически безударный выбор зазоров в механических узлах привода. Тиристоры управляемого выпрямителя на следующих этапах пуска остаются полностью открытыми.

Поскольку пусковой момент АД на характеристике 2 меньше момента нагрузки M_H, то ротор АД после выбора зазоров останавливается, а схема управления подает на вход транзисторного ключа 5 ШИМ-сигнал с изменяемой скважностью, что приводит к закорачиванию пускового резистора 10 при открытом состоянии транзисторного ключа. Без учета падений напряжения на полупроводниковых элементах среднее значение добавочного сопротивления

, включенного в роторную цепь, при этом определяется как

где

- сопротивление пускового резистора 10;

γ - скважность ШИМ-сигнала (отношение длительности импульсов к периоду их следования.

Плавное увеличение скважности от γ=0 до γ=1 обеспечивает область формирования механических характеристик АД, расположенную между характеристиками 13 и 15 (см. фиг. 2). При малых значениях γ АД работает в области механических характеристик, ограниченной характеристиками 13 и 14, при этом ротор неподвижен, а пусковой момент АД плавно увеличивается от М₂ до M_H, что применительно к электроприводам ленточных транспортеров обеспечивает плавное натяжение ленты. При дальнейшем увеличении скважности ШИМ-сигналов АД работает в области характеристик, расположенных между характеристиками 14 и 15, т.е. с пусковыми моментами, превышающими момент нагрузки, что обеспечивает плавное нарастание скорости ротора. При полном открывании транзисторного ключа 5 формируется механическая характеристика 15, скорость на которой отличается от скорости на естественной характеристике на величину, определяемую падением напряжения на полупроводниковых элементах выпрямителя и ключа. Пуск АД заканчивается включением контактора 3 (см. фиг. 1), что приводит к выходу АД на естественную механическую характеристику 11, после чего устройство отключается.

Для ограничения импульсных перенапряжений, возникающих при коммутации транзисторного ключа 5 из-за паразитной индуктивности пускового резистора 10 и соединительных кабелей, параллельно ему установлен конденсатор 9, который разряжается через пусковой резистор во время открытого состояния транзистора. В аварийных режимах, например при обрыве пускового резистора, напряжение на конденсаторе существенно возрастает, что может привести к выходу из строя элементов схемы. Для защиты элементов силовой части устройства установлен тиристор, подключенный параллельно конденсатору. Управляющий электрод тиристора соединен с его анодом через варистор 8. При обрыве пускового резистора или нарушении в его соединениях напряжение на конденсаторе повышается до напряжения срабатывания варистора, тиристор открывается, что приводит к закорачиванию фазных обмоток ротора через выпрямитель 4 и диод 6. АД при этом переключается ния срабатывания варистора, тиристор открывается, что приводит к закорачиванию фазных обмоток ротора через выпрямитель 4 и диод 6. АД при этом переключается в режим работы на естественной характеристике, т.е. условия плавного разгона нарушаются, и в действие вступает защита от прямого пуска АД, которая не является предметом рассмотрения настоящей заявки.

В силу полной управляемости транзисторного ключа регулирование среднего значения добавочного сопротивления

, включенного в роторную цепь АД, обеспечивается независимо от роторного напряжения, т.е. независимо от скорости ротора АД, что обеспечивает его плавный разгон практически до скорости, определяемой естественной механической характеристикой.

По сути, процесс пуска АД в заявляемом устройстве разбит на два автоматически и последовательно выполняемых этапа, на каждом из которых обеспечиваются условия по плавному увеличению скорости ротора АД при практически постоянном значении пускового тока, т.е тока, потребляемого из сети. Такое решение и определяет технический результат, заключающийся в повышении плавности пуска и снижении бросков потребляемого из сети тока.

Claims (3)

1. Устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащее в роторной цепи выпрямитель, пусковой резистор и полупроводниковый ключ, управляемый широтно-импульсным модулированным сигналом, отличающееся тем, что выпрямитель выполнен управляемым, а полупроводниковый ключ построен на основе транзистора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельно пусковому резистору подключен конденсатор, соединённый через диод с коллектором транзистора полупроводникового ключа.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельно конденсатору подключен тиристор, управляющий электрод которого соединён с анодом тиристора через варистор.

Images