ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для реализации плавного пуска высоковольтных асинхронных, синхронных приводных двигателей в составе электропривода общепромышленного исполнения приводов вентиляторов, дымососов, насосов и других механизмов с тяжелыми условиями пуска.
Преобразователи напряжения (ПН) для плавного пуска асинхронных, синхронных приводных двигателей выполняются на различные мощности для пуска высоковольтных, так и низковольтных двигателей.
Существует устройство (патент RU 124088, 03.07.2012 Н02Р 1/26, Н02Р 1/28), содержащее блоки тиристорные коммутаторов фазных напряжений, систему импульсно-фазового управления тиристорами коммутаторов, блок команд, выход которого связан с разрешающим входом системы импульсно-фазового управления, блок задания тока (тока уставки), измеритель тока и регулятор тока, один вход которого соединен с выходом блока задания, второй - с выходом измерителя, а выход подключен к управляющему входу системы импульсно-фазового управления.
Недостатками аналога является наличие скачка тока при пуске, который мгновенно увеличивается до уровня токоограничения (уставки) и удерживается на этом уровне, выходное напряжение при этом не контролируется и формируется из условия обеспечения установившегося тока, при этом в течение некоторого времени (до нескольких секунд) к обмотке двигателя может прикладываться повышенное напряжение.
Известно трехфазное устройство (патент RU 55227, 26.12.2005 Н02Р 5/00), применяемое для плавного пуска асинхронных двигателей. Устройство содержит следующие элементы, сходные с совокупностью существенных признаков предлагаемой полезной модели: блоки тиристорные коммутаторов фазных напряжений, соединенные по цепи входов с фазами питающей сети через трансформаторы тока и по цепи выходов с нагрузкой, источник напряжения синхронизации, каналы импульсно-фазового управления тиристорами коммутаторов, усилители импульсов с генератором высокочастотных импульсов, импульсные трансформаторы, соединенные с управляющими цепями блоков управления тиристорами. Выбираем данное устройство в качестве прототипа, как наиболее близкое к предлагаемому устройству по технической сущности.
Недостатком прототипа является дополнительные потери, вибрации, шум, в двигателе связанные с высшими гармониками напряжения и тока при линейном нарастании напряжения до момента трогания двигателя; неконтролируемом нарастании напряжения на обмотке двигателя.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы повысить надежность оборудования электропривода, стабилизацию параметров пуска, обеспечить пуск приводного двигателя плавно с уровня тока, достаточного для создания пускового момента трогания двигателя без стоянки его под медленно возрастающим напряжением, создающим недостаточные вращающие моменты двигателя, а также для продолжения разгона по линейному закону нарастания напряжения при ограничении пускового тока, чтобы исключить при трогании двигателя дополнительные высшие гармоники, создающие в двигателе потери, вибрацию, шум, а также не контролируемое нарастание и повышение напряжения в обмотке двигателя.
Указанная техническая задача решается следующим образом: известное устройство преобразователя напряжения (ПН) для плавного пуска электродвигателей (ЭД), содержащее блоки тиристорные высоковольтные (БТВ) для регулирования фазных напряжений, датчик тока, датчики напряжения на входе и выходе преобразователя, сетевой и шунтирующий контакторы, ограничители перенапряжения на выходе устройства в каждой фазе, источник напряжения синхронизации, блок импульсно-фазового управления (БИФУ) тиристорами коммутаторов, усилители импульсов с генератором высокочастотных импульсов, импульсные трансформаторы, соединенные с управляющими цепями блоков управления тиристорами, блок управления, содержащий системы команд, защиты, блокировок, сигнализации; блок системы автоматического регулирования, который дополнительно снабжен модулем задания напряжения (МЗН), модулем задания тока (МЗТ), модулем ограничения тока (МОТ), причем с блока управления на блок задания напряжения двигателя подаются задание на начальное напряжение, задание на напряжение двигателя, выход модуля задания напряжения двигателя соединен с входом задатчика интенсивности, выход задатчика интенсивности соединен с одним из входов модуля задания напряжения и с входом регулятора напряжения (РН), выход регулятора напряжения (РН) соединен с одним из входов модуля задания на ток двигателя, его другой вход соединен с выходом блока управления, задающий начальный ток трогания двигателя, выход модуля задания тока двигателя соединен с модулем ограничения тока двигателя, выход модуля ограничения тока соединен с одним из входов регулятора тока (РТ), выход которого соединен с управляющим входом БИФУ, разрешающий вход БИФУ соединен с выходом блока управления, один из выходов блока управления соединен с разрешающими входами модулей задатчика интенсивности (ЗИ), регулятора напряжения (РН), регулятора тока (РТ).
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 приведена структурная схема преобразователя напряжения в составе электропривода для плавного пуска высоковольтных электродвигателей.
Преобразователь напряжения содержит: трансформаторы 1, 2 тока (ТА1..ТА3); датчик 3 тока (ДТ1); модуль 4 контроля напряжения; датчик 5 напряжения сети (ДН1); вакуумные контакторы 6,7 (КМ1, КМ2); блоки 8 тиристорные высоковольтные в каждой фазе (U1..U3); ограничители 9 напряжения (FV1..FV3); датчик 10 выходного напряжения преобразователя напряжения (ДН2); блок 11 управления (БУ); модуль 12 задания напряжения (МЗН - элемент сравнения); задатчик 13 интенсивности (ЗИ); регулятор 14 напряжения (РН); модуль 15 задания тока (МЗТ - элемент сравнения); модуль 16 ограничения тока (МОТ); регулятор 17 тока (РТ); блок 18 импульсно-фазового управления (БИФУ); блок 19 формирования импульсов (БФИ) управления тиристорами. В схему задатчика 13 интенсивности (ЗИ), регулятора 14 напряжения (РН), регулятора 17 тока (РТ) включены шунтирующие их ключи, соответственно K1, K2, K3, которые в исходном состоянии замкнуты и размыкаются разрешающим сигналом из блока 11 управления. При наличии в приводном двигателе 20 датчиков температуры, вибрации, в состав системы управления преобразователя может быть включен блок 21 мониторинга и диагностики (БМД). На фиг. 2 приведена структурная схема преобразователя напряжения с модулем 22 задания угла управления (МЗУУ). На фиг. 3 приведена структурная схема преобразователя напряжения с регулятором 23 падения напряжения сети (РПНС). Блоки тиристорные высоковольтные включены между электродвигателем 20 и «сетью» 24 с выключателем 25 вРУ-6, 10 кВ.
Устройство работает в составе электропривода следующим образом. В исходном состоянии все силовые коммутационные аппараты отключены, напряжения питания поданы на устройства собственных нужд и систему управления ПН. В блок 11 управления поступают сигналы: о состоянии коммутационных аппаратов (выключателя 25 (Q1) в РУ-6, 10 кВ, вакуумных контакторов 6, 7 (КМ1, КМ2)); о состоянии напряжений питающей сети из модуля 4 контроля напряжения (МКН); сигнал о величине тока с трансформаторов 1,2 тока через преобразователь датчика 3 тока (ДТ1).
На входы блока 11 управления поступают также команды: «Пуск», «Стоп», «Сброс», «Аварийное отключение», «Авария».
Один из выходов блока 11 управления соединен с разрешающим входом БИФУ 18, один из выходов блока 11 управления соединен с разрешающими входами задатчика 13 интенсивности (ключ К1), регулятора 14 напряжения (ключ К2), регулятора 17 тока (ключ КЗ); выходы блока 11 управления соединены с входами модуля 12 задания напряжения (МЗН) и с модулем 15 задания тока (МЗТ); выход датчика 3 тока (ДТ1) соединен с блоком 11 управления (БУ) и с одним из входов модуля регулятора 17 тока (РТ).
В исходном состоянии ПН блоком 11 управления блокируются импульсы управления в БИФУ 18 (тиристоры в БТВ закрыты), закрываются ключ К1 в задатчике 13 интенсивности, ключ К2 в регуляторе 14 напряжения, ключ КЗ в регуляторе 17 тока. В модуле 12 задания напряжения (МЗН) (например, ключ КН1 в МЗН 12 отключен), блокируется цепь передачи задания на напряжение (Ш*) на двигатель.
После включения сетевого выключателя 25 (Q1) в блок управления ПН поступают сигналы: о включении выключателя 25, о состоянии сетевого напряжения (напряжение в «норме») из модуля 4 контроля напряжения (МКН). При поступлении указанных сигналов блок 11 управления формирует сигнал о готовности ПН к работе («ПН ГОТОВ»), который разрешает включить сетевой контактор 6 (КМ1).
По команде «ПУСК» блок 11 управления:
включает с задержкой по времени сетевой контактор 6 (КМ1), который подает сетевое напряжение на блоки 8 тиристорные высоковольтные (U1..U3);
подает сигнал в БИФУ 18 на разрешение (снимает сигнал «БИУ») прохождения импульсов управления тиристорами;
отключает ключи K1, К2, К3 (разшунтирует) ЗИ 13, РН 14, РТ 17;
на входы модуля 12 задания напряжения передаются сигналы задания на начальное напряжение (U0*) и на напряжение двигателя (UZ*);
на один из входов модуля 15 задания тока (МЗТ), который выполнен в виде элемента сравнения, передает задание на ток трогания 10* двигателя.
Задание на ток трогания 10* двигателя через модуль 15 задания тока (так как сигнал IZ* с выхода регулятора 14 напряжения (РН) меньше 10*), через модуль 16 ограничения тока (МОТ) поступает на один из входов регулятора 17 тока (РТ), на другой вход поступает сигнал обратной связи по току 1ос от датчика 3 тока (ДТ1). Сигнал с выхода регулятора 17 тока (РТ) поступает на управляющий вход БИФУ 18; БИФУ 18 формирует импульсы управления по шести каналам, которые усиливаются блоком 19 формирования импульсов (БФИ) и передаются через гальванические развязки на управляющие электроды тиристоров, преобразователь в соответствии с заданием формирует в обмотке двигателя 20 (Ml) ток трогания двигателя, вал которого начинает сразу вращаться и медленно набирать частоту вращения.
Одновременно с подачей тока трогания 10 в обмотку двигателя модуль 12 задания напряжения (МЗН) передает задание на начальное напряжение U0* с входа на выход модуля, так как цепь задания на напряжение из* заблокирована (например, ключ КН1 в МЗН 12 отключен) и передает это задание на вход ЗИ 13. Сигнал UZV* с выхода ЗИ 13 передается на один из входов модуля 12 задания напряжения (МЗН) и на вход регулятора 14 напряжения (РН), на другой вход РН 14 подается сигнал обратной связи по выходному напряжению Uoc с датчика 10 (ДН2). Пока выходной сигнал IZ* с регулятора 14 напряжения (РН) меньше или равен заданию на начальный ток 10* двигателя на вход регулятора 17 тока (РТ) через модули МЗТ 15, МОТ 16 поступает сигнал задания только на ток трогания 10*.
Задатчик 13 интенсивности выполняется с переменными параметрами нарастания выходного сигнала, определяемыми величиной заданного напряжения и режимом работы (плавный пуск, торможение).
Выходной сигнал (текущее (мгновенное) значение задания на напряжение UZV* двигателя ЗИ 13 формируется в соответствии с формулами:
где: Т0 - заданное время нарастания задания на начальное напряжение;
ТП - заданное время плавного пуска;
i
t - текущее время.
На выходе ЗИ 13 формируется сигнал с высокой степенью нарастания задания напряжения, определяемый значением задания на начальное напряжение U0* и временем его нарастания ТО, когда напряжение на выходе ЗИ 13 UZV* станет больше задания на начальное напряжение U0*, в модуле 12 задания напряжения (МЗН) сработает компаратор DA1 и включит ключ КН1, так как задание напряжения Ш* больше по величине задания на начальное напряжение U0*, напряжение на выходе диода VD1 закроет диод VD2 и с выхода модуля 12 задания напряжения на вход ЗИ 13 поступит задание Ш* на напряжение двигателя, на выходе ЗИ 13 формируется сигнал текущего задания UZV* на напряжение двигателя с темпом нарастания, соответствующим времени плавного пуска двигателя.
αi
Сигнал задания на напряжение UZV* ЭД 20 с выхода ЗИ 13 подается на один из входов регулятора напряжения РН 14, а на другой вход подается сигнал обратной связи по напряжению Uoc. Регулятор 14 напряжения на выходе формирует сигнал (IZ*) задания на ток обмотки статора ЭД 20, который подается на один из входов модуля 15 задания тока (МЗТ). Пока выходной сигнал с регулятора 14 напряжения (РН) меньше или равен заданию на начальный ток 10* двигателя на вход регулятора 17 тока (РТ) через модули МЗТ 15, МОТ 16 поступает сигнал задания на ток трогания 10*, когда сигнал (IZ*) на выходе РН 14 станет больше задания на ток трогания 10* двигателя, в модуле 15 задания тока (МЗТ) напряжение на диоде VD3 станет больше напряжения, чем на диоде VD4, диод VD4 закроется и на выход модуля 15 задания тока поступает сигнал задания тока IZS*, равный току IZ* с выхода РН 14, который через модуль 16 ограничения тока (МОТ) поступает на один из входов регулятора 17 тока (РТ), если значение сигнала меньше или равно заданной величине ограничения тока Iп*, если больше - задание тока ограничивается заданным значением тока пуска Iп*. На другой вход регулятора 17 тока (РТ) поступает сигнал обратной связи по току Iос от датчика 3 тока (ДТ1); сигнал U*, являющийся заданием на угол управления тиристорами α*, с выхода регулятора 17 тока РТ поступает на управляющий вход БИФУ 18; БИФУ 18 формирует импульсы управления по шести каналам, которые усиливаются блоком 19 формирования импульсов (БФИ) и передаются через гальванические развязки на управляющие электроды тиристоров, преобразователь в соответствии с заданием на ток формирует в обмотке двигателя 20 (M1) ток плавного пуска двигателя, вал которого начинает увеличивать частоту вращения в соответствии с сигналом задания тока IZS*, формируемым регулятором 14 напряжения (РН). Импульсы управления, формируемые в БИФУ 18 ограничиваются минимальным и максимальным допустимым углом управления (αmin и αmax).
При успешном плавном пуске приводного двигателя от ПН и достижении заданного напряжения на обмотке и тока в двигателе блок 11 управления формирует команду на включение шунтирующего контактора КМ2 для одиночного электропривода, двигатель 20 (Ml) переключается на прямое питание от «сети» 24, при этом блок 11 управления контролирует ток, напряжение и другие параметры двигателя, если двигатель оснащен соответствующими датчиками.
Для «каскадного» электропривода формируется команда на включение сетевого выключателя 25 AQc в РУ-6 кВ пускаемого ЭД и отключение соответствующего разгонного выключателя Qp секции шин регулируемого напряжения (СШРН).
Таким образом, система автоматического регулирования осуществляет управление действующего напряжения и тока приводного электродвигателя.
Двигатель плавно пускается сразу после команды пуск с током трогания, плавно увеличивая частоту вращения с ограничением пускового тока. Напряжение на обмотке стратора двигателя увеличивается с заданного начального напряжения до заданного напряжения, равного номинальному значению двигателя, в течение заданного времени пуска.
При неуспешном пуске приводного двигателя от ПН за заданное время пуска, блок 11 управления формирует команду «АВАРИЯ», по которой блокируются импульсы управления тиристорами (формируется сигнал «БИУ» и передается в БИФУ 18), блокируются ЗИ 13, РН 14, РТ 17, отключается контактор 6 (КМ1) и разбирается схема электропривода.
На фиг. 2 приведена структурная схема преобразователя напряжения для плавного пуска высоковольтных электродвигателей с параллельным включением регулятора 17 тока и регулятора 14 напряжения.
Канал задания напряжения в структурной схеме преобразователя напряжения, представленной на фиг. 2, работает аналогично, как на фиг. 1. Только регулятор 14 напряжения (РН) на выходе формирует сигнал (αu*) задания на угол управления тиристорами, который подается на один из входов модуля 22 задания угла управления (МЗУУ). На другой вход модуля 22 задания угла управления подается сигнал (αi*) с выхода регулятора 17 тока (РТ). В модуле 22 задания угла управления оба эти сигнала сравниваются и на выходе формируется задание на угол управления тиристорами (α*), сигнал которого соответствует большему углу управления тиристорами αu* или αi*. Сигнал с выхода модуля 22 задания угла управления подается в блок 18 импульсно-фазового управления (БИФУ).
Сигналы задания на ток трогания (I0*), ток пуска (Iп*) на вход регулятора 17 тока (РТ) подаются из блока 11 управления, причем задание на ток пуска (In*) подается с выдержкой времени после снятия задания на ток трогания (I0*). Таким образом, ток и напряжение на обмотке пускаемого двигателя задается одновременно, при этом ведущим регулятором является тот, на выходе которого формируется задание на больший угол управления тиристорами, что повышает устойчивость и надежность системы управления.
На фиг. 3 приведена структурная схема преобразователя напряжения для плавного пуска высоковольтных электродвигателей с регулятором 23 падения напряжения сети (РПНС).
Основные каналы управления преобразователя напряжения для плавного пуска приводных двигателей со структурной схемой согласно фиг. 3 аналогичны каналам управления со структурными схемами по фиг. 1 и фиг. 2. Блок системы автоматического управления преобразователя напряжения, представленный на фиг. 3 дополнительно снабжен регулятором 23 падения напряжения сети (РПНС), входы которого соединены с датчиком 5 напряжения сети (ДН1) и с блоком 11 управления, а его выход соединен с одним из входов модуля 16 ограничения тока (МОТ) для структуры по фиг. 1 или с одним из входов регулятора 17 тока для структуры 2. На вход регулятора 23 падения напряжения сети (РПНС) из блока 11 управления подается допустимое значение уставки (Uc*) напряжения сети и обратная связь напряжения сети (Uc-oc) с датчика 5 напряжения (ДН1). Если при плавном пуске значение уставки напряжения сети (Uc*) меньше напряжения сети Uc, на выходе РПНС 23 сигнал не формируется, если же значение уставки напряжения сети (Uc*) больше напряжения сети Uc, то на выходе РПНС 23 формируется сигнал пропорциональный не допускаемому падению напряжения в питающей сети. Сигнал с выхода РПНС 23 подается на вход модуля 16 ограничения тока (МОТ) для структуры на фиг. 1 или на один из входов регулятора 17 тока (РТ) для структуры на фиг. 2, уменьшая заданное значение ограничения тока пуска, что уменьшает падение напряжения в сети до установленного уровня.
Оперативный останов ПН осуществляется путем нажатия на кнопку «Стоп».
При возникновении аварийных ситуаций блок 11 управления формирует сигналы на отключение преобразователя напряжения.
Подсистема защит и блокировок обеспечивает режим штатного отключения ПН при срабатывании следующих защит:
см
H
Н-сн
от перенапряжений и недопустимого снижения напряжения на входе и на выходе ПН, неправильного чередования фаз; от недопустимого увеличения напряжения на выходе ПН до 1,2U; от понижения напряжения силовой сети до 0,8*U с выдержкой времени от 0,05 до 2.5 с; от недопустимого понижения напряжения питания собственных нужд ниже 0,8* U (по сигналу от МКН 4).
п
п
н
от увеличения тока на входе (выходе) ПН выше допустимого значения (I>К*I);
2
по интегральной токовой защите I1t - тепловая защита от недопустимо длительной перегрузки по току;
от открывания дверей силовой секции (шкафа) ПН;
по сигналу «АВАРИЯ».
Подсистема защит блока 11 управления производит отключение преобразователя по двум каналам: сеточное отключение (сигнал «БИУ» закрывает тиристоры ПН); отключение напряжения питания ПН посредством формирования сигнала на отключение контакторов 6, 7 (КМ1, КМ2).
Система защит высоковольтного преобразователя напряжения обеспечивает снятие напряжения с выходной цепи преобразователя, с приводного двигателя (с секции шин регулируемого напряжения), а также действует на отключение контакторов (выключателя в питающем присоединении РУ-6 кВ).