Пристрій запуску двигуна змінного струму

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для подовження строку служби двигунів змінного струму за рахунок обмеження струму і механічних навантажень під час пуску. Пристрій запуску двигуна змінного струму містить двонаправлені повністю керовані комутатори зі схемою керування, які утворюють регулятор змінної напруги, яка подається на статор двигуна. Регулятор працює з використанням широтно-імпульсної модуляції на частоті, що значно перевищує частоту мережі. Це дозволяє зменшити рівень гармонік в струмі двигуна. В пристрої плавного запуску застосовано пофазне керування статорними напругами двигуна, при цьому використано три регулятори, що змінюють фазні напруги. Незважаючи на підвищену кількість силових ключів, винахід дозволяє використовувати ключі з меншою пробивною напругою. Використання запропонованого пристрою дозволяє зменшити пусковий струм двигуна при збереженні пускового моменту, тобто покращити показник відношення механічного . моменту до струму статора (Н м/А), і зменшити негативний вплив пристрою запуску двигуна на мережу живлення. Обидва ефекти пояснюються значним зменшенням нелінійних спотворень і несиметрії статорних струмів під час пуску. UA 101259 C2 (12) UA 101259 C2 UA 101259 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для подовження строку служби двигунів змінного струму за рахунок обмеження струму і механічних навантажень під час пуску. Асинхронні та синхронні електродвигуни широко застосовуються на насосних станціях, котельних, в чорній металургії, хімічній промисловості і так далі. Прямий пуск двигуна від мережі призводить до виникнення механічних перенавантажень трансмісії, гідроударів в магістралях (у випадку насосів), значно скорочує строк експлуатації двигуна з-за прискорення руйнування ізоляції обмоток статора, яке викликано електродинамічним впливом пускових струмів. Уникнути вищенаведених проблем можна завдяки застосуванню пристроїв плавного запуску. Відомий пристрій запуску двигуна змінного струму (Magnus Kjellberg, Soren Kling. Soft starter handbook. - ABB Automation Technology Products AB, Control.-2003), що містить три двонаправлені напівкеровані комутатори, кожен з яких складається з двох зустрічнопаралельно з'єднаних тиристорів, і схему керування, причому кожний вивід двигуна підключається до мережі через комутатор. Пристрій дозволяє регулювати статорну напругу двигуна за рахунок зміни угла керування тиристорів і забезпечити обмеження пускового струму і моменту. Суттєвим недоліком пристрою є значні нелінійні спотворення форми струму двигуна, що призводить до погіршення пускових характеристик та зниження якості напруги мережі з-за появи в її спектрі вищих гармонік. Відомий пристрій запуску двигуна змінного струму (Каваре Ясер Хуссейн, Червяков В. Д. Экспериментальные исследования процессов в системе "квазичастотный преобразователь асинхронный двигатель". - Компрессорное и энергетическое машиностроение. - №1(3), 2006. С. 73), що містить двонаправлені повністю керовані (транзисторні) комутатори зі схемою керування ними та схему обмеження перенапруг, причому кожний вивід двигуна підключається до мережі живлення через комутатор, крім того, до виводів двигуна підключено схему обмеження перенапруг, які виникають під час переключень комутаторів. Пристрій має значно більші можливості у керуванні вихідною напругою і обмеженні струму двигуна під час пуску, проте його схемна реалізація обмежує кількість варіантів станів комутаторів, що унеможливлює формування струмів двигуна з низьким рівнем вищих гармонік і, як наслідок, унеможливлює покращення пускових характеристик. Пристрій прийнято за прототип. В основу винаходу поставлена задача удосконалити пристрій плавного запуску двигуна шляхом внесення нових елементів в схему керування ним, що дозволить значно знизити рівень вищих гармонік струму двигуна під час пуску і покращити пускові механічні характеристики. Для рішення поставленої задачі в пристрої запуску двигуна змінного струму, що містить двонаправлені повністю керовані комутатори зі схемою керування ними, відповідно до винаходу, кожний вивід двигуна з'єднаний з мережею через комутатор, ще три таких комутатори включені між виводами двигуна і нейтраллю мережі, крім того, до мережі підключена батарея конденсаторів, з'єднана "зіркою", нульова точка якої з'єднана з нейтраллю мережі. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана блок-схема пристрою плавного пуску, на фіг. 2 - електрична схема силової частини, на фіг. 3 - векторна діаграма напруг при роботі пристрою, на фіг. 4 - варіанти реалізації двонаправлених комутаторів. Розглянемо приклад реалізації пристрою. Пристрій містить двонаправлені повністю керовані комутатори 1(12 шт. IRG4PH50KD по схемі фіг. 4, в) зі схемою керування ними 2 (на фіг. 2 показана умовно), двигун 3 (АИР80А2 1,5 кВт, 2880 об/хв, номінальний фазний струм 3,2 А, кратність пускового струму 6,5, ККД 82 %, cos   0,85 , Mn *  2,2 , Mmax *  2,6 ; фіг. 2), кожний вивід двигуна з'єднаний з мережею через комутатор (S1-S3, фіг. 2), ще три таких комутатори (S4-S6, фіг. 2) включені між виводами двигуна і нейтраллю мережі, крім того, до мережі підключена батарея конденсаторів 4 (С1 - С3 2,2 мкФ 630 В, фіг. 2), з'єднана "зіркою", нульова точка якої з'єднана з нейтраллю мережі. Схема керування містить мікроконтролер Atmel ATMEGA48PA, що працює з тактовою частотою 20 МГц. Передача від контролера сигналів управління затворами транзисторів комутаторів здійснюється за допомогою спеціалізованих оптопар Hewlett Packard HCPL3120. Комутатори можуть бути представлені двома тиристорами, що запираються (GTO або IGCT, фіг. 4, а), або двома IGBT транзисторами і двома діодами (варіанти на фіг. 4, б -г). Можливе також використання двох Reverse-Blocking (RB-IGBT) транзисторів по схемі фіг. 4, б. Пристрій працює в такий спосіб. 1 UA 101259 C2 5 10 15 20 25 30 35 Запуск двигуна відбувається при поступовому підвищенні напруги статора. Керування напругою пофазне, регуляторів напруги три: S1, S4 для фази A; S2, S5 для фази В; S3, S6 для фази С. Комутатори працюють на частоті, що значно перевищує частоту мережі (50 Гц), у наведеному прикладі частота перемикання комутаторів становить 2 кГц. Завдяки цьому вдається значно знизити рівень нелінійних спотворень статорних струмів двигуна і покращити пускові характеристики. Батарея конденсаторів, з'єднана "зіркою", обмежує імпульсні перенапруження, що викликаються індуктивністю мережі при перемиканні ключів. Для управління комутаторами використовується широтно-імпульсна модуляція. Розглянемо роботу регулятора напруги фази А. Комутатори S1, S4 включаються по черзі, причому скважність d включення S1 визначає вихідну напругу: UN  d  UAN - Змінюючи d від 0 до 1, можна змінювати напругу на статорі двигуна від 0 до 100 % напруги мережі. Перенапруга (викликана індуктивністями двигуна) при перемиканні комутаторів усувається за рахунок роздільного керування ключами, що входять до їх складу. Може бути застосована чотири- або двоступенева комутація, відома з матричних перетворювачів частоти. Ключі комутаторів мають бути розраховані на амплітуду фазної напруги мережі. Це дозволяє використовувати ключові елементи (наприклад, транзистори) з пробивною напругою 600 В при роботі в мережі з лінійною напругою 380-460 В. Для обмеження імпульсних перенапружень батарея конденсаторів з'єднана "зіркою", нуль якої підключено до нейтралі мережі. Векторна діаграма першої гармоніки напруг при пофазному управлінні наведена на фіг. 3. Випробування запропонованого пристрою показали зменшення пускового струму двигуна при збереженні пускового моменту, тобто покращення показника (Нм/А). Крім того, зменшився негативний вплив пристрою запуску двигуна на мережу живлення. Обидва ефекти пояснюються тим, що у порівнянні з прототипом значно зменшились нелінійні спотворення і несиметрія статорних струмів під час пуску. В запропонованому пристрої плавного запуску може бути використано алгоритм квазічастотного керування, що дозволяє підвищити пусковий момент двигуна при одночасному зниженні пускового струму. Також замість широтно-імпульсної модуляції може бути використане керування комутаторами з застосуванням алгоритму вибіркового виключення гармонік (Selective Harmonic Elimination, SHE), що дозволить знизити частоту переключення комутаторів і зменшити динамічні втрати потужності в них при збереженні рівня вищих гармонік статорних струмів двигуна. Крім того, оскільки комутатори повністю керовані, у пристрій може бути інтегрована функція захисту двигуна від аварійних режимів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Пристрій запуску двигуна змінного струму, що містить двонаправлені повністю керовані комутатори зі схемою керування ними, який відрізняється тим, що кожний вивід двигуна з'єднаний з мережею через комутатор, ще три таких комутатори включені між виводами двигуна і нейтраллю мережі, крім того, до мережі підключена батарея конденсаторів, з'єднана "зіркою", нульова точка якої з'єднана з нейтраллю мережі. 2 UA 101259 C2 3 UA 101259 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4