УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ASYNCHRONOUS MOTOR SOFT START-UP DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных сферах промышленности, сельского хозяйства и т.д. для плавного пуска и регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.
Известны регулируемые по скорости асинхронные электроприводы переменного тока с тиристорными преобразователями напряжения, включенными в статорные цепи двигателя, которые обеспечивают ограничение пускового тока двигателя и регулирование скорости вращения вала двигателя по различным алгоритмам (патент РФ №2380821, кл. H02P 1/26, 27/04; патент РФ №2389127, кл. H02P 1/26; Брагилевский Е.Л., Колин В.В., Лесниковский А.Е. и др. Унифицированная серия тиристорных пускателей типа ПБР, БПН, ПБМ // Электротехника, 2001, №1).
Однако применение тиристоров в преобразователях снижает быстродействие электропривода, т.к. изменять напряжение на статорных обмотках двигателя возможно только за один или несколько периодов питающего напряжения. Реализуемый в преобразователях фазовый принцип регулирования напряжения приводит к искажению его формы и, следовательно, появлению высших гармоник в спектре тока, негативно влияющих как на двигатель, так и на питающую сеть.
Известно также устройство для пуска асинхронного двигателя, в котором регулятор напряжения выполнен в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого соединенные по схеме звезда, своими первыми выводами подключены к источнику сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к этому же сетевому источнику для создания отрицательного напряжения вольтодобавки, причем нулевая точка в цепи соединения первичных обмоток трансформатора по схеме «звезда» образуется присоединением вторых выводов первичной обмотки к зажимам переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен полупроводниковый вентиль в виде транзисторного ключа, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный импульсный сигнал с выхода задатчика интенсивности изменения напряжения в процессе пуска (патент РФ №2294592 H02P 1/16, аналог).
Основным недостатком этого устройства является применение трехфазного высокочастотного трансформатора, мощность которого должна быть соизмерима с мощностью двигателя, что приводит к удорожанию устройства, увеличению его массы и габаритов. Кроме того, из-за индуктивностей обмоток трансформатора и паразитных индуктивностей монтажа на коллекторе транзисторного ключа при переключениях будут возникать перенапряжения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство плавного пуска синхронного двигателя, содержащее вводной автомат, двигатель, статорные обмотки которого началом через автомат соединены с питающей сетью, а концами - с зажимами переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен ключ в виде одного или несколько последовательно соединенных транзисторов со снабберными (защитными) цепями, на управляющие входы которых поступают высокочастотные широтно-модулированные импульсные сигналы с выхода системы управления (Давыдкин М.Н., Басков С.Н. Векторно-импульсный способ пуска синхронных двигателей в компрессорных установках кислородно-компрессорного цеха ОАО «Уральская сталь» // Изв. Вузов. Электромеханика, 2009, №1, прототип).
Основным недостатком данного устройства является высокий уровень напряжения на ключе в интервалы времени, когда он находится в разомкнутом состоянии. Из-за больших потерь мощности в защитных цепях в длительном режиме работы (при регулировании скорости вращения двигателя) увеличивается масса и габаритные размеры устройства. Кроме того, в режиме пуска и регулирования скорости, ток сети содержит высокочастотные гармоники, негативно влияющие на сеть и другое оборудование, подключенное к ней.
Целью заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно снижение уровня напряжения на ключе в цепи постоянного тока трехфазного диодного моста, снижение массы и габаритов устройства за счет уменьшения потерь мощности в снабберной цепи, обеспечение низкого коэффициента гармоник в сетевом токе.
Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве, содержащем вводной автомат, датчики линейных напряжений и тока, подключенные к входам системы управления, асинхронный двигатель, концы статорных обмоток которого соединены с зажимами переменного тока трехфазного диодного выпрямительного моста, к зажимам постоянного тока которого в проводящем направлении включен полупроводниковый ключ с защитной цепью, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный импульсный сигнал с выхода системы управления, дополнительно в каждую фазу между вводным автоматом и началом статорных обмоток двигателя включены сетевые LC-фильтры, а также введены полупроводниковые двунаправленные ключи (ключи переменного тока), каждый из которых своими входными зажимами соединен с началом и концом статорной обмотки двигателя, а управляющим входом - с выходом системы управления и регулирования.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлен вариант принципиальной электрической схемы силовой части устройства.
На фиг.3 представлены эквивалентные схемы одной фазы двигателя в различные интервалы времени работы ключей.
На фиг.4 представлены осциллограммы управляющих сигналов ключей, фазного тока, напряжения на статорной обмотке двигателя, напряжения на ключе переменного тока, тока ключа и тока сети.
Предлагаемое устройство плавного пуска (фиг.1) содержит вводной автомат 1; сетевые LC-фильтры 2, включенные в каждую фазу асинхронного двигателя 3; датчики напряжения 4 и тока 5; полупроводниковые ключи переменного тока 6, 7, 8, шунтирующие фазные (статорные) обмотки двигателя; трехфазный диодный выпрямитель 9; транзисторный ключ 10 с защитной цепью 11 и микропроцессорную систему управления и регулирования 12.
Выходы датчиков напряжения 4 и тока 5 присоединены к входам системы управления 12, выходы которой соединены с управляющими входами ключей 6, 7, 8, 10.
Асинхронный двигатель 3 началом статорных обмоток присоединен к выходам сетевых фильтров 2, а концами - к входным зажимам трехфазного диодного выпрямителя 9, в цепь постоянного тока которого включен в проводящем состоянии транзисторный ключ 10, выполняющий в замкнутом состоянии функцию нулевой точки соединения «звезда» статорных обмоток двигателя. Параллельно ключу включена защитная цепь 11, исключающая перенапряжения при коммутации индуктивного тока и уменьшающая динамические потери мощности в транзисторе.
Предлагаемое устройство было реализовано для плавного пуска и регулирования скорости асинхронного двигателя мощностью 2,2 кВт -AИP90L4 (фазное напряжение 220 В, номинальный ток 5,3А, частота вращения при номинальной нагрузке 1420 об/мин) - в электромашинном агрегате «Генератор - двигатель».
В силовой схеме устройства (фиг.2) ключи переменного тока 6, 7, 8 выполнены в виде однофазных мостовых выпрямителей, выводы переменного тока которых являются силовыми входами и подключены к концам статорных обмоток асинхронного двигателя. Цепи постоянного тока выпрямителей этих ключей, а также цепь постоянного тока выпрямителя 9 коммутируются IGBT - транзисторами. Управление транзисторами осуществляется с помощью драйверов, на входы которых сигналы через транзисторные оптопары подаются от системы управления и регулирования, реализованной на 8-ми разрядном микропроцессоре RISC-архитектуры.
1
m
2
1
m
2
m
2
1
m
2
Работает устройство следующим образом. После подключения асинхронного двигателя 3 и системы управления и регулирования 12 через вводной автомат 2 к трехфазной сети, на панели управления устройства (на структурной схеме панель не показана) нажимается кнопка «Пуск», в результате чего импульс управления подается на управляющий вход ключа 10. Транзистор включается, образуя нулевую точку статорных обмоток. Ключи 6, 7, 8 на этом интервале времени находятся в непроводящем состоянии. Эквивалентная схема одной фазы асинхронного двигателя (например, фазы А) для этого интервала времени с использованием Т-образной схемы замещения приведена фиг.3а. Ток i(t), равный сумме токов намагничивания i(t) и ротора i'(t), начинает нарастать (из-за индуктивностей L, L, L'). В момент окончания действия импульса управления транзистор 10 выключается, а транзисторы ключей 6, 7, 8 включаются (эквивалентная схема одной фазы для этого интервала времени приведена на фиг.3б), в результате чего токи i(t), i'(t) продолжают протекать (уменьшаясь по величине) в фазных обмотках двигателя за счет ЭДС самоиндукции индуктивных элементов L L, L'. На фиг.4 приведены осциллограммы импульсов управления транзистора 10 (фиг.4а) и ключей 6, 7, 8 (фиг.4б), тока (фиг.4в) в фазной обмотке двигателя и напряжения (фиг.4г) на этой обмотке через некоторый интервал времени после пуска.
Перенапряжения на транзисторе 10 возникают на интервалах коммутации индуктивного тока, когда он выключается/включается, а транзисторы ключей 6, 7, 8 включаются/выключаются. При этом программно удается обеспечить минимальную длительность этого интервала коммутации. Так как подзаряд конденсатора снабберной цепи происходит только за время коммутации, то напряжение на ключе увеличивается незначительно. На фиг.4д приведена осциллограмма напряжения на коллекторе транзистора ключа 10. Огибающая этого импульсного напряжения в установившемся режиме повторяет форму выпрямленного напряжения промышленной 3-фазной сети мостовым выпрямителем (максимальное напряжения 537В), увеличенное примерно на 70 В за счет процессов коммутации тока статорных обмоток. На фиг.4е приведена осциллограмма коммутируемого тока (приблизительно 2А).
Пуск двигателя может быть выполнен как с ограничением по току, так и с ограничением электромагнитного момента. При пуске с ограничением по току контроль тока осуществляется с помощью датчика тока 5, а при пуске с поддержанием постоянным электромагнитного момента - через косвенную его оценку в микропроцессорной системе 12 путем измерения тока и фазных напряжений с помощью датчиков 4, 5.
По мере разгона двигателя микропроцессорная система изменяет длительность импульсов управления транзисторами (длительность импульса управления транзистором 10 увеличивается, а длительность импульса управления транзисторами ключей 6, 7, 8 уменьшается), стремясь поддержать заданный уровень пускового тока или электромагнитного момента. Изменение длительности импульсов происходит периодически в соответствии с выбранной частотой дискретности (реализовано с частотой 3 кГц), обеспечивая тем самым высокое быстродействие электропривода. После выхода на заданную скорость вращения вала двигателя система управления и регулирования 12 устанавливает такую длительность импульсов управления, при которой обеспечивается поддержание скорости и электромагнитного момента с заданной точностью.
сети
м
сети
M
сети
Ток, потребляемый предлагаемым устройством из сети без сетевых фильтров 2, имеет импульсную форму (фиг.4ж) и, следовательно, содержит, помимо основной гармоники частотой f, высокочастотные составляющие (nf±f), где n=1,2,3,…; f - частота модуляции. Так как эта частота достаточно высокая (на один, два порядка больше, чем f), то применяя сетевые LC-фильтры, можно существенно уменьшить амплитуды высокочастотных составляющих, практически не изменяя амплитуду первой (сетевой) гармоники, и, тем самым, обеспечить коэффициент гармоник, не превышающий 5%. При этом масса и габариты фильтров практически не влияют на эти показатели всего устройства.
Технический результат, достигаемый от подключения параллельно статорным обмоткам асинхронного двигателя управляемых ключей переменного тока, а также включение в каждую фазу сети LC-фильтров, по сравнению с известным устройством заключается в снижении уровня напряжения на ключе цепи постоянного тока трехфазного диодного моста, в снижении массы и габаритов снабберной цепи устройства за счет уменьшения потерь мощности, в обеспечении низкого коэффициента гармоник в сетевом токе.