ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
REGULATING DEVICE FOR ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в электроприводах переменного тока, и может быть использовано для ограничения пусковых токов асинхронных двигателей (АД).
Известно, что прямой пуск асинхронного двигателя мгновенным подключением к питающей сети сопровождается броском тока статорных обмоток, многократно превышающим номинальный уровень. Эта особенность создает трудности эксплуатации двигателей средней и большой мощности, так как приводит к просадкам сетевого напряжения, нарушающим нормальный режим электропитания других потребителей электроэнергии.
Известно, что ограничение пускового тока можно добиться плавным повышением частоты или амплитуды напряжения статорных обмоток. Наиболее простое решение состоит в повышении напряжения с помощью тиристорного регулятора переменного напряжения (ТРН), выполняемого на встречно-параллельных тиристорах (см. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007., стр. 285). Однако применение ТРН ухудшает форму тока, делая его прерывистым, что ведет к дополнительному уменьшению пускового момента и к увеличению потерь электроэнергии. Устранить данный недостаток удается в схемах пускорегулирующих устройств с вольтодобавочным трансформатором, снабженным ключевым регулятором напряжения, работающим в режиме высокочастотной широтно-импульсной модуляции.
Близким техническим решением (прототипом) является устройство для плавного пуска АД на основе вольтодобавочного трансформатора и ключевого регулятора напряжения, приведенного в Патенте РФ №2294592, МПК Н02Р 1/16, опубл. 27.02.2007 г.
Общим признаком прототипа и предлагаемого решения является наличие в цепях статорных обмоток асинхронного двигателя регулятора трехфазного переменного напряжения, снабженного устройством широтно-импульсного управления. При этом регулятор выполнен в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого соединенные по схеме «звезда» своими первыми выводами подключены к источнику сетевого напряжения, в то время как вторичные обмотки, включенные встречно-последовательносо статорными обмотками двигателя, присоединены к этому же сетевому источнику, создавая тем самым встречные напряжения вольтодобавки, причем нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме «звезда» образуется присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, на управляющий вход которого поступает высокочастотный управляющий сигнал с выхода устройства широтно-импульсного управления.
Недостатком прототипа является отсутствие энергетически эффективных цепей защиты регулятора от коммутационных перенапряжений, появляющихся в моменты запирания силового транзистора. Основной вклад в создание коммутационных перенапряжений вносит ЭДС индукции, наводимая в индуктивных элементах регулятора и самой сети в моменты резкого прерывания тока нагрузки силовым транзистором. Традиционной мерой защиты транзисторных ключей от перенапряжений служит параллельно подключенная RC-цепь (снаббер), работающая по принципу рассеивания избыточной электромагнитной энергии коммутации в резисторе. Однако ввиду значительности энергии коммутации данное решение в рассматриваемой схеме пускорегулирующего устройства ведет к недопустимо большим потерям электроэнергии и заметному понижению коэффициента полезного действия всего электропривода. Техническая сущность изобретения направлена на ограничение коммутационных перенапряжений без появления дополнительных коммутационных потерь электроэнергии и сопутствующего уменьшения коэффициента полезного действия.
Для этого в состав предлагаемого устройства предлагается ввести цепь защиты от коммутационных перенапряжений в виде полярного конденсатора фильтра, коммутирующего транзистора и двух разделительных диодов с объединенными катодами. Указанные разделительные диоды предназначены для подключения полярного конденсатора фильтра параллельно к зажимам постоянного тока указанного трехфазного диодного моста, при этом первый разделительный диод служит для присоединения положительной обкладки полярного конденсатора фильтра, а второй разделительный диод - для присоединения отрицательной обкладки полярного конденсатора фильтра в направлении тока заряда полярного конденсатора фильтра, при этом аноды указанных разделительных диодов соединены коммутирующим транзистором в направлении тока разряда указанного полярного конденсатора фильтра. Кроме этого в состав устройства управления необходимо ввести блок задержки управляющих импульсов для коммутирующего транзистора.
Отличительный положительный эффект предлагаемого решения состоит в устранении недостатков указанного прототипа без существенного усложнения силовой схемы пускорегулирующего устройства и заметного возрастания установленной мощности комплектующих элементов. Это объясняется введением в схему дополнительных элементов в виде коммутирующего транзистора и двух разделительных диодов сравнительно малой установленной мощности по причине кратковременности действия, ведущей к малой токовой загрузке данных приборов.
a
b
c
A
A
A
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mi>ф</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mi>ф</mi></msub></mrow></msub></mrow>
Принципиальная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, а его компьютерная модель в пакете MATLAB/Simulink - на фиг. 2. На фиг. 3 приведены полученные в процессе компьютерного моделирования диаграммы тока статорных обмоток i, i, i, скорости вала асинхронного двигателя U(t), а также кривые мгновенного U(t) и действующего U напряжений в статорной обмотке фазы А, иллюстрирующие работу данного устройства при пуске с нулевых начальных значений указанных координат привода. На фиг. 3 представлены диаграммы напряжения
(t) и тока
(t) полярного конденсатора фильтра в составе цепи защиты от коммутационных перенапряжений традиционного (фиг. 3(а)) и предлагаемого (фиг. 3(б)) исполнений.
0
1
6
1
6
Схема на фиг. 1 содержит асинхронный двигатель (АД) 1 с короткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого подключены к источнику 2 сетевого напряжения с помощью встречно-последовательно включенных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 3. Первичные обмотки вольтодобавочного трансформатора 3 своими первыми выводами подключены к выходным зажимам источника 2 сетевого напряжения. Эти обмотки выполнены по схеме звезды, функции нулевой точки которой выполняет силовой транзисторный ключ 4 (V), включенный между полюсами постоянного тока трехфазного диодного моста 5 (V-V), выводы переменного тока которого присоединены к вторым выводам указанных первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 3. В составе устройства 6 управления имеется блок 7 временной задержки управляющих импульсов для коммутирующего транзистора 8 (V8). Предлагаемая цепь защиты от коммутационных перенапряжений содержит полярный конденсатор фильтра 9 (Сф), коммутирующий транзистор 8 (V8), первый 10 (V7) и второй 11 (V9) разделительные диоды с объединенными катодами. При этом первый разделительный диод 10 (V7) служит для соединения положительной обкладки полярного конденсатора фильтра 9 (Сф) с положительным полюсом, а второй разделительный диод 11 (V9) - для соединения отрицательной обкладки полярного конденсатора фильтра 9 (Сф) с отрицательным полюсом трехфазного диодного моста 5 (V-V) в направлении тока заряда полярного конденсатора фильтра 9 (Сф), при этом аноды разделительных диодов 10 (V7) и 11 (V9) соединены коммутирующим транзистором 8 (V8) в направлении тока разряда полярного конденсатора фильтра 9 (Сф).
cA
A
cB
B
cC
C
0
0
0
a
A
A
cA
Принцип действия пускорегулирующего устройства для асинхронного двигателя обеспечивает уменьшение броска пускового тока асинхронного двигателя за счет плавного наращивания напряжения статорных обмоток, которое образуется встречным соединением источника 2 сетевого напряжения со вторичными обмотками вольтодобавочного трансформатора 3 (U=U-ΔU; U=U-ΔU; U=U-ΔU). Плавное уменьшение напряжений вторичных обмоток с максимального значения до нуля ΔU→0 осуществляется широтно-импульсным способом. Для этого подключение первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 3 к источнику 2 сетевого напряжения осуществлено с помощью силового транзисторного ключа 4 (V), переключения которого происходят со сравнительно высокой тактовой частотой. Регулирование напряжения вольтодобавки ΔU достигается изменением длительности включенного состояния силового транзисторного ключа 4 (V) в течение каждого такта модуляции. Форма широтно-импульсного сигнала на управляющем электроде силового транзисторного ключа 4 (V) определяется формой управляющего сигнала на выходе широтно-импульсного модулятора 12 (ШИМ) в составе устройства 6 управления. Диаграммы на фиг. 3 отражают форму мгновенного u(t) и действующего U(t) значений результирующего напряжения в статорной обмотке асинхронного двигателя в процессе пуска. Как отмечалось, это напряжение получается в результате вычитания из напряжения первичного сетевого источника U(t) регулируемого широтно-импульсным способом напряжения вольтодобавки ΔU(t). Видно, что на основном участке разгона двигателя встречное напряжение вольтодобавки уменьшается, что обеспечивает такое же увеличение результирующего напряжения на статорных обмотках асинхронного двигателя. После окончания переходного процесса действующее значение напряжения статорных обмоток принимает максимальное значение, равное номинальному напряжению сетевого источника U=220 В при ΔU=0. В результате компьютерного моделирования установлено, что выбранный способ наращивания напряжения уменьшает первоначальный бросок тока статорных обмоток асинхронного двигателя не менее чем в два раза.
Как отмечалось, периодические переключения силового транзистора в известной схеме сопровождаются выделением на индуктивных элементах тока нагрузки значительных коммутационных перенапряжений. Традиционное ограничение этих перенапряжений осуществляется с помощью полярного конденсатора фильтра, подключаемого параллельно индуктивным элементам с помощью трехфазного диодного моста. Как показано на фиг. 4,а, повторяющийся односторонний процесс заряда конденсатора в данной схеме способен привести к накапливанию напряжения на его обкладках и соответственно к возрастанию уровня перенапряжений до величин, превышающих напряжение пробоя полупроводниковых приборов, и изоляции обмоток трансформатора.
0
0
0
0
Суть предлагаемого технического решения направлена на устранение накапливания заряда конденсатора за счет создания режима двухстороннего обмена энергией конденсатора с индуктивными элементами защищаемых цепей. Для этого каждый процесс запирания силового транзисторного ключа 4 (V) осуществляется с помощью предлагаемой цепи в два этапа. При этом полагается, что начальное напряжение полярного конденсатора фильтра 9 (Сф), обуславливающее допустимый уровень коммутационных перенапряжений, благодаря наличию индуктивных элементов превышает амплитудное напряжение питающей сети. В результате этого превышения диоды трехфазного диодного моста 5 (V1-V6) так же, как и разделительные диоды 10 (V7), 11 (V9) в исходном состоянии, оказываются запертыми. Началом первого этапа коммутации служит кратковременное включение коммутирующего транзистора 8 (V8) с помощью управляющего импульса, поступающего из блока 7 временной задержки. Благодаря превышению начального напряжения полярного конденсатора фильтра 9 (Сф) это приведет к уведению тока силового транзисторного ключа 4 (V) в параллельную цепь, содержащую катодную группу трехфазного диодного моста 5 (V1-V6), коммутирующий транзистор 8 (V8), полярный конденсатор фильтра 9 (Сф) и анодную группу трехфазного диодного моста 5 (V1-V6). Этот процесс будет сопровождаться частичным разрядом полярного конденсатора фильтра 9 (Сф), устраняющим накапливание напряжения на его обкладках. Благодаря уведению тока выключение силового транзисторного ключа 4 (V) в начале второго этапа коммутации будет происходить практически в обесточенном состоянии, что уменьшает внутренние потери мощности и благотворным образом влияет на его перегрузочную способность и надежность в работе. После выключения силового транзисторного ключа 4 (V) накопленная в индуктивных элементах устройства и питающей сети электромагнитная энергия вновь поступит в полярный конденсатор фильтра 9 (Сф), что приведет к его повторному заряду до исходного уровня. Этот процесс протекает по цепи, содержащей трехфазный диодный мост 5 (V1-V6) и разделительные диоды 10 (V7), 11 (V9).
Представленные результаты компьютерного моделирования позволяют сравнить эффективность традиционного (фиг. 4,а) и предлагаемого (фиг. 4,б) исполнения защитной цепи на основе полярного конденсатора фильтра. Подтверждается, что перевод полярного конденсатора фильтра в режим периодического «частичного разряда-заряда» обеспечивает устойчивое поддержание коммутационных перенапряжений на заданном уровне без необходимости рассеивания энергии в разрядном резисторе. Важно отметить, что достигнутое повышение энергетических показателей сочетается с повышением перегрузочной способности и надежности работы силового транзисторного ключа в динамических режимах работы электропривода.