УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.
Известно устройство плавного безударного пуска высоковольтных электродвигателей [1], содержащее электродвигатель переменного тока, трехфазный тиристорный регулятор напряжения (тока), автоматический выключатель и систему управления. Устройство ограничивает величину пускового тока и полностью устраняет динамические ударные моменты в электродвигателе за счет фазового управления тиристорами при пуске. По окончании плавного пуска (подходе к рабочей скорости вращения) электродвигатель подключается напрямую к питающей сети с помощью автоматического выключателя, а тиристорный регулятор отключается. При этом момент переключения определяется по уменьшению величины пускового тока электродвигателя [1].
Недостатком данного устройства является низкая точность определения момента переключения, т.к. по величине пускового тока практически сложно определить момент выхода электродвигателя на рабочую скорость вращения из-за дестабилизирующих факторов, таких как изменение нагрузки, напряжения питающей сети и др.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению и взятым за прототип является электропривод переменного тока [2], являющийся устройством плавного пуска, в систему управления которого дополнительно введен датчик скольжения (скорости вращения) для повышения точности регулирования и надежности работы. Устройство обеспечивает повышенную точность и надежность переключения электродвигателя от тиристорного регулятора напряжения к питающей сети по окончании плавного пуска.
Недостатком данного прототипа является затянутое по длительности время нахождения тиристорного регулятора под пусковым током электродвигателя.
Общеизвестно, что при плавном пуске электродвигатель разгоняется до выхода на естественную механическую характеристику n=f(M) с помощью тиристорного регулятора напряжения. В этот момент времени заканчивается регулирующее действие тиристорного регулятора, но до его отключения на статорные обмотки электродвигателя продолжает подаваться полное напряжение и он разгоняется до рабочей (подсинхронной) скорости вращения. При этом происходит снижение пускового тока. По контролируемой величине скольжения электродвигателя в прототипе осуществляется переключение электродвигателя с тиристорного регулятора на питающую сеть и соответственно, с существенным запаздыванием от момента фактического прекращения регулирующего действия тиристорного регулятора. В течение времени пуска происходит дополнительный нагрев
тиристоров регулятора пусковым током. В связи с этим радиаторы тиристоров, рассчитанные на поглощение основных и дополнительных потерь, имеют большие габариты.
Технический результат заявляемого решения - улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности работы.
Технический результат достигается тем, что в устройство плавного пуска электродвигателя, содержащее электродвигатель переменного тока, подключенный к питающей сети через первый выключатель и к выходу трехфазного тиристорного регулятора напряжения, который подключен к питающей сети через второй выключатель и содержит тиристорный блок с системой управления, трансформаторы тока, а также устройство переключения выключателей, программное устройство и пульт управления, при этом система управления подключена к управляющим входам тиристорного блока, трансформаторам тока и первому выходу программного устройства, второй выход программного устройства соединен с первым входом устройства переключения выключателей, а входы программного устройства - с выходами трансформаторов тока и пультом управления, дополнительно введен блок контроля бестоковой паузы, входы которого подключены к выходам трансформаторов тока, а выход соединен с вторым входом устройства переключения выключателей. Блок контороля бестоковой паузы содержит N нуль-органов, логический элемент ИЛИ, интегратор, релейный элемент и последовательный регистр, выполненный на двух D-триггерах и логическом элементе И, вход нуль-органов и выход логического
элемента И являются входами и выходным блока контроля бестоковой паузы, выход каждого нуль-органа подключен к входам логического элемента ИЛИ, выход его соединен с входом интегратора, выход которого подключен к входу релейного элемента, выход последнего соединен с D-входом первого D-триггера, выходы D-триггеров подключены к входам логического элемента И, а С-входы D-триггеров подключены к выходу логического элемента ИЛИ.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности работы достигается за счет введения блока контроля бестоковой паузы пускового тока электродвигателя и подключения его между выходами трансформаторов тока и входом устройства переключении, а также выполнения его на базе нуль-органов, интегратора, релейного элемента, последовательного регистра и логических элементов. При пуске электродвигателя блок контроля бестоковой паузы пускового тока четко фиксирует момент выхода электродвигателя на естественную характеристику и, соответственно, окончание работы тиристорного регулятора напряжения и производит через устройство переключения выключателей включение первого автоматического выключателя, шунтирующего по силовым цепям тиристорный регулятор. При этом электродвигатель продолжает разгоняться до рабочей скорости вращения при полном напряжении питающей сети со снижением пускового тока. В результате в предлагаемом устройстве исключается дополнительный нагрев тиристоров регулятора напряжения и
последний выполняется с минимальными габаритами и массой охлаждающих радиаторов тиристоров по сравнению с известными устройствами [1, 2], в которых включение шунтирующего выключателя производится по уменьшению величины пускового тока или скорости вращения, т.е. со значительным запаздыванием. Данное утверждение базируется на общеизвестной теории работы трехфазных тиристорных регуляторов напряжения с фазовым управлением, в качестве устройств плавного пуска (а)синхронных электродвигателей. Согласно этой теории и практики при регулировании напряжения переменный ток в фазах электродвигателя протекает с бестоковыми паузами. На начальном этапе длительность тока в фазе положительной и отрицательной полуволн составляет (120+γ) электрических градусов, где γ - угол коммутации, который равен (15-20) электрических градусов. Соответственно длительность бестоковой паузы равна (60-γ) электрических градусов. В процессе разгона электродвигателя длительность бестоковой паузы уменьшается и в момент выхода на естественную характеристику n=f(M) становится равной нулю, а длительность тока через тиристоры равна 180 электрических градусов. В этот момент прекращается управляющее действие тиристорного регулятора. К электродвигателю прикладывается через тиристоры полное напряжение питающей сети и последний продолжает разгоняться до рабочей скорости вращения. Длительность указанного разгона электродвигателя при полном напряжении питающей сети зависит от параметров электродвигателя, нагрузки, напряжения питающей сети и составляет существенную часть от
времени полного плавного пуска и точно не фиксируется в известных устройствах.
На фиг.1, 2 приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - электродвигатель переменного тока;
2, 4 - выключатели (в формуле полезной модели - соответственно первый и второй выключатели);
3 - трехфазный тиристорный регулятор напряжения (тока);
5 - тиристорный блок;
6 - трансформаторы тока;
7 - система управления;
8 - устройство переключения выключателей;
9 - программное устройство;
10 - пульт управления;
11 - блок контроля бестоковой паузы;
12-14 - нуль-органы;
15 - логический элемент ИЛИ;
16-интегратор;
17 - релейный элемент;
18-20 - последовательный регистр, выполненный на двух D-триггерах 18, 19 и логическом элементе И 20;
21 - датчик скольжения.
В предлагаемом устройстве плавного пуска высоковольтного электродвигателя (а)синхронный электродвигатель 1 подключен к питающей сети напрямую через первый выключатель 2 и к выходу тиристорного регулятора напряжения 3, который через второй выключатель 4 также подключен к питающей сети. Тиристорный регулятор напряжения (тока) состоит из трехфазного тиристорного блока 5 с системой управления 7, трансформаторов тока 6, через которые тиристорный блок подключен к второму выключателю, устройства переключения выключателей 8, программного устройства 9, пульта управления 10 и блока контроля бестоковой паузы 11. При этом система управления 7 подключена к управляющим входам тиристорного блока 5, выходам трансформаторов тока 6 и первому выходу программного устройства 9. Второй выход программного устройства 9 подключен к первому входу устройства переключения выключателей 8, а входы программного устройства 9 подключены к выходам трансформаторов тока 6, пульту управления 10 и, при необходимости, к выходу датчика скольжения 21. Блок контроля бестоковой паузы 11 по цепям входов подключен к выходам трансформаторов тока 6, а по цепи выхода - к второму входу устройства переключения выключателей 8. Блок контороля бестоковой паузы содержит N нуль-органов, в данном варианте - 12, 13, 14 логический элемент 3 ИЛИ 15, интегратор 16, релейный элемент 17 и последовательный регистр, выполненный на двух D-триггерах 18,19 и логическом элементе 2 И 20. Вход каждого нуль-органа 12, 13, 14 подключен к выходу соответствующего
трансформатора тока 6, а выход логического элемента 2 И 20 - к второму входу блока переключения выключателей 8. Выход каждого нуль-органа 12, 13, 14 подключен к входам логического элемента 15, а выход последнего соединен с входом интегратора 16. Выход интегратора 16 подключен к входу релейного элемента 17, а выход последнего - к D-входу первого D-триггера 18 последовательного регистра, выходы D-триггеров 18, 19 подключены к входам логического элемента 20, а С-входы D-триггеров 18, 19 соединены с выходом логического элемента 15.
H
H
Работает устройство следующим образом. Будем считать, что в исходном состоянии выключатели 2, 4 разомкнуты, на функциональные блоки подано питающее напряжение и на их выходах отсутствуют управляющие сигналы. По команде «Пуск» с пульта управления 10 программное устройство 9 по первому выходу подает логическую команду на включение второго выключателя 4 через устройство переключения выключателей 8 и, соответственно, на подключение тиристорного регулятора напряжения 3 к питающей сети. Затем программное устройство по второму выходу подает задание пускового тока на систему управления 7. Система управления выдает управляющие импульсы на тиристорный блок с соответствующим фазовым регулированием в функции по сигналам задания и обратной связи по току. В результате происходит подача трехфазного переменного напряжения с блока тиристорного регулятора на двигатель 1 и происходит плавный разгон с заданным пусковым током, например, равным (2-3) I, где I - номинальный ток
16
n
n
электродвигателя. В процессе разгона электродвигателя ток в фазах протекает с бестоковыми паузами. Нуль-орган 12, подключенный, например, к фазе А, в бестоковую паузу формирует на выходе сигнал единичного уровня в соответствии с установленным минимальным порогом чувствительности. Единичный сигнал нуль-органа через логический элемент 3 И 15 поступает на вход интегратора 16, который преобразует длительность бестоковой паузы в величину выходного сигнала U=kt, где t - длительность бестоковой паузы, к - коэффициент пропорциональности. Сигнал с выхода интегратора поступает на вход релейного элемента 17. На выходе релейного элемента устанавливается сигнал нулевого уровня, если сигнал с выхода интегратора выше напряжения срабатывания релейного элемента и наоборот. В устройстве величина напряжения срабатывания устанавливается на минимальную длительность бестоковой паузы равную (0,5-1,0) электрических градусов. Выходной сигнал единичного или нулевого уровня релейного элемента записывается в последовательный регистр 18, 19, 20 в момент окончания длительности бестоковой паузы, т.к. инверсные С-входы D-триггеров 18, 19 подключены к выходу логического элемента ИЛИ. На начальном этапе плавного пуска электродвигателя длительность бестоковой паузы, равная (60-γ) электрических градусов, значительно превышает установленную. Соответственно, выходной сигнал интегратора превышает величину напряжения срабатывания релейного элемента и на его выходе устанавливается сигнал нулевого уровня. Таким образом, по
окончании каждой бестоковой паузы в последовательный регистр записывается сигнал нулевого уровня с выхода релейного элемента. В результате на выходах D-триггеров и логического элемента И сохраняются установленные перед пуском сигналы нулевого уровня. При выходе электродвигателя на естественную механическую характеристику длительность бестоковой паузы становится равной минимальной и прекращается регулирующее действие тиристорного регулятора напряжения. Длительность тока через тиристоры становится равной периоду питающей сети, а угол фазового управления α равен φ, где φ - параметр электродвигателя переменного тока, φ=arccosφ. В блоке контроля бестоковой паузы напряжение на выходе интегратора становится меньше напряжения срабатывания релейного элемента и по окончании каждой бестоковой паузы в последовательный регистр записывается единичный сигнал с выхода релейного элемента. Два первых последовательно поступающих единичных сигнала устанавливают регистр в единичное состояние. На выходе D-триггеров и логического элемента И появляется сигнал единичного уровня. Сигналом с выхода элемента И через устройство переключения 8, включается выключатель 2, шунтирующий тиристорный регулятор напряжения 3. Тиристоры обесточиваются и дальнейший разгон электродвигателя до рабочей скорости происходит со снижением пускового тока. Соответственно обеспечивается предельно-минимальный нагрев радиаторов, охлаждающих тиристоры и устройство плавного пуска выполняется с оптимальными массогабаритными показателями. Выполнение
блока контроля бестоковой паузы на базе интегратора и последовательного регистра с логическим элементом обеспечивают высокую помехозащищенность и надежность в работе всего устройства в целом. Это обусловлено тем, что интегратор по своей сущности является элементом нечувствительным к наводимым импульсным помехам, а последовательный регистр с логическим элементом 2 И не фиксирует на своем выходе «ложный» одиночный импульс нулевого или единичного уровня. Устройство работоспособно при использовании одного, двух или трех нуль-органов. Количество используемых нуль-органов повышает быстродействие устройства. При использовании одного нуль-органа сигнал на включение выключателя 2 будет сформирован в течение одного периода питающей сети (записи двух минимальных по длительности бестоковых пауз), а при использовании трех нуль-органов, соответственно, в течение 1/3 периода. Наиболее эффективной областью применения заявляемого устройства являются системы плавного пуска уникальных высоковольтных электродвигателей переменного тока, например, типа CTD.
Источники известности:
[1] Альтшуллер М.И., Бадруддинов Н.Г., Евсеев А.Н. и др. Бесконтактное устройство для плавного пуска высоковольтных синхронных и асинхронных электродвигателей. Труды АЭН ЧР №2, 2000 г., стр.58-60.
[2] Электропривод переменного тока. Патент на полезную модель №36068, Бюл. №5, 2004 г.