СПОСОБ ПОДКЛЮЧЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ РЕГУЛЯТОРА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
CONNECTION METHOD OF ASYNCHRONOUS MOTOR TO AC SINUSOIDAL VOLTAGE NETWORK BY MEANS OF AC VOLTAGE REGULATOR

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для улучшения качества электроэнергии в трехфазной электрической сети переменного тока при подключении к ней в качестве нагрузки асинхронных двигателей. Асинхронные двигатели широко применяются в промышленности и имеют значительные преимущества перед другими типами электрических машин. Однако к существенным недостаткам асинхронных двигателей можно отнести большие пусковые токи и относительно низкий коэффициент мощности. Последний приводит к появлению значительной реактивной составляющей в передаваемой по сети электрической энергии при работе асинхронного двигателя в установившемся режиме. Указанные недостатки требуют применения дополнительных технических решений при подключении асинхронных двигателей к сети переменного тока.
Известен способ подключения асинхронного двигателя с помощью преобразователя, осуществляющего плавное регулирование частоты подводимого синусоидального напряжения к статорным обмоткам асинхронного двигателя [Красовский А.Б. Основы электропривода: учебное пособие / А.Б. Красовский. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, с. 289]. Управление частотой подводимого к статорным обмоткам синусоидального напряжения позволяет осуществлять плавный пуск асинхронного двигателя, снижать броски сетевого тока при пуске асинхронного двигателя и осуществлять регулирование частоты вращения его вала в установившемся режиме, что является основным преимуществом данного способа. В тех случаях, когда не требуется регулирования частоты вращения вала асинхронного двигателя, такой способ не эффективен в виду того, что стоимость преобразователей подобного типа является относительно высокой. Кроме того, приведенный способ характеризуется относительно низким к.п.д. в связи с большими потерями в преобразователе, связанными с двойным преобразованием электроэнергии и высокой частотой работы его ключевых элементов.
Наиболее близким прототипом к заявляемому изобретения является способ подключения асинхронного двигателя с помощью тиристорного регулятора переменного напряжения, включаемого последовательно с источником питания и статорными обмотками асинхронного двигателя, при котором регулирование величины действующего значения напряжения на каждой фазе статорной обмотки осуществляется с помощью фазового регулирования угла отпирания тиристоров регулятора переменного напряжения относительно фазного напряжения сети [А. Ситников «Тиристорное устройство плавного пуска асинхронного двигателя» Современная электроники №9, 2008, с. 50-53]. При таком способе подключения асинхронного двигателя к сети переменного синусоидального напряжения регулятор переменного напряжения управляет действующим значением напряжения, прикладываемого к статорным обмоткам асинхронного двигателя и тем самым ограничивает броски тока в сети переменного синусоидального напряжения. При достижении установившегося режима работы асинхронного двигателя регулятор переменного напряжения выводится из работы путем его шунтирования посредством реле для исключения дополнительных потерь энергии в цепи источник питания - асинхронный двигатель. Недостатком такого способа подключения асинхронного двигателя к сети переменного синусоидального напряжения является наличие несинусоидальных токов в сети переменного синусоидального напряжения при пуске асинхронного двигателя вследствие применения метода фазового управления тиристорами в регуляторе переменного напряжения. Это отрицательно сказывается на качестве электроэнергии в сети переменного напряжения из-за возникновения в последней несинусоидальных токов в процессе пуска асинхронного двигателя. Кроме того, при таком способе подключения не решается проблема компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя в сети переменного синусоидального напряжения в установившемся режиме его работы.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качества электрической энергии, потребляемой от сети переменного синусоидального напряжения как в процессе пуска, так и в установившемся режиме работы асинхронного двигателя.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе подключения асинхронного двигателя к сети переменного синусоидального напряжения с помощью регулятора переменного напряжения, работающего от сети переменного синусоидального напряжения, использующем формирование регулируемого напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя в процессе его пуска с помощью подключения регулятора переменного напряжения последовательно с сетью переменного напряжения и статорными обмотками асинхронного двигателя и управления его напряжением в процессе пуска асинхронного двигателя, а также исключение регулятора переменного напряжения из последовательной цепи, включающей сеть переменного синусоидального напряжения и статорные обмотки асинхронного двигателя, при работе асинхронного двигателя в установившемся режиме в качестве регулятора переменного напряжения используют регулятор переменного синусоидального напряжения и при достижении асинхронным двигателем установившейся скорости вращения регулятор переменного напряжения через компенсирующие конденсаторы подключают параллельно статорным обмоткам асинхронного двигателя для компенсации его реактивной мощности в сети переменного синусоидального напряжения и дальнейшее управление синусоидальным напряжением регулятора переменного напряжения осуществляют с целью компенсации реактивной мощности, генерируемой асинхронным двигателем в сеть переменного синусоидального напряжения.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена блок схема устройства, поясняющая принцип работы предлагаемого способа подключения асинхронного двигателя к сети переменного синусоидального напряжения с помощью регулятора переменного напряжения на примере одной фазы статора асинхронного двигателя.
Блок схема фиг. 1 содержит источник переменного синусоидального напряжения 1, первый вывод которого подключен к первому выводу фазной обмотки 2 статора асинхронного двигателя 3, а второй вывод фазной обмотки 2 статора асинхронного двигателя 3 подключен к первому выводу датчика тока 4, второй вывод которого соединен с основным общим выводом 0 двухпозиционного переключателя 5. Вывод 1 двухпозиционного переключателя 5 соединен с выходом 1 и входом 1 регулятора переменного синусоидального напряжения 6, входы 1 и 2 которого соединены с вторым и первым выводами источника переменного синусоидального напряжения 1 соответственно, а выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 соединен с выводом 2 двухпозиционного переключателя 5, к которому также подключен первый вывод компенсирующего конденсатора 7. Второй вывод компенсирующего конденсатора 7 соединен с первым выводом ключа 8, при этом второй вывод ключа 8 соединен с первым выводом источника переменного синусоидального напряжения 1. Параллельно источнику синусоидального напряжения 1 включен датчик напряжения 9, сигнал с выхода которого поступает на вход 1 системы управления 10 регулятора переменного синусоидального напряжения 6. На вход 2 системы управления 10 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 поступает сигнал с датчика тока 4 фазной обмотки 2 статора асинхронного двигателя 3. Выход 1 системы управления 10 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 соединен с входом 3 регулятора переменного синусоидального напряжения 6. Выходы 2 и 3 системы управления 10 соединены соответственно с управляющими входами двухпозиционного переключателя 5 и ключа 8. На вход 3 системы управления 10 поступает сигнал внешнего управления. Построение устройства для других фаз статорной обмотки асинхронного двигателя 3 выполняется аналогично.
Способ реализуется следующим образом:
При поступлении на вход 3 системы управления 10 сигнала управления на пуск асинхронного двигателя 3 система управления 10 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 формирует на своем выходе 2 сигнал управления двухпозиционным переключателем 5 на замыкание выводов 0 и 2 двухпозиционного переключателя 5, тем самым подключая выходные зажимы (выход 1 и выход 2) регулятора переменного синусоидального напряжения 6 последовательно с источником переменного синусоидального напряжения 1, датчиком тока 4 и фазной обмоткой 2 статора асинхронного двигателя 3. При этом, сигналом на выходе 3 системы управления 10 ключ 8 переводится в разомкнутое состояние. Регулятор переменного синусоидального напряжения 6 получает питание от источника переменного синусоидального напряжения 1, к которому он подключен своими входными зажимами (вход 1 и вход 2). Сигнал с выхода 1 системы управления 10 поступает на управляющий вход 3 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 и задает требуемую величину переменного синусоидального напряжения между его выходными зажимами (выход 1 и выход 2). При пуске асинхронного двигателя под управлением системы управления 10 между выходными зажимами (выход 1 и выход 2) регулятора переменного синусоидального напряжения 6 формируется управляемое синусоидальное переменное напряжение, которое по мере разгона асинхронного двигателя изменяется от величины напряжения источника синусоидального напряжения 1 до нуля. При этом выходное синусоидальное напряжение между выходными зажимами выход 1 и выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 по своему направлению противоположно напряжению источника синусоидального напряжения 1 и, таким образом, напряжение, прикладываемое к фазной обмотке 2 статора асинхронного двигателя 3, определяется как разность напряжения источника синусоидального напряжения 1 и напряжения, формируемого между выходными зажимами выход 1 и выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6. За счет управления величиной синусоидального напряжения между выходными зажимами выход 1 и выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 можно управлять скоростью изменения синусоидальным напряжением на фазной обмотке 2 статора асинхронного двигателя 3, ограничивать ее ток и сохранять синусоидальными напряжения и токи в процессе разгона асинхронного двигателя 3.
После разгона асинхронного двигателя 3 и достижения установившегося режима его работы система управления 10 замыкает ключ 8, переключает двухпозиционный переключатель 5 в положение, обеспечивающее замкнутое состояние его выводов 0 и 1, при котором фазная обмотка статора подключается напрямую к источнику переменного синусоидального напряжения 1, а выходные зажимы выход 1 и выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 подключаются параллельно источнику переменного синусоидального напряжения 1 через компенсирующий конденсатор 7 и замкнутый ключ 8. В этом случае регулятор переменного синусоидального напряжения 6 работает в режиме компенсатора реактивной мощности асинхронного двигателя 3 и за счет управления величиной синусоидального напряжения на выходных зажимах регулятора переменного синусоидального напряжения 6 задается необходимая величина емкостного тока, протекающего через компенсирующий конденсатор 7. При этом, как видно из фиг. 1, к компенсирующему конденсатору 7 прикладывается алгебраическая сумма напряжений источника переменного синусоидального напряжения 1 и напряжения, формируемого между выходными зажимами выход 1 и выход 2 регулятора переменного напряжения 6. Регулируя величину синусоидального напряжения между выходными зажимами выход 1 и выход 2 регулятора переменного синусоидального напряжения 6 осуществляют компенсацию реактивной, генерируемой фазной обмоткой 2 статора асинхронного двигателя 3 в источник переменного синусоидального напряжения 1, так чтобы суммарная потребляемая от источника переменного синусоидального напряжения 1 реактивная мощность сводилась к минимуму.
Таким образом, применение в качестве регулятора переменного напряжения 6 регулятора переменного синусоидального напряжения и управление его подключением к асинхронному двигателю 3 по предлагаемому способу позволяет решить основную задачу предлагаемого изобретения: улучшить качество электроэнергии, потребляемой от источника переменного синусоидального напряжения 1 как на интервале времени запуска асинхронного двигателя 3, так и при его работе в установившемся режиме. На интервале запуска асинхронного двигателя 3 это достигается тем, что к фазным обмоткам статора асинхронного двигателя 3 всегда прикладывается синусоидальное изменяющееся во времени напряжение и в них протекает синусоидальный ток. В установившемся режиме улучшение качества электрической энергии, потребляемой от источника синусоидального напряжения 1, достигается тем, что регулятор переменного синусоидального напряжения 6 работает в режиме компенсатора реактивной мощности и с помощью регулирования величины синусоидального напряжения между его выходными зажимами выход 1 и выход 2 обеспечивается минимизация уровня реактивной мощности, потребляемой от источника переменного синусоидального напряжения 1. При этом ток, потребляемый от источника переменного синусоидального напряжения 1, не имеет высокочастотных гармоник, что также положительно сказывается на качестве электрической энергии, потребляемой от источника переменного синусоидального напряжения 1.
Кроме того, в случае необходимости, раздельное пофазное управление регулятором переменного синусоидального напряжения 6 может быть использовано также для симметрирования фазных напряжений, прикладываемых к фазным обмоткам 2 статора асинхронного двигателя 3 при его работе в установившемся режиме. Такое управление позволяет повысить надежность работы асинхронного двигателя при асимметрии фазных напряжений источника переменного синусоидального напряжения 1.