СИСТЕМА ПЛАВНОГО ЗАПУСКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ
SMOOTH START SYSTEM OF ELECTRIC MOTOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к запуску электрического двигателя, осуществляемому при помощи системы плавного запуска. Его можно применять для двигателей, получающих питание от переменных электрических сетей высокого направления, а также от электрических сетей низкого напряжения. В настоящем документе термин «высокое напряжение» охватывает области среднего напряжения (МТ) и высокого напряжения А (НТА), то есть напряжения, составляющие от 1000 вольт до 50 киловольт.
Предшествующий уровень техники
Во время запуска электрического двигателя он отбирает ток в питающей его электрической сети. В результате может произойти снижение напряжения сети, что приводит к нарушению работы некоторых чувствительных нагрузок и, возможно, к аварийным отключениям сети.
Чтобы избежать этой проблемы, как известно, двигатель подключают к электрической сети через систему плавного запуска, известную под названием стартера или ʺsoft-starterʺ, которая позволяет постепенно повышать значение эффективного напряжения, подаваемого на двигатель во время фазы запуска, посредством управления силовыми электронными прерывателями, установленными между двигателем и источником электрического питания. Эти электронные прерыватели, обычно содержащие тиристоры, являются хрупкими и чувствительными к переходным напряжениям и токам, которые действуют на них во время переключений. В частности, если команда на замыкание тиристора поступает не в надлежащий момент, это может с течением времени привести к поломке или к преждевременному износу этого тиристора. Поэтому команды на них следует подавать, в частности, в момент, когда напряжение на клеммах прерывателя является минимальным.
Для плавного запуска электрического двигателя в документе FR2980058 описан способ управления силовым электронным прерывателем, который состоит из двух установленных валетом тиристоров, параллельно с которыми выполнена цепь успокоения типа RC, называемая также ʺsnubberʺ. В этом документе на основании оценки напряжения на клеммах прерывателя способ позволяет определить временной диапазон замыкания прерывателя, во время которого напряжение сведено к минимуму, чтобы сохранить надежность и долговечность тиристоров. В частности, выбирают временной диапазон, который соответствует отрицательным полупериодам переменной составляющей напряжения на клеммах управляемого прерывателя.
Однако измерение переходного напряжения на клеммах электронного прерывателя требует достаточно сложной обработки сигнала, в частности, дискретизации по высокой частоте, чтобы обнаруживать минимумы напряжений. Кроме того, это усложняет конструкцию отсека системы плавного запуска и, следовательно, повышает ее стоимость.
Поэтому, чтобы определить соответствующий временной диапазон для замыкания тиристоров электронного прерывателя, предпочтительно измеряют производную тока, проходящего на клеммах прерывателя. Действительно, после размыкания электронного прерывателя производная переходного тока на клеммах прерывателя, то есть ослабленного переходного тока, проходящего в успокоителе, является обратным отображением переходного напряжения на клеммах прерывателя. Следовательно, производную тока можно использовать для синхронизации переключения управляемого прерывателя. Таким образом, обнаруживают нулевые переходы, иначе говоря изменения знака производной переходного тока на клеммах прерывателя, когда тиристоры прерывателя не проводят ток, что позволяет определить частоту колебания этого переходного тока.
Для измерения производной тока, проходящего на клеммах прерывателя, используют датчик, например, такой как тор Роговского, который может выдавать сигнал ничтожной продолжительности порядка микросекунды, на который не влияет частота тока в спектре встречающихся на практике переходных частот (то есть порядка 1-5 кГц).
Однако окружающая среда, в которой находится датчик или датчики, является средой, содержащей сильные электрические поля (электрическая изоляция) и/или магнитные поля (силовые провода двигателя). Эти поля приводят к появлению сильных гармоник и высоких частот (во время переключения тиристоров), которые наводят электромагнитные помехи (СЕМ) на аналоговых электрических сигналах измерения, поступающих от датчика или датчиков и предназначенных для электронной схемы управления стартером.
Это относится, в частности, к двигателям, получающим питание от электрической сети высокого напряжения, номинальные напряжения которых превышают 1000 В и даже превышают 5,5 кВ по причине высоких значений переходных напряжений и токов, действующих в этих случаях на управляемые прерыватели, хотя это может относится и к двигателям, питаемым от сети низкого напряжения.
Таким образом, задачей изобретения является разработка решения, позволяющего преодолеть вышеупомянутые проблемы и одновременно соблюдать требования эффективности, необходимой для управления тиристорами.
Раскрытие изобретения
В связи с этим предложена система запуска электрического двигателя, питаемого от электрической сети, содержащая электронную схему управления и электронный прерыватель переключения для управления фазой двигателя, при этом электронным прерывателем управляет схема управления. Согласно изобретению, система запуска содержит датчик, предназначенный для подачи аналогового сигнала, характеризующего производную тока, проходящего в фазе двигателя, и детекторную карту, которая содержит средства преобразования упомянутого аналогового сигнала в двоичный сигнал, характеризующий изменения знака упомянутого аналогового сигнала. Детекторная карта содержит также средства передачи упомянутого двоичного сигнала в схему управления, чтобы оптимизировать управление электронным прерывателем.
Согласно отличительному признаку, средства передачи сначала преобразуют двоичный сигнал в оптический сигнал, который передается в схему управления по оптическому волокну.
Предпочтительно датчик является тором Роговского, окружающим фазу, и детекторная карта расположена в непосредственной близости от датчика.
Согласно другому отличительному признаку, двигатель является трехфазным двигателем, и система запуска содержит три электронных прерывателя переключения, управляемых схемой управления для управления каждой фазой двигателя.
Согласно варианту выполнения, система запуска содержит три датчика, окружающих каждую фазу питания двигателя и выдающих аналоговые сигналы, и содержит три детекторных карты, при этом каждая детекторная карта соединена с датчиком и передает двоичный сигнал в схему управления.
Согласно другому варианту выполнения, система запуска содержит три датчика, окружающих каждую фазу двигателя и выдающих три аналоговых сигнала, и одну общую детекторную карту, при этом общая детекторная карта соединена с тремя датчиками и передает один общий двоичный сигнал в схему управления, при этом общий двоичный сигнал характеризует изменения знака трех аналоговых сигналов, причем эти изменения знака происходят не одновременно.
Согласно еще одному варианту выполнения, система запуска содержит один общий датчик, окружающий все фазы двигателя, и одну детекторную карту, которая соединена с общим датчиком и передает один двоичный сигнал в схему управления.
Применение этой технологии детектирования при помощи датчика типа тора Роговского позволяет получать точные срабатывания тиристоров со знанием переходов минимумов напряжения на клеммах тиристоров, что позволяет значительно упростить действующие на них электрические условия. Она является тем более эффективной, чем быстрее и точнее происходит обнаружение нулевых переходов производной тока фазы.
Предпочтительно предложенное решение не требует аналого-цифрового преобразования и затем оптической передачи оцифрованной аналоговой величины, что могло бы привести к неприемлемой продолжительности при требуемой эффективности с точки зрения точности измерения и задержки. Действительно, намного проще передавать через оптическое волокно двоичный сигнал, чем оцифрованный аналоговый сигнал.
Краткое описание фигур
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает первый вариант выполнения заявленной системы запуска.
Фиг. 2 и 3 - другие варианты выполнения.
Фиг. 4 - детальный вид электронного прерывателя переключения, предназначенного для управления фазой электрического двигателя.
Подробное описание по меньшей мере одного варианта выполнения
Показанный на фиг. 4 электронный прерыватель 10 переключения подключен к фазе переменной электрической сети 1 и содержит два тиристора Ta,Tb, установленные параллельно в виде валета, а также схему успокоения RC (snubber), содержащую резистор Р, последовательно соединенный с конденсатором С. Схема успокоения параллельно соединена с тиристорами Ta,Tb. На каждом полупериоде переменного напряжения сети 1 управляющий электрод тиристоров Ta, соответственно Tb может управляться по команде замыкания 9а, соответственно 9b. Когда ни один из тиристоров Ta,Tb не является проводящим, в прерыватель 10 через схему успокоения RC может проходить переходный ток.
На фиг. 1 представлена система плавного запуска трехфазного электрического двигателя М, получающего питание от трехфазной переменной электрической сети 1. Система запуска содержит электронный прерыватель 10, подключенный к каждой фазе электрической сети между источником энергии сети и двигателем М. Система запуска управляет тремя электронными прерывателями 10 таким образом, чтобы постепенно менять напряжение на клеммах двигателя М.
Система запуска содержит схему 7 управления, которая предназначена, в частности, для управления электронными прерывателями 10 посредством передачи команд замыкания 9а,9b на тиристоры Ta,Tb в зависимости от заданных значений управления. Схема 7 управления содержит элементы контроля (микропроцессор, DSP, FPGA,…) системы запуска и может также содержать один или несколько отдельных модулей, не показанных на фигурах. Например, она может содержать отдельный интерфейсный модуль для обеспечения защиты оборудования и лиц, которые могут работать на модуле контроля.
Из соображений ограничения влияния помех СЕМ, в частности, в высоковольтных приложениях, система запуска содержит также электронные карты 8, подсоединенные между схемой 7 управления и электронными прерывателями 10 и расположенные в непосредственной близости от электронных прерывателей 10 для передачи команд 9а,9b, которые могут в этом случае передаваться по оптическому волокну.
Для оптимального определения моментов замыкания тиристоров Ta,Tb электронного прерывателя 10 система запуска содержит датчик, измеряющий производную тока, который проходит на клеммах этого прерывателя. Как было указано выше, предпочтительно это измерение производной тока, проходящего через электронный прерыватель 10, можно использовать для синхронизации управления тиристорами этого прерывателя.
Предпочтительно датчик 3 является тором Роговского, который окружает фазу двигателя М между прерывателем 10 и двигателем М и который выдает аналоговый сигнал 4, характеризующий производную тока, циркулирующего в фазе двигателя. В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, система запуска содержит три тора Роговского, при этом каждый тор окружает одну фазу трехфазного двигателя М.
Согласно изобретению, система запуска содержит также электронную детекторную карту 5, которая принимает аналоговый сигнал 4 от датчика и вырабатывает двоичный сигнал 6, характеризующий изменения знака аналогового сигнала 4, затем передает этот двоичный сигнал 6 в схему 7 управления, чтобы оптимизировать моменты управления замыканием тиристоров электронного прерывателя 10. Детекторная карта 5 выполняет следующие функции:
- Первую так называемую функцию «инструментации датчика». Эта функция осуществляет считывание аналогового сигнала 4, поступающего от датчика 3, при помощи соответствующей нагрузки, после чего буфер производит адаптацию полного сопротивления для соединения со следующими функциями. Эта функция обеспечивает также электрическую защиту детекторной карты 5.
- Вторую так называемую функцию «фильтрации». Эта функция выбирает частотный диапазон, в котором находится полезный аналоговый сигнал 4. Полоса пропускания этой функции является достаточно широкой, чтобы обеспечивать обнаружение переходного колеблющегося ослабленного сигнала достаточной высокой высоты по сравнению с частотой сети, то есть порядка 1-5 кГц.
- Третью так называемую функцию «преобразования». Эта функция осуществляет отслеживание изменений знака аналогового сигнала, получаемого от второй функции, с целью создания двоичного сигнала, который отображает эти различные изменения знака. Таким образом, детекторная карта 5 содержит средства преобразования принятого аналогового сигнала в прямоугольный двоичный сигнал (называемый также цифровым сигналом или сигналом TOR «Все или ничего»), фронты которого совпадают с моментами перехода через ноль аналогового сигнала. Таким образом, при каждом изменении знака аналогового сигнала двоичный сигнал меняет свое значение, то есть переводит значение с 0 на 1 или значение с 1 на 0.
- Четвертую так называемую функцию «передачи». Детекторная карта 5 содержит средства передачи, которые передают двоичный сигнал 6, выработанный средствами преобразования, в направлении схемы 7 управления.
Первым преимуществом этого решения является возможность децентрализации в детекторной карте 5 части осуществляемой обработки, то есть обработки аналогового сигнала 4. Это облегчает осуществление обработки в схеме 7 управления, которая получает таким образом напрямую предварительно обработанный двоичный сигнал 6.
Кроме того, в случае двигателя М, получающего питание от сети высокого напряжения, датчики 3 расположены вокруг проводов сети 1, то есть в окружающей среде высокого напряжения. Они генерируют аналоговый сигнал, который теоретически предназначен для схемы 7 управления, находящейся в окружающей среде низкого напряжения. Следовательно, могут возникнуть помехи (СЕМ), так как речь идет об окружающей среде, в которой возникают перенапряжения на повышенной частоте (создающие возмущающие электрические поля), и поскольку речь идет о токах, содержащих повышенные гармоники (5,7,…) и высокие частоты, генерирующие магнитные поля во время переключения тиристоров.
Следовательно, необходимо ограничить влияние этих помех СЕМ на работу детекторной системы, схемы 7 управления и средств передачи нулевых переходов тока.
По этой причине детекторная карта 5 физически отделена от схемы 7 управления и находится в непосредственной близости от датчика 3, например, на расстоянии менее 50 см. Кроме того, средства передачи детекторной карты 5 реализуют изолированный интерфейс, благодаря электрическому/оптическому преобразователю, который преобразует электрический двоичный сигнал в оптический двоичный сигнал перед его передачей. Затем этот оптический двоичный сигнал 6 поступает через оптического волокно в схему 7 управления, которая, разумеется, содержит в этом случае оптический/электрический преобразователь для получения пригодного к использованию электрического двоичного сигнала.
Это электрическое/оптическое преобразование двоичного сигнала обеспечивает гальваническую изоляцию между, с одной стороны, схемой 7 управления и, с другой стороны, детекторной картой 5, соединенной с датчиком 3. Это особенно рекомендуется в рамках системы запуска, предназначенной для управления двигателем высокого напряжения.
Предпочтительно предложенное решение не требует аналого-цифрового преобразования и затем оптической передачи оцифрованной аналоговой величины, что могло бы привести к неприемлемой продолжительности для требуемой эффективности с точки зрения точности измерения и задержки. Действительно, намного проще передать через оптическое волокно двоичный сигнал, чем оцифрованный аналоговый сигнал. Кроме того, обмен информацией между схемой 7 управления и детекторной картой не требует использования линии связи с протоколом связи, который тоже задерживал бы этот обмен.
Можно также предусмотреть другие типы изоляции, такие как преобразование электрического двоичного сигнала в радиосигнал. Однако электрические/оптическое преобразование обеспечивает очень быструю передачу в реальном времени и занимает только очень короткий промежуток времени (порядка 10 мкс для электрического/оптического и затем оптического/электрического преобразования), которое не сказывается отрицательно на точном определении моментов замыкания тиристоров.
Таким образом, в варианте выполнения, представленном на фиг.1, система запуска содержит три детекторных карты 5. Каждая детекторная карта 5 соответствует одной фазе двигателя М и расположена в непосредственной близости от соответствующего датчика 3, который выдает для нее аналоговый сигнал 4.
Согласно варианту, показанному на фиг. 2, система запуска содержит только одну общую электронную детекторную карту 5', которая соединена с тремя датчиками 4 трех фаз электрической сети 1. В этом случае создают только один общий двоичный сигнал 6', направляемый в схему 7 управления, причем этот общий двоичный сигнал 6' отображает изменения знака всех трех аналоговых сигналов 4, поступающих от трех датчиков 3, что является возможным, поскольку изменения знака не происходят одновременно.
Этот вариант выполнения является более простым, так как используют только одну детекторную карту 5' и только один оптический двоичный сигнал 6и, следовательно, только один электрический/оптический преобразователь в детекторной карте 5' и только один оптический/электрический преобразователь в схеме 7 управления. Наличие только одной детекторной карты 5' позволяет использовать только один изолированный источник для питания этой карты 5'.
С другой стороны, этот вариант выполнения требует дополнительной обработки сигнала в схеме 7 управления, чтобы определить, какой фазе сети соответствует данное изменение знака, передаваемое через двоичный сигнал 6'. Эту обработку сигнала можно, например, осуществлять с учетом информации о различных токах, проходящих в каждой фазе, что, впрочем, само по себе известно.
Согласно другому варианту, представленному на фиг. 3, система запуска содержит только один тор Роговского 3ʺ, установленный между прерывателями 10 и двигателем М и окружающий все три фазы двигателя М, а также одну детекторную карту 5ʺ. Общий тор Роговского 3ʺ выдает, таким образом, один аналоговый сигнал 4ʺ, который характеризует производную токов, проходящих во всех фазах двигателя М. Детекторная карта 5ʺ получает аналоговый сигнал 4ʺ и передает только один двоичный сигнал в схему 7 управления. Это решение еще больше упрощает работу и является более экономичным, так как содержит только один измерительный тор, одну детекторную карту с одним изолированным источником питания.