Построение ряда энергосберегающих асинхронных электроприводов на основе унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля

В настоящее время развитие систем управления электроприводом прочно занимает лидирующее положение во многих отраслях промышленности, данные системы обеспечивают бесперебойную и надежную работу технологических механизмов.

В качестве объекта управления наибольшее применение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современные системы управления асинхронным электроприводом реализуются на базе силовой полупроводниковой техники, возможности которой позволяют организовать регулирование выходных координат электропривода в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием [1].

Широкое распространение имеют системы управления напряжением питания статорных обмоток АД. Для построения высокоэффективных с точки зрения энергосбережения асинхронных электроприводов необходимо использовать теорию оптимального управления по критерию минимума потребляемой мощности потерь.

В свою же очередь, актуальной проблемой является унификация оборудования, поскольку высокая степень унификации оборудования позволит сократить затраты на изготовление дорогостоящего оборудования, зачастую являющегося уникальным, так как оно может применяться в конкретном приводе одной модели агрегата [2]. В системах управления асинхронными двигателями унификация может быть осуществлена путем использования аналогичных типов комплектующих элементов применяемого оборудования. В части структуры управления электроприводами вентиляционных, а также подъёмных механизмов переход определяется в первую очередь требованиями по ограничению максимальных токов в режимах пуска, тормоза и позиционирования.

Различия в требованиях к управлению статорным напряжением асинхронного двигателя в зависимости от типа и назначения установки послужили причиной для создания систем управления, существенно отличающихся друг от друга, что создает определенные трудности в изготовлении, наладке и эксплуатации оборудования. Для решения такого рода проблем появились предпосылки унификации силового и преобразовательного оборудования систем управления на единой аппаратурной базе [2].

Основной целью данной работы является повышение энергетических и экономических показателей эксплуатации ряда асинхронных электроприводов путем унификации преобразовательного элемента систем управления на базе трансформаторно-транзисторного модуля.

Трансформаторно-транзисторный модуль в качестве пуско-регулирующего устройства системы управления асинхронным электроприводом

По литературным источникам [3], при регулировании скорости изменением напряжения для вентиляторной нагрузки удается снизить энергопотребление в 1,5–2 раза. Экономия электроэнергии будет тем больше, чем меньше момент двигателя по сравнению с номинальным и чем больше работает двигатель с недогрузкой, то есть режим длительной продолжительности включения, причём значительную долю времени работа может происходить вхолостую при низких значениях коэффициента мощности. Данный режим не всегда обусловлен технологической необходимостью и часто объясняется стремлением избежать неблагоприятного влияния пусковых токов асинхронных двигателей (АД) на качество напряжения в распределительных сетях. Переход на повторнократковременную работу лишь во время нагружений увеличивает количество запусков привода в течение суток, требуя применения устройств плавного пуска в статусе обязательной составной части асинхронного привода.

Распространение пуско-регулирующих устройств (ПРУ) сдерживается отсутствием достаточно простых решений. Одной из эффективных возможностей повышения надежности и экономичности работы электроприводов с асинхронными двигателями является использование тиристорных регуляторов напряжения с фазовым регулированием, изменяя напряжение управления, можно плавно менять действующее значение напряжения на обмотках статора двигателя [4]. Однако данное техническое решение увеличивает потребление реактивной мощности, делая форму тока статорных обмоток АД прерывистой, а потому величину пускового момента исчезающе малой.

При снижении питающего напряжения на 30 % критический момент асинхронного двигателя уменьшается примерно в два раза, и при значительном статическом моменте двигатель может остановиться и оказаться под пусковым током [4], поэтому на интервалах установившейся работы использование ПРУ может быть направлено на симметрирование и поддержание постоянства напряжения питания АД. Условием сохранения высоких энергетических показателей АД является квазисинусоидальная форма тока статорных обмоток с минимальным содержанием высших гармоник. Выполнить эту задачу можно, если искажениям подвергается не всё статорное напряжение, а лишь его часть в виде изменяемой широтноимпульсным способом вольтодобавки [5, 6].

В пусковых режимах необходимость раздельного регулирования напряжения в фазных обмотках АД отпадает, предоставляя возможность существенного упрощения пуско-регулирующего устройства. На рис. 1 изображена схема ПРУ, выполненного по минимальной структуре на одном силовом транзисторе VT1 , размещённом в цепи по-

Рис. 1. Схема малоэлементного ПРУ с квазисинусоидальной формой токов в статорных обмотках асинхронного двигателя

стоянного тока на выходе с диодного моста VD1-6 , объединяя все три фазы первичных обмоток вол ь тодобавочного трансформатора. Можно видеть, что коммутации транзистора в этой схеме спосо бн ы привести к одновременному регулированию напряжения вольтодобавки во всех трёх статорных обмотках двигателя, причём этот процесс прои с ходит без прерывания и заметного искажения формы токов на сетевом входе и в статорных о бмотках двигателя [7].

Для защиты от возникающих в моменты з апирания VT1 коммутационных перенапряжений предусмотрен вывод избыточной электромагни тной энергии первичных обмоток в параллельно по д ключенный демпфирующий конденсатор С ф . Представленные на рис. 2 результаты компьютерного моделиро вания отражают протекание пуск ового режима в разомкнутой системе ПРУ -АД. Показа но, что плавное наращивание напряжения статорных обмоток с нуля до номинального значения U _cн мож но обеспечить уменьшением до нуля встре чно го напряжения обмоток вольтодобавочн ого трансформатора U а ( b , с ) ( t ) = U A ( B , C ) ( t ) - Δ U а ( b , с ) ( t ) → U сн при Δ U _а ( _{b , с} ) ( t ) → 0 . Требуемый закон изменения статорного напряжения задаётся формой упра вляющего сигнала x ( t ) на входе широтно -импульсного модулятора [8]. В данном случае этот сигнал обеспечивает возрастание статорного н а пряжения по линейному закону. Полученный пр о цесс плавного пуска с нулевых начальных знач е ний результирующего напряжения, тока статорных об моток и скорости вала иллюстрирует рис. 2, б.

Видно, что по сравнению с процессом прямого пуска (рис. 2, а) результат выражается в уменьшении на 50 % первоначального броска тока статорных обмоток Iа(t), Ib(t), Ic(t) и в соответствующем увеличении времени нарастания скорости вала n(t) [9].

Достигнутые изменения в гармоническом составе напряжения первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора открывают возможность существенного уменьшения массо-габаритных показателей, так как расчёт его магнитопровода может быть проведён, исходя из высокой несущей частоты модуляции. Одновременно с этим создаются предпосылки для повышения перегрузочной способности и надёжности ПРУ на базе трансформаторно-транзисторного модуля.

Трансформаторно-транзисторный модуль – главный элемент системы управления позиционным асинхронным электроприводом Типичными представителями группы электроприводов специальных промышленных устройств являются электроприводы кранов, подъемников периодического действия и экскаваторов.

Общим для этих установок является режим работы, при котором технологический процесс состоит из ряда повторяющихся однотипных циклов, каждый из которых представляет собой законченную операцию загрузки рабочего органа, перемещения его из исходной точки в пункт назначения и разгрузки. Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный на работу в интенсивном повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы электропривода: пуски, реверсы, торможения [4].

а)                                                              б)

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования фазных напряжений U_а ( t ) , U_b ( t ) , U_c ( t ) и токов I_a ( t ) , I_b ( t ) , I_c ( t ) статорных обмоток, а также скорости вала n ( t ) асинхронного двигателя в режимах прямого (а) и плавного (б) пуска

На рис. 3 изображена схема управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в энергосберегающих системах позиционирования на базе трансформаторно-транзисторного модулях, выполненного по минимальной структуре на одном силовом транзисторе, размещённом в общей для всех фаз трансформатора цепи первой или второй обмотки.

В случае соединения первичных обмоток по схеме звезды такой цепью является нулевая точка звезды, функции которой в схеме рис. 2 выполняет единственный силовой транзистор V0 и V8 на выходе диодного моста VТ1-VT6 и VТ9-VT14. Можно видеть, что коммутации транзисторов в этой схеме способны привести к одновременному регулированию напряжения вольтодобавки во всех трёх статорных обмотках двигателя (V0 во время пуска и позиционирования, V8 во время тормоза), при- чём эти процессы происходят без прерывания и заметного искажения формы токов на сетевом входе и в статорных обмотках двигателя. Для защиты от возникающих в моменты запирания V0 и V8 перенапряжений предусмотрен вывод избыточной электромагнитной энергии первичных обмоток в параллельно подключенные демпфирующие конденсаторы Сф.

Изменения статорного напряжения в режимах пуска, тормоза и позиционирования задаются формой управляющего сигнала x ( t ) на входе широтно-импульсного модулятора. Представленные на рис. 4 результаты компьютерного моделирования отражают образование ШИМ сигнала в зависимости от опорного x _оп( t ) и управляющего x ( t ) сигналов во время пускового и тормозного режимов в разомкнутой системе позиционирования [10, 11].

Рис. 3. Схема управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в энергосберегающих системах позиционирования на базе унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля

а)

б)

Рис. 4. Графики образования ШИМ сигнала управления транзисторами V0 и V8 в режимах пуска (а) и торможения (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в энергосберегающих системах позиционирования

Во время пускового режима происходит плавное наращивание напряжения статорных обмоток с нуля до номинального значения, полученного уменьшением до нуля встречного напряжения первичных обмоток w1 вольтодобавочного трансформатора U а ( b , с ) ( t ) = U A ( B , C ) ( t ) - Δ U а ( b , с ) ( t ) при Δ U а ( b , с ) ( t ) → 0, а в момент торможения напряжение статорных обмоток двигателя уменьшается за счет последовательного включения вторичной обмотки w2 вольтодобавочного трансформатора к сети от источника питания, причём чередование фаз для которого изменено для перехода двигателя в режим торможения противовключением: U а ( b , с ) ( t ) = U В ( А , C ) ( t ) - Δ U в ( b , с ) ( t ) при Δ U в ( а,с ) ( t ) → max. Полученный процесс плавного пуска с нулевых начальных значений результирующего напряжения и торможения противовключением показан графиками тока статорных обмоток и скорости вала на рис. 5.

Очевидно, что использование нерегулируемых режимов пуска, торможения и позиционирования асинхронного электропривода дает ограниченный набор возможных траекторий движения, чаще всего не удовлетворяющих требованиям технологического процесса. Поэтому переход к регулируемому электроприводу с возможностью формирования управляемых переходных процессов является объективной необходимостью удовлетворения требований современных технологических установок, а также дает возможность оптимизировать энергопотребление электропривода в целом.

В результате компьютерного моделирования позиционной разомкнутой схемы на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с использованием системы управления на основе унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля были получены графики мгновенной потребляемой мощности из сети по фазе А за время пуска и торможения асинхронного двигателя. Сравнение полученных графиков с графиками мгновенной потребляемой мощности из сети по фазе А при прямой работе двигателя от сети без использования регулирующих систем показано на рис. 6.

Технический результат рассматриваемого унифицированного трансформаторно-транзисторного

Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования фазных токов I a ( t ) , I b ( t ) , I c ( t ) статорных обмоток, а также скорости вала n ( t ) асинхронного двигателя в позиционной разомкнутой системе

а)

б)

Рис. 6. Графики мгновенной потребляемой мощности из сети Р _потр( t ) по фазе А за время пуска и торможения асинхронного двигателя в позиционных разомкнутых системах: а) не используя регулирующие устройства;

б) с использованием предлагаемого устройства

Электромеханические системы модуля заключается в расширении функциональных возможностей системы управления асинхронным двигателем, регулирование которого возможно как в двигательном, так и тормозном режимах при вращении двигателя в обоих направлениях.

Заключение

Высокая степень унификации позволит снизить стоимость оборудования на стадии проектирования и производства оборудования. При высоком уровне унификации оборудования достигается снижение эксплуатационных и ремонтных затрат, поскольку привод является самым дорогостоящим элементом [2].

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан унифицированный трансформаторно-транзисторный модуль для построения ряда энергосберегающих систем управления асинхронным двигателем.

По приведённым результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

• 1.    Предлагаемый вариант унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля в системах управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в энергосберегающих системах управления устраняет недостатки альтернативных решений, часто выражающихся в неоправданно большом количестве полупроводниковых ключей, а также в существенных искажениях напряжений и токов.

• 2.    Необходимость введения в схему ПРУ вольтодобавочного трансформатора технико-экономически оправдывается сравнительно малой, по причине кратковременности нагружения, установленной мощностью данного элемента, а также возможностью уменьшения массо-габаритных показателей трансформатора вследствие питания напряжением повышенной частоты.

• 3.    Применение унифицированного трансформа-торного-транзисторного модуля в системах управления асинхронного двигателя с короткозамкнутым дает возможность для решения задачи энергосбережения при оптимизации режимов пуска, торможения и позиционирования электропривода.

Работа выполнялась при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» (договор № 9533ГУ/2015 от 01.02.2015 г.)