Обоснование области применения квазичастотного способа управления автоматизированным электроприводом

Каваре Ясер Хуссейн, асп. Сумской государственный университет.

Цель исследований - выявление достоинств и недостатков квазичастотного способа управления асинхронным электроприводом.

Выявленные параметры электротехнического комплекса “квазичастотный преобразователь - асинхронный двигатель” позволяют оценить его возможности и определить область применения. Несомненным достоинством объекта исследования является возможность средствами маловентильного силового полупроводникового коммутатора реализовать принцип частотного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Высокая жесткость механических характеристик двигателя в квазичастотном режиме позволяет получать стабильную частоту вращения ротора АД без применения обратных связей по скорости привода и в широком диапазоне моментов сопротивления. А существенное (примерно в 2 раза) увеличение максимального статического момента АД позволяет применять асинхронный двигатель для преодоления моментов сопротивления, существенно превышающих паспортное значение критического момента АД (соответствующего естественной механической характеристике АД).

Значимым преимуществом рассматриваемого объекта является возможность бесконтактного реверсирования двигателя при работе в квазичастотном режиме. Таким образом, чередование ступеней малых скоростей привода при повышенном моменте может быть использовано для автоматизации процесса разблокирования трансмиссии привода, что актуально для электроприводов транспортных установок (например, конвейеры для транспортировки сыпучих материалов).

К недостаткам объекта исследования следует отнести высокий ток, потребляемый двигателем в квазичастотном режиме эксплуатации. Этот недостаток усугубляется эффектом повышения потребляемого тока при наличии вращения ротора АД. Амплитудно-фазовые параметры электродвижущей силы (ЭДС) вращения АД, которая и обуславливает эффект повышения квазисинусоидального потребляемого тока, определяются непосредственно параметрами МДС двигателя и не могут быть изменены подключением внешних реактивных элементов. Некоторое снижение уровня потребляемого тока достигается последовательным включением значительной индуктивности в цепи статора АД. Однако более эффективным является ввод фазовых задержек на включение комбинаций полупроводниковых ключей квазичастотного преобразователя. Исследованиями установлены приемлемые электромеханические характеристики АД при осуществлении такого комбинированного управления в широком диапазоне углов фазовой задержки. Это позволит увеличить продолжительность квазичастотного режима. Однако автоматизировать процесс стабилизации потребляемого АД тока на заданном уровне можно путём введения обратной связи по потребляемому току с возможностью отключения комбинации силовых вентилей. Такое принудительное отключение может осуществлять силовая схема квазичастотного преобразователя, выполненная на транзисторных (IGBT) структурах.

Во всяком случае областью применения квазичастотного преобразователя являются асинхронные электроприводы, в процессе эксплуатации которых возможны непродолжительные ступени пониженных скоростей. Полученные параметры функционирования системы “квазичастотный преобразователь - асинхронный двигатель” позволяют создать условия для более продолжительной и энергетически эффективной эксплуатации асинхронного двигателя.

Обоснование структуры системы автоматического разблокирования трансмиссии электропривода

Опыт эксплуатации конвейеров для транспортирования сыпучих материалов свидетельствует о частых перегрузках их электроприводов, вызванных стопорениями рабочих органов. Тяжелые условия эксплуатации обусловлены, в частности, тем, что такой конвейер зачастую выполняет роль накопителя транспортируемого сыпучего материала в случае, если происходит отключение привода до освобождения става от имеющегося на нем груза. Если груз изначально влажный, то, находясь длительное время на ставе конвейера, он слёживается. Создаётся эффект “цементирования”. В результате существенно повышается момент сопротивления привода, что зачастую препятствует пуску АД. Разблокирование электропривода вручную - весьма трудоёмкий процесс, сопряженный со значительными простоями объекта. Поэтому разработка технических решений, позволяющих выявить подобную перегрузку и автоматизировать процесс разблокирования привода - весьма актуальная задача.

Выявленные возможности квазичастотного принципа управления АД позволяют её решить путем кратковременного включения АД вначале на напряжение частоты модуляции 7,14 Гц, а затем, спустя кратковременную паузу, на напряжение частоты модуляции 10,00 Гц обратного порядка чередования в фазах.

Схема реализации способа приведена на рис. 1. Её принцип действия заключается в следующем. Сигнал о несостоявшемся пуске привода может быть сформирован блоком токовой защиты (БТЗ) с плавающей вставкой по потребляемому току АД. В частности, при пуске АД эта вставка (І_вст) должна превышать 1,2 пускового тока (что соответствует обычной вставке срабатывания максимальной токовой защиты). По истечении времени 5с вставка (І_вст) снижается до 1,5 от номинального тока АД. Если к этому времени разгона АД не произойдет, его ток останется на уровне пускового, что и приведёт к срабатыванию защиты (І_вст < I_АД).

По команде БТЗ блок управления режимами (БУР) фомирует команду на отключение шунтирующего контактора КМ и далее, - команды по программе с соответствующими продолжительностями в последовательности: “пауза” - “U₁₀ - квазичастотное электропитание f_m = =10,00 Гц” (откат назад на малой скорости) - “пауза” - “U₇ - квазичастотное электропитание f_m = 7,14 Гц” (движение вперёд на малой скорости) - “пауза” - “U_KM - включение контактора КМ” (повторный пуск привода).

Для формирования управляющих импульсов квазичастотного режима электропитания АД предусматривается блок квазичастотного управления (БКУ), гальваническую развязку и усиление выходных сигналов последней осуществляет выходной развязывающий блок (ВРБ), который обычно строится на основе трансформаторной или оптронной развязки.

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПОНИЖЕННОЙ СКОРОСТИ ПРИВОДА С ОГРАНИЧЕНИЕМ ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА

Специфика способа преобразования напряжения посредством тиристорного регулятора, содержащего три пары встречно-параллельно соединённых вентилей, определяют область применения квазичастотных преобразователей, а именно: электроприводы технологических установок, условия эксплуатации которых обуславливают ограничение количества силовых полупроводниковых приборов в схемах преобразователей и предполагают кратковременную работу электроприводов на дискретных уровнях пониженных скоростей. Значительное увеличение статического электромагнитного момента АД при работе в режиме квазичастотного электропитания, сопровождаемое существенным повышением потребляемого тока, обусловило ограничение не только продолжительности данного режима, но и области его применения.

Несмотря на принципиальную возможность сочетания квазичастотного и фазового способов регулирования напряжения, подаваемого на АД, задача стабилизации величины квазисинусоидального тока на заданном уровне при использовании тиристорного регулятора не решается, т.к. моменты запирания тиристоров определяются величинами мгновенных значений сетевых напряжений и фазных ЭДС вращения АД и не могут быть скорректированы управляющими воздействиями. В данном случае существует лишь возможность фазовой задержки включения тиристоров [30]. Однако этого недостаточно для стабилизации квазичастотного тока на заданном уровне, поскольку такое его ограничение обеспечивается отключением группы тиристоров в момент достижения током заданного предельного уровня (рис. 2).

Рисунок 2 - Схема силового транзисторного формирователя квазисинусоидального напряжения

Реальной альтернативой схеме тиристорного регулятора является силовая транзисторная схема (рис. 2). Моменты отпирания групп силовых IGB-транзисторных ключей VT1-VT6 определяются в соответствии с принятым алгоритмом переключения. Особенность её применения заключается в возможности принудительного одновременного отключения всех транзисторов главной цепи силового коммутатора. С целью защиты от перенапряжений, возникающих вследствие коммутации индуктивного тока нагрузки, предусматривается неуправляемый трехфазный выпрямитель, подключенный непосредственно к выходу схемы и коммутируемый дополнительным силовым транзисторным ключом VT7 c полной управляемостью. Для защиты от лавинного пробоя каждый силовой транзисторный ключ должен шунтироваться емкостным снаббером (RC-цепь, формирующая “траекторию” выключения).

Такое решение, обеспечивая реализацию типового для тиристорной схемы алгоритма переключения групп полупроводниковых ключей, позволит производить отключение каждой группы в момент достижения током АД на интервале включения заданной величины.

Принцип ограничения величины квазисинусоидального напряжения поясняется диаграммой (cм. рис. 3), где квазисинусоидальные напряжения u_квА; u_квВ; u_квС формируются из отрезков синусоид фазных напряжений сети путем отпирания соответствующих транзисторов (U1-U6 - импульсы управления, предназначенные для отпирания транзисторов, соответственно VT1-VT6). С целью реализации функции ограничения величины квазисинусоидального напряжения (как вариант) вводится функция сравнения величин пилообразных импульсов U_п (на интервалах включаемых комбинаций транзисторов) и опорного напряжения U_оп, представляющего собой функцию коррекции параметров квазичастотного преобразования (в частности тока АД). Таким образом, достигается условие запрета на включение групп транзисторов VT1-VT6, а именно: U_п > U_оп.

Стабилизация величины квазисинусоидального тока на заданном уровне в этом случае может быть достигнута применением одноконтурной, замкнутой по величине потребляемого тока системой автоматического управления асинхронным электроприводом (рис. 3).

Рисунок 3 - Структурная схема системы автоматической стабилизации величины тока квазичастотного режима асинхронного двигателя: ЗТ - задатчик уровня тока; БКУ - блок квазичастотного управления; ВРН - вентильный (транзисторный) регулятор напряжения; ДТ - датчик потребляемого тока; М - асинхронный двигатель; БС - блок согласования выходных параметров ЗТ и ДТ

Предложенное решение расширяет возможности квазичастотного преобразователя, обеспечивая функцию регулирования величины тока, потребляемого АД, путем ограничения интервалов проводимости силового транзисторного коммутатора в зависимости от величины текущего опорного параметра (рис. 4).