ТИРИСТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАВНОГО ЧАСТОТНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
THYRISTOR DEVICE FOR SMOOTH START OF HV SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR BY UNDERFREQUENCY RELAY (VERSIONS)

Изобретения относятся к области электротехники и могут быть использованы для плавного пуска шаровых мельниц, конвейеров, вентиляторов со статической нагрузкой на валу и большими маховыми массами, а также других аналогичных производственных механизмов.
Известно тиристорное устройство для частотного пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя (см. каталог продукции ОАО «ВНИИР» «Электроприводная техника» «Тиристорные устройства частотного безударного пуска серии УБПВД-С», www.abs-vniir.ru), содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя, тиристорного инвертора, сглаживающего дросселя. Электродвигатель запускается в режиме регулирования частоты с включенным возбуждением. До частоты 5-7 Гц, пока эдс электродвигателя мала, в преобразователе частоты осуществляется принудительная коммутация тиристоров инвертора методом прерывания тока, основанным на поочередном переводе тиристоров выпрямителя в инверторный режим и обратно. В дальнейшем эдс электродвигателя возрастает и инвертор переходит в режим естественной коммутации тока фаз за счет эдс фаз электродвигателя, наводимых вращающимся полем ротора.
К недостаткам аналога следует отнести наличие провалов электромагнитного момента электродвигателя до нуля при переключении тока его фаз в области низких скоростей, когда токи работающих фаз снижаются до нуля, а затем вновь возрастают до прежнего значения (но уже в другой паре фаз). Провалы электромагнитного момента на валу электродвигателя вызывают динамические удары в редукторе механизма и в обмотках двигателя, что может привести к выходу их из строя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемым изобретениям является тиристорное устройство для управления пуском и регулированием скорости высоковольтного синхронного электродвигателя (см. в доклад Бабурина М.В. и др. «Мощный высокооборотный электропривод» (1X Симпозиум «Электротехника 2030», доклад 5.08, 29-31 мая 2007 г.), принятое за прототип (см. структурную схему на фиг.1), содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока 2, состоящий из тиристорного выпрямителя 3, тиристорного инвертора 4 и сглаживающего дросселя 5, в котором для уменьшения углов коммутации тиристоров инвертора в цепи тока каждой фазовой обмотки электродвигателя включены дополнительные транзисторные коммутаторы частичного напряжения фаз 20,21,22, выполненные по схемам двухфазных транзисторных инверторов напряжения на четырех силовых транзисторах и конденсаторе.
Эффект сокращения времени спада тока в фазе синхронного электродвигателя 1, выходящего из работы, достигается включением встречно протекающему току напряжения предварительно заряженного конденсатора 27 (при закрытых транзисторах 23-26). На вне коммутационном участке токовой диаграммы, когда напряжение фазы электродвигателя максимально и превышает номинальное значение напряжения силовых транзисторов коммутатора, ток фазы электродвигателя протекает при одном направлении через открытый транзистор 24 и обратный диод транзистора 26, а при другом направлении тока - через открытый диод транзистора 25 и открытый транзистор 23, т.е. транзисторный коммутатор на этом участке токовой диаграммы зашунтирован.
Недостатками устройства по прототипу являются его повышенные массогабаритные показатели и стоимость из-за значительного количества высоковольтных транзисторов (12 шт.) в транзисторных коммутаторах частичного напряжения и необходимость установки трех высоковольтных конденсаторов. Кроме того, высоковольтные транзисторы обтекаются током нагрузки электродвигателя и в длительном установившемся режиме после завершения пуска. Поэтому для отвода выделяемого в этом режиме тепловых потерь требуются увеличенные охлаждающие радиаторы, на которые устанавливаются транзисторы, и дополнительный их обдув, что также увеличивает габаритные размеры устройства по прототипу.
Технический результат предлагаемых устройств по вариантам заключается в уменьшении массы, габаритов и стоимости устройства плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей при сниженных пульсациях вращающего момента синхронного электродвигателя в области низких скоростей.
Указанный технический результат достигается тем, что в тиристорное устройство для плавного частотного пуска высоковольтного синхронного электродвигателя по первому варианту, содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя, тиристорного инвертора, сглаживающего дросселя, введены транзисторный инвертор с блоком управления транзисторным инвертором и конденсатором фильтра на входах, стабилизатор напряжения, соединенный параллельно конденсатору фильтра, коммутационные аппараты, силовыми контактами соединяющие соответствующие входные и выходные зажимы тиристорного и транзисторного инверторов. Стабилизатор напряжения содержит транзисторный ключ, соединенный одним выводом через введенный развязывающий диод, а другим напрямую с соответствующими выводами транзисторного инвертора, датчик напряжения, соединенный с первым входом введенного регулятора напряжения. Устройство содержит задатчик интенсивности, соединенный с блоком управления транзисторного инвертора и регулятора напряжения. Транзисторный инвертор содержит датчики тока, соединенные с входами блока управления транзисторным инвертором. Транзисторный инвертор выполнен по трехфазной мостовой схеме выпрямления и рассчитан на частичное напряжение сети (10-15%).
Указанный технический результат достигается тем, что в тиристорное устройство для плавного частотного пуска высоковольтного синхронного электродвигателя по второму варианту, содержащее зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из тиристорного выпрямителя, тиристорного инвертора, сглаживающего дросселя, введены транзисторный инвертор с блоком управления транзисторным инвертором и конденсатором фильтра на входах, стабилизатор напряжения, соединенный параллельно конденсатору фильтра, коммутационные аппараты, силовыми контактами соединяющие соответствующие входные и выходные зажимы тиристорного и транзисторного инверторов, задатчик интенсивности, соединенный с блоком управления транзисторного инвертора и регулятором напряжения. Стабилизатор напряжения содержит транзисторный ключ, соединенный одним выводом через введенный развязывающий диод, а другим напрямую с соответствующими выводами транзисторного инвертора, регулятор напряжения, датчик напряжения, соединенный с первым входом регулятора напряжения, второй вход которого соединен с транзисторным ключом. Транзисторный инвертор содержит датчики тока, соединенные с входами блока управления транзисторным инвертором. Транзисторный инвертор выполнен по трехфазной мостовой схеме выпрямления и рассчитан на частичное напряжение сети (10-15%).
Сущность предлагаемого технического решения по первому варианту заключается в том, что благодаря введению в устройство трехфазного транзисторного инвертора рассчитанного на частичное напряжение сети (10-15%) и выполненного по трехфазной мостовой схеме выпрямления, конденсатора фильтра, стабилизатора напряжения, коммутационных аппаратов для отключения введенных элементов в области высоких напряжений на зажимах электродвигателя и оригинальному их соединению, уменьшаются масса, габариты и снижается стоимость устройства.
Сущность устройства по второму варианту та же, что и по первому варианту, и дополнительно то, что в устройстве содержится еще и задатчик интенсивности, позволяющий формировать скорость изменения частоты на выходе транзисторного инвертора и уровня напряжения на конденсаторе фильтра в процессе разгона электродвигателя в области низких скоростей.
Для пояснения предлагаемых технических решений по варрантам на фиг.2 и на фиг.3 приведены структурные схемы заявляемых изобретений по первому варианту и по второму варианту соответственно, где приняты следующие обозначения:
1 - синхронный электродвигатель;
2 - зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока;
3 - тиристорный выпрямитель;
4 - тиристорный инвертор;
5 - сглаживающий дроссель;
6 - транзисторный инвертор;
7 - блок управления транзисторным инвертором;
8 - конденсатор фильтра;
9 - стабилизатор напряжения;
10, 11 - коммутационные аппараты;
12 - транзисторный ключ;
13 - развязывающий диод;
14 - регулятор напряжения;
15 - датчик напряжения;
16-18 - датчики тока;
19 - задатчик интенсивности.
Тиристорное устройство для плавного частотного пуска высоковольтного синхронного электродвигателя по первому варианту содержит зависимый преобразователь частоты со звеном постоянного тока 2, состоящий из тиристорного выпрямителя 3, тиристорного инвертора 4, сглаживающего дросселя 5, транзисторный инвертор 6, рассчитанный на частичное напряжение сети (10-15%) и выполненный по трехфазной мостовой схеме выпрямления, блок управления транзисторным инвертором 7, конденсатор фильтра 8, стабилизатор напряжения 9, содержащий транзисторный ключ 12, развязывающий диод 13, датчик напряжения 15, регулятор напряжения 15. Транзисторный ключ 12 одним выводом соединен через развязывающий диод 13, а другим напрямую с соответствующими выводами транзисторного инвертора 6, при этом датчик напряжения 15 подключен выходным зажимом к первому входу регулятора напряжения 14. Транзисторный инвертор 6 на выходе содержит датчики тока 16, 17, 18, соединенные с входами блока управления транзисторного инвертора 7.
Устройство по второму варианту содержит все элементы, что и в устройстве по первому варианту, и дополнительно задатчик интенсивности 19, соединенный с входами блока управления транзисторного инвертора 7 и регулятора напряжения 14.
Работа устройства по вариантам осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии схемы тиристорного выпрямителя 3 и тиристорного инвертора 4 закрыты и ток в фазах синхронного электродвигателя 1 отсутствует. Его ротор относительно обмоток статора находится в неопределенном положении. Коммутационные аппараты 10, 11 включены. В устройстве, содержащем задатчик интенсивности 16, сигнал на выходе задатчика 16 интенсивности равен нулю, напряжение на конденсаторе фильтра 8 также равно нулю, транзисторный ключ 12 закрыт. Транзисторы инвертора 6, соответствующие заданному начальному углу положения ротора относительно обмоток статора, открыты. При поступлении команды на пуск синхронного электродвигателя 1 появляется ток возбуждения ротора, открываются тиристоры выпрямителя 3 и в заданные фазы статора синхронного электродвигателя подается постоянный ток на уровне уставки токоограничения. В синхронном электродвигателе 1 возникает электромагнитный момент, зависящий от величины заданного тока и пространственного положения ротора относительно результирующего вектора тока статора (меняется по синусоидальному закону). Под его воздействием ротор поворачивается и занимает положение, при котором момент на валу электродвигателя равен моменту статической нагрузки (выполняется операция позиционирования, т.е. установка ротора в положение, соответствующее заданному начальному углу). Скорость ротора синхронного электродвигателя 1 после завершения переходных процессов в этом режиме равна нулю.
При появлении команды на разгон электродвигателя блок управления транзисторного инвертора 7 выбирает режим управления и частоту переключения инвертора 6 (режим ШИМ при синусоидальной форме выходного тока с использованием сигналов с датчиков тока 16-18 в качестве обратной связи по току или режим циклокон вертора при прямоугольной форме выходного тока, когда его нет), а также способ управления частотой выходного тока инвертора 6 и выдает команды на открытие соответствующих транзисторов инвертора 6. При появлении управляющих сигналов на входах транзисторов инвертора 6 они переключаются в заданной последовательности и электродвигатель начинает вращаться. Одновременно начинает работать регулятор напряжения 14, устанавливая при работе устройства по первому варианту максимальную величину напряжения, эквивалентную выпрямленному напряжению постоянного тока инвертора 6 при частоте переключения пускового устройства на работу тиристорным инвертором 4 (5-7 Гц). При наличии задатчика интенсивности 16 в устройстве по второму варианту напряжение на конденсаторе фильтра до максимальной величины увеличивается плавно по мере разгона синхронного электродвигателя 1. При отсутствии стабилизатора напряжения 9 из-за неравенства тока дросселя на выходе выпрямителя и входного тока инвертора происходит накопление заряда в конденсаторе фильтра и неограниченное возрастание напряжения на его зажимах. При наличии стабилизатора напряжения 9 избыток тока сглаживающего дросселя протекает мимо транзисторного инвертора через открытый транзисторный колюч 12 стабилизатора напряжения 9.
После разгона синхронного электродвигателя 1 до заданной частоты вращения (ориентировочно до 5-7 Гц частоты тока ротора), когда возможна естественная коммутация тока фаз синхронного электродвигателя 1 за счет эдс фаз, наводимых вращающимся полем ротора, происходит переключение режима работы синхронного электродвигателя 1 с транзисторного инвертора 6 на тиристорный инвертор 4. При этом коммутационные аппараты 10, 11 отключаются и дальнейший разгон синхронного электродвигателя 1 до номинальной скорости происходит в штатном режиме.
В устройстве по второму варианту с помощью задатчика интенсивности 16 исключается возможность резкого изменения задания выходной частоты инвертора при резком изменении задания и обеспечивается плавное изменение частоты при переходе одной частоты на другую.
По сравнению с прототипом, благодаря наличию в заявляемых устройствах транзисторного инвертора с блоком управления и конденсатором фильтра на его входах, стабилизатора напряжения, коммутационных аппаратов, позволяющих отключить транзисторный инвертор и стабилизатор напряжения в области высоких напряжений и скоростей синхронного электродвигателя, а также выбрать дополнительную аппаратуру на меньшее напряжение уменьшаются масса, габариты и снижается стоимость заявляемых устройств. Введение в устройство по второму варианту задатчика интенсивности позволяет плавно повышать частоту вращения электродвигателя и в соответствии с плавным возрастанием эдс на зажимах электродвигателя плавно увеличивать напряжение на конденсаторе фильтра от нуля до максимального значения. Это позволяет уменьшить коммутационные потери мощности в силовых транзисторах, снизить их нагрев, а значит и габаритные размеры охлаждающих радиаторов.
Заявляемые изобретения предполагается использовать в устройствах безударного плавного пуска синхронных электродвигателей УБПВД-С, широко применяемых в электроприводах цементных мельниц, дробилок и прочих аналогичных механизмов с наличием статического момента на валу в процессе пуска.