Построение ряда асинхронных электроприводов с улучшенными энергозатратными характеристиками на основе транзисторно-трансформаторного модуля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время развитие систем управления электропривода 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 пусковых режимах необходимость раздельного регулирования напряжения в фазных обмотках АД отпадает, предоставляя возможность существенного упрощения пуско-регулирующего устройства.

асинхронный электропривод статорный квазисинусоидальный

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

На рис. 1 изображена схема ПРУ, выполненного по минимальной структуре на одном силовом транзисторе VT1, размещённого в цепи постоянного тока на выходе с диодного моста VD1-6, объединяя все три фазы первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора. Можно видеть, что коммутации транзистора в этой схеме способны привести к одновременному регулированию напряжения вольтодобавки во всех трёх статорных обмотках двигателя, причём этот процесс происходит без прерывания и заметного искажения формы токов на сетевом входе и в статорных обмотках двигателя. [2]

Показано, что плавное наращивание напряжения статорных обмоток с нуля до номинального значения Ucн можно обеспечить уменьшением до нуля встречного напряжения обмоток вольтодобавочного трансформатора:

Uа(в,с)(t)= UA(B,C)(t)?ДUа(в,с)(t)>Uсн,

при ДUа(в,с)(t)>0. Требуемый закон изменения статорного напряжения задаётся формой управляющего сигнала x(t) на входе широтно-импульсного модулятора. В данном случае этот сигнал обеспечивает возрастание статорного напряжения по линейному закону. Полученный процесс плавного пуска с нулевых начальных значений результирующего напряжения, тока статорных обмоток и скорости вала иллюстрирует рис.2,б. Видно, что по сравнению с процессом прямого пуска (см.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). [3]

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.

Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования фазных напряжений Uа(t),Ub(t),Uc(t) и токов Ia(t),Ib(t),Ic(t) статорных обмоток, а так же скорости вала n(t) асинхронного двигателя в режимах прямого (а) и плавного (б) пуска

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]

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.

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

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 xоп(t) и управляющего x(t) сигналов во время пускового и тормозного режимов в разомкнутой системе позиционирования. [5].

Рис. 4. Графики образование 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, полученное уменьшением до нуля встречного напряжения первичных обмоток w1 вольтодобавочного трансформатора:

Uа(b,с)(t)=UA(B,C)(t)?ДUа(b,с)(t),

при ДUа(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:

Uа(b,с)(t)=UВ(А,C)(t)?ДUв(b,с)(t),

при ДUв(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.

Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования фазных токов Ia(t),Ib(t),Ic(t) статорных обмоток, а так же скорости вала n(t) асинхронного двигателя в позиционной разомкнутой системе

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.

Рис. 6. Графики мгновенной потребляемой мощности из сети Рпотр(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

Технический результат рассматриваемого унифицированного трансформаторно-транзисторного 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.

Список литературы

1. Макаров В.Г. Актуальные проблемы асинхронного электропривода и методы их решения [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: типография КГТУ - 2011, Выпуск 6, с.79-92.

2. Старостина Я.К. Малоэлементное пуско-регулирующее устройство для турбомеханизмов. [Текст] / Я.К. Старостина, С.Н. Сидоров // Известия самарского научного центра российской академии наук. - Самара: Изд-во Самарский научный центр РАН, 2014. - Т.16. №4-3. - с.624-626.

3. Патент на изобретение №2596218, РФ, Пускорегулирующее устройство для асинхронного двигателя/ Сидоров С.Н., Старостина Я.К.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU). - опубликовано 10.09.2016.

4. Бурулько Л.К. Электрооборудование промышленности. Электроприводы промышленных механизмов и устройств [Текст] / Л.К. Бурулько, Ю.Н. Дементьев // Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 180 с.

5. Старостина Я.К. Построение ряда энергосберегающих асинхронных электроприводов на основе унифицированного трансформаторно-транзисторного модуля [Текст] / Я.К. Старостина, С.Н. Сидоров // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - Челябинск: Изд-во: Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2017. - Т.17 №2 -с.67-74.

Размещено на Allbest.ru