Плавный пуск. От теории к практике Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Михаил ЕРМАКОВ

Michael.Ermakov@semikron.com

Плавный пуск.

От теории к практике

В статье описаны моменты, на которые следует обратить внимание при выборе элементов и тепловом расчете силовой части устройства плавного пуска.

Асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором — самый распространенный тип электродвигателей, применяемых в промышленности. На среднем промышленном предприятии парк приводов с использованием асинхронных электродвигателей достигает порой сотен, а то и тысяч единиц. И если с двигателями малой мощности проблем с пуском обычно не бывает, то для электромоторов средней и большой мощности (от 75 кВт и выше) прямое включение приводит к возникновению значительных пусковых токов, а момент двигателя при этом может превысить допустимое значение. Кроме того, резкое изменение момента при наличии люфта и зазоров приводит к динамическому удару в трансмиссии привода.

Величина пускового тока для большинства асинхронных двигателей находится в пределах 4.. .7 1ном и зависит от множества параметров электродвигателя (активное сопротивление обмоток, количество полюсов двигателя, величина зазора между ротором и статором, количество и форма пазов для укладки обмоток, конструкция «беличьей клетки», обмотки ротора и т. д.).

Недостатки прямого пуска очевидны:

1) снижение срока службы коммутационных аппаратов;

2) снижение срока службы самого двигателя;

3) перегрузка питающей сети (трансформатора подстанции), особенно если есть вероятность одновременного запуска двигателей, питающихся от одного трансформатора;

4) падение напряжения в сети, что негативно влияет как на сам процесс запуска двигателя, так и на остальных потребителей электрической энергии;

5) резкое изменение момента двигателя приводит к дополнительному износу трансмиссии привода, динамическим ударам в технологическом оборудовании. Тиристорное устройство плавного пуска,

или так называемый плавный пускатель, является самым распространенным решением проблемы прямого пуска. В данной статье мы попытаемся раскрыть и показать на практике основные моменты, с которыми сталкивается разработчик системы плавного пуска при выборе и расчете силовой части и системы охлаждения плавного пускателя или софт-стартера.

Выбор схемы силовой части

Основой силовой части тиристорного устройства плавного пуска является симистор-ный ключ (два тиристора, включенных встречно-параллельно). Возможны три варианта построения схемы силового каскада (рис. 1):

1) коммутация одной фазы;

2) коммутация двух фаз;

3) коммутация трех фаз.

Единственное преимущество первых двух

вариантов схемы — низкая цена по сравнению с третьим вариантом. Принципиальным же недостатком является перекос фазных токов и напряжений двигателя. В настоящее время стоимость силовых тиристоров существенно снизилась. Поэтому наиболее перспективным и экономически целесообразным

видится применение схемы с коммутацией всех трех фаз. Надо заметить, что при соединении обмоток двигателя в треугольник возможно включение симисторного ключа не в фазу цепи питания, а в разрыв обмотки (рис. 2). В таком случае ток каждого ключа в ^3 раз меньше фазного тока, что приводит к улучшению КПД устройства и позволяет использовать тиристоры на меньший ток.

Исходные данные (обобщенные параметры условного двигателя):

• напряжение — 380 В;

• номинальная мощность — 90 кВт;

• коэффициент мощности — 0,8;

• КПД — 0,9;

• номинальный ток — 189 А;

• максимально допустимая кратность пускового тока— 5х в течение 10 с (945 А в течение 10 с)

Таблица 1. Ориентировочные характеристики тиристорных ключей

SKKT 106

Номинальный Перегрузка 200% (длительный) ток в течение 10 сек

106

Irms, A

(W3C, Ta= 40 °C)

P3/180F

(W3C, Ta = 40 °C)

P3/180F

P3/180F

P3/180F

118/59

140/70

162/81

170/85

P16/200F

266/133

P16/200F

298/149

P16/200F

332/166

A

P16/200F

410/205

P16/200F

450/225

P16/200F

594/297

P16/300F

828/414

SEMIPACK®5

P16/300F

920/460

SKET 800

805

3xP16/200F

1440/720

3xP16/200F

1520/760

SKT 760

760

6xP17/130F

1250/625

6xN4/250F

1650

2160/1080

6xN4/250F

2500/1250

6xN4/250F

3300/1650

6xN4/250F

3600/1800

Circuit:

^ín 400 V

lout 779 A о— 1

^out 540 kW ІІп

f¡n 50 Hz о—

Th 80.00 *C

Device:

SKKT500

SKET800

Single rectifiers

Device:

SKT491_DSC SKT551_DSC SKT600 DSC

828 W 816 W

1201 W 937 W 966 W

r^T

4<F

TH3

nti'KI

TH5

тксКІ

Junction Temperature Tj

114 "С 101 ‘С

Junction Temperature Tj

114 °С 107‘C 102 °С

Рис. 3. Device Proposal. Результаты предварительного выбора тиристоров

Корпус

SEMIPACK® 1

SKKT 57

55

80

95

SKKT 72

70

85

105

SKKT 92

95

85

120

85

130

SEMIPACK®2

SKKT 122

122

88

220

SKKT 132

130

87

250

SKKT 162

160

83

279

SEMIPACK®3

SKKT 213

213

90

340

SKKT 253

253

85

359

SKKT330

330

80

460

SKKT 430

430

86

590

SKKT500

500

89

650

SEMIPACK®6

SKET 740

740

81

85

1245

80

900

SKT 1000

1000

85

SKT 1200

1200

85

1900

SKT 1800

1800

85

2450

SKT 2400

2400

76

2590

Как первоначальный выбор компонентов и схем включения, так и дальнейшее уточнение результирующих параметров разрабатываемой сборки тесно связаны с тепловым расчетом. Поэтому сейчас и в дальнейшем мы будем использовать программу теплового расчета SEMISEL. С онлайн-версией можно работать на сайте SEMIKRON: http://semisel.semikron.com.

Дистрибутив локальной версии программы (для установки на компьютер) доступен по адресу: http://www.semikron.com.ru/semisel.zip (6,2 Мбайт).

Выбор элементов

Для того чтобы выполнить тепловой расчет, необходимо сделать предварительный выбор элементов. В качестве исходного варианта можно использовать три модуля SKKT 430/14 E на радиаторе P16/300F.

Для справки: SKKT 430/14 E — модуль тиристор/тиристор в корпусе SEMIPACK 5, имеющий рабочее напряжение 1400 В, максимальный средний ток Íjav = 440 A (sin. 180; Tc = 85 °C). «E» в названии компонента означает стойкость ^U/dt (1000 В/мкс).

В обозначении радиатора: P16 — наименование профиля, 300 мм — длина, F — способ охлаждения (принудительный воздушный).

Возможные варианты тиристоров и тиристорных модулей для создания силового каскада плавного пускателя приведены в таблице 1.

На заметку: Используя новую возможность программы SEMISEL — Device Proposal, вы можете очень быстро сделать предварительный выбор силовых полупроводниковых приборов. Для этого необходимо выбрать схему (W3C — для плавного пускателя), ввести требуемые параметры (номинальное напряжение, частота, максимальный длительный ток и температура радиатора). Программа сама подберет возможные варианты, а в результатах предварительногорасчета (рис. 3) можно будет увидеть суммарную величину потерь и результирующую температуру кристалла тиристора. Только следует помнить, что максимальный длительный ток надо выбирать с соответствующим запасом, так как величину и длительность перегрузки Device Proposal не учитывает.

Выбор класса напряжения тиристоров

Учитывая качество наших сетей и то, что класс напряжения на стоимость модулей влияет не значительно (около 3% на каждые 200 В), выбираем рекомендованный программой 14-й класс — 1400 В (рис. 4). Выбрав класс напряжения прибора с запасом, мы не должны забывать о необходимости применения снабберных RC-цепей, которые не только защищают от коммутационных перенапряжений, но и ограничивают скорость изменения напряжения на выводах тиристора.

При подборе модулей в сочетании с теплоотводом мы рекомендуем использовать опыт ЗЕМЖИОЫ и ориентироваться на расчетные данные готовых сборок. Наш выбор (вККТ 430

+ Р16/300Б), например, основан на готовом решении от 8ЕМ1КИОЫ — сборке 8К8 620Б W3C 740 У22 (Umax = 690 В, длительный ток ^тах = 620 А при температуре окружающей

Рис. 4. Выбор тиристорного модуля

Таблица 2. Сборки SEMISTACK — готовые решения от SEMIKRON

Наименование Імакс, Длительно (Tamb= 35 °C)A Перегрузка 200% в течение 10 сек каждые 10 мин 1200%/1ном. (А) ином. В Вес, кг Используемые тиристоры

Неизолированные решения (построены на неизолированных тиристорах)

Естественное охлаждение

SKS 290N W3C 250 V16 290 404/202 500 SKT300

SKS 440N W3C 380 V16 440 702/351 500 60 SKT551

SKS 540N W3C 470 V16 540 861/430 500 60 SKT760

SKS 660N W3C 570 V16 660 1036/518 500 140 SKT760

SKS 780N W3C 670 V16 780 1286/643 500 140 SKT 1200

| Принудительное охлаждение

SKS 590F W3C 570 V16 590 668/334 500 SKT300

SKS 780F W3C 680 V16 780 1023/511 500 38 SKT551

SKS 1000F W3C 870 V16 1000 1439/719 500 38 SKT 1000

SKS 1000F W3C 1200 V22 1000 1439/719 690 38 SKT 1000

SKS 1200F W3C 1430 V22 1200 1770/885 690 38 AT 646

SKS 1470F W3C 1270 V16 1470 1902/951 500 SKT 1000

SKS 1770F W3C 1540 V16 1770 2244/1122 500 120 SKT 1000

SKS 2680F W3C 2320 V16 2680 3485/1742 500 125 SKT 1800

| Изолированные решения (построены на изолированных тиристорных модулях)

SEMIKUBE Thyristor 123 169/84 400 2,1 SKKT 92

SKS 200F W3C 170 V16 200 273/136 500 6 SKKT 162

SKS 290F W3C 250 V16 290 353/176 500 SKKT 162

SKS 470F W3C 410 V16 470 586/293 500 SKKT 250

SKS 580F W3C 400 V16 580 1000/500 400 22 SKKT 500

SKS 620F W3C 740 V22 620 849/424 690 19 SKKT 430

SKS 690F W3C 600 V16 690 958/479 500 19 SKKT 500

среды T = 35 °С или 560 А при T = 40 °C). Подробное описание параметров всех сборок можно найти на сайте компании в разделе продукции SEMISTACK (сборки) по адресу: www.semikron.com/mtemet/mdex.jsp?sekId=367

Список основных параметров сборок по схеме W3C (плавный пуск, регулятор переменного тока, 3-фазный AC-ключ, 3-фазный тиристорный коммутатор — это различные названия одной и той же топологии) приведен в таблице 2.

Изучив таблицу 2, можно заметить разницу между решениями с естественным и принудительным воздушным охлаждением. Например, сборки SKS 780N W3C 670 V16 и SKS 780F W3C 680 V16 рассчитаны на один и тот же длительный ток. Но выбор режима естественного охлаждения обусловливает применение более мощных ключей и массивных радиаторов. В первом случае используются тиристоры SKT 1200, которые более чем в два раза дороже, нежели SKT 551, выбранные в качестве силовых ключей для второго варианта. Массивный радиатор также негативно скажется на себестоимости плавного пускателя.

С другой стороны, чем больше масса радиатора, тем больше его теплоемкость. Это объясняет тот факт, что первый вариант (SKS 780N W3C 670 V16, естественное воздушное охлаждение) имеет большую перегрузочную способность, чем второй (I200% = 1286 А). На графиках зависимости номинального тока от длительности перегрузки (рис. 5, 6) это хорошо видно.

Можно также оценить, насколько влияет выбор типа системы охлаждения при использовании одного и того же номинала полупроводникового прибора. Так, используя тиристоры SKT 551, можно построить силовую сборку либо на ток 440 А с естественным воздушным охлаждением (см. табл. 2, SKS 440N W3C 380 V16), либо на ток 780 А с принудительным (см. табл. 2, SKS 780F W3C 680 V16).

На заметку: Используя новую возможность программы SEMISEL — StackSel, вы можете

Рис. 5. Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Естественное воздушное охлаждение

Рис. 6. Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Принудительное воздушное охлаждение

Рис. 7. StackSel — выбор готовой сборки

О 250. 500. 750. 1.k

Рис. 8. Результаты расчета. 3 х 1ном = 567 А в течение 10 мин

выполнить тепловой расчет на основе выбранной вами сборки и ваших исходных данных (мощность, ток, кратность и длительность перегрузки, температура окружающей среды — рис. 7). Таким образом, можно пересчитать и получить максимальный длительный ток для температуры окружающей среды, отличающейся от 35 °C, например 40 °C. Или проверить перегрузочную способность определенной сборки при других параметрах кратности и длительности перегрузки, например, 150% в течение 1 мин.

Тепловой расчет. Результаты

Используя исходные данные, просчитываем несколько вариантов.

1. Длительный режим, номинальный ток Ion, = 189 A

Находим схему (W3C), вводим основные параметры (Iout = 189 A, Overload factor = 1). Выбираем модуль SEMIPACK SKKT 430 (рис. 4). Опция «Use maximum values» позволяет анализировать наихудший вариант с учетом разброса параметров модулей. Далее вводим параметры системы охлаждения:

• температура охлаждающей среды Ta = 40 °C;

• режим принудительного воздушного охлаждения («forced air cooling»);

• тип радиатора P16_300_16B (16B означает, что используется вентилятор SEMIKRON SKF 16-B).

Поскольку мы предполагаем, что все три модуля расположены на одном теплоотводе, необходимо в графе «Number of switch per heatsink» (количество ключей на радиаторе) ввести 6 (3 модуля по 2 тиристора). Поскольку параллельное соединение модулей не используется, в соответствующем поле оставляем «1».

Кстати, опция «Additionalpower source at this heatsink» (дополнительный источник тепла на этом охладителе) позволяет учесть тепло, выделяемое другими элементами, расположенными на этом же радиаторе.

Расчеты показывают, что результирующая температура кристалла силового ключа (Tj = 68 °C) при заданных условиях меньше

предельно допустимого значения более чем на 60 °C.

2. 5х-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (5 х 1ном = 945 А в течение 10 с)

Вводим в поле кратности перегрузки (overload factor) значение 4. Получившееся при этом значение (Tj =121 °C) обеспечивает запас по перегреву 9 °C.

Получив удовлетворительный результат, можно подобрать соответствующую длительность режима перегрузки:

3. 4х-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (4х!ном = 756 А в течение 35 с)

Результат: Tj = 122 °C, запас по перегреву — 8 °C.

4. 3х-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (3х!ном = 567 А в течение 10 мин)

Результат: Tj = 125 °C, запас по перегреву — 5 °C. Заметим, что 10 мин — это практически установившийся режим (рис. 8). Исходя из этого, нетрудно предположить, что и паузу между пусками можно установить равной 10 мин. Проверить это предположение можно, задав в SEMISEL соответствующий цикл нагрузки в режиме «User defined load cycle».

Некоторые важные моменты, которые необходимо учитывать при расчете и выборе элементов силовой части плавного пускателя:

1. Есть два пути получения достаточно больших перегрузочных способностей (3х-крат-ные и выше): выбор более мощных тиристоров либо более массивных радиаторов (перегрузочная способность увеличивается за счет большей теплоемкости охладителя). Первый вариант является довольно дорогим, второй — увеличивает вес устройства. Еще один недостаток второго варианта — большая теплоемкость требует увеличения паузы между пусками.

2. Если ваш радиатор обладает достаточно высокой теплоемкостью, а плавный пускатель шунтируется сразу после запуска и не работает в длительном режиме на номинальную нагрузку, то эффективность теплоотвода (статическое тепловое сопротивление Rth) и наличие вентилятора будут влиять

только на скорость охлаждения и, соответственно, на минимальную паузу между пусками. Проще говоря, один из способов избавиться от принудительного охлаждения в плавном пускателе — иметь массивный радиатор и шунтировать тиристоры контактором сразу после запуска двигателя.

3. В базе данных программы ЗЕМКЕЬ и в описаниях на модули задано значение теплового сопротивления «корпус — теплоотвод» Rth(c-J). Это тепловое сопротивление зависит не только от конструкции самого модуля, но и от качества теплового контакта. В инструкции по монтажу модулей указаны определенные требования к качеству поверхности радиатора, значения момента затягивания крепежных болтов и толщина слоя теплопроводящей пасты. Соблюдайте указанные нормы, и результаты тепловых расчетов будут совпадать с результатами испытаний. Также имейте в виду, что реальное значение теплового сопротивления Rth(s-a) может отличаться от расчетного, поскольку один и тот же радиатор, в зависимости от размеров, количества и взаимного расположения модулей на нем, может иметь различные тепловые сопротивления. При выборе теплоотвода внимательно изучайте его технические характеристики, обычно в них указывается зависимость тепловых сопротивлений от длины радиатора, числа установленных модулей, скорости потока воздуха и т. д.

4. Вы все рассчитали и провели испытания разработанного вами устройства. Но почему-то реальная температура радиатора отличается от расчетной (измеренная обычно меньше). Прежде чем сомневаться в правильности своих расчетов, проверьте следующие моменты. Совпадает ли температура воздуха при испытаниях с используемой для расчета (анализ был проведен для Та = 40 °С)? В каком месте была определена температура? Расчетная точка измерения температуры радиатора находится

Рис. 9. Температура в различных точках радиатора

Рис. 10. Внешний вид сборки SKS 620F W3C 740 V22 (3 х SKKT 430 на радиаторе P16/300 + вентилятор SKF 16 B)

на его поверхности непосредственно в месте теплового контакта с модулем. А температура в этой точке может сильно отличаться от измеренной (рис. 9). Не забывайте также, что расчет был произведен с использованием опции «Use maximum values», а значит, мы анализировали самый худший вариант. Попробуйте применить режим «Use typical values», разница в результатах может достигать 20 °C. Если и это не помогло, вероятно, тепловые сопротивления в расчете не совпадают с реальными значениями (см. предыдущий пункт).

Предохранители

Как и любые другие полупроводники, тиристоры необходимо защищать от перегрузки и короткого замыкания. Для защиты тиристоров от повреждения токами короткого замыкания обычно используются быстродействующие предохранители. Для их правильного выбора в технических характеристиках тиристорного модуля приводится параметр Pt, значение которого обязательно должно быть больше соответствующего значения в технических характеристиках предохранителя. При этом следует проверить, пользуясь временно-токовыми зависимостями, выдержит ли предохранитель максимально возможные для нашего устройства перегрузки.

Выводы

Вышесказанное, конечно, не охватывает абсолютно все тонкости и детали выбора и расчета устройства плавного пуска. Мы не затронули вопросы, связанные с применением снабберных RC-цепей, необходимых для защиты тиристоров от перенапряжений и произвольного включения в случае превышения критического значения dU/dt, а также методику расчета скорости воздушного потока вентилятора, работающего на определенный охладитель и алгоритмы управления тиристорами.

В большинстве случаев разработчику, не искушенному в тонкостях разработки силового каскада, быстрее и выгоднее приобрести готовое решение. Компания SEMIKRON имеет богатый опыт не только в технологиях корпусирования силовых полупроводников, но и в производстве готовых сборок SEMISTACK.

Выбирая различные сборки и плату управления SKSS1 от SEMIKRON, вы получаете возможность в максимально сжатые сроки создать линейку устройств плавного пуска.

Клиенты компании SEMIKRON имеют богатый выбор стандартных силовых каскадов SEMISTACK (подробнее на сайте www.semikron.com), а девять центров разработки SEMIKRON и инженеры технической поддержки по всему миру всегда рады помочь клиенту в создании новых технических и конструктивных решений в области преобразовательной техники. ■