Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Для управления асинхронным двигателем могут использоваться тиристоры в сочетании с релейно-контакторными аппаратами. Тиристоры применяются в качестве силовых элементов и включаются в статорную цепь, релейно-контакторные аппараты включаются в цепь управления.

Используя тиристоры в качестве силовых коммутаторов, можно на статор при пуске подавать напряжение от нуля до номинального значения, ограничивать токи и моменты двигателя, осуществлять эффективное торможение либо шаговый режим работы. Такая схема приведена на рис. 1.

Силовая часть схемы состоит из группы тиристоров VS1. VS4, включенных встречно-параллельно в фазы А и С. Между фазами А и В включен короткозамыкающий тиристор VS5. Схема состоит из силовой цепи (рис. 1, а), цепи управления (рис. 1, б) и блока управления тиристорами — БУ (рис. 1, в).

Для пуска двигателя включается автоматический выключатель QF, нажимается кнопка SB1 «Пуск», в результате чего включаются контакторы КМ1 и КМ2. На управляющие электроды тиристоров VS1. VS4 подаются импульсы, сдвинутые на 60° относительно питающего напряжения. К статору двигателя прикладывается пониженное напряжение, что приводит к снижению пускового тока и пускового момента.

Рис. 1. Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Размыкающий контакт КМ1 отключает реле KV1 с выдержкой времени, которая определяется резистором R7 и конденсатором С4. Размыкающими контактами реле KV1 шунтируются соответствующие резисторы в блоке управления, и на статор подается полное напряжение сети.

Для торможения нажимается кнопка SB2 «Стоп». Схема управления теряет питание, отключаются тиристоры VS1. VS4. Это приводит к тому, что на период торможения включается реле KV2 за счет энергии, запасенной конденсатором С5, и своими контактами включает тиристоры VS2 и VS5. Через фазы А и В статора проходит постоянный ток, который регулируется резисторами R1 и R3. Обеспечивается эффективное динамическое торможение.

Асинхронный двигатель с тиристорным регулятором напряжения

Скорость асинхронного двигателя (АД) можно регулировать изменением напряжения, подводимого к статору, при этом частота напряжения на двигателе не изменяется и равна частоте сети 50 Гц.

Для регулирования напряжения на статоре АД (рис. 8.11) наибольшее распространение получили тиристорные регуляторы напряжения (ТРН), которые обладают большим быстродействием, высоким КПД, небольшой стоимостью. В каждую фазу трехфазного ТРН включаются два тиристора по встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сети U₁. Тиристоры получают импульсы управления U_a от системы импульсно-фазового управления (СИФУ), которая обеспечивает их сдвиг на угол управления αа в функции внешнего сигнала U_y. Изменяя угол управления αа от 0 до 180°, можно регулировать напряжение на статоре от полного напряжения сети U₁ до нуля. Форма напряжения статора является несинусоидальной.

Несинусоидальное напряжение представим как совокупность нес-кольких синусоидальных напряжений –— гармоник с определенной час-тотой. Частота изменения первой из них (основной) равна частоте питающего напряжения f₁,ь а частоты других гармоник больше, чем первой. Основная гармоника имеет наибольшую амплитуду, и по ней ведутся все основные расчеты.На рис.8.14,(б)показаны механические характеристики АД при изменении напряжения на его статоре.

Регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости ХХωw₀ и не влияет на критическое скольжение s_K, но изменяет значение критического (максимального) момента М_Kк. Критический момент пропорционален квадрату напряжения: М_{K к}

Рис. 8.11.Схема асинхронного ЭП с тиристорным пусковым устройством

Скольжение s определяется зависимостью, где ω₀ – скорость идеаль-

ного холостого хода АД:

Скольжение sопределяется зависимостью

где w₀ — скорость идеального холостого хода АД.

Полная мощность на валу, включающая потери на трение и венти-ляцию:

где М – — электромагнитный момент двигателя.

Полная электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ро-тору через воздушный зазор:

Разность мощностей рассеивается в виде теплоты в активных сопротивлениях ротора. Потери в роторе определяются как

. (8.1)

Часть электромагнитной мощности, пропорциональная скольжению s, рассеивается в виде теплоты в обмотке ротора, другая часть, пропор-циональная (1 — s), передается на вал двигателя, т.е.

(8.2)

Т. о.,Способ регулирования скорости изменением напряжения является неэкономичным, так как потери в роторе при постоянном моменте наг-рузки возрастают пропорционально скольжению.

Из (8.1) получим выражение длямомент двигателя:

, (8.3)

где т –— число фаз статора; r₂–— сопротивление ротора.

.

В установившемся режиме работы момент двигателя М равен мо-менту сопротивления М_сМ_С. Для вентиляторной нагрузки

Вывод. Токи АД обратно пропорциональны .

Продифференцировав последнее выражение, легко показать, что токи имеют максимальное значение при s = 1/3 или ωw = 2/Зωw₀. Для постоянного момента нагрузки полу-чаем:

.

Рис. 8.12. Характеристика АД с повышенным сопротивлением статора

Cопротивление ротора является важным параметром, влияющим на токи двигателя. Для получения удов-летворительных режимов работы двигателя с вентиляторным моментом сопротивления на валу необходимо применять двигатели с повышенным сопротивлением ротора, обеспечи-вающим номинальное скольжение 10. 12 %. При работе с постоянным моментом нагрузки сопротивление ротора должно быть еще больше.

На рис. 8.12 приведены харак-теристики двигателя с повышенным сопротивлением ротора. Их сравнение с характеристиками на рис. 8.11 показывает, что при применении двигателя с повышенным сопротив-лением ротора удается несколько увеличить диапазон регулирования. Для рассматриваемого способа используются также двигатели с пере-менным сопротивлением ротора. Обычные глубокопазовые или двух-кле-точные двигатели в этих случаях оказываются малоэффективными. Луч-шие характеристики имеют двигатели с массивным ротором или клиньями, изготовленными в виде постоянных магнитов. В этом случае нагрев двигателя уменьшается, так как часть потерь в роторной цепи рассеивается вне двигателя.

Все перечисленные мероприятия не могут существенноо устранить потери в роторной цепи,что сильно ограничивает диапазон регулирования в этой системе. Для реверса АД, (см. рис.7.8,а) могут быть использованы обычные контакторы, которые переклю-чают два провода в цепи статора при отсутствии тока в силовой цепи, за счет предварительного устранить потери в роторной цепи, что сильно ограничивает диапазон регулирования в этой системе. Для реверса АД, рис.7.8,а, могут быть использованы обычные контакторы, которые переключают два провода в цепи статора при отсутствии тока в силовой цепи за счет предварительного запирания тиристоров. Бестоковая коммутация позволяет повы-сить безотказность работы контакторов. Реверсирование фаз статора можно осущес-твить также бесконтактным способом за счет включения дополнительных тиристор-ных групп (рис.8.13). При прямом враще-нии двигателя тиристоры дополнительных групп Х иУ закрыты.

Рис. 8.13. Схема тиристорного регулятора напряжения для реверсивной схемы

Рис. 8.14. Схема несимметричного регулятора напряжения асинхронного двигателя

Управляющие импульсы к этим ти-ристорам подаются в том случае, если группы А и С закрыты. При этом изме-няется порядок чередования фаз прило-женного напряжения к статору напряже-ния, и двигатель реверсируется. Группы Х и У должны открыватьсяпосле полного запирания групп A и C, в противном случае возникает режим КЗ. Для предотвращения режима КЗ в фазы статора включают датчики тока, которые запрещают перек-лючение тиристорных групп до тех пор, пока токи не станут равными нулю. На рис. 8.17 приведена схема, которая содержит только две пары тиристоров, а третья фаза наг-рузки подключена непосредственно к сети.

Схема регулятора напряжения может содержать только два тирис-тора, включенных в одну из фаз статора двигателя. Однако в несиммет-ричных схемах усугубляются проблемы, связанные с нагревом двига-теля, так как нагрузка между его фазами распределяется неравномерно и некоторые фазы оказываются сильно перегруженными. Для несиммет-ричной нагрузки линейные напряжения, приложенные к зажимам статора в общем случае не равны друг другу

Если магнитная цепь АД не насыщена, то система несимметричных напряжений с помощью метода симметричных составляющих заменяется двумя системами симметричных напряжений прямой и обратной после-довательностей, которым соответствуют магнитные потоки двигателя, вращающиеся в противоположных направлениях. Если принять угловую скорость прямого поля ωw_пр = ωw_о за положительную, то угловая скорость обратного поля ωw_обр = -ωw_о В соответствии с этим скольжение относительно поля прямой последовательности вычисляется по формуле

а последовательности:относительно поля обратной последовательности по формуле

Момент, развиваемый двигателем при асимметричной системе нап-ряжений, равен алгебраической сумме моментов, обусловлен­ных полями прямой и обратной последовательностей::

.

Поскольку каждая из рассматриваемых систем напряжений симмет-рична, для них справедливы известные формулы расчета момента АД.

Несмотря на все отмеченные недостатки, система ТРН-АД вследст-вие ее простого конструктивного исполнения, нашла широкое примене-ние в связи с тем, что она позволяет обеспечить плавный пуск и тормо-жение электродвигателя, ограничить пусковой момент и токи, изменять направление скорости АД. На базе ТРН изготовляются тиристорные ре-версивные и нереверсивные контакторы для пуска, реверса и торможе-ния АД.

Одна из реальных областей применения системы ТРН-АД связана с использованием ее в ЭП насосных и вентиляторных установок.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Асинхронный двигатель с тиристором схема

Александр Ситников (Кировская обл.)

Рассматриваемая в статье схема позволяет осуществить безударный пуск и торможение электродвигателя, увеличить срок службы оборудования и снизить нагрузку на электросеть. Плавный пуск достигается путём регулирования напряжения на обмотках двигателя силовыми тиристорами.

Устройства плавного пуска (УПП) широко применяются в различных электроприводах. Структурная схема разработанного УПП приведена на рисунке 1, а диаграмма работы УПП – на рисунке 2. Основой УПП являются три пары встречно-параллельных тиристоров VS1 – VS6, включенных в разрыв каждой из фаз. Плавный пуск осуществляется за счёт постепенного

увеличения прикладываемого к обмоткам электродвигателя сетевого напряжения от некоторого начального значения Uначдо номинального Uном. Это достигается путём постепенного увеличения угла проводимости тиристоров VS1 – VS6 от минимального значения до максимального в течение времени Тпуск, называемого временем пуска.

Обычно значение Uначсоставляет 30…60% от Uном, поэтому пусковой момент электродвигателя существенно меньше, чем в случае подключения электродвигателя на полное напряжение сети. При этом происходит постепенное натяжение приводных ремней и плавное зацепление зубчатых колес редуктора. Это благоприятно сказывается на снижении динамических нагрузок электропривода и, как следствие, способствует продлению срока службы механизмов и увеличению интервала между ремонтами.

Применение УПП также позволяет снизить нагрузку на электросеть, поскольку в этом случае пусковой ток электродвигателя составляет 2 – 4 номинала тока двигателя, а не 5 – 7 номиналов, как при непосредственном пуске. Это важно при питании электроустановок от источников энергии ограниченной мощности, например, дизель-генераторных установок, источников бесперебойного питания и трансформаторных подстанций малой мощности

(особенно в сельской местности). После завершения пуска тиристоры шунтируются байпасом (обходным контактором) К, благодаря чему в течение времени Траб на тиристорах не рассеивается мощность, а значит, экономится электроэнергия.

При торможении двигателя процессы происходят в обратном порядке: после отключения контактора К угол проводимости тиристоров максимален, напряжение на обмотках электродвигателя равно сетевому за вычетом падения напряжения на тиристорах. Затем угол проводимости тиристоров в течение времени Тторм уменьшается до минимального значения, которому соответствует напряжение отсечки Uотс, после чего угол проводимости тиристоров становится равным нулю и напряжение на обмотки не подается. На рисунке 3 приведены диаграммы тока одной из фаз двигателя при постепенном увеличении угла проводимости тиристоров.

На рисунке 4 приведены фрагменты принципиальной электрической схемы УПП. Полностью схема приведена на сайте журнала. Для её работы требуется напряжение трех фаз А, В, С стандартной сети 380 В частотой 50 Гц. Обмотки электродвигателя при этом могут быть соединены как «звездой», так и „треугольником“.

В качестве силовых тиристоров VS1 – VS6 применены недорогие приборы типа 40TPS12 в корпусе ТО-247 с прямым током Iпр= 35 А. Допустимый ток через фазу составляет Iдоп= 2Iпр= 70 А. Будем считать, что максимальный пусковой ток составляет 4Iном, откуда следует, что Iном