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:
- При просадке напряжения в сети от протекания больших пусковых токов.
- Пиковые броски пусковых токов приводят к ускоренному износу изоляции обмоток статора АД.
- 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 из работ [1 и 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 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.
- Данные 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).
- При использовании однооперационных тиристоров изменение напряжения от нулевого до номинального значения можно обеспечить только в течение нескольких периодов сетевого напряжения, что снижает быстродействие привода.
- 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:
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:
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 так далее) выводятся на устройство отображения информации (УОИ).
- К достоинствам данного УПП можно отнести возможность регулирования выходного напряжения всеми способами, характерными для тиристорных устройств.
- Управление УПП может осуществляться как с пульта управления (ПУ), так и от компьютера.
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:
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:
где
- 1 — при прямом пуске.
- 2 — при пофазной подаче напряжения.
- 3 — при квазиоптимальном пуске.
Таким образом на основании исследований, сделаны следующие выводы:
- 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.
- С помощью УПП получили уменьшение динамической составляющей момента электродвигателя.
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
- Петров Л.П., Управление пуском и торможением асинхронных двигателей -Москва: Энергоиздат, 1981 год, страница 184.
- 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, Опубликован, 27.08.2004 г., Бюллетень №24.
- Устройство управления пуском нерегулируемых асинхронных электроприводов.
Источник: Управление динамикой пуска нерегулируемых асинхронных электроприводов горных машин / В.Г. Каширских, С.С. Переверзев // Вестник КузГТУ, 2005 год, №2, страницы 33-35.
