Автоматическое управление работой асинхронных электродвигателей

10 декабря 2008 г.

В ряде технологических процессов электродвигатели имеют непродолжительные по времени режимы работы, связанные с периодическим включением и отключением приводимых ими в движение механизмов. Это относится к электродвигателям вибраторов, применяемых для очистки от налипания на стенки бункеров сыпучих материалов, мешалок, перемешивающих в соответствии с различными технологическими процессами растворы и сыпучие смеси, вентиляторов и т.п. При этом время их включенного состояния может отличаться от времени отключенного состояния.

Каждое повторное включение и отключение электродвигателя требует воздействия оперативного персонала на коммутационный аппарат (например, кнопочный переключатель), управляющий его работой, с фиксацией промежутков времени его включенного и отключенного состояний. Это создает неудобства в эксплуатации электродвигателей и требует больших затрат времени оперативного персонала.

С целью повышения удобства эксплуатации электродвигателей разработано устройство для автоматического управления их работой. Устройство обеспечивает в течение неограниченного времени при однократном нажатии на кнопку «Пуск» кнопочного переключателя включение и отключение электродвигателя в заданные моменты времени без участия оперативного персонала. При этом соотношения между продолжительностью времени каждого отключенного состояния электродвигателя, также, как и продолжительностью времени каждого его включенного состояния могут регулироваться в соотношении, определяемом технологическими особенностями работы приводимого им в движение механизма. Для прекращения работы устройства для автоматического управления электродвигателем в любом его состоянии необходимо нажать кнопку «Стоп» кнопочного переключателя.

Схема устройства для автоматического управления работой электродвигателя показана на рисунке 1.

Устройство работает следующим образом. При нажатии кнопки «Пуск» кнопочного переключателя SB напряжение от сети переменного тока подается на релейно-контактную часть схемы и подводится к входам блока питания A1. Ток протекает через обмотку реле KL, которое срабатывает и, замыкая свой контакт, встает на самоудерживание. С выхода блока питания напряжение подается на все элементы электронной части устройства. Формирователь импульсов сброса DD1 вырабатывает короткий положительный импульс, который с его выхода подается на вход генератора импульсов UZ и на первые R-входы счетчиков импульсов DD2 и DD3. Счетчики импульсов устанавливаются в нулевое состояние, а генератор импульсов начинает вырабатывать прямоугольные импульсы, которые появляются на его выходах с заданной частотой.

При нулевом состоянии выходов счетчиков импульсов сигналы на всех выходах дешифраторов DD4 и DD5, кроме выхода «0», имеют единичный уровень. Единичный сигнал с i-го выхода дешифратора DD4 через замкнутый контакт переключателя SA1 поступает на второй R-вход счетчика импульсов DD3 и на вход усилителя A2, что приводит к появлению такого же сигнала на выходе последнего.

В результате этого отсутствует разность потенциалов между выходом блока питания и выходом усилителя. Ток через излучающую часть оптосимистора V не протекает, закрыта его силовая часть, поэтому отсутствует ток в обмотке магнитного пускателя KM. Электродвигатель М находится в отключенном состоянии. Единичный сигнал с j-го выхода дешифратора DD5 через замкнутый контакт переключателя SA2 подается на вход логического элемента НЕ DD6, с выхода которого сигнал нулевого уровня поступает на второй R-вход счетчика импульсов DD2.

Импульсы, имеющие меньшую частоту следования, подаются с первого выхода генератора импульсов на счетный вход С1 первого счетчика импульсов DD2, а импульсы с большой частотой следования поступают со второго выхода генератора импульсов на счетный вход С1 второго счетчика импульсов DD3.

С выходов счетчиков импульсов сигналы, соответствующие двоичному коду числа поданных на их счетные входы С1 импульсов, поступают на соответствующие входы дешифраторов. Сигналы на выходах последних появляются в определенной последовательности, обеспечивая на выходах дешифратора DD4 заданный промежуток времени между двумя последовательными включениями электродвигателя, а на выходах дешифратора DD5 заданную продолжительность его включения в каждом цикле работы.

В исходном состоянии схемы в рабочем состоянии находится только счетчик импульсов DD2, т.к. на его R-входах сигналы имеют нулевой уровень, а счетчик импульсов DD3 находится в закрытом состоянии, т.к. на его второй R-вход подан единичный сигнал. В таком состоянии схема устройства находится до прихода первого импульса на счетный вход С1 счетчика импульсов DD2.

При поступлении с первого выхода генератора импульсов на вход С1 счетчика импульсов DD2 первого импульса на выходе «1» дешифратора DD4 сигнал принимает уровень логического нуля, а на остальных выходах остается равным единице. Состояние остальной части схемы устройства при этом не изменяется. При поступлении на вход С1 счетчика импульсов DD2 второго, третьего и последующих импульсов сигнал нулевого уровня появляется последовательно на выходах «2», «3» и так далее дешифратора DD4, оставаясь равным единице на всех остальных.

Так продолжается до тех пор, пока на вход С1 счетчика импульсов DD2 не поступит i-й сигнал с первого выхода генератора импульсов, когда сигнал на i-м выходе дешифратора DD4 примет уровень логического нуля.

Сигнал нулевого уровня с i-го выхода дешифратора DD4 через замкнутый контакт переключателя SA1 поступает на второй R-вход счетчика импульсов DD3, переводя его в рабочее состояние, и на вход усилителя, на выходе которого сигнал также примет значение логического нуля. В результате этого появляется разность потенциалов между выходом блока питания и выходом усилителя и через излучающую часть оптосимистора начинает протекать ток. Отпирается силовая часть оптосимистора и ток от источника переменного напряжения начинает протекать через обмотку магнитного пускателя. Магнитный пускатель срабатывает и замыкает свои контакты в цепи питания электродвигателя M. Электродвигатель включается в работу.

С этого момента времени счетчик импульсов DD3 начинает вести подсчет импульсов, поступающих на его счетный вход С1 со второго выхода генератора импульсов. При поступлении на его счетный вход С1 каждого очередного импульса сигнал нулевого уровня перемещается последовательно по выходам дешифратора DD5, начиная с выхода «1». Состояние остальной части схемы устройства не изменяется до тех пор, пока сигнал нулевого уровня не появится на j-ом выходе дешифратора DD5. Сигнал нулевого уровня с j-ого выхода второго дешифратора DD5 через замкнутый контакт второго переключателя SA2 подается на вход логического элемента НЕ DD6, вызывая появление единичного сигнала на его выходе. Сигнал единичного уровня с выхода логического элемента НЕ DD6 поступает на второй R-вход первого счетчика импульсов DD2, устанавливая его в нулевое состояние. В результате этого сигналы на всех выходах первого дешифратора DD4 принимают уровень логической единицы. Единичный сигнал с i-го выхода первого дешифратора DD4 через замкнутый контакт первого переключателя SA1 поступает на второй R-вход второго счетчика импульсов DD3, устанавливая его в нулевое состояние, и на вход усилителя A2, что приводит к появлению такого же сигнала на выходе последнего. Исчезает разность потенциалов между выходом блока питания A1 и выходом усилителя A2. Прекращается протекание тока через излучающую часть оптосимистора V, а затем через его силовую часть и обмотку магнитного пускателя KM. Магнитный пускатель RV, возвращаясь в исходное состояние, размыкает свои контакты в цепи питания электродвигателя M. Электродвигатель прекращает работу, а схема устройства возвращается в исходное состояние, т.е. в состояние, которое она имела сразу же после нажатия кнопку «Пуск» кнопочного переключателя SB.

В дальнейшем работа схемы устройства повторяется.

Для прекращения работы устройства для автоматического управления электродвигателем необходимо нажать кнопку «Стоп» кнопочного переключателя SB. При этом со схемы устройства снимается переменное напряжение, в результате чего прекращается протекание тока через обмотку электромеханического реле KL, размыкается его контакт, исчезает напряжение на входе и выходе стабилизированного блока питания A1, электронная часть схемы устройства теряет питание. Схема устройства прекращает работу независимо от того, в каком состоянии находился электродвигатель M (включенном или отключенном).

Время отключенного состояния электродвигателя M мешалки может изменяться путем перемещения подвижног контакта первого переключателя SA1, а время его включенного состояния — путем перемещения подвижного контакта второго переключателя SA2.

Таким образом, при однократном нажатии кнопки «Пуск» кнопочного переключателя SB схема устройства вводится в работу, обеспечивая в течение неограниченного времени автоматическое включение и отключение электродвигателя в заданные моменты времени, чем повышается удобство эксплуатации мешалки.

Рекомендации по выбору вида, типа и мощности двигателя электропривода

24 ноября 2008 г.

При работе электропривода с длительной постоянной нагрузкой задача выбора электродвигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста.

Для электропривода, не требующего регулирования скорости в больших диапазонах ее изменения, рекомендуется применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход также быстро как и асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двджигателя той же мощности (у синхронного двигателя выше коэффициент мощности cosφ и больше максимальный момент M_max на валу).

При этом у асинхронных двигателей последнего поколения можно достаточно эффективно регулировать скорость вращения, осуществлять реверс с необходимым моментом для работы электропривода, но для этого применяются специальные устройства управления.

Но если электродвигатель привода должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, реверса, частых пусков, больших изменений нагрузки, то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия работы электропривода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

В электротехнике принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Важным критерием для оценки механических характеристик электродвигателя служит их жесткость:

где: ΔM — изменение момента на валу двигателя;

Δn — изменение скорости вращения ротора двигателя.

В зависимости от значения жесткости принято делить механические характеристики на абсолютно жесткие, Δn = 0,λ = ∞ (синхронные двигатели), жесткие, у которых изменение частоты вращения мало λ = 40 ÷ 10 (линейная часть характеристики асинхронного двигателя, характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением), мягкиес большим изменением частоты вращения, у которых λ ≤ 10 (характеристика двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением).

На рис. 1 представлены естественные механические характеристики различных видов двигателей.

Требования к жесткости механической характеристики в ряде случаев являются основанием для выбора вида двигателя.

При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным, экономичным и простым в эксплуатации является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. При больших мощностях, если невозможно применить коротко-замкнутый асинхронный двигатель, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Двигатель постоянного тока сложнее по конструкции (из-за наличия коллекторно-щеточного узла), стоит дороже, требует более тщательного ухода в эксплуатации и изнашивается быстрее, чем двигатель переменного тока. Однако, в ряде случае предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменить частоту вращения электропривода в широких пределах.

Тип двигателя (его конструкцию) выбирают в зависимости от условий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость защиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при наличие взрывоопасной атмосферы), а также самих двигателей от попадания в них влаги, пыли, химических веществ из окружающей среды.

Во многих случаях в приводах необходимо регулировать скорость вращения ротора двигателя.

Для регулирования частоты вращения двигателя существует два надежных, но существенно несовершенных метода:

1. включение резисторов в цепи якорных обмоток ротора;
2. переключение числа пар полюсов обмотки статора.

Первый метод рационален лишь при узких пределах регулирования при постоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает лишь дискретное (ступенчатое) регулирование и практически применяется в основном для маломощных приводов.

В настоящее время благодаря появлению мощных полупроводниковых приборов положение в этой области существенно изменилось. Современные электронные преобразователи дают возможность изменять в широком диапазоне частоту переменного тока, что позволяет плавно регулировать скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно эффективно регулировать частоту вращения асинхронного и синхронного двигателей.

Оптимальный выбор мощности электродвигателя для привода должен удовлетворять следующим требованиям:

1. надежность в работе;
2. возможность работоспособного состояния в различных условиях;
3. экономичность в эксплуатации.

Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям работы привода, вызывает излишние потери энергии при работе электрической машины, обуславливает дополнительные капитальные вложения, увеличение массы и габаритов двигателя.

Установка электродвигателя меньшей мощности снижает производительность электропривода и делает его работу ненадежной. При этом сам электродвигатель в подобных условиях может быть поврежден.

Электродвигатель необходимо выбирать так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель не должен нагреваться до предельно допустимой температуры, в крайнем случае на очень непродолжительное время. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент на валу тот, который требуется для нормального функционирования исполнительного механизма.

В соответствии с этим мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на основании условий нагревания до предельно допустимой температуры. Производится так называемый выбор мощности по нагреву. Затем осуществляется проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда, при большой кратковременной перегрузке, приходится выбирать двигатель, исходя из требуемой максимальной мощности. В подобных условиях максимальная мощность двигателя длительное время, как правило, не используется.

Выбор мощности для привода с продолжительным режимом работы при постоянной или незначительно меняющейся нагрузке на валу является простым. В этом случае мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки, а проверки на перегрев и перегрузку во время работы электропривода не нужны (это объясняется изначально определенными условиями работы электродвигателя). В тоже время необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент на валу двигателя для пусковых условий данной электрической машины.

Мощность продолжительной нагрузки определяется на основании проверенных практикой теоретических расчетов.

Рассмотрим конкретный пример. Например, мощность двигателя для вентилятора (и не только его, а любого двигателя) можно определить, как

где: V — количество нагнетаемого воздуха, м³/с²;

Δр — перепад давления, Па;

η_вен — коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора (у крыльчатых вентиляторов он равен 0,2 ÷ 0,35);

η_пер — КПД передачи от двигателя к крыльчатке вентилятора.

В приведенной формуле произведение VΔр рпредставляет собой полезную мощность вентилятора, а 1000 — коэффициент для перевода мощности в киловатты.

В инженерных расчетах для определения мощности электродвигателя привода при продолжительной его работе используют электрические (полученные экспериментальным путем) формулы, проверенные длительной практикой.

При кратковременном, повторно-кратковременном и продолжительном с переменной нагрузкой режимах работы электропривода важно знать закон изменения во времени превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Электрическая машина с точки зрения нагревания представляет собой весьма сложное тело. Тем не менее при инженерных расчетах, не требующих большой точности, можно считать электрическую машину однородным телом.

Это дает возможность применить к ней упрощенное уравнение нагревания:

где: С — теплоемкость электрической машины;

Н — теплоотдача машины;

Q₀ — теплота, выделяемая в машине в единицу времени.

Рассмотрим два крайних случая: t = ∞ и t = 0. При t = ∞ получим: Q_odt = HV_maxdt. (4)

Решая это уравнение методом разделения переменных, получаем

где — постоянная времени нагрева машины, определяемая экспериментально.

При t = 0 начальное превышение температуры будет V = V₀, на основании чего постоянная A = V_max — V₀, а закон нарастания превышения температуры машины будет иметь вид

Таким образом превышение температуры машины V над температурой окружающей среды возрастает по показательному закону, стремясь к значению V_max. Значение начального превышения температуры V₀ лишь изменяет скорость нарастания температуры, не изменяя характера процесса (рис. 2).

При различных значениях продолжительной нагрузки одной и той же машины в диапазоне мощностей электродвигателя (Р₁, Р₂, … Р_ном, … Р_к, … Р_n) графики V(t) будут отличаться лишь ординатами (рис. 3).

Наибольшее допустимое для данной машины превышение температуры равно V_ном. Прямая, параллельная оси абсцисс V_ном пересекает в различных точках кривых V(t), соответствующие различным значениям нагрузки электродвигателя.

Абсцисса точки пересечения определяет тот промежуток времени t_k, в течение которого мощность двигателя может быть временно равна мощности Р_к, представляющей собой перегрузку по отношению к его номинальной мощности в продолжительном режиме работы. Кривая нагревания, асимптотически приближающаяся к V_ном через промежуток времени t_n, соответствует номинальной мощности электродвигателя Р_ном. При нагрузках, меньших Р_ном, мощность двигателя используется не полностью. Однако, если двигатель загружается до номинальной мощности только на относительно короткое время, то по сути он тоже используется не на полную мощность. Целесообразно его кратковременно перегрузить, и чем меньше продолжительность работы, тем больше должна быть эта перегрузка. Предел повышения нагрузки двигателя по мере уменьшения продолжительности включения определяется мгновенной перегрузочной мощностью двигателя, зависящей от его электромагнитных, механических и коммутационных свойств (максимального момента мощности на валу у асинхронного двигателя, условий коммутации щеточно-коллекторного узла у машин постоянного тока и т.п.).

При повторно-кратковременном режиме электродвигатель попеременно то нагревается, то охлаждается. Изменение его температуры в течение времени каждого цикла «включение — выключение» зависит при этом от предыдущего теплового состояния.

График зависимости нагревания и охлаждения машины от времени в подобных условиях показан на рис. 4.

Конечное превышение температуры каждой данной части цикла является начальным превышением температуры для последующей части цикла. Если во время той или иной части цикла наступает заметное изменение условий охлаждения электрической машины (остановка двигателя или существенное изменение частоты вращения ротора), то это изменяет значение постоянной времени нагрева машины τ, что должно быть учтено при построении графиков.

Рассмотренные методы определения мощности электродвигателя по температурным условиям посредством построения графиков нагревания требуют значительной затраты времени и трудоемких аналитических расчетов. В то же время графический метод сам по себе содержит систематические ошибки и в конце концов не дает точных результатов. Графические методы приведены выше лишь для того, чтобы наглядно показать картину изменения нагрева двигателя при переменной нагрузке.

В большинстве случаев для такого выбора мощности электродвигателя применяется более простые, так называемые инженерные расчеты, в частности эквивалентного тока. В основу метода эквивалентного тока положено допущение, что при переменной нагрузке двигателя его средние потери должны быть равны потерям при продолжительной (номинальной) нагрузке.

Как известно из теории электрических машин, мощность потерь двигателя складывается из постоянных Р_пост и переменных Р_пер мощностей. Мощность постоянных потерь равна сумме мощности потерь на трение, в магнитопроводе (у асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением), на возбуждение у синхронных двигателей и двигателей с параллельным возбуждением. Мощность переменных потерь можно считать пропорциональной квадрату рабочего тока I двигателя и сопротивлению соответствующей обмотки r, причем приближенно можно считать последнее постоянным. Если ток изменяется за соответствующие промежутки времени, то за все рабочее время Σt=T суммарные потери энергии в двигателе будут равны

При переменной нагрузке эквивалентным током I_эк, за то же время работы электродвигателя Т потери энергии в двигателе вычисляются по более простой формуле:

Зная эквивалентный ток, номинальное напряжение и номинальный коэффициент мощности, можно определить номинальную мощность двигателя:

Метод эквивалентного тока можно применять лишь при условии постоянства мощности потерь в магнитопроводе и на трение, а также сопротивлений обмоток в течение всего рабочего времени Т.

В ряде случаев условия нагрузки определяют непосредственный момент, требуемый от двигателя, а не ток. Тогда можно пользоваться методом эквивалентного момента: у всех электродвигателей вращающий момент на валу пропорционален произведению тока и магнитного потока. У двигателей переменного тока (синхронных и асинхронных) можно приближенно считать постоянным коэффициент мощности cosφ.

При таких упрощениях можно считать вращающий момент

где К_вр — постоянная величина, откуда из вышеприведенного выражения для эквивалентного тока I_эк можно получить:

Далее по эквивалентному моменту и номинальной угловой скорости двигателя ω_ном рассчитывается номинальная мощность двигателя электропривода:

Для повышения надежности работы электропривода рекомендуется проверить, достаточен ли максимальный момент М_mах двигателя для того, чтобы удовлетворить требованиям кратковременных возможных перегрузок данного привода; иными словами должно быть выполнено следующее условие: коэффициент перегрузки двигателя λ_ном должен быть по абсолютной величине больше отношения максимального момента М_mах нагрузки к номинальному моменту двигателя, то есть

На этом выбор типа, вида и мощности двигателя может быть закончен.

М. С. ИВАНОВ, В. Н. ДРАЧКОВ,
Санкт-ПетербургскийГосударственныйУниверситет ГражданскойАвиации (СПбГУГА).

Сравнительный анализ вариантов технического решения плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей

6 октября 2008 г.

В настоящей статье предлагается вариант технического решения плавного пуска мощных асинхронных двигателей разработки Научно-производственного предприятия «Сатурн», который принципиально отличается от всех, используемых в России. Оцениваются и анализируются его технические характеристики, в сравнении с частотными преобразователями и устройствами плавного пуска на основе фазового метода, выполненными на контроллерах импортного производства.

В нефтяной и газовой промышленности в приводах технологических агрегатов и различных вспомогательных механизмов широко применяются асинхронные электродвигатели.

Стадия пуска асинхронного электродвигателя была и остается наиболее ответственным режимом работы электродвигателя, в немалой степени определяющим его ресурс и ресурс работы электропривода в целом. Это особенно актуально для приводов насосов с «вентиляторной» характеристикой, где кратность токов перегрузки достигает максимальных величин. Достижения в области плавного пуска асинхронных электродвигателей как частотным, так и фазовым методами столь впечатляющи, что необходимость плавного пуска не вызывает уже никакого сомнения у большинства потребителей. Преимущества плавного пуска, в сравнении с прямым, хорошо известны, напомним лишь основные: уменьшаются значения пусковых токов до 1,5-3 кратного значения, снижается риск механического разрушения привода и вала двигателя (погружного), уменьшаются электромеханические усилия в обмотках электродвигателя, сводится к минимуму гидроудар в системе, пуск насоса на открытую задвижку практически не отличается от пуска на закрытую задвижку.

Преимущества частотного метода плавного пуска в сравнении с фазовым очевидны и бесспорны: возможность разгона по любому алгоритму и возможность регулирования оборотов электродвигателя и, следовательно, технологического процесса, который этот электродвигатель обслуживает. Однако, вместе с массовым внедрением частотных электроприводов, потребитель начинает сталкиваться с негативными явлениями работы преобразователя: появлениям гармонических составляющих на стороне двигателя (в основном) и на стороне сети. Это связано с несовершенством или, чаще всего, с отсутствием вообще фильтрокомпенсирующих устройств из-за их высокой стоимости. К недостаткам преобразователей относятся: высокая стоимость самих преобразователей, сложность технического решения, большие потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, необходимость выполнения рекомендаций производителей по снижению загрузки по мощности.

Появление устройств плавного пуска на основе фазового метода регулирования и их совершенствование все чаще приводит потребителя к выбору такого устройства именно тогда, когда нет острой необходимости регулирования скорости вращения электропривода или есть возможность решить эту проблему количеством насосов и повторно-кратко временным режимом их работы.

Преимущества устройств плавного пуска на основе фазового метода, в сравнении с частотными преобразователями, когда не нужно регулирование скорости, на наш взгляд, также очевидны: значительно меньшие стоимость и потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, простота схемы и, как следствие, большая надежность, наличие гармонических составляющих только во время пуска (5-40 с). При этом качество плавного пуска при фазовом методе почти не отличается от частотного пуска.

Мы предлагаем вашему вниманию один из вариантов технического решения устройства плавного пуска с фазовым методом регулирования напряжения, на основе которого выполнены все тиристорные выключатели-коммутаторы с плавным пуском разработки и производства Научно-производственного предприятия «Сатурн» на токи от 100 до 1000 А и напряжения 0,4; 2,4; 3,1; 3,6; 4,5; 6,0 кВ (последний в стадии разработки).

Рис. 1. Типичная осциллограмма напряжения
на фазе электродвигателя на холостом ходу
при плавном пуске.

Рис. 2. Осциллограмма динамики тока
нагруженного электродвигателя при плавном пуске.

Рис. 3. Тиристорный коммутатор.

Наш вариант технического решения и, следовательно, все наши изделия отличаются от других производителей, прежде всего, отсутствием контроллера плавного пуска, поскольку мы считаем, что задача плавного пуска довольно простая и может качественно решаться с помощью обычных микросхем и дискретных элементов. Функцию контроллера у нас выполняет модуль плавного пуска, который с помощью датчиков синхронизации и драйверов управления тиристорами задает определенный алгоритм изменения напряжения на входе двигателя, т.е. время плавного пуска и стартовое напряжение. Главными критериями качества плавного пуска, на наш взгляд, являются равенство токов по фазам и отсутствие двухфазного режима во всем диапазоне изменения напряжения при пуске.

Система управления, построенная по такому принципу, позволила нам выполнить выключатели с плавным пуском не только на напряжение 0,4 кВ, но и выше 1000 В с обеспечением необходимых развязок. В выключателях на напряжения 3,6 и 4,5 кВ используется последовательное соединение тиристоров, также как и в разрабатываемом выключателе на 6 кВ.

Во всех устройствах отсутствует байпас (шунтирование контактором или вакуумным выключателем после пуска), хотя мы и не запрещаем его использование по желанию заказчика. Наши изделия рассчитаны на естественное охлаждение тиристоров и работу в продолжительном режиме при температуре окружающей среды от плюс 40°С до минус 45°С (отдельные изделия, по желанию заказчика, рассчитаны на работу до плюс 60°С). Такое выполнение не бесспорно, но мы успешно отстаиваем свою точку зрения.

Недостатки такого исполнения: потери от прямого падения напряжения на силовых элементах — 0,1% от коммутируемой мощности в высоковольтных изделиях и менее 0,5% в классе 0,4 кВ. Да и эти потери можно и нужно превращать в полезную энергию, поскольку большинство станций работают в условиях воздействия низких температур и имеют подогрев. При наличии автоматического регулирования температуры потери в коммутаторе можно использовать как полезное тепло для поддержания рабочей температуры в станции.

Габариты и масса наших изделий соизмеримы или даже меньше, чем у аналогов, т.к. в их изделиях необходимо разместить контактор, соединители между ним и устройством плавного пуска, и обеспечить принудительную вентиляцию устройства плавного пуска, которая имеется почти у всех производителей на мощности выше 22 кВт.

Преимущества наших изделий: в 4-5 раз большие перегрузочные характеристики, т.к. мы используем более мощные тиристоры, рассчитанные на продолжительную работу в режиме номинального тока, возможность плавного нарастания тока и набора оборотов двигателя с нулевого значения. Количество включений в час мы не ограничиваем, возможности наших аппаратов по перегрузке выше возможностей двигателей. Но главным преимуществом такого решения является обеспечение предельного быстродействия при отключении в аварийной ситуации. При использовании наших изделий в станциях с современными контроллерами защиты, мы можем обеспечить время отключения даже при коротком замыкании не более 30 мс (с учетом реакции контроллера не более 10 мс). При таком быстродействии риск повреждения оборудования от дуги минимален (как известно, серьезные разрушения начинаются при времени отключения более 100 мс). Процесс отключения носит естественный характер выключения тиристора в нуле синусоиды; при этом отсутствуют перенапряжения, возникающие при отключении контакторов и, особенно, вакуумных выключателей из-за невозможности обеспечить нулевое значение тока среза.

Все наши коммутаторы имеют систему слежения за набором оборотов двигателя (без тахометра) с автоматическим отключением функции плавного пуска при достижении оборотов, близких к номинальному значению. Это позволяет нам избежать биений двигателя на завершающей стадии плавного пуска, причем независимо от нагрузки двигателя, т.е. система управления, обеспечивает синхронность с сетью во всем диапазоне нагрузок, начиная от холостого хода (только вал двигателя) до номинального значения. Это выполнить достаточно сложно, поскольку на холостом ходу cos двигателя близится к нулю, а при полной нагрузке близится к единице.

Существенным отличием от аналогов является и наличие системы индикации состояния тиристоров, имеющееся в изделиях 0,4-3,1 кВ. Наличие такой системы снижает риск аварии при отключении аппарата со сгоревшим тиристором. В выключателях на высокое напряжение систему индикации выполнить можно, но с увеличением количества тиристоров увеличивается количество датчиков состояния тиристоров и, следовательно, количество связей и развязок. Значительно усложняется конструкция, а с увеличением риска перекрытия изоляции теряется смысл выполнения такой системы.

Задание алгоритма плавного пуска производится с помощью вынесенных на лицевую панель аппарата программного переключателя времени плавного пуска и потенциометра установки стартового напряжения.

В настоящее время разработчиками контроллеров защиты («Алнас электроника» и «Ижевский радиозавод»), с которыми наши изделия работают совместно в станциях управления КТППН, рассматривается вопрос о задании режимов плавного пуска от контроллера защиты с полным сохранением оригинальности технического решения.

В коммутаторах, по желанию заказчиков, предусмотрена задержка повторного включения на 3+6 с и возможность переключения на режим прямого пуска.

На рисунках 1 и 2 представлены типичные осциллограммы напряжения и тока при плавном пуске, а на рисунке 3, в качестве иллюстрации конструктивного исполнения, представлен образец тиристорного коммутатора на напряжение 0,4 кВ и ток 630А. В изделиях 0,4-2,4 кВ практически все узлы унифицированы, а сами они отличаются только тиристорами и наличием ограничителей напряжения для защиты тиристоров в высоковольтных аппаратах.

Необходимо отметить, что во всех изделиях использованы только российские технологии и комплектующие (кроме конденсаторов), в том числе и силовые тиристоры Саранского завода «Электровыпрямитель».

Высоковольтные изделия на напряж<