Устройство для плавного пуска двигателей переменного тока
(Новое в известном)
(Новое в известном)
1. Одна из универсальных возможностей экономии энергии
Можно привести много примеров, когда не требуется непрерывная работа механизмов. Так, в частности:
* суточные колебания потребления воды позволяют периодически отключать ряд насосов, работающих параллельно на одну трубу;
* изменение режима работы машиностроительных заводов в течение суток, рабочих и выходных дней, рыночные колебания загрузки допускают отключение части компрессоров, питающих заводские сети сжатого воздуха;
* различные механизмы периодического действия работают только на определенных этапах непрерывного технологического процесса.
Из приведенных примеров следует очевидный способ экономии энергии и сохранение механического ресурса механизмов: не требуется работа механизма - отключи двигатель от сети. Да, но после отключения двигатель надо снова включать, и в этом главное препятствие повсеместного использования столь очевидного способа экономии энергии.
2. Проблемы, связанные с прямым пуском двигателя
При прямом пуске двигателя переменного тока по обмоткам двигателя протекают большие токи, которые при частых пусках могут привести к выходу из строя двигателя вследствие разрушения изоляции обмоток. Разрушение изоляции 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. Практикам известно ослабление пазовых клиньев и бандажей в лобовых частях обмоток. Ослабление пазовых клиньев и бандажей усиливает механическое перемещение обмоток и разрушение изоляции.
Вторая причина - термическое разрушение изоляции - связана с тем, что при превышении температурой изоляции установленного для нее порога в последней происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к форсированному старению изоляции. А тепловыделение в обмотках пропорционально квадрату величины тока.
Очевидно, что прямой пуск двигателей - это аварийно опасный режим работы двигателя. Подавляющее большинство выходов из строя двигателей происходит в процессе пуска.
Другие отрицательные аспекты прямого пуска двигателей:
- повышение нагрузки на электрические сети. При пуске двигателей, как правило, наблюдаются посадки напряжения, неблагоприятные для других потребителей; - неконтролируемые переходные процессы в двигателях, приводящие к большим переходным моментам, отрицательно влияют на все элементы кинематической цепочки привода.
По указанным причинам частые отключения и включения двигателей, особенно большой мощности, несмотря на возможность экономии электрической энергии, не практикуются. Неприятности, связанные с выходом из строя оборудования, сводят на нет энергетический выигрыш.
3. Варианты управляемого пуска двигателей переменного тока
3.1. Первый вариант - использование преобразователей частоты.
Пуск двигателей осуществляется от преобразователей частоты (рис.1) 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) I н . При этом указанные выше отрицательные явления прямого пуска отсутствуют.
При прямом пуске двигателя переменного тока по обмоткам двигателя протекают большие токи, которые при частых пусках могут привести к выходу из строя двигателя вследствие разрушения изоляции обмоток. Разрушение изоляции 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. Практикам известно ослабление пазовых клиньев и бандажей в лобовых частях обмоток. Ослабление пазовых клиньев и бандажей усиливает механическое перемещение обмоток и разрушение изоляции.
Вторая причина - термическое разрушение изоляции - связана с тем, что при превышении температурой изоляции установленного для нее порога в последней происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к форсированному старению изоляции. А тепловыделение в обмотках пропорционально квадрату величины тока.
Очевидно, что прямой пуск двигателей - это аварийно опасный режим работы двигателя. Подавляющее большинство выходов из строя двигателей происходит в процессе пуска.
Другие отрицательные аспекты прямого пуска двигателей:
- повышение нагрузки на электрические сети. При пуске двигателей, как правило, наблюдаются посадки напряжения, неблагоприятные для других потребителей; - неконтролируемые переходные процессы в двигателях, приводящие к большим переходным моментам, отрицательно влияют на все элементы кинематической цепочки привода.
По указанным причинам частые отключения и включения двигателей, особенно большой мощности, несмотря на возможность экономии электрической энергии, не практикуются. Неприятности, связанные с выходом из строя оборудования, сводят на нет энергетический выигрыш.
3. Варианты управляемого пуска двигателей переменного тока
3.1. Первый вариант - использование преобразователей частоты.
Пуск двигателей осуществляется от преобразователей частоты (рис.1) 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) I н . При этом указанные выше отрицательные явления прямого пуска отсутствуют.
Среди недостатков пуска двигателей от преобразователя частоты
отметим два:
- сравнительно высокая стоимость преобразователя;
- далеко не все преобразователи частоты, предназначенные для управления асинхронными двигателями, оснащены программными средствами точной синхронизации двигателей с питающей сетью, без которых подключение двигателя при наличии внутреннего потока может привести к броскам тока вдвое большим, чем при прямом пуске, что чревато большой вероятностью немедленной аварии двигателя.
3.2. Второй вариант - использование устройств плавного безударного пуска
Необходимость в сравнительно дешевых устройствах для запуска двигателей переменного тока с ограниченными токами привела к широкому распространению устройств плавного пуска двигателя (ВПУ).
Функциональная схема ВПУ показана на рис.2. Это по существу силовая схема 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. ВПУ по существу ТРН, в который введены замкнутая система автоматического регулирования тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате ВПУ реализует формирование заданного ограниченного
тока двигателя в процессе пуска.
отметим два:
- сравнительно высокая стоимость преобразователя;
- далеко не все преобразователи частоты, предназначенные для управления асинхронными двигателями, оснащены программными средствами точной синхронизации двигателей с питающей сетью, без которых подключение двигателя при наличии внутреннего потока может привести к броскам тока вдвое большим, чем при прямом пуске, что чревато большой вероятностью немедленной аварии двигателя.
3.2. Второй вариант - использование устройств плавного безударного пуска
Необходимость в сравнительно дешевых устройствах для запуска двигателей переменного тока с ограниченными токами привела к широкому распространению устройств плавного пуска двигателя (ВПУ).
Функциональная схема ВПУ показана на рис.2. Это по существу силовая схема 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. ВПУ по существу ТРН, в который введены замкнутая система автоматического регулирования тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате ВПУ реализует формирование заданного ограниченного
тока двигателя в процессе пуска.
4. Недостатки традиционной системы плавного пуска
Традиционная система плавного пуска обеспечивает снижение пускового тока на заданном уровне ( не более 2 - 3 I н ). При этом резко уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ними механическое разрушение изоляции обмоток. Снижение пусковых моментов благоприятно для механической части привода. Однако традиционная система плавного пуска обладает рядом недостатков.
4.1. Наиболее существенным недостатком является большое энерговыделение в двигателе в процессе пуска. Объясняется это тем, что физические процессы в двигателе такие же, как и при прямом пуске, поскольку частота напряжения на зажимах двигателя равна частоте питающей сети.
Простое снижение тока приводит к уменьшению момента двигателя по сравнению с режимом прямого пуска. Момент уменьшается в квадрате снижения тока в каждой точке по скорости. Снижение момента приводит к существенному увеличению времени пуска. Уменьшение тока обуславливает уменьшение мощности потерь по сравнению с режимом прямого пуска, но не уменьшение энергии потерь, ведь время пуска увеличивается. Только при полном отсутствии статического момента сопротивления механизма, что нереально, энергия потерь для обоих вариантов пуска одинаковая.
Практически всегда энергия потерь в двигателе в режиме плавного пуска выше, чем при прямом. Но столь существенный недостаток, как повышенные потери в двигателе, известный разработчикам, но неочевидный для большинства потребителей, стимулировал научно-технические поиски, что и привело к разработке системы квазичастотного плавного пуска.
Расчеты показывают, что при использовании квазичастотной системы плавного пуска энергия потерь в двигателе в 2-4 раза меньше, чем при прямом пуске или в 4-7 раз меньше, чем при общеизвестном мягком пуске.
5 Квазичастотный мягкий пуск
Если придать тиристорному регулятору напряжения свойства преобразователя частоты, что достигается принципиально новыми алгоритмами управления ТРН, картина с энергией потерь при пуске резко меняется. Это понятно, поскольку при классическом частотном пуске потери в двигателе при пуске такие же, как в установившемся режиме работы на устойчивой ветви механической характеристики при равном электромагнитном моменте. Системы плавного пуска высоковольтных двигателей переменного тока выпускаются по нашим –разработкам с 1995 года и успешно эксплуатируются на многих десятка предприятий России и за её границами. Их создание потребовало теоретических исследований, разработки и реализации моделей системы “ТРН - двигатель переменного тока “ на персональном компьютере, разработки и апробации на моделях алгоритмов квазичастотного управления, создания быстродействующих промышленных контроллеров, разработки и отладки их программного обеспечения, а также сопутствующего программного обеспечения.
По нашим сведениям, ни одна из фирм не предлагает систему квазичастотного плавного пуска для высоковольтных двигателей.
Принцип квазичастотного управления иллюстрируется следующим простым примером (см.рисунок 3). Допустим, каждый период частоты 50 Гц подаются управляющие импульсы на тиристоры +А и –В. Токи, протекающие по фазам сети и соответствующим фазным обмоткам двигателя, показаны на рисунке. Импульсы тока заменяем их средним значением и утверждаем, что по фазам двигателя протекают токи нулевой частоты. Изменением фазы управляющих импульсов можно регулировать амплитуду тока (рисунок 3а).
Рассмотрим другой вариант управления тиристорами ТРН. В некоторый период частоты 50 Гц управляющие импульсы подаются на тиристоры +А и –В. В следующий период они подаются на тиристоры +А и -С, и далее в следующей последовательности: -С, +В; +В, -А; -А, +С; +С, -В; -В, +А.
Соответствующие токи в фазных обмотках двигателя показаны на рисунке 3б.
В результате получаем трехфазный квазичастотный ток частоты 50/7 Гц. Модифицировав управление тиристорами, а именно: подавая в течение периода 2П импульсы на тиристоры +А, -В и +А, -С, а в следующем цикле на тиристоры +А, -С и +В, -С и т.д., получаем трехфазную систему токов, сдвинутую относительно предыдущей на угол ?/6. Очевидно, что, если подавать управляющие импульсы на тиристоры в обратной последовательности, а именно: для варианта рисунка б +А, -В; -В, +С; +С, -А; -А, +В; +В, -С; -С, +А; +А, -В получаем обратный порядок чередования фазных токов. Иными словами, при соответствующем управлении можно реверсировать скорость двигателя.
Рассмотренный простой пример показывает, что управляя порядком включения тиристоров ТРН и фазой управляющих импульсов можно формировать трехфазный переменный ток, регулируемый по частоте фазы и амплитуды. Но ток получается не непрерывным, а импульсным, и в этом заключается смысл выражения квазичастотный.
Рассмотрим, чем обусловлена эффективность квазичастотного управления по сравнению с традиционной системой плавного пуска, при которой регулируется амплитуда переменного тока частотой 50 Гц. При больших скольжениях асинхронного двигателя потокосцепление ротора двигателя равно:
Традиционная система плавного пуска обеспечивает снижение пускового тока на заданном уровне ( не более 2 - 3 I н ). При этом резко уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ними механическое разрушение изоляции обмоток. Снижение пусковых моментов благоприятно для механической части привода. Однако традиционная система плавного пуска обладает рядом недостатков.
4.1. Наиболее существенным недостатком является большое энерговыделение в двигателе в процессе пуска. Объясняется это тем, что физические процессы в двигателе такие же, как и при прямом пуске, поскольку частота напряжения на зажимах двигателя равна частоте питающей сети.
Простое снижение тока приводит к уменьшению момента двигателя по сравнению с режимом прямого пуска. Момент уменьшается в квадрате снижения тока в каждой точке по скорости. Снижение момента приводит к существенному увеличению времени пуска. Уменьшение тока обуславливает уменьшение мощности потерь по сравнению с режимом прямого пуска, но не уменьшение энергии потерь, ведь время пуска увеличивается. Только при полном отсутствии статического момента сопротивления механизма, что нереально, энергия потерь для обоих вариантов пуска одинаковая.
Практически всегда энергия потерь в двигателе в режиме плавного пуска выше, чем при прямом. Но столь существенный недостаток, как повышенные потери в двигателе, известный разработчикам, но неочевидный для большинства потребителей, стимулировал научно-технические поиски, что и привело к разработке системы квазичастотного плавного пуска.
Расчеты показывают, что при использовании квазичастотной системы плавного пуска энергия потерь в двигателе в 2-4 раза меньше, чем при прямом пуске или в 4-7 раз меньше, чем при общеизвестном мягком пуске.
5 Квазичастотный мягкий пуск
Если придать тиристорному регулятору напряжения свойства преобразователя частоты, что достигается принципиально новыми алгоритмами управления ТРН, картина с энергией потерь при пуске резко меняется. Это понятно, поскольку при классическом частотном пуске потери в двигателе при пуске такие же, как в установившемся режиме работы на устойчивой ветви механической характеристики при равном электромагнитном моменте. Системы плавного пуска высоковольтных двигателей переменного тока выпускаются по нашим –разработкам с 1995 года и успешно эксплуатируются на многих десятка предприятий России и за её границами. Их создание потребовало теоретических исследований, разработки и реализации моделей системы “ТРН - двигатель переменного тока “ на персональном компьютере, разработки и апробации на моделях алгоритмов квазичастотного управления, создания быстродействующих промышленных контроллеров, разработки и отладки их программного обеспечения, а также сопутствующего программного обеспечения.
По нашим сведениям, ни одна из фирм не предлагает систему квазичастотного плавного пуска для высоковольтных двигателей.
Принцип квазичастотного управления иллюстрируется следующим простым примером (см.рисунок 3). Допустим, каждый период частоты 50 Гц подаются управляющие импульсы на тиристоры +А и –В. Токи, протекающие по фазам сети и соответствующим фазным обмоткам двигателя, показаны на рисунке. Импульсы тока заменяем их средним значением и утверждаем, что по фазам двигателя протекают токи нулевой частоты. Изменением фазы управляющих импульсов можно регулировать амплитуду тока (рисунок 3а).
Рассмотрим другой вариант управления тиристорами ТРН. В некоторый период частоты 50 Гц управляющие импульсы подаются на тиристоры +А и –В. В следующий период они подаются на тиристоры +А и -С, и далее в следующей последовательности: -С, +В; +В, -А; -А, +С; +С, -В; -В, +А.
Соответствующие токи в фазных обмотках двигателя показаны на рисунке 3б.
В результате получаем трехфазный квазичастотный ток частоты 50/7 Гц. Модифицировав управление тиристорами, а именно: подавая в течение периода 2П импульсы на тиристоры +А, -В и +А, -С, а в следующем цикле на тиристоры +А, -С и +В, -С и т.д., получаем трехфазную систему токов, сдвинутую относительно предыдущей на угол ?/6. Очевидно, что, если подавать управляющие импульсы на тиристоры в обратной последовательности, а именно: для варианта рисунка б +А, -В; -В, +С; +С, -А; -А, +В; +В, -С; -С, +А; +А, -В получаем обратный порядок чередования фазных токов. Иными словами, при соответствующем управлении можно реверсировать скорость двигателя.
Рассмотренный простой пример показывает, что управляя порядком включения тиристоров ТРН и фазой управляющих импульсов можно формировать трехфазный переменный ток, регулируемый по частоте фазы и амплитуды. Но ток получается не непрерывным, а импульсным, и в этом заключается смысл выражения квазичастотный.
Рассмотрим, чем обусловлена эффективность квазичастотного управления по сравнению с традиционной системой плавного пуска, при которой регулируется амплитуда переменного тока частотой 50 Гц. При больших скольжениях асинхронного двигателя потокосцепление ротора двигателя равно:
Именно в силу того, что при больших S потокосцепление ротора существенно ослаблено, момент, развиваемый двигателем, мал. Иное дело квазичастотное управление по отношению к основной гармонике тока низкой частоты скольжение S достаточно малое, поток ?2 значительный и близок к номинальному значению. Поэтому момент двигателя, несмотря на импульсный характер тока при I = 2I 2н достигает значения ~ М п , что и определяет высокую эффективность квазичастотного пуска.
В то же время при разгоне двигателя до подсинхронной скорости величина S существенно уменьшается, и асинхронный пуск оказывается более эффективным, чем квазичастотный пуск. Поэтому оптимальный запуск двигателя с помощью ТРН выполняется комбинированным способом (см.
рис.4) при скорости n (0,75 – 0,9) n синхр - асинхронный пуск с регулированием амплитуды тока.
В то же время при разгоне двигателя до подсинхронной скорости величина S существенно уменьшается, и асинхронный пуск оказывается более эффективным, чем квазичастотный пуск. Поэтому оптимальный запуск двигателя с помощью ТРН выполняется комбинированным способом (см.
рис.4) при скорости n (0,75 – 0,9) n синхр - асинхронный пуск с регулированием амплитуды тока.
Формирование квазигармоническихт фазных токов
а) нулевой частоты;
б) частоты 50/7 Гц;
в) частоты 50/7 Гц, сдвинутых на ? /6 относительно токов изображенных в п.б)
а) нулевой частоты;
б) частоты 50/7 Гц;
в) частоты 50/7 Гц, сдвинутых на ? /6 относительно токов изображенных в п.б)
Применение современных быстродействующих микропроцессорных средств управления ТРН позволило реализовать в полном объеме все достоинства модуляционного принципа управления ТРН.
Ниже приведены осцилограммы пуска двигателя мощностью 2500 кВт на основе ВПУ с квазичастотным управлением.
Ниже приведены осцилограммы пуска двигателя мощностью 2500 кВт на основе ВПУ с квазичастотным управлением.
Предварительное намагничивание двигателя, 4в – Формирование тока при квазичастотном алгоритме управления, 4г – переход от квазичастотного к фазовому управлению на частоте 35 Гц, 4д – Окончание разгона, переход двигателя на работу от сети 6 кВ.
На рисунке 4 показан пуск крупного вентилятора, прямой пуск которого длится около 15 с. На рисунке видно, что частота тока плавно увеличивается от 0. Поскольку ВПУ работает как однофазный непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), то во-первых, ток прерывистый, во-вторых, формирование частоты тока статора выше 20 Гц сопровождается еще более прерывистым током. Таким образом, целесообразно на определенном этапе разгона перейти фазовому пуску для доразгона, с относительно малым скольжением.
На рисунке 4 показан пуск крупного вентилятора, прямой пуск которого длится около 15 с. На рисунке видно, что частота тока плавно увеличивается от 0. Поскольку ВПУ работает как однофазный непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), то во-первых, ток прерывистый, во-вторых, формирование частоты тока статора выше 20 Гц сопровождается еще более прерывистым током. Таким образом, целесообразно на определенном этапе разгона перейти фазовому пуску для доразгона, с относительно малым скольжением.
Сначала осуществляется определение начального положения ротора (первые 6 импульсов), потом формирование начального магнитного поля в машине.
Видно, что ток прирывистый (потому такой режим и называется квазичастотный – «почти-частотный»). Видно как растет сорость вращения вала (красная кривая). Пуск с номинальным скольжением – ротор не греется!
Частота тока статора 35 Гц, вдно сильно прерывистый ток. Скорость вращения вала 70% от номинальной. Определение скорости бездатчиковое по ориентации пространственного вектора поля машины.
Видно как двигатель вышел на подсихронную скорость и приобрел собственную эдс близкую к напряжению сети. Видно, что амплитуда тока х.х. на частоте 50 Гц около 1/3 клетки при этом амплитуда тока при пуске около 1,5 клетки. Номинальный ток примерно в 2-2,5 больше тока х.х., к тому же, если рассматривать действующий ток потребляемый из сети, то в процессе пуска его значение относительно амплитуды меняется и будет всегда ниже чем при работе двигателя от сети.
Очевидна эффективность квазичастотного управления с точки зрения увеличения момента двигателя и реализации тормозного режима.
Процесс разгона и торможения двигателя с нагрузкой
Следующая осциллограмма (рис. 5) иллюстрирует работу электропривода на основе ВПУ с квазичастотным управлением. Подчеркиваем: электропривода, поскольку система регулирования выполнена замкнутой по скорости.
Очевидна эффективность квазичастотного управления с точки зрения увеличения момента двигателя и реализации тормозного режима.
Процесс разгона и торможения двигателя с нагрузкой
Следующая осциллограмма (рис. 5) иллюстрирует работу электропривода на основе ВПУ с квазичастотным управлением. Подчеркиваем: электропривода, поскольку система регулирования выполнена замкнутой по скорости.
На осциллограмме показан процесс разгона привода до частоты 25 Гц, работа на установившейся частоте 25 Гц, разгон до частоты 40 Гц, работа на установившейся частоте 40 Гц, торможение и работа на частоте 10 Гц, реверсирование привода до частоты 25 Гц и останов.
Таким образом, ВПУ с управлением по модуляционному принципу в полной мере удовлетворяет задачам:
* пуска и торможения привода;
* управления темпом разгона и торможения;
* реверсирования привода.
В ряде случаев он может быть использован для регулирования скорости
привода. Но наиболее эффективно его использование для пуска двигателей с
вентиляторной механической характеристикой.
Таким образом, ВПУ с управлением по модуляционному принципу в полной мере удовлетворяет задачам:
* пуска и торможения привода;
* управления темпом разгона и торможения;
* реверсирования привода.
В ряде случаев он может быть использован для регулирования скорости
привода. Но наиболее эффективно его использование для пуска двигателей с
вентиляторной механической характеристикой.
