Устройство управления пуском асинхронного двигателя
ASYNCHRONOUS MOTOR STARTING CONTROL DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах промышленного оборудования с асинхронными двигателями, получающими питание от источников ограниченной мощности, например, от автономных энергетических установок.
Известны устройства управления пуском асинхронного двигателя, содержащие подключенный выходом к статорным обмоткам асинхронного двигателя тиристорный регулятор с блоком импульсно-фазового управления, датчики напряжения и тока, включенные на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения, и блок задания (Патент РФ №2497267, МПК Н02Р 1/26; Н02Р 1/28, 2013; Патент РФ №2235410, МПК Н02Р 1/26, 2004; Патент РФ №2596165, МПК Н02Р 1/26; Н02Р 3/24, 2016).
Известные устройства обеспечивают плавное увеличение напряжения на статорных обмотках асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора. При этом пуск асинхронного двигателя происходит при уменьшенном по сравнению с прямым пуском токе. Благодаря этому уменьшаются колебания напряжения в питающей сети при пусках двигателей. При пуске асинхронного двигателя потребляемый ток содержит активную и реактивную составляющие, соотношение между которыми, следовательно, и коэффициент мощности изменяются.
Потребляемая активная мощность достигает максимального значения в конце пуска; при достижении скоростью двигателя установившегося значения активная мощность принимает значение, определяемое механической нагрузкой. При пуске асинхронного двигателя в электрической сети с источником ограниченной мощности, например, дизель-генераторной установкой, импульсный характер потребления активной мощности служит причиной снижения эффективности использования энергетического ресурса источника питания.
Таким образом, недостаток известных устройств управления пуском асинхронного двигателя состоит в низкой эффективности использования энергетического ресурса источника питания.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство управления пуском асинхронного двигателя, содержащее подключенный выходом к статорным обмоткам асинхронного двигателя тиристорный регулятор с блоком импульсно-фазового управления, датчики напряжения и тока, включенные на выходе тиристорного регулятора, измерительные преобразователи действующих значений напряжения и тока, подключенные к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, блок токоограничения и блок задания (Патент РФ №2461951, МПК Н02Р 1/28; Н02Р 1/58; Н02Р 5/46, 2012).
Известные устройства обеспечивают плавное увеличение напряжения на статорных обмотках асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора. При этом пуск асинхронного двигателя происходит при уменьшенном по сравнению с прямым пуском токе, потребляемом из сети. Благодаря этому уменьшаются колебания напряжения в питающей сети при пусках двигателей. При пуске асинхронного двигателя потребляемый ток содержит активную и реактивную составляющие, соотношение между которыми, следовательно, и коэффициент мощности изменяются. Потребляемая от источника активная мощность достигает максимального значения в конце пуска. При достижении скоростью двигателя установившегося значения активная мощность принимает значение, определяемое механической нагрузкой. При пуске асинхронного двигателя в электрической сети с источником ограниченной мощности, например, дизель-генераторной установкой, импульсный характер потребления активной мощности служит причиной снижения эффективности использования энергетического ресурса источника питания. Допустимая перегрузка дизельного двигателя по мощности обычно составляет 10% в течение 1 часа (ГОСТ Р 55006-2012. Национальный стандарт Российской Федерации. Стационарные дизельные и газопоршневые электростанции с двигателями внутреннего сгорания). При этом допустимая токовая нагрузка синхронного генератора может составлять до 300% от номинального значения в течение 20 с и 50% в течение 2 мин.
Таким образом, недостаток известного устройства управления пуском асинхронного двигателя состоит в низкой эффективности использования энергетического ресурса источника питания.
Цель предлагаемого изобретения - повышение эффективности использования энергетического ресурса источника питания.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство управления пуском асинхронного двигателя, содержащее подключенный выходом к статорным обмоткам асинхронного двигателя тиристорный регулятор с блоком импульсно-фазового управления, датчики напряжения и тока, включенные на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения, измерительные преобразователи действующих значений напряжения и тока, подключенные к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, блок токоограничения и блок задания, дополнительно введены регулятор напряжения, регулятор тока, регулятор активной мощности, блок ограничения активной мощности и измерительный преобразователь активной мощности, входы которого подключены к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, а выход соединен с вычитающим входом регулятора активной мощности, выход которого подключен к входу блока импульсно-фазового управления, а суммирующий вход через блок ограничения активной мощности соединен с выходом регулятора тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения тока, а суммирующий вход через блок токоограничения соединен с выходом регулятора напряжения, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения напряжения, а суммирующий вход соединен с выходом блока задания.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:
- регулятор напряжения;
- регулятор тока;
- регулятор активной мощности;
- блок ограничения активной мощности;
- измерительный преобразователь активной мощности,
при этом входы измерительного преобразователя активной мощности подключены к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, а выход соединен с вычитающим входом регулятора активной мощности, выход которого подключен к входу блока импульсно-фазового управления, а суммирующий вход через блок ограничения активной мощности соединен с выходом регулятора тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя тока, а суммирующий вход через блок токоограничения соединен с выходом регулятора напряжения, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя напряжения, а суммирующий вход соединен с выходом блока задания.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и автоматики.
Регулятор напряжения; регулятор тока; регулятор активной мощности; блок ограничения активной мощности; измерительный преобразователь активной мощности, в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение эффективности использования энергетического ресурса источника питания при пуске асинхронного двигателя. При переходном процессе в результате действия отрицательной обратной связи по активной мощности, последняя не превышает заданного значения, определяемого техническими характеристиками энергетического источника, например, дизельного двигателя. При этом потребляемый полный ток, содержащий активную и реактивную составляющие, ограничен значением, допустимым для электрической сети и электромеханического преобразователя энергии, например, синхронного генератора. В начале пуска генератор работает с перегрузкой по реактивному току при малой потребляемой активной мощности, благодаря чему обеспечивается высокая скорость электромагнитных процессов в асинхронном двигателе. В процессе пуска ограничиваются как полный ток, так и активная мощность, определяющая скорость разгона двигателя.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема устройства управления пуском асинхронного двигателя. На фиг. 2 приведена осциллограмма процессов при пуске асинхронного двигателя, иллюстрирующая работу устройства. На фиг. 1 обозначено: 1 - регулятор активной мощности; 2 - блок импульсно-фазового управления; 3 - блок ограничения активной мощности; 4 -измерительный преобразователь активной мощности; 5 - тиристорный регулятор; 6 - регулятор тока; 7 - датчик тока; 8 - измерительный преобразователь действующего значения тока; 9 - блок токоограничения; 10 - регулятор напряжения; 11 - датчик напряжения; 12 - асинхронный двигатель; 13 - измерительный преобразователь действующего значения напряжения; 14 - задатчик.
Устройство управления пуском асинхронного двигателя 12 содержит подключенный выходом к статорным обмоткам асинхронного двигателя 12 тиристорный регулятор 5 с блоком импульсно-фазового управления 2, датчики напряжения 11 и тока 7, включенные на выходе тиристорного регулятора 5, измерительные преобразователи действующих значений напряжения 13 и тока 8, подключенные к выходам соответственно датчиков напряжения 11 и тока 7, блок токоограничения 9 и блок задания 14, регулятор напряжения 10, регулятор тока 6, регулятор активной мощности 1, блок ограничения активной мощности 3 и измерительный преобразователь активной мощности 4, входы которого подключены к выходам соответственно датчиков напряжения 11 и тока 7, а выход соединен с вычитающим входом регулятора активной мощности 1, выход которого подключен к входу блока импульсно-фазового управления 2, а суммирующий вход через блок ограничения активной мощности 3 соединен с выходом регулятора тока 6, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя тока 11, а суммирующий вход через блок токоограничения 9 соединен с выходом регулятора напряжения 10, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения напряжения 13, а суммирующий вход соединен с выходом блока задания 14.
Устройство управления реализовано с использованием принципа подчиненного регулирования координат. Главная обратная связь замкнута по напряжению на статорной обмотке асинхронного двигателя 12 с помощью последовательно соединенных датчика напряжения 11 и измерительного преобразователя действующего значения напряжения 13. Задание напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя осуществляется с помощью задатчика 14. Регулятор напряжения 10 выполняет сравнение сигнала задания угловой скорости и сигнала обратной связи, действующего на выходе измерительного преобразователя действующего значения напряжения 13 и преобразование сигнала рассогласования в соответствии с пропорциональным (или пропорционально-интегральным) законом регулирования.
Подчиненный контур регулирования тока асинхронного двигателя 12 организован с помощью датчика тока 7, преобразователя действующего значения тока 8 и регулятора тока 6, реализующего пропорциональный или пропорционально-интегральный закон регулирования. Выходной сигнал регулятора напряжения 10 поступает на вход блока токоограничения 9, в котором установлено ограничение, соответствующее допустимому в течение установленного интервала времени току источника питания. Сигнал задания для регулятора тока 6 формируется на выходе блока токоограничения 9.
Подчиненный контур регулирования активной мощности асинхронного двигателя 12 организован с помощью измерительного преобразователя активной мощности 4, и регулятора активной мощности 1, реализующего пропорциональный или пропорционально-интегральный закон регулирования. Выходной сигнал регулятора активной мощности 1 действует на входе блока импульсно-фазового управления 2, который формирует импульсы для тиристорного регулятора 5.
Работа устройства управления пуском асинхронного двигателя происходит следующим образом. С помощью задатчика 14 для регулятора напряжения 10 формируется сигнал управления в виде возрастающего от начального значения до максимальной величины, соответствующей действующему значению номинального напряжения источника питания. Регулятор напряжения 10 выполняет сравнение заданного напряжения и действующего значения выходного напряжения тиристорного регулятора 5 и преобразует полученную разность в соответствии с пропорциональным или пропорционально-интегральным (в зависимости от выбранной настройки) законом регулирования. Выходной сигнал регулятора напряжения 10 через блок токоограничения 9 поступает на суммирующий вход регулятора тока 6, который выполняет сравнение входного сигнала и действующего значения тока двигателя, формируемого с помощью измерительного преобразователя действующего значения тока 8, и преобразует полученную разность в соответствии с пропорциональным или пропорционально-интегральным (в зависимости от выбранной настройки) законом регулирования. При этом максимальное значение тока при регулировании определяется значением уровня ограничения блока токоограничения 9.
Выходной сигнал регулятора тока 6 через блок ограничения активной мощности 3 поступает на суммирующий вход регулятора активной мощности 1, который выполняет сравнение входного сигнала контура регулирования активной мощности и сигнала, пропорционального активной мощности, формируемого с помощью измерительного преобразователя активной мощности 1, и преобразует полученную разность в соответствии с пропорциональным или пропорционально-интегральным (в зависимости от выбранной настройки) законом регулирования. При этом максимальное значение активной мощности при регулировании определяется значением уровня ограничения блока ограничения активной мощности 3.
Тиристорный регулятор 5 в соответствии с выходным сигналом регулятора активной мощности 1 формирует напряжение на статорной обмотке асинхронного двигателя 12. При этом действующее значение напряжения на выходе тиристорного регулятора 5 в процессе пуска всегда поддерживается таким образом, что ток не превышает уровня, заданного блоком токоограничения 9, а активная мощность не превышает значения, установленного блоком ограничения активной мощности 3. Таким образом, в процессе пуска асинхронного двигателя активная мощность, потребляемая от источника питания, не превышает заданного значения. В результате этого обеспечивается повышение эффективности использования энергетического ресурса источника питания.С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения было выполнено моделирование процесса управления пуском асинхронного двигателя с помощью MATLAB. При моделировании использовались двигатель АИР90 с параметрами: номинальная мощность 2,2 кВт; номинальное напряжение 220 В; номинальный ток 7 А; номинальная частота вращения 1450 об/мин; номинальный момент 15 Н⋅м. В Simulink-модели, составленной в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, использованы П-регулятор напряжения с передаточной функцией
где kрн - коэффициент передачи регулятора напряжения, kрн=10;
П-регулятор тока с передаточной функцией
где kрн - коэффициент передачи регулятора напряжения, крн=5;
ПИ-регулятор активной мощности с передаточной функцией
где kрм - коэффициент передачи регулятора активной мощности, kрм=0,625;
Трм - постоянная времени регулятора тока, Трм=0,05 с.
В блоках токоограничения 9 и ограничения активной мощности 5 установлены следующее значения ограничений: действующего значения тока 25А; активной мощности 2 кВт.
Механическая нагрузка двигателя зависит от угловой скорости Ω в соответствии с уравнением
Мд=0,0004Ω2.
2
Приведенный к валу двигателя момент инерции двигателя равен 0,09 кг⋅м.
На фиг. 2 показаны осциллограммы для тока i; действующего значения напряжения U на статорной обмотке асинхронного двигателя 12; угловой скорости Ω; активной Р и реактивной Q мощностей при пуске асинхронного двигателя. Общее время пуска составляет 2,5 с. В интервале времени 0…0,5 с потребляемая активная мощность возрастает от 0 до заданного предельного значения 2 кВт. При этом происходит потребление большого реактивного тока. Действующее значение полного тока ограничено значением 25 А. В интервале времени 0,5…2,5 с потребляемая активная мощность практически не изменяется и составляет 2 кВт.
Следовательно, использование в известном устройстве управления пуском асинхронного двигателя, содержащем подключенный выходом к статорным обмоткам асинхронного двигателя тиристорный регулятор с блоком импульсно-фазового управления, датчики напряжения и тока, включенные на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения, измерительные преобразователи действующих значений напряжения и тока, подключенные к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, блок токоограничения и блок задания, дополнительно регулятора напряжения, регулятора тока, регулятора активной мощности, блока ограничения активной мощности и измерительного преобразователя активной мощности, входы которого подключены к выходам соответственно датчиков напряжения и тока, а выход соединен с вычитающим входом регулятора активной мощности, выход которого подключен к входу блока импульсно-фазового управления, а суммирующий вход через блок ограничения активной мощности соединен с выходом регулятора тока, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения тока, а суммирующий вход через блок токоограничения соединен с выходом регулятора напряжения, вычитающий вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя действующего значения напряжения, а суммирующий вход соединен с выходом блока задания, повышает эффективность использования энергетического ресурса источника питания.
Использование предлагаемого способа в промышленных системах электроприводов будет способствовать повышению энергетической эффективности, надежности и качества работы электрооборудования.