Практическое применение частотно-регулируемых приводов и устройств плавного пуска в автоматизированных системах управления

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКА

УДК 621.3

Мваку У.М., Корнилов В.Ю.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО - РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ И УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

В 90-е годы прошлого века в широкое применение вошли мощные IGBT транзисторы. Развитие этого направления позволило создать большую гамму универсальных, многофункциональных и надежных устройств управления асинхронными и синхронными двигателями.

Ключевые слова: устройство плавного пуска, частотно-регулируемый привод, автоматизация производства, технологический комплекс, автоматизированная система управления, промышленные установки, электропривод.

Сам термин - «частотно-регулируемый электропривод» (ЧРП) появился из названия метода, который позволил регулировать скорость вращения электродвигателя изменением частоты питающего напряжения. Применение цифровых технологий и управление всеми функциями электропривода с помощью микропроцессоров позволило в полном объеме реализовать высокодинамичный векторный способ управления. Таким образом, частотно-регулируемый электропривод - это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Возможности, открывающиеся при использовании преобразователя частоты в качестве регулирующего устройства для электропривода, выполненного на асинхронном электродвигателе, безграничны. Одной из главных тенденций развития современного электропривода является использование его в целях сбережения энергетических ресурсов и экологии. Следует отметить, что использование преобразователей частоты в качестве регулируемого электропривода создает свои преимущества за счет автоматического изменения параметров системы в зависимости от условий работы механизма и наибольший эффект достигается, когда условия работы часто меняются и пределы изменений достаточно широки. Система регулируемого электропривода управляется микроконтроллером, позво-

ляющим задавать параметры регулирования в зависимости от необходимых условий работы механизма. В этой связи расширяется область применения регулируемого электропривода не только в сферах высоких технологий, но и там, где до настоящего времени традиционно использовался простой нерегулируемый электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. При этом важным становится повышение энергетической эффективности существующих электроприводов, позволяющих решать технологические задачи при минимальных затратах. Корпорация Schneider Electric с целью снижения стоимости, помимо многофункциональных ЧРП, разработала ряд преобразователей, ориентированных на решение конкретных технологических задач (рис. 1) [1].

Общепромышленные устройства с ограниченными требованиями к точности регулирования

(1

ATV11

Л

ATV31

Устройства с переменной нагрузкой

ATV21

ATV61

Рис 1. Типовые серии преобразователей Altivar

Кроме ЧРП существует еще ряд устройств управления плавным разгоном и торможением двигателей - это устройства плавного пуска (УПП) или Soft Starters [2]. Эти устройства отличает низкая цена за счет того, что силовая часть устройства выполнена на тиристорах. Выпускаются два типа УПП - Altistart 01 и Altistart 48. УПП Altistart 01 - недорогие устройства малой и средней мощности с ограничением по току. УПП Altistart 48 -универсальные устройства на широкий диапазон мощностей, позволяющие не только ограничивать ток двигателя в процессе разгона или торможения, но и момент на валу электродвигателя. Электромеханические приводы современных механизмов оснащаются электродвигателями переменного тока (синхронными и асинхронными). Эти тенденции определяются более низкой ценой и более высокой надежностью двигателей указанного класса.

Проблемы прямого пуска электромеханических приводов заключа-

ются в том, что он осуществляется прямым включением двигателей на номинальное напряжение. Процесс пуска определяется механическими характеристиками двигателя и нагрузки. При прямом пуске электродвигателя переменного тока по обмоткам двигателя протекают большие токи, которые при частых пусках могут привести к выходу из строя двигателя вследствие разрушения изоляции обмоток.

Разрушение происходит по двум причинам: механические разрушения и снижение изоляционных характеристик из-за превышения допустимой температуры. Первая причина связана с тем, что на обмотки двигателя действуют электродинамические усилия, величина которых пропорциональна квадрату тока. Пусковой ток двигателя в 5-7 раз превышает номинальный, соответственно в 25-49 раз возрастают электродинамические усилия, действующие на обмотки. Они приводят к механическим перемещениям обмотки в пазовой и лобовых частях, которые разрушают изоляцию. Вторая причина - термическое разрушение изоляции - связана с тем, что при превышении температурой изоляции установленного для неё порога, в последней происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к форсированному старению изоляции. Достаточно вспомнить, что тепловыделение в обмотках пропорционально квадрату величины тока.

Существует несколько способов решения проблем запуска двигателей переменного тока. Альтернативой прямому пуску является использование частотно-регулируемого привода. В этом случае пуск двигателей осуществляется от частотно-регулируемого электропривода путем плавного увеличения частоты и напряжения. В течение всего времени пуска ток двигателя поддерживается в среднем на уровне номинального; в зависимости от конкретных условий ток меняется в пределах (0,5-1,5) 1н. При этом указанные выше отрицательные явления прямого пуска отсутствуют. Среди недостатков пуска двигателей от преобразователя частоты есть всего лишь один пункт, который, тем не менее, зачастую является определяющим - сравнительно высокая стоимость преобразователя. Второй альтернативой прямому пуску является использование устройства плавного пуска. Необходимость в сравнительно дешевых устройствах для запуска двигателей переменного тока с ограниченными токами привела к широкому распространению устройств плавного пуска (УПП). Функциональная схема УПП представляет, по существу, силовую схему и принцип управления преобразовательного устройства, известного под названием

тиристорного регулятора напряжения (ТРН). За счет возможности регулирования напряжения на зажимах двигателя обеспечивается формирование тока и момента двигателя в пусковом режиме. УПП - это по существу ТРН, в который введены замкнутая система автоматического регулирования тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате УПП реализует формирование заданного ограниченного тока и момента двигателя в процессе пуска.

Традиционная система плавного пуска обеспечивает снижение пускового тока на заданном уровне (не более 2-3 1н). При этом резко уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ними механическое разрушение изоляции обмоток. Снижение пусковых моментов благоприятно для механической части привода. Основой силовой части УПП является блок тиристорных модулей. Генерация управляющего сигнала для отпирания тиристоров происходит в системе управления, которая в законченном виде (аппаратная +программная части) представляют собой ноу-хау производителя.

К основным параметрам системы, которые задаются и управляются с помощью УПП, можно отнести время процесса включения (это время, за которое система плавного пуска увеличит напряжение на выходе от начального до полного) и время выключения (это время, за которое напряжение на выходе системы снизится от полного до напряжения остановки - начального напряжения). Если время остановки равно нулю, то это будет эквивалентно прямой остановке. Оно используется, когда необходима плавная остановка мотора, например, при работе с насосами или ленточными конвейерами. Полный рабочий цикл двигателя, управляемого УПП, изображен на рисунке 2.

Начальное

напряжение

Включение

Рис. 2. Полный рабочий цикл двигателя, управляемого УПП

Начальное напряжение иногда называется напряжением или крутящим моментом подставки. Это точка, в которой система мягкого пуска начинает или завершает процесс включения или выключения ЧРП. Оно применяется для гарантированного трогания вала с места при начальном напряжении 50% от номинального значения и а=90 градусов.

Ограничение тока может использоваться в тех случаях, когда требуется ограничение пускового тока или при пуске под большой нагрузкой, когда трудно обеспечить хороший старт заданием только начального напряжения и времени включения. При достижении предела ограничения тока система плавного пуска временно прекратит увеличение напряжения, пока ток не снизится ниже заданного предела, после чего процесс увеличения напряжения возобновится до достижения полного напряжения. Эта функция имеется не во всех УПП.

Функция BOOST поддержки напряжения позволяет получить пусковой момент для преодоления механического трения. Она применяется, когда крутящий момент при пониженном стартовом напряжении недостаточен для трогания вала с места, но основной разгон уже стартовавшего двигателя можно выполнить и от пониженного напряжения. Кривая изменения напряжения на старте показана на рисунке 3.

Рис. 3. Кривая изменения напряжения на старте двигателя

Возможные применения функции BOOST - дробилки, тестомесы, мясорубки. Первые тиристоры полностью открыты, и двигатель ведёт себя, как и при прямом пуске, и нагружает сеть соответствующим образом. Та-

кая короткая по времени просадка в сети обычно не вызывает аварийных остановок других механизмов. Эта функция также имеется не во всех УПП.

Все устройства плавного пуска имеют систему слежения за набором оборотов электродвигателя с автоматическим выключением функции плавного пуска при достижении оборотов, близких к номинальному значению. Это дает возможность избежать биений двигателя на завершающей стадии плавного пуска, причем независимо от нагрузки двигателя. Таким образом, применение устройств плавного пуска в системах с электродвигателем дает большое количество преимуществ, позволяет организовать эффективный пуск двигателя и уменьшить количество выходов из строя таких систем.

Источники

1. www.schneider-electric.com

2. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учебник для вузов / под ред. Н.М. Капустина. М.: Выш. шк., 2004.

Зарегистрирована 05.02.2011 г.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО - РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ И УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

В 90-е годы прошлого века в широкое применение вошли мощные IGBT транзисторы. Развитиеэтогонаправленияпозволилосоздатьбольшуюгаммууниверсальных, многофункциональных и надежных устройств управления асинхронными и синхронными двигателями.

Ключевые слова: устройство плавного пуска, частотно-регулируемый привод, автоматизация производства, технологический комплекс, автоматизированная система управления, промышленные установки, электропривод.

In the 90-s of the last century powerful IGBT transistors came into wide application. Development in this direction has allowed the creation of universal, multipurpose and reliable control means asynchronous and synchronous engines on a bi scale.

Key words: The device of smooth start-up, frequency-regulated drive, production automation, technological complex, automatic control system, industrial plant, electrical drive.

Мваку Уэбби Мульята, аспирант (очно) 2-го года обучения, кафедра электропривод и автоматизация (ЭПА) ПУ и ТК КГЭУ.

Е- mail: webbymwaku@yandex.ru; Contact phone: 8 917 868 000 6. Научный руководитель: Корнилов Владимир Юрьевич, профессор, доктор технических наук, кафедра ЭПА КГЭУ.