CC BY
152
6. Внедрение и испытание систем регулирования нагрузок и устройств взвешивания горной породы на карьерных и шагающих экскаваторах (ЭКГ-20; ЭШ.20.90): Отчет о НИР /ЧПИ. № ГР 01880040550; Рук. А.М. Борисов. Челябинск, 1990. 310 с.
G. Puatibratov, A. Borisov
Increase of efficiency of application of high-speed electric drives of digging mechanisms of career dredges
It is shown, that adaptation offast semiconductor electric drives of power shovels contributes to energy saving and improves the operational reliability of electrical equipment. The objective is to draw attention of mining shovel developers and manufacturers to the opportunity of efficient use of active control methods for dynamical loads of digging mechanisms. It will improve the reliability of mechanical machinery and increase the performance capacity of shovels.
Keywords: the semi-conductor electric drive, dynamic loadings in elastic transfers of mechanisms, productivity increases.
Получено 06.07.10
УДК 621.771.3
С.Н. Басков, канд. техн. наук, доц., (3519) 22-45-87, sbaskov@mail.ru (Россия, Новотроицк, Новотроицкий филиал НИТУ "МИСиС"), М.Н. Давыдкин, асп., (3519) 29-85-29,
maksimdavydkin@rambler.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ), А.С. Коньков, асп., (3519) 22-45-87, konkov2010@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)
УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНО-ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Рассмотрен способ пуска синхронного двигателя, основанный на импульсном подключении статора двигателя к питающей сети в моменты, когда положения векторов потокосцепления статора и ротора формируют положительный пусковой момент. Представлены принципиальная схема экспериментальной установки, алгоритм ее работы и результаты экспериментов.
Ключевые слова: ударные токи, электромагнитные и механические ударные нагрузки, высоковольтные электродвигатели.
При прямом асинхронном пуске синхронного двигателя в цепи статора возникают ударные токи, которые могут превосходить номинальные в 7 - 14 раз. Эти броски тока вызывают большие электромагнитные и механические ударные нагрузки на двигатели и исполнительные механизмы. Многократные ударные нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящего технологического оборудования и к значительным затратам на его
ремонт. Кроме того, прямой пуск высоковольтного электродвигателя большой единичной мощности, сопровождаемый протеканием пусковых токов, сравнимых по величине с токами короткого замыкания, приводит к глубоким посадкам напряжения питающей сети при каждой операции пуска, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей. В связи с этим персонал предприятий, эксплуатирующий высоковольтные электродвигатели, старается обеспечивать их работу без остановок, возможно более длительное время, даже когда по технологии нет потребности в их работе. А это в свою очередь приводит к значительному перерасходу электроэнергии.
При внедрении систем плавного пуска повышается надежность работы агрегатов и систем их электроснабжения, так как исключаются механические электромагнитные и гидравлические ударные нагрузки. Обеспечивается возможность запуска электродвигателей большой единичной мощности от газотурбинных и дизельных электростанций ограниченной мощности. Увеличиваются сроки службы агрегатов с высоковольтным приводом и длительность межремонтных промежутков, исключаются глубокие просадки напряжений сети в режиме пуска двигателя, что обеспечивает надежное электроснабжение других потребителей электроэнергии подключенных к сети.
На сегодняшний день плавный пуск синхронных двигателей чаще всего осуществляется с отключенной обмоткой возбуждения, при этом используются все способы пуска, применяемые для асинхронных двигателей. Наиболее распространенным способом является плавное повышение напряжения на статоре, с помощью различных регуляторов напряжения. Основным недостатком этого способа является значительное снижение пускового момента, кроме того, возникают сложности в синхронизации с сетью при достижении подсинхронной частоты вращения.
Единственным способом, позволяющим осуществить плавный пуск синхронного двигателя с подключенной обмоткой возбуждения, без значительных бросков тока, является частотный пуск. Однако техническая реализация данного способа затруднена высокой стоимостью преобразователей частоты, особенно высоковольтных. Стоимостные и массогабаритные показатели источника питания (выпрямитель-инвертор) могут быть экономически оправданы только со стороны ограничений технологического процесса, в котором принимает участие конкретный синхронный двигатель.
Большой интерес представляет импульсный способ пуска [1], при котором обмотка якоря синхронного двигателя соединяется с сетью переменного тока через тиристорный коммутатор (рис. 1). Система управления (СУ) подает импульсы управления на тиристоры У81-УБ6, моменты подачи импульсов синхронизированы с положением ротора с помощью датчика положения ротора (ДПР). Импульсы тока статора, взаимодействуя с пото-
ком возбуждения ротора, создают импульсный вращающий момент. Среднее значение момента, а следовательно, и интенсивность пуска регулируется изменением параметров импульсов - длительностью, амплитудой, положением и скважностью посредством фазового управления тиристоров.
Рис. 1. Схема устройства импульсного пуска
Преимущества данного способа пуска заключаются в однократном преобразование энергии, отсутствии звена постоянного тока и высоковольтного реактора, естественной коммутации тиристоров и абсолютной устойчивости тиристорного преобразователя во всех режимах работы, естественной автоматической синхронизации с сетью при достижении синхронной частоты вращения. Вместе с тем этот способ обладает и недостатками: невозможностью ограничения пусковых токов синхронного двигателя, вследствие неполной управляемости тиристоров и необходимостью применения датчика положения ротора.
Авторами разработаны силовая схема и алгоритмы работы устройства плавного пуска, свободного от этих недостатков [2]. Схема (рис. 2) содержит трехфазный диодный мост и один силовой ЮВТ транзистор (или другой полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор)
146
коммутирующий обмотки статора на стороне постоянного тока, после диодного моста УЕ)1 - VI) 6.
К системе управления
Рис. 2. Силовая схема для векторно-импульсного управления с широтно-импулъсной модуляцией
Элементы 112, С1, УБ7 являются снабберной цепью, для защиты транзистора от бросков напряжение при коммутации. Сопротивление Ю -датчик тока для схемы защиты транзистора по максимальному току, сопротивление II1 может отсутствовать в схеме при применении приборов со встроенной защитой по току. Достоинство приведенной схемы - применение единственного полностью управляемого силового полупроводникового прибора. Недостатком схемы является то, что силовой транзистор должен быть рассчитан на максимальное напряжение, значительно превышающее напряжение сети. Так при питании синхронного двигателя от сети 380 В, необходимо применение ЮВТ-транзисторов на 900 ... 1200 В. Таким образом для питания высоковольтных синхронных двигателей придется применять каскадное включение силовых ключей, однако применительно к данной схеме эта проблема все же решаема, так как требуется только один ключ. Основным отличием от предыдущей схемы является то, что подключение обмоток статора к сети при достижении векторами потокосцепления ротора и статора требуемого взаимного положения в пространстве, возможно в режиме широтно-импульсной мо-
дуляции. Это позволяет реализовать регулируемое ограничение тока статора при пуске. Кроме того, разработан способ определения положения вектора потокосцепления ротора по мгновенным значениям фазных напряжений статора. Для этого система управления оснащена датчиками фазных напряжения статора, токов статора и датчика синхронизации с сетью. Для определения начального положения ротора так же используются мгновенные значения напряжений, которые наводятся в статоре при подаче напряжения возбуждения на неподвижный ротор [3].
Экспериментальные исследования предложенного устройства плавного пуска проводились на лабораторной установке с явнополюсным синхронным двигателем ГАБ-4 с номинальной мощностью Рн=1100 Вт, номинальной частотой вращения пн =3000 об/мин, номинальным напряжением ин= 380 В и током 1н=3 А. На рис. 3. приведены диаграммы электромагнитного момента и угловой скорости синхронного двигателя при векторно-импульсном способе пуска, с ограничением пускового тока на уровне 2 1н (кривая 1 - угловая скорость, кривая 2 - электромагнитный момент). Момент двигателя при векторно-импульсном способе пуска не принимает отрицательных значений, что благоприятно сказывается на динамике разгона двигателя.
160
-40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Рис. 3. Диаграммы векторно-импульсного пуска синхронного
двигателя
Для сравнения показателей векторно-импульсного способа пуска с наиболее распространенным асинхронным способом пуска от тиристорно-го регулятора напряжения на лабораторной установке был смоделирован асинхронный пуск с аналогичными начальными условиями. При пуске двигателя с помощью транзисторного регулятора напряжения появляются
сарад/с М-ЩНм О I 1!-1-1-1- -1-1-
-1 1
1 1
..... 1
| \ \ \ \ \ \ \ \
отрицательные пики электромагнитного момента, которые уменьшают средний пусковой момент синхронного двигателя. Время разгона двигателя при данном способе пуска в 2 раза больше, чем при векторно-импульсном способе. Кроме того, достигая подсинхронной скорости, при подключении обмотки возбуждения, двигатель совершает колебания возле синхронной скорости, после чего втягивается в синхронизм. При векторно-импульсном способе пуска ротор втягивается в синхронизм естественным путем без перерегулирования.
Таким образом, разработанный способ и устройство плавного пуска синхронных двигателей обеспечивают большее значение пускового момента, по сравнению с асинхронным пуском от тиристорного регулятора напряжения при одинаковом значении ограничения пускового тока. Простота силовой схемы позволяет реализовывать малогабаритные и недорогие устройства плавного пуска, в том числе и для высоковольтных синхронных двигателей.
Список литературы
1. Способ импульсного пуска синхронных машин/ И.Е. Овчинников [и др.]// Электротехника.1987.№3.С. 33-36.
2.Басков С.Н., Давыдкин М.Н. Векторно-импульсный способ пуска синхронных двигателей в компрессорных установках кислородно-компрессорного цеха ОАО «Уральская сталь»// Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 1. С. 99-102.
3.Басков С.Н., Давыдкин М.Н., Коньков А.С. Способ определения положения ротора синхронного двигателя// Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 14-18 декабря 2009 г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. С. 69-72.
S. Baskov, M. Davydkin, A. Konkov
Unit of smooth start-up of high-voltage synchronous motor with vector-impulse control
The starting method for a synchronous motor based on impulse connection of the motor's stator with the power system when the positions of stator and rotor flux linkage vectors make positive starting torque is considered. The action chart of the experimental installation, its operating algorithm and the results of the experiments is shown.
Keywords: surge current, electromagnetic and mechanical shock loadings, highvoltage motors.
Получено 06.07.10
