You are currently viewing Управление динамикой пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов горных машин

Управление динамикой пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов горных машин

Содержание

Нерегулируемый асинхронный электропривод в настоящее время является преобладающим в составе подземных горных машин. Его сравнительно низкая функциональная надежность во многом определяется тяжелыми условиями эксплуатации, обусловленными как особенностями подземных выработок угольных шахт, так и режимами нагружения.

Одним из наиболее значимых в этом смысле является режим пуска путем прямого подключения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АД) к сети.

Возникающие при этом следующие явления:

  • Пиковые броски пусковых токов приводят к ускоренному износу изоляции обмоток статора АД.
  • При просадке напряжения в сети от протекания больших пусковых токов.
  • Возникновению переходных знакопеременных электромагнитных моментов, которые вызывают удары и деформации в элементах трансмиссии с интенсивным их износом и поломками.

В результате данных явлений снижается надёжность и ресурс горных машин.

Формирование задачи снижения динамических нагрузок

Задача снижения динамических нагрузок в асинхронном электроприводе может быть решена путём формирования пусковой динамической характеристики, которая в наибольшей степени будет приближена к статической характеристике, то есть ограничением или полным подавлением знакопеременных электромагнитных моментов.

Такое управление пуском АД получило название безударного пуска.

Одним из направлений реализации безударного пуска является применение специальных полупроводниковых устройств — устройств плавного пуска (УПП), предназначенных для организации определённого рода воздействий на систему приложенных к АД напряжений, при неизменной частоте сети.

К числу таких воздействий можно отнести ограничение скорости нарастания приложенного к статору электродвигателя напряжения и подачу напряжения по определённому алгоритму [1,2].

Для этих целей на угольных предприятиях применяют импортные и отечественные устройства плавного пуска, в подавляющем большинстве случаев представляющие собой тиристорный регулятор напряжения (ТРН), изменяющий действующее значение напряжения посредством фазово-импульсного управления встречно-параллельно включенными тиристорами в каждой фазе регулятора при симметричном управлении углом открывания и с естественной коммутацией тиристоров.

К недостаткам ТРН можно отнести следующее:

  • При использовании однооперационных тиристоров изменение напряжения от нулевого до номинального значения можно обеспечить только в течение нескольких периодов сетевого напряжения, что снижает быстродействие привода.
  • Помимо этого, при регулировании напряжения в процессе пуска форма напряжения с увеличением угла управления искажается, что приводит к появлению в спектральном составе тока высокочастотных (относительно частоты сети) составляющих, вызывающих дополнительные потери в обмотках и уменьшающих электромагнитный момент, развиваемый электродвигателем.
  • К тому же подобные устройства имеют низкий коэффициент мощности при регулировании напряжения за счет увеличения фазового сдвига по основной гармонике тока и уменьшения коэффициента искажения kи (отношение действующего значения первой гармоники напряжения к полному действующему значению напряжения напряжению).
  • Но основным недостатком применения ТРН для пуска АД являются большие потери, приводящие к перегреву электродвигателя при затяжном пуске.

УПП с силовой схемой ТРН, но с изменённой системой управления, могут:

  • Обеспечить безударный пуск пофазной по дачей напряжения [1], при котором вначале подключаются две фазы статора в максимуме их линейного напряжения.
  • Затем третья фаза — в момент времени соответствующий максимуму её фазного напряжения.

Применение в силовой схеме полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов позволяет осуществлять квазиоптимальный пуск [2].

Суть этого способа пуска состоит в следующем:

  • Первоначально на статорные обмотки двигателя подают напряжение с амплитудой, равной амплитуде напряжения сети.
  • Затем последовательно во времени, через определенный промежуток времени от начала подачи напряжения, равный 7г/3 эл. град, (при частоте сети 50 Гц — 0,0033 с), электродвигатель отключают от питающей сети.
  • Переводят в режим динамического (магнитного) торможения на такое же время.
  • После чего на обмотки статора вновь подают напряжение с амплитудой равной амплитуде напряжения сети.

На рисунке 1 представлены графики переходных электромагнитных моментов, полученные в результате компьютерного моделирования прямого и управляемых пусков асинхронного электродвигателя мощностью 250 кВт:

Рисунок 1 – Переходные моменты при прямом пуске
Рисунок 1 – Переходные моменты при прямом пуске

где

  • 1 — при пофазной подаче напряжения.
  • 2 — при квазиоптимальном пуске.
  • 3 — при пуске ограничением скорости нарастания приложенного напряжения.
  • 4 — с помощью широтно-импульсного регулирования.

Стендовые испытания разработанного УПП

Для практической проверки рассмотренных способов пуска на кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ было разработано УПП силовая часть (СЧ) которого выполнена на полностью управляемых ключах переменного напряжения.

Данное устройство состоит из:

  • Двух встречно включенных силовых транзисторов.
  • Транзисторы зашунтированы обратными диодами.

На рисунке 2 приведена схема данного устройства:

Рисунок 2 – Функциональная схема транзисторного устройства плавного пуска
Рисунок 2 – Функциональная схема транзисторного устройства плавного пуска

Согласно схемы разработанное устройство имеет следующие особенности:

  • Управление ключами силовой части осуществляется от микропроцессорной системы управления (МСУ) через формирователь импульсов управления (ФИУ), в котором управляющий сигнал усиливается по мощности, а также осуществляется гальваническая развязка слаботочной и силовой части УПП.
  • Для защиты от токов короткого замыкания, перегрузок по току, обрыва фаз двигателя УПП имеет систему защиты (СЗ), которая в зависимости от сигналов, поступающих с датчиков тока, выдаёт сигнал МСУ на отключение двигателя (M1) от питающей сети.
  • Характер произошедшей аварийной ситуации, о также меню выбора режима работы УПП (закон управления пуском, уставки срабатывания защиты, настройка параметров пуска, и т.д.) выводятся на устройство отображения информации (УОИ).
  • Управление УПП может осуществляться как с пульта управления (ПУ), так и от компьютера.
  • К достоинствам данного УПП можно отнести возможность регулирования выходного напряжения всеми способами, характерными для тиристорных устройств.

Также осуществление широтно-импульсного регулирования выходного напряжения всеми способами, характерными для тиристорных устройств, а также осуществление широтно-импульсного регулирования при:

  • k>2.
  • (k=ѡм/ѡ).

где

  • ѡм — угловая частота модуляции.
  • w-частота питающей сети.

Кроме того, транзисторные УПП имеют более высокие по сравнению с тиристорными энергетические показатели и позволяют реализовывать заданные алгоритмы управления пуском без привязки к моменту перехода напряжения сети через ноль.

На рисунке 3 представлены экспериментально снятые зависимости изменения во времени ускорения и частоты вращения ротора при пуске асинхронного электродвигателя 4АМ80А4СУ мощностью 1,1 кВт с дополнительной массой, упруго связанной с валом:

Рисунок 3 – Частота вращения ротора
Рисунок 3 – Частота вращения ротора

где

  • 1 — при ускорении.
  • 2 — при управляемом пуске с помощью широтно-импульсного регулирования напряжения.

Данные зависимости сняты в ходе испытаний транзисторного УПП при различных законах управления напряжением рисунок 4:

Рисунок 4 – Экспериментально снятые зависимости ускорения
Рисунок 4 – Экспериментально снятые зависимости ускорения

где

  • 1 — при прямом пуске.
  • 2 — при пофазной подаче напряжения.
  • 3 — при квазиоптимальном пуске.

Таким образом на основании исследований, сделаны следующие выводы:

  • К уменьшению динамической составляющей момента АД.
  • В свою очередь сравнительный анализ способов пуска на основании литературных источников и результатов проведённых исследований позволяет сделать вывод о том, что из рассмотренных способов для асинхронного электропривода горных машин наиболее предпочтительны пофазный и квазиоптимальный способы пуска.
  • Причём для маломощных электроприводов, особенно работающих с небольшой нагрузкой, лучшие показатели имеет пофазный пуск, однако с увеличением мощности АД квазиоптимальный способ пуска становится более выгодным.

Описанное выше транзисторное УПП позволяет управлять пуском АД мощностью до 20 кВт.

В настоящее время нами разработано и изготавливается УПП для АД на 250 кВт с последующей проверкой эффективности пуска в производственных условиях.

Список литературы

  1. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. -М.: Энергоиздат, 1981.- 184 с.
  2. Патент РФ № 2235410 МПК Н 02 Р 1/26. Способ пуска асинхронного электродвигателя / Е.К. Ещин, И.А. Соколов, В.Л. Иванов, В.Г. Каширских, Заявл. 04.01.03, № 2003100098. Опубл. 27.08.04. Бюл. №24.
  3. Устройство управления пуском нерегулируемых асинхронных электроприводов.

Источник: Управление динамикой пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов горных машин / В.Г. Каширских, С.С. Переверзев // Вестник КузГТУ. — 2005. — №2. — C. 33-35.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org